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1 光器件基础知识 第一章光纤通信简介 1 1光纤通信的基本含义和发展历程 光纤通信 利用激光作为信息的载波信号并通过光导纤维来传递信息的通信系统 发展历程 我国周朝 烽火台1880年 贝尔发明光电话 利用光载波信号来传送话音 2 光器件基础知识 1960年 世界上第一台激光器研制成功1970年 第一根低损耗光纤 20dB Km 研制成功 美国康宁公司 美国贝尔实验室成功研制能在室温条件下连续工作的半导体激光器1974年 美国贝尔实验室成功研制出损耗为1dB Km的光纤 化学气相沉积法 MCVD 3 1976年 日本电话电报公司研制出损耗更低的光纤 0 5dB Km 20世纪70年代末期 光纤通信系统实现第一次业务运营20世纪80年代后期 光纤损耗已经降低到0 16dB Km1988年 第一条跨大西洋光缆投入运营 光器件基础知识 4 光器件基础知识 1 2光纤通信的主要优点 通信容量大 光纤的可用带宽较大 一般在10GHz以上 而金属电缆存在的分布电容和分布电感实际上起到了低通滤波器的作用 限制了电缆的传输频率 带宽以及信息承载能力 传输距离长 光缆的传输损耗比电缆低 因而可传输更长的距离 5 抗电磁干扰 光纤通信系统避免了电缆由于相互靠近而引起的电磁干扰 光纤的材料是玻璃或塑料 都不导电 因而不会产生磁场 也就不存在相互间的电磁干扰 抗噪声干扰 光纤不导电的特性还避免了光缆受到闪电 电机 荧光灯及其他电器源的电磁干扰 EMI 外部的电噪声也不影响光频的传输能力 此外 光缆不辐射射频 RF 能量的特性也使它不会干扰其他通信系统 所以现已广泛应用于军事上 适应环境 光纤对恶劣环境有较强的抵抗能力 它比金属电缆更能适应温度的变化 腐蚀性的液体或气体对其影响也较小 重量轻 安全 易敷设 光器件基础知识 6 光器件基础知识 保密 光纤不向外辐射能量 很难用金属感应器对光缆进行窃听 寿命长 1 3光纤通信系统的基本组成与发展概况 基本组成 光发送机 光接收机 光纤 光缆 和各种耦合器件 7 光器件基础知识 以点到点的光纤通信系统为例 8 发展概况 光器件基础知识 第1代光纤通信系统 20世纪70年代末大量投入运营 由0 85 m的光源和多模光纤构成 第2代光纤通信系统 20世纪80年代初 采用1 3 m的半导体发光二极管或激光二极管作为光源 再加上多模光纤 第3代光纤通信系统 自20世纪80年代后期以来 采用1 55 m作为工作波长 以色散位移光纤作为传输媒介 第4代光纤通信系统 采用波分复用 WDM 技术 现已开始投入运营 9 光器件基础知识 第5代光纤通信系统 基于光纤非线性压缩抵消光纤色散展宽的新概念产生的光孤子研究 经过20多年的研究发展 有了突破性进展 光纤通信系统虽然经历了5代的发展 但目前应用最为广泛的不外乎两种系统结构 点到点的直接强度调制 直接检测 IM DD 系统 根据传输信号的性质不同 又可分为数字光纤通信系统和模拟光纤通信系统两种 波分复用 WDM 光纤通信系统 10 第二章半导体物理基础知识简介 光器件基础知识 2 1原子的能级结构 原子由原子核和核外电子组成 原子核带正电 电子带负电 原子核所带的正电与核外电子所带的负电的总和相等 因此 整个原子呈电中性 电子在原子中的运动轨道是量子化的 轨道的量子化是指原子中的电子以一定的几率出现在各处 即原子中的电子只能在各个特定轨道上运行 不能具有任意轨道 电子的能量不能取任意值 而是具有确定的量子化的某些离散值 是不连续的 这些分立的能量值叫做原子的能级 原子结构模型图 11 粒子分立能级示意图 当原子中电子的能量最小时 整个原子的能量最低 这个原子处于稳态 称为 基态 当原子处于比基态高的能级时 称为 激发态 通常情况下 大部分原子处于基态 只有少数原子被激发到高能级 而且 能级越高 处于该能级上的原子数越少 光器件基础知识 12 2 2固体的能带结构 光器件基础知识 电子的共有化 在正常状态下 原子中的电子并不能都处于最低能级上 因为泡利不相容原理指出 每一能级上至多只能有两个电子 而且它们的自旋方向还必须相反 能量愈高 相邻能级的间隔就越小 电子从下一能级过渡到上一能级也就越方便 当电子从原子中挣脱出来 而进入离子化状态后 这时能量已没有一级一级的差别 而在能量图上形成一个能量连续的区域 这时电子可以自由运动 所以称为自由电子 13 电子的共有化是一种量子效应而非古典的性质 由于原子离得很近 每个电子不仅受到本身原子核的作用 还受到相邻原子核的作用 这种作用对于内电子和价电子的影响是不一样的 内电子被本身原子核牢牢地束缚着 所以所受的影响并不显著 价电子却不然 它的轨道大小和相邻原子间的距离是相同数量级的 所以所受的影响很显著 按照古典物理 电子是不能从一个原子转入另一个原子里去的 而量子力学却容许电子通过隧道效应进入另一个原子 这样 价电子就不再分别属于各个原子 而被整个晶体中原子所共有 这就是电子的共有化 2 能带的形成 量子力学证明 晶体中电子共有化的结果 使原先每个原子中具有相同能量的电子能级 因各原子的相互影响而分裂为一系列和原来能级很接近的新能级 这些新能级基本上连成一片 而形成能带 能带中不允许存在能量状态的区域称为带隙 