课件：激光器和探测器.ppt

激光器和探测器,激光器和探测器,编写：师岩峰 ,简介,激光器和光探测器是光通信器件和模块中两个重要的组件 他们占用光器件和光模块大部分成本：器件的70%或模块的30% 他们的性能直接决定了光器件和光模块的指标、性能和品质 掌握和了解激光器件和探测器的相关知识，有助于对产品的了解，帮助我们进行研发、生产和品质管理。,光、可见光、光源、激光,光是一种电磁波 可见光是光的一种，人眼可观察到的光的波长是470-700nm 能发出光的物体叫光源，不管发出的是可见光或是不可见光 激光是不可见光，是电磁波。,电磁波谱,半导体的能带,量子跃迁,光的受激发射：光子激励导带中的电子与价带中的空穴复合，产生一个所有特征（频率、相位、偏振）完全相同的光子。它是半导体激光器的工作原理基础。,光的产生,光是一种电磁波，同时光又是由光子组成的，这称为光的“波粒二相性” 电子跃迁到高能态后，是不稳定的，它随时会返回低能态，这时候它所携带的多余的能量释放出来，就产生一个光子 在自发辐射状态下释放的光子数量很少，而且包含多种频率，所以能量不集中,自发辐射和受激辐射,光辐射分为两类：自发辐射和受激辐射 “自发的”就是光辐射在没有外因的情况下发生的，受激光电子在没有诱因的条件下由导带进入价带。 如果让一个外来的光子击中一个受激的电子，它们之间相互作用，产生一个新的光子辐射，这就是受激辐射。,受激辐射的特征,外来光子激发一个带有相同频率（波长）的辐射，保证所得到的辐射光的光谱很窄。 由于所有光子都是同一方向辐射，因此激光二极管的光电转换效率和输出功率很高。 所有受激光子的发射方向都与激发它们的光子相同，因此受激光有很好的定向性。 由于受激光子仅在有外来光子激发它们的时候才辐射，这两种光子是同步的，时间上是一致的。,导体 绝缘体 半导体,光通信中所用的光源-LED,LED： Light Emitting Diode，发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光（非激光） LED的心脏是一个半导体的晶片 优点：省电、寿命长、高亮、低热 缺点：能量不集中 其它用途：照明、美化,光通信中所用的光源-激光器,激光：激光的最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词头一个字母组成的缩写词。意思是“通过受激发射的光放大“。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议改称“激光”。 有意思的是，激光器不是光放大器，而是激光产生器。另有光放大器，如EDFA（掺铒光纤放大器）、SOA（半导体光放器） 激光器有很多种：红宝石激光器、气体激光器、半导体激光器。光通信中常用的是半导体激光器,半导体激光器的产生原理,基本条件： 1工作物质：有源区载流子反转分布 2谐振腔：使受激辐射多次反馈，形成振荡 3满足阈值条件，使增益损耗，有足够的注入电流。,正反馈和谐振腔,为了得到所需功率的激光，需要数百万个光子，采用的方法是在激活层的一端放上一面“镜子”，光子不断地被反射回激活层，产生的光子就成几何倍增加。 两面镜子实现光的正反馈，组成谐振腔。,F-P腔激光器和DFB激光器,面发射激光器,FP激光器,FP：Fabry-Pero，法国物理学家法布里和珀罗于1897 年发明光干涉仪 为了进一步提高激光发射效率，使用特别薄的激活区，称为“量子阱” FP激光器TO：全称是“TO封装多量子阱 FP 腔激光器” 它是一种多纵模激光器，可以理解为多波长,FP激光器参数表,FP激光器参数,阈值电流（Ith）:激光二极管开始振荡，产生激光时的正向电流。 驱动电流(Iop)：输出额定光功率下所需的总电流。输出光功率（Po）：工作电流下辐射出的最大连续光功率。 输出光功率（Po）：工作电流下辐射出的最大连续光功率。,FP激光器参数,峰值波长（p）：在规定输出功率下，最大强度的光谱波长。 P-I曲线：总发射功率（P）与注入电流（I）的关系曲线。 耦合效率：激光器出纤光功率与激光二极管发射光功率的比值。,工作电流和功率,I（mA）,P（mW）,Ith,Iop,Po,PI曲线和激光器工作原理,温度特性,拐点,光功率,芯片的发光功率,汇聚后的光功率,入纤光功率,耦合效率,背光探测器,芯片的发光功率,LD,PD,背光探测器的作用： 调节驱动电流，达到功率平衡,功率,背光电流,驱动电流,功率,波长、平均波长、峰值波长、中心波长,波长：物理概念，一个波的长度 平均波长：一个激光器发射出的所有光谱 即模式的加权平均值 峰值波长：一个激光器光功率值最大的波长 中心波长：激光器发射光谱中，最大的单纵模波长的中间值,2019/8/24,27,可编辑,工作物质,是指用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系 它可以是固体（晶体、玻璃）气体（原子气体、离子气体、分子气体）、半导体和液体 激光器的工作物质决定了辐射的激光波长,激光器波长示意图,红色为峰值波长、绿色为中心波长,FP激光器波长,一个激光器管芯发出的光含有很多种波长 不同波长的功率相差很大 不同的材料发出的波长不同，没有任何一种材料只发出一种波长 FP激光器的辐射出的波长由两个镜子（谐振腔）之间的距离决定，可以有无限多个，但是只有增益大于损耗，才产生光 2L/=N,N是一个整数,上升时间和下降时间,上升时间（Tr）：激光器额定功率从10%上升到90%所用的时间 下降时间（Tf）：激光器额定功率从90%下降到10%所用的时间 上升时间和下降时间跟材料的性质有关 直接决定了器件的速率，1.25G产品意味着每秒钟信号变化2.5x109次，每个信号的时间是4ns。如果是10G的产品呢？,上升时间和下降时间对传输速率的影响,时间（ns）,功率（mW）,上升时间造成1信号延迟 下降时间造成0信号延迟,速率增加，脉冲变窄，则会造成1，0不分,FP激光器光谱图,光谱宽度,P,3dB谱宽：从峰值波长的功率算起，功率下降一半，光谱的宽度，以nm表示 FP激光器的光谱宽度一般为3nm左右,谱宽过大，造成脉冲展宽，从而1，0不分,光谱宽度限制了FP激光器的速率,f= -(c/),DFB激光器,为了降低光谱宽度，需要使激光器发射一个纵模，分布反馈式（DFB）激光器是一种 DFB：Distributed Feed Back 布拉格光栅的工作原理跟镜子相似，但它仅选择性地反射一种波长的光 2neff=,T是光栅周期，neff是介质折射率 “分布”是指反射并不只是发生在一个点上，而是被散布在激活区的许多点上,VCSEL,Vertical Cavity Surface Emitting Laser，垂直腔面发射激光器 FP和DFB激光器都是边发射激光器，这些激光器产生的光束都成10x30 优点：谐振腔的尺寸非常小（2m）这使得两个邻近纵模之间的模间隔可以很大；VCSEL激光器有着很小的尺寸，小尺寸伴随着低功耗（10mA产生3mW）和高开关速度；输出光束是圆形而非边发射激光器的锥形；制造技术与电子芯片的技术非常相似。 缺点是目前仅能用于850nm,边发射和面发射,边发射和面发射,10,30,FP和DFB激光器发射出来的光是椭圆光，耦合时，与插针斜8度相对应时，光功率最大,VCSEL发出的光是圆形的，容易耦合,激光器TO的封装,发光条,背光探测器,高速激光器封装,接收器功能框图,激光器工作电路,功率偏移 与调制控制,数据转换单元,温度控制,数据,时钟,激光器驱动部件,LD,PD,致冷器,光纤,发送器信号,输出功率报警与监测,温度报警与监测,光接收器-光探测器,发光二极管和激光器将电信号转化为光信号，光电二极管将光信号转化为电信号 外界的光子射入半导体，分离出电子和空穴，这些自由的载流子的流动形成电流，这种电流称为光电流 产生电流与射入光功率的比值称为响应度R=I/P 射入的光功率越大，产生的光电流越大，但到一定程度，会产生饱和。,155M光探测器参数,1.25G探测器参数,响应度和波长的关系,响应度与波长成正比，波长越长，相同功率下含有的光子数越多，产生的电流就越大 我们的PIV测试台，测试1310nm和1550nm时会分别选择不同的参数，是为了修正响应度 常用的光功率计在测试不同波长时，要选择波长一项，也是为了修正响应度 我公司有种850nm的产品，使用的是1310nm探测器做接收，当然是可以用的，但是灵敏度比较低,光探测器的带宽,带宽：在没有重大错误（误码）的情况下，光电探测器所能检测的最大频率，或比特率 限制光探测器的两个因素：一是传送时间，即收集光子产生电子的时间 ；二是光电二极管的内部电容 C=BWxlog2(1+SNR),C是比特率，BW是带宽，SNR是信噪比 155M探测器的带宽为115MHz，1.25G探测器带宽为670MHz,探测器参数,上升下降时间：类似于激光器的相关指标。155M为4.5ns，1.25G为0.3ns 工作波长：探测器一般都是宽波长工作范围的，InGaAs(砷镓铟)工作波长范围1270-1620nm，GaAs(砷化镓)工作波长范围770-860nm 灵敏度（S）：在工作速率下，当误码率为某一数值时的最小可接收的光功率。 饱和光功率（Ps）：在工作速率下，当误码率为某一数值时的最大接收光功率。,光探测器的噪声,表面上光电探测器的灵敏度是由暗电流决定的，实质上光电二极管的噪声真正限制了光接收器的灵敏度 散粒噪声、热噪声、暗电流噪声 信噪比（SNR）:信号功率与噪声功率之比。是光电二极管的最重要的标准之一,几种常用的光探测器,原则上光探测器只是一个感光半导体，实际的产品加了TIA（前置放大器）,单PIN,OUT+,OUT-,Vcc,APD-雪崩光电二极管,为了得到更好的灵敏度，需要使用放大器将光电流更大的放大，但是同时放大器会引入电路噪声。 如果光电探测器不用外界的放大器放大光电流，就不会引入电路噪声。APD正是因此而设计 。 APD采用特殊的PIN结构，对其施以