也叫禁带 带隙宽度用电子伏特 eV 表示 光器件基础知识 14 带隙下方与价电子对应的低能量区称为价带 它是由价电子能级分裂形成的能带 价带上方高能量区称为导带 价带中的能级若没有被电子全部填满 电子可以进入未被填充的高能级 从而形成定向电流 这样的能带称为导带 导带底的电子能量比价带顶的电子能量高 其值等于带隙宽度Eg 简称带隙的能量 能带中的各个能级都被电子所填满的能带 称为满带 满带中的电子不能起导电作用 光器件基础知识 导带 晶体的能带结构 15 3 导体 半导体和绝缘体的能带结构 光器件基础知识 导体 电阻率为10 8 102欧姆 米的物体 绝缘体 电阻率为108 1016欧姆 米的物体 半导体 电阻率则介于导体与绝缘体之间 如硅 硒 碲 锗 硼等元素以及硒 碲 硫的化合物 各种金属氧化物和其他许多无机物质 从本质上说 半导体和绝缘体在能带结构上没有什么差别 不过半导体的带隙较窄 约从十分之几eV到1 5eV 而绝缘体的带隙较宽 约从1 5eV到十个eV 在任何温度下 由于电子的热运动 将使一些电子从满带越过禁带 激发到导带里去 因为导带中的能级在被热激发电子占据之前是空着的 所以电子进入导带后 就有机会在电场作用下 沿着电场相反的方向运动 去占据新的能级 这种定向运动的结果就使晶体能够导电 绝缘体的禁带一般很宽 所以在一般温度下 从满带热激发到导带的电子数是微不足道的 这样 它的外在表现便是电阻率很大 半导体的禁带较窄 所以在一般温度下 热激发到导带去的电子数也较多 电阻率因而较小 16 光器件基础知识 导体和半导体之间 不仅在电阻率的数量上有所不同 而且还存在着质的区别 有些导体 并没有价带存在 一些被电子占有的能级和空着的能级紧紧地挨在一起 另一些导体 虽然也有价带 但这些价带和导带交迭在一起形成一个统一的宽能带 在这些情形里 如有外电场作用 它们的电子很容易从一个能级跃迁到另一能级 而显示出很强的导电能力 因而电阻率也就很小 4 半导体的特性 半导体之所以能成为制作半导体元器件的材料 并不是因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间 而是由于它具有一些独特的导电性能 如光电导效应 光生伏特效应和温差电效应等 本征半导体 纯净的半导体单晶称为本征半导体 它的导电性取决于价带中电子向导带的跃迁 因此 在外电场作用下 既有发生在到导带中的电子的定向运动 又有发生在价带中的电子的定向运动 它兼具电子导电和空穴导电的两种机构 这类导电性称为本征导电 17 自由电子和空穴 在绝对温度0K 即 273 又无外部激发时 由于共价键中的价电子被束缚着 半导体中没有可以自由运动的带电粒子 载流子 因此 即使有外电场的作用也不能产生电流 此时的半导体相当于绝缘体 但是当有外部激发 如温度升高或光照时 就会使一些价电子获得能量后 挣脱共价键的束缚 而成为自由电子 也叫电子载流子 电荷量为 q 这种现象叫做本征激发 当价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子后 在共价键中就留下一个空位子 叫空穴 如下图所示 而邻近的共价键内的价电子就会跑过来填充 在原来的位置产生一新的空穴 这种情况相当于空穴在移动 空穴是由于失去价电子形成的 所以它是带正电的载流子 光器件基础知识 硅或锗材料的共价键结构 18 光器件基础知识 杂质半导体 在本征半导体中 人为地掺入少量其他元素 称其为杂质 就可制成杂质半导体 杂质半导体的导电性能与本征半导体相比有了非常显著的改变 杂质既可以提高半导体的导电能力 还能够改变半导体的导电机构 根据掺入杂质性质的不同 可分为电子型半导体和空穴型半导体两种 因为电子带负电 取英文单词 Negative 的第一个字母 所以电子型半导体又称为N型半导体 空穴带正电 取英文单词 Positive 的第一个字母 所以空穴型半导体又称为P型半导体 5 PN结 在一块半导体的一端掺入受主杂质 形成P型半导体 另一端掺入施主杂质 形成N型半导体 于是在它们的交界处 就形成了一个PN结 PN结是许多半导体器件的重要组成部分 19 光器件基础知识 PN结的形成 在室温下 P型半导体内每一个受主杂质将产生一个空穴 同时形成一个负离子 N型半导体内每一个施主杂质将产生一个自由电子 同时形成一个正离子 于是 在两种杂质半导体的交界处 由于P型半导体 又称P区 内空穴为多子 N型半导体 又称N区 内电子为多子 存在很大的浓度差 所以 空穴将越过交界面由P区向N区运动 同理 电子也会由N区向P区运动 通常把这种现象称为扩散 如图所示 载流子分布浓度差引起扩散运动 20 光器件基础知识 扩散运动的结果 一是进入对方区域后 多子身份变成为少子 很快就被复合掉了 另一个是在交界面两侧留下了不能移动的正负离子区 亦称空间电荷区 如下图所示 平衡状态下的PN结 21 光器件基础知识 这个区域的载流子因扩散和复合而消耗掉了 所以又称为耗尽区 在交界面两边的正负电荷间必然有电场存在 这个电场称为内建电场 电场方向由N区指向P区 它所产生的电位差UD 又叫接触电位差 使N区的电位高于P区的电位 由图可见 这个电场具有阻止多数载流子扩散的作用 所以 人们又把耗尽区称为势垒区或位垒区 与此同时 内电场将使N区的少子空穴向P区运动 使P区的少子电子向N区运动 通常把这种现象称为漂移 漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反 由扩散运动形成的电流 称为扩散电流 由漂移运动形成的电流 称为漂移电流 这两种电流方向相反 当这两种电流相等时 达到了动态平衡 此时势垒区的宽度也就确定下来了 PN结就是指的势垒区 通常很薄 约为数十微米 其接触电位差的大小与半导体材料 掺杂浓度和环境温度有关 在室温下 硅材料PN结的接触电位差UD 0 6 0 8V 锗材料PN结的UD 0 1 0 3V 温度每升高1 电位差降低约2mV PN结的单向导电性 PN结外加正向电压 PN结导通 22 光器件基础知识 电源电压通过限流电阻加在半导体的两端 其正极接P 负极接N 电源的这种接法称为外加正向电压 也叫正向偏置 简称 正偏 如右图所示 由图可知 外加电压的极性与势垒的极性相反 P区的多子 空穴 在正极性电压的驱使下进入势垒区 N区的多子 电子 在负极性电压的驱动下也进入势垒区 这将使势垒区的部分正 负离子被中和 导致势垒区变窄 势垒降低 有利于多数载流子的扩散运动 形成较大的扩散电流 但势垒区的变窄 内电场的减弱 却不利于少子的漂移运动 致使漂移运动电流可以忽略 正向电压下的电流称为正向电流 因此正向电流主要由扩散电流构成 它随着正向电压的增加而增大 PN结外加正向电压 23 光器件基础知识 它的关系是指数关系 其中 ID为流过PN结电流 U为PN结两端的电压 UT kT q称为温度电压当量 其中 k为波尔兹曼常数 T为绝对温度 q为电子电量 在室温下 300K 时UT 26mV IS为反向饱和电流 所以 PN结加正向偏压时是导电的 它所呈现的电阻为正向电阻 2 PN结外加反向电压 PN结截止 如果将外部电压的负端接P区 正端接N区 称为外加反向电压 或称反向偏置 反偏 如右图所示 PN结外加反向电压 24 由于外加电压的极性与势垒极性相同 P区的空穴将离开势垒区向电源负极运动 N区电子也将离开势垒区向电源正极运动 于是在势垒区就出现了更多的正 负离子 使势垒区展宽 势垒增高 必然对多子的扩散产生影响 使扩散电流减少 随着外加电压的增加 扩散电流很快减到零 剩下的漂移电流 则基本上不随外加电压而改变 这是因为漂移电流是由本征激发产生的少子形成的 当温度一定时 便是一个定值 反向电压作用下的漂移电流 称为反向电流 由于它不随反向电压而改变 故称为反向饱和电流 因此 当PN结反向偏置时 基本上是不导电的 这时我们称 PN结处于截止状态 其呈现的电阻为反向电阻 而且阻值很高 但当温度升高时 由于本征激发而产生的少数载流子增多 反向电流也就增大 温度每升高1 时 反向电流增加约7 因为 1 07 10 2 故可认为 温度每升高10 时 反向电流增加一倍 由以上我们可以看出 PN结在正向电压作用下 处于导通状态 在反向电压的作用下 处于截止状态 因此PN结具有单向导电性 光器件基础知识 25 3 PN结的伏安特性 光器件基础知识 单向导电是PN结的重要特性 这一特性可以用以下方程描述 式中 U为PN结两端外加电压 I为流过PN结的电流 IS为反向饱和电流 UT KT q为温度的电压当量 其中k 1 38 10 23J K为玻耳兹曼常数 q 1 6 10 19库仑为电荷量 T为绝对温度 在常温 300K 下 UT 26mV 根据方程绘出的伏安特性曲线如下图所示 26 光器件基础知识 PN结的反向击穿 在测量PN结的伏安特性时 如果外加的反向电压增加到一定数值时 反向电流会突然增加 如下图所示 我们把这种现象称为PN结的反向击穿 发生击穿所需要的电压称为击穿电压UB PN结被击穿后 如果对其电流不加限制 PN结有可能由于过热而造成永久性损坏 27 6 激光产生的基本原理 光器件基础知识 光的辐射和吸收 光的吸收 假设某原子最初处于基态能级Em 用一束能量为h mn的光子流照射它 则原子就有可能吸收光子的能量 从基态跃迁到激发态能级En 这种过程称为光的吸收 发生吸收过程的必要条件是 入射光子的能量必须等于原子的两个能级的能量差 即h mn En Em 原子吸收一个光子而从低能态跃迁到高能态的过程也称为原子的激发 但是满足上述h mn En Em的光子不一定都能使原子跃迁到高能级的受激态中去 因为这里还有个跃迁的几率问题 各个能级的跃迁几率有的很大 有的很小 而有些能级的激发甚至是被 禁止 的 所有这些都决定于原子本身的运动规律 28 光的自发辐射 光器件基础知识 原子吸收了外界能量而跃迁到激发态 这个激发态是不稳定的 原子在激发态停留的时间非常短 通常约为10 8秒的数量级 在这期间内 它们很快地在没有外界作用情况下 自发地辐射出光子来 从激发态返回到基态 这种现象就称为自发辐射 自发辐射的特点在于 这种过程与外界作用无关 各个原子的辐射都是自发地 独立地进行的 因而各个光子的发射方向和初相位都不相同 此外 由于大量原子所处的激发态不尽相同 可以发射出不同频率的光 所以自发辐射的频率范围很广 这就是普通光源的发光机理 由此可见普通光源发出的光 光子的简并度是很低的 具有一系列不同的频率和不同的初相位 其单色性极差 而且彼此不能相干 29 光的受激辐射 光器件基础知识 处于激发态能级上的原子 如果在它发生自发辐射以前 收到外来的 能量为h mn En Em的光子的刺激作用 就有可能从En跃迁到Em 同时辐射出一个与外来光子同频率 同相位 同方向 同偏振态的光子 这一过程称为受激辐射 受激辐射必须要在一定频率 mn 的外来入射光子的作用下才会发生 而受激辐射过程中所发出的光子的性质 状态等都与外来光子完全相同 经过受激辐射 辐射光与入射光同相位 同频率 同方向 同偏振态 相互叠加而使强度变强 即入射光得到了放大 受激辐射引起光放大正是激光产生机构中的一个重要基本概念 30 2 产生激光的基本条件 粒子数反转 光器件基础知识 从以上关于自发辐射和受激辐射的讨论中 我们可以看到 普通光源的发光机构是自发辐射占统治地位 然而 激光器的发光却主要是受激辐射 那么我们怎样才能在一个发光系统中 造成受激辐射的主导地位 而使其发出激光来呢 实现粒子数反转的条件有 要有可用来进行粒子数反转的工作物质 激活介质 具有适当的能级结构 存在亚稳态能级 寿命10 3S 能够从外界输入能量使工作物质激活 称为 激励 也叫 抽运 或 光泵 使物质中尽可能多的粒子吸收能量后跃迁到高能级上去 31 以三能级系统为例 具体介绍实现粒子数反转的方法 光器件基础知识 激励能源将基态E1上的原子激励到激发态能级E3 原子通过碰撞把能量转移给晶格而无辐射地跃迁到亚稳态E2 原子的寿命约为10 3S 随着亚稳态E2上的原子数不断增加 而基态E1上的原子数不断减少 于是在亚稳态E2和基态E1两能级之间实现了粒子数反转 32 2 光学谐振腔 光器件基础知识 为使受激辐射持续下去 持续地获得激光输出 必须采用光学谐振腔 初始诱发原子发生受激辐射的光子来源于自发辐射 因而此时的受激辐射是随机的 所辐射光的相位 偏振态 频率和传播方向都是互不相关的 光学谐振腔的作用就是可以使某一方向和频率的光子享有最优越的条件进行放大 常用的光学谐振腔是在工作物质的两端放置两块互相平行的反射镜 参看下图 a 表示处于粒子数反转的工作物质在自发辐射 向各个方向发射光子 其中 凡偏离谐振腔轴线方向运动的光子最终均会溢出腔外 只有沿轴线方向运动的光子 在腔内来回反射 产生连锁式的光放大 b 表示光遇到谐振腔的反射镜之后 一部分输出 一部分又反射回去 又得到放大 c 则表示光在谐振腔内来回反射 每来回一次都得到一定的放大 而使光的强度越来越强 光束越强 则处于激发态的原子受激辐射就越多 由于谐振腔的这种作用 最终将从部分反射镜射出一束极强的光束 激光 Laser LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation 33 光器件基础知识 3 阈值条件 如右图所示 设增益介质单位长度的小信号增益系数为g0 损耗系数为 i 两个反射镜的反射率为r1和r2 为光学谐振腔的平均损耗系数 它包括增益物质的本身损耗和通过两个反射镜的传输损耗 其中包括了有用光的输出 激光器起振条件 34 阈值条件 光器件基础知识 4 相位条件 要产生激光振荡 除了要满足阈值条件以外 还要满足相位平衡条件 即激光器必须工作在谐振腔的工作模式上 当平行平面谐振腔体内的光沿着腔轴的方向在腔内的两个反射面之间来回传播时 从反射镜1射向反射镜2的光波 和从反射镜2射向反射镜1的光波 正好是沿着相反方向传播的 因此 光在腔内部沿着腔的轴向将形成干涉 多次往复反射时 就会发生多光束干涉 为了能在腔内形成稳定振荡 就要求光波能因干涉而得到加强以形成正反馈 发生加强干涉以形成正反馈的条件是 波从某一点出发 经腔内往返一周再回到原来位置时 应与初始出发波同相 即相差为2 的整数倍 35 光器件基础知识 激光器的相位平衡条件 又称为光腔的驻波条件 其中 q 1 2 3 q为q值对应的波长 L 为腔的光学长度 当整个光腔内充满折射率为n的均匀工作物质时 式中 L为腔的几何长度 通常由不同的q值代表不同的纵向模式 称为激光器的纵模 36 光器件基础知识 纵模间隔 相邻两个纵模的频率之差 f f与q无关 对于一定得光腔为常数 因而纵模在频率尺度上是等距离排列的 激光振荡也可以出现在垂直于腔轴的方向 这是平面波偏离轴向传播时产生的横向电磁场模式 简称横模 以TEMmn命名 m n为横模指数 下图示出了三种TEMmn模的电场分布和光斑 由于光学谐振腔中的光线基本上是平行于腔轴面传播的 腔中各模式的纵向场分量比横向场分量小的多 因此激光器中的场近似地为横电磁波 记为TEMmnq q为纵模指数 其中TEM00q为基横模 它具有最大的相干性和最高的频谱纯度 光束的发散角也最小 光能集中于中心 易于与光纤耦合 耦合效率高 损耗小 37 光器件基础知识 第三章光发射器件和组件 3 1半导体激光器 LD 和激光器组件 半导体激光器的分类 法布里 帕罗 Fabry Perot F P 型激光器分布反馈 DistributedFeedback DFB 型激光器分布布拉格 DBR 型激光器量子阱 QW 型激光器垂直腔面发射激光器 VCSEL 等 38 光器件基础知识 半导体激光器组件 上节我们介绍的几种半导体激光器 实际上只是我们通常所说的激光器组件的一个重要元件 如果没有组件中其他元件 单一的激光器芯片是没有任何实用性的 所谓激光器组件 是指在一个密闭结构中 如管壳内 除激光器 LD 芯片外 还配置其他元件以及一些为实现LD工作所必要的电路结构的集成器件 其他元件和必要电路可能包括 光隔离器 其作用是防止LD输出的激光反射影响 实现激光的单向传输 它位于LD的激光输出边 有自由空间型隔离器和尾纤型隔离器等 根据偏振形式又可分为偏振相关和偏振无关两种类型 背光监视光电二极管 其作用是监视LD的输出功率变化 是APC 自动功率控制 电路中需要用到的必不可少的元件之一 它位于LD的背面出光面 尾纤和连接器 根据不同的需要 选择不同的尾纤和连接器 39 4 LD的驱动电路 包括电源和LD芯片之间的阻抗匹配电路 5 热敏电阻 其作用是根据热敏电阻的阻值随温度变化的规律 通过监测其阻值的变化来监测组件内部的温度变化 在有致冷的组件中 它是ATC 自动温度控制 电路的重要元件之一 6 热电致冷器 TEC 一种半导体热电元件 通过改变热电元件的极性可以达到加热和致冷的目的 根据具体需要 激光器组件内部元件会有很大差别 同时所采取的封装形式也会有所不同 所谓封装 是指将形成一个激光器组件所必须的元件和电路部分结合在一起组成最终的可直接使用的产品的工艺过程 不同的封装形式 比如同轴封装和蝶型封装 其产品生产工艺过程是不一样的 即使同一种同轴封装 尾纤型和插拔型的生产工艺过程也是迥然不同的 在此 我们不就各种封装工艺做具体介绍 因为这涉及到很多其他方面内容 我们只就公司现有产品简要介绍一些主要的封装形式 让大家能有一个了解 光器件基础知识 40 光器件基础知识 Butterfly蝶型封装激光器组件 PigtailedCoaxial同轴尾纤型封装激光器组件 41 光器件基础知识 同轴插拔型封装 TOSAPackage 42 光器件基础知识 3 2半导体激光器组件的常用参数和测试方法 半导体激光器组件的绝对最大额定值 绝对最大额定值是指 在任何情况下都不能超过的极限值 超过这些极限值可能导致器件的立即破坏或永久损坏 所有光电参数最大的额定值都是在25 大气环境下确定的 它包括下面几项 存贮温度 Tstg 指当器件存贮在一个非工作条件中时 绝对不能超过的温度 大气环境 范围 工作的管壳温度 TOP 指当器件在处于工作状态时 绝对不能超过的管壳温度范围光输出功率 P0或Pf 指从一个未损伤器件可辐射出的最大连续光输出功率 尾纤型组件既是指尾纤输出功率 插拔型组件既是指插拔端口输出功率 43 光器件基础知识 正向电流 IF 指可以施加到器件上且不产生器件损伤的最大连续正向电流 反向电压 VR 指可以施加到器件上且不产生器件损伤的最大反向电压 背光监测光电二极管反向电压 VD 指可以施加到背光监测的光电二极管上且不产生器件损伤的最大反向电压 激光器组件的绝对最大额定值虽然不是我们需要测试的项目 但是我们必须对其要有充分的了解 因为我们测试时直接接触的就是各种组件 我们的每一步操作都必须严格限制在各种组件的绝对最大额定值范围以内 否则 就有可能对器件造成永久性损或损坏 44 2 半导体激光器组件的光电特性参数及其测试方法 光器件基础知识 激光器组件的光电特性参数一般都是在25 管壳温度下 或在有致冷器组件的激光器芯片上 确定的 除非另做详细说明 其主要光电特性参数有以下几项 P I V特性 激光器组件的P I V特性指的是 其输出光功率和正向输入电流以及正向电压之间的关系 是激光器组件的重要特性之一 它反映出激光器组件的多项性能指标 我们现在所使用的测试系统如ILX KEITHLEY 武汉理工大学等都具备测试P I V特性的功能 P I V特性的基本测试方法和原理 45 如图所示 其中 D为被测激光器 ATC为自动温度控制装置 G为直流电流源 V为电压表 mA为电流计 P为光功率计 Rc为保护电阻 测试时 开启ATC自动温度控制电路 对于无致冷器件 规定测试时管壳温度为25 设置直流电源输入电流按适当步长增加 通过计算机扫描其各个电流值时的输出光功率和正向电压值并绘制出P I V曲线 然后通过一定的计算方法 对曲线及数值进行计算 从而得出各项指标参数 我们现在所使用的测试系统就是按照该测试原理将各个设备集成化的产品 光器件基础知识 P I V特性测试原理框图 46 光器件基础知识 测试项目 正向电压 VF 指当正向驱动电流为一确定值时 如对于某些LD IF Ith 20mA 对应的激光器的正向压降 也可以认为是指激光器组件在额定输出光功率P0处的正向压降 伏安 V I 特性 激光器是半导体二极管 它具有半导体二极管的特性 通过测试激光器的V I特性 可以反映出其结特性的优劣 同时通过大电流下的正向V I特性 我们还可以估算出其串联电阻值 下图示出了一般激光器的V I曲线 47 光器件基础知识 P I曲线 阈值电流 P I曲线指的是激光器组件输出光功率与注入正向电流的关系曲线 如右图所示 随着正向电流的增加 激光器首先是渐渐地增加自发辐射 直至它开始发射受激辐射 产生激光 我们把激光器开始产生激光发射时的正向驱动电流称之为阈值电流 用符号Ith表示 注 阈值电流的测试方法 是依据P I曲线的测试数据 通过一定的计算方法得出的 主要计算方法有下面两种 P I曲线上分别作出荧光辐射段与激光辐射段的切线 其交点所对应的电流值即为被测激光器的阈值电流值 在P I曲线上作出输出辐射光功率对正向电流的二阶导数曲线 该曲线上出现第一个极大值点所对应的正向电流值即为被测激光器的Ith 48 光器件基础知识 激光器组件输出光功率的线性度 输出光功率的线性度是衡量实际输出光功率偏离理论输出光功率的一个量 用百分数表示 目前可接受的计算方法有三种 一次微分法 通过对P I曲线微分并规定限制微分变化测量所有线性 测量过程可与拐点 Kink点 测试一起完成 如左图所示 谐波法 通过把光电曲线变换为频谱曲线 能够识别其非线性特征 通过把激光器偏置设置在50 最大额定光功率输出 并在整个运行范围内用正弦调制信号来扫描可以完成这种变换 此方法必须使用线性的探测器来探测光输出 探测器的电输出被送到频谱分析仪 其反应出来的二阶 三阶或更高阶 谐波就是其非线性的证据 此方法一般在测量模拟传输用的高线性器件时才用到 49 光器件基础知识 c 图形分析法 标出P I曲线上对应的10 及额定光功率点 通过两点画一直线并测量实际P I曲线偏离这条线的最大变化 如左图所示 功率线性度可表示为 拐点 Kink点 指的是P I曲线上光功率出现非线性变化的点 其测试方法如前介绍光功率线性度时所述 通过一阶微分法 通过选取足够小的电流步长 0 25mA 对P I曲线进行一阶微分 其导数曲线图可以说明其拐点位置和线性度范围 50 光器件基础知识 光输出饱和度 光输出饱和度是指理想的线性响应光输出的跌落 如果P I曲线上有过多的弯曲 也称 翻转 则认为该激光器的光输出是饱和的 同样 我们可以通过一阶微分法 计算曲线上的最大的跌落即可测量出饱和度 P I曲线的斜率 我们使用半导体激光器 除了希望低的阈值电流 Ith 外 还希望使用最小的电流就能得到越来越大的光输出功率 也就是说 在慢慢地注入电流后 能够获得快速增加的光功率 这就是我们通常所说的斜向效率 即是指在Ith以上的P I曲线的斜率 用 P I表示 其单位是W A或mW mA 其测试方法如右图所示 51 光器件基础知识 特征温度 T0 在大多数应用中 总是希望激光器能在温度升高时继续正常工作 尤其是大功率激光器更是如此 表征这种性能的参数就是特征温度 用T0表示 它是衡量激光器对温度敏感度的一个参数 较高的意味着当温度快速升高时 激光器的Ith和 P I变化不大 也可将T0理解为激光器的热稳定性 其测试方法是在各种温度下测量激光器的P I曲线 然后将结果列表 然后计算出T0的值 如左图所示 首先我们在不同温度下测出相应的P I曲线 然后 通过下式求出T0值 52 光器件基础知识 右图是通过图解法来求T0的方法 通过拟合直线 计算其斜率即可得出T0值 53 光器件基础知识 2 背光探测器监测光电流Im 激光器组件内部通常都带有背光探测器 其作用就是通过监测激光器背光变化来反馈给APC电路以达到控制激光器正向光稳定输出的目的 这项指标的测试现在也已经集成到了我们所使用的P I V测试系统中 其测试原理如下图所示 54 3 光谱特性 光谱其实就是一种电磁波谱 电磁波谱分为长波区 光学区 射线区 光电技术只涉及光学谱区 在光学谱区内 具有相同的辐射与吸收机理 许多辐射源的光谱分布和接收器的灵敏阈都同时覆盖此区域 光器件基础知识 55 光器件基础知识 测试原理如右图所示 其中M为光谱仪 测试项目 峰值波长 P 在规定输出光功率时 光谱内若干发射模式中最大强度的光谱波长被称为峰值波长 P 中心波长 c 在激光器光谱中 连接50 最大幅度值线段的中点所对应的波长称为中心波长 c 平均波长 mean 所有光谱模式的加权平均值 把幅度大于峰值2 的模式均计 56 d 光谱宽度 在规定输出光功率时 光谱内若干发射模式中最大强度的光谱波长被称为峰值波长 P 对于不同类型的激光器产品 我们采用不同的计算方法 如F P型 多纵模 激光器组件 采用ITU TG 957建议的最大均方根 RMS 宽度定义 在规定的光输出功率下测量光谱宽度 其值由下式确定 光器件基础知识 如DFB型 单纵模 激光器组件 采用ITU TG 957建议的最大 20dB宽度来定义 即在规定光输出功率下主模中心波长的最大峰值功率跌落 20dB时的最大全宽定义为 57 e 边模抑制比 SMSR 在发射光谱中 在规定的输出光功率和规定的调制 或CW 时最高光谱峰强度与次高光谱峰强度之比 该参数仅用于单频 单纵模 激光器 如DFB激光器的光谱测试中 f 中心波长的温度依赖性 激光器的中心波长比例于它的工作温度 随温度升高 激光器的中心波长会随之增加 下图示出了DFB激光器的中心波长随温度漂移的示意图 光器件基础知识 58 4 激光器组件的调制特性 光器件基础知识 测试项目 调制电流 Imod 调制电流等于达到额定输出光功率时所需的总电流值 I 减去阈值电流 Ith 即 Imod I Ith 上升 tr 下降 tf 时间 上升 下降时间是指激光器输出光功率的脉冲响应时间 把光脉冲的上升时间定义为从额定光功率的10 上升到90 所需的时间 把光脉冲下降时间定义为从额定光功率的90 下降到10 所需的时间 如左图所示 通常把偏置电平设在Ith或稍高于Ith 对激光器来说 总是希望由小的上升 下降时间 59 光器件基础知识 其测试原理图如下 其中G1为脉冲发生器 G2为直流电流偏置电源 G3为直流电压偏置电源 C1 C2为耦合电容 M为测量仪表 例如示波器 频谱分析仪 R为匹配电阻 SYN为同步信号 L为电感 60 光器件基础知识 c 开通延时 ton 开通延时是调制的光脉冲上升沿在电信号为 开 后到达全幅度10 所对应的时间 d 存贮时间 tS 存贮时间是调制的光脉冲下降沿在电信号为 闭 后到达全幅度90 所对应的时间 5 激光器组件的小信号频率特性 截止频率fc 其测试原理如右图所示 其中G1为频率可调正弦交流发生器 G2为直流电流偏置电源 G3为直流电压偏置电源 R为匹配电阻 C1 C2为耦合电容 M为测量仪器 L为电感 61 光器件基础知识 测试时 给被测激光器组件施加直流偏置电流 并迭加交变正弦调制电流 保持交变调制电流恒定 增加调制频率 直到光电二极管探测器的交流输出信号下降3dB 此时所对应的频率为截止频率fc 如下图所示 注意 测试所用的光电二极管探测器的频率响应应大于激光器截止频率 同时为防止交流输出信号失真 交变调制正弦信号应足够小 62 光器件基础知识 6 激光器组件的相对强度噪声 RIN 由于激光器谐振腔内载流子和光子密度的量子起伏 造成输出光波中存在着固定的量子噪声 这种量子噪声一般用相对强度噪声来度量 即光强度脉动的均方根与平均光强度平方之比 公式如下 由于RIN的存在 会影响光纤传输系数的信号质量 对光CATV系统而言 要求RIN小于 150dB Hz 在确定RIN时 应画出RIN与频率或工作电流的关系曲线 如右图所示 用下面公式可计算RIN 63 其中Pn是有光时的噪声功率 Pno是无光时的噪声功率 G是放大器增益 Bn是光谱分析仪的噪声带宽 Z0是光电二极管探测器的负载电阻 是平均的光电流 有光时 e是电子电荷 1 6 10 19库仑 光器件基础知识 该指标的测试原理如下图所示 其中M为频谱分析仪 64 7 组合二阶失真和组合三阶差拍 CSO和CTB 当把多个RF信号 载波 应用到器件时 会出现叠加失真 在光纤CATV中 这个问题特别突出 所以对光纤CATV的激光器组件提出了关于叠加失真的重要要求 组合二阶失真 CSO 落在一个频道中的其他频道载波所产生的二阶互调产物的总功率与该频道载波功率之比 其表达式为 光器件基础知识 组合三阶差拍 CTB 落在一个频道中的其他频道载波所产生的三阶互调产物和三阶差拍产物的总功率与该频道载波功率之比 其表达式为 65 光器件基础知识 8 跟踪误差 TE 跟踪误差指的是在两个不同管壳温度条件下的光纤输出功率的比值 用以衡量器件耦合效率的稳定性 其测试方法为在保持恒定的背面光电流 典型值为200 A 的条件下 先测量25 时的光功率 再测量预期的工作温度的两个极值 典型值为0 和65 时的光功率 其计算方法如下 式中Pi为两个温度极值下的光功率 i 1或2 66 3 3发光二极管 LED 和发光二极管组件 光器件基础知识 LED的基本工作原理 作为光纤通信中光源的发光二极管 LED 它在工作原理上与半导体激光器 LD 的根本区别是 LED是利用注入有源区的载流子自发辐射而发出光的 两者在结构上的主要差别是 LED没有光学谐振腔 形不成激光 它的发光仅限于自发辐射 发出的是荧光 是非相干光 2 LED的特性及测试方法 与LD相比 由于两者在发光机理和结构上存在差异 因此使得它们在主要性能上也存在明显差异 如 LED不存在阈值 输出功率与注入电流之间呈线性关系 由于自发辐射的随机性 致使LED的光谱宽度较宽 光束发散角较大 与光纤耦合效率也较低 输出的光功率比较低 67 LED光谱特性及测试方法 由于LED没有光学谐振腔选择波长 所以它的光谱是以自发发射为主的光谱 下图示出了1 3 mLED的典型光谱曲线 其测试方法与激光器类似 光器件基础知识 P 发光光谱曲线上发光强度最大时所对应的波长为发光峰值波长 P 光谱曲线上两个半光强点 1和 2所对应的波长差 称之为LED的谱线宽度 简称谱宽 其典型值在30 40nm之间 68 2 LED温度特性 从上页图中可以看出 当器件工作温度升高时 光谱曲线会随之向右 向长波长区域 移动 从 P的变化可以求出LED的波长温度系数 同时 其输出光功率也会随着温度进行变化 但是光功率的变化很小 这说明LED是一个温度不敏感器件 也就是说我们在使用LED组件时 可以不考虑使用致冷元件 光器件基础知识 3 LED的P I V特性及测试方法 与激光器P I V特性测试方法类似 曲线示意图如下所示 69 光器件基础知识 4 LED的调制特性 LED调制特性与LD类似 但由于其受到有源区内少数载流子寿命的限制 其调制最高频率只有几十兆赫兹 从而限制了LED在高比特速率系统中的应用 总的说来 LED与LD相比 其突出优点是寿命长 可靠性高 调制电路简单 成本低 因此它在一些传输速率不太高 传输距离不太长的系统中有着广泛的应用 70 第四章光电探测器件和光接收组件 光器件基础知识 半导体光电探测器是光接收部分的主要器件 它通过光电效应 将接收到的光信号功率转变为电流 对光电探测器的性能要求与光源相似 也应该具有灵敏度高 响应时间短 噪声小 功耗低 尺寸合理及稳定的可靠性等优点 4 1PIN光电二极管 由于石英光纤具有3个低损耗窗口 所以相应的光电探测器也分为3个波段 我们把用于0 85 m波段的光电探测器称为短波长光电探测器 用于1 31 m和1 55 m波段的则称为长波长光电探测器 我们知道光电探测器的核心是PN结的光电效应 最简单的光电探测器就是PN结 当PN结两端加反向电压时 外加电场与内建电场方向一致 因而在PN结界面附近形成了相当高电场的耗尽区 当光照射PN结时 在耗尽区内产生的光生载流子立即被高电场加速 以很高的速度向两端运动 从而在外电路中形成光电流 71 然而 在耗尽区以外产生的光生载流子 由于没有内建电场的加速作用 运动速度很慢 而且很容易被复合掉 因此 这种光电检测器响应速度低 光电转换效率差 光纤通信系统中 采用较多的是PIN光电二极管 PIN PD 及雪崩光电二极管 APD 为提高接收机的灵敏度 又常将PIN PD或APD与场效应管 FET 组合成为PIN FET或APD FET接收器组件 因此它们兼有光电转换和光放大作用 在光纤通信接收机中获得了广泛应用 4 2光接收组件 光接收组件的含义光接收组件的功能是将经过光纤传送的光信号经组件内的光电二极管还原成电信号 因此 光接收组件的核心是光电二极管和放大光电二极管输出的前置放大器 一个最简单的光接收组件就是将光电二极管和前置放大器组装在一个密封管壳所形成的组件 光器件基础知识 72 为了输入和输出有良好的阻抗匹配 组件内还需配置阻抗匹配网络 为了光电二极管工作 还需配置直流偏置电路 为避免光返回光纤 在组件内还采取防反射措施 与半导体激光器组件不同的是光电二极管一般都不需要致冷器 下图是光接收组件的框图 光器件基础知识 73 组件中的光电二极管可以是PIN也可以是APD 究竟采用PIN还是APD 要视应用场合而定 一般来说 PIN光电二极管具有好的光电转换线性度 不需要高的工作电压 响应速度快等优点 APD最大的优点是它具有载流子倍增效应 其探测灵敏度特别高 但需要采用较高的偏压和温度补偿电路 从简化光接收机电路考虑 一般情况下多喜欢采用PIN光电二极管作光探测器 前置放大器的主要作用是保持探测的电信号不失真的放大和保证噪声最小 一般采用场效应管 FET 最常用的这种光接收组件有两种类型 即PIN FET和APD FET组件 光电二极管和前置放大器之间的集成可以是单片式集成 也可以是混合式集成 光器件基础知识 2 光接收组件的特性及测试方法波长响应范围 c亦称为光电二极管的截止波长 只有入射光的波长小于 c时 光电二极管才能产生光电效应 74 光器件基础知识 当入射光波长远远小于截止波长时 光电转换效率也会大大下降 因此 PIN光电二极管是对一定波长范围内的入射光进行光电转换 这一波长范围就是PIN光电二极管的波长响应范围 其测试方法为 将不同波长的单色光送入被测器件 被测器件对光响应后的输出信号由记录仪记录出光谱响应曲线 其测试原理如下图所示 75 光器件基础知识 2 响应度 响应度表征了二极管的光电转换效率 响应度R定义为 其中 Pin为入射光到光电二极管上的光功率 Ip为在该入射功率下光电二极管产生的光电流 R的单位是 A W或mA mW 其实用计算公式为 式中 h 6 63 10 34J s 为普朗克常数 q 1 6 10 19C 为电子电荷 式中 波长的单位取 m 76 光器件基础知识 式中 为量子效率 其定义为 响应度的测试方法为 给被测PIN管芯加规定的反向偏压 入射标定的光功率和规定的光波长 读得被测管芯得输出电流 扣除该管芯得暗电流 即为响应电流 此响应电流与入射光功率的比值即为该管芯的响应度 其测试框图如下 77 3 响应速度 作为光探测器 在光纤通信系统中要能够检测高频调制的光信号 因此响应速度是光电二极管的一个重要参数 响应速度通常用响应时间来表示 响应时间为光电二极管对矩形光脉冲的响应 电脉冲的上升或下降时间 响应速度主要受光生载流子的扩散时间 光生载流子通过耗尽区的渡越时间及其结电容的影响 光器件基础知识 结电容对响应时间的影响 光电二极管可视作一个电流源 它的等效电路如右图所示 其中Cd为光电二极管的结电容 它可以看作为一个平板电容 与耗尽区宽度W和结区面积A有关 有 式中 为耗尽区中半导体材料的介电常数 Rs为光电二极管的串联电阻 一般很小可忽略 Rp为光电二极管的跨接电阻 其阻值很大 它的影响也可忽略 RL为负载电阻 因此 结电容对光电二极管响应速度的影响主要由电容Cd和负载电阻RL决定 78 光器件基础知识 载流子渡越时间对响应时间的影响 由于渡越时间 tr的存在 对信号的高频成分产生了两方面的不良影响 一是有较大的相位滞后 二是信号幅度受到较大削弱 可见 tr引起了高频失真 限制了器件的带宽 减小 tr的方法是减小耗尽区的宽度和加大反偏压 加大反偏压是为了提高载流子的平均漂移速度 但是这两种方法并不能无限制地增大漂移速度 因为在半导体晶格中 载流子有一定的饱和速度 载流子扩散时间对响应时间的影响 在耗尽区外产生的光生载流子只有离耗尽区为平均扩散长度以内的那部分才能扩散进耗尽区 并最后形成光电流 这部分载流子扩散时间比较长 与扩散长度的平方成正比 因此对PIN光电二极管来说 扩散时间可通过减薄受光面到耗尽区之间的厚度及适当选取耗尽区厚度而减至最小 所以对实际器件 扩散时间对响应速度影响很小 79 光器件基础知识 响应速度的测试原理如下 光电二极管在给定的反向偏压下 接收一个给定波长的矩形光脉冲信号 光电二极管响应输出一个电脉冲信号 其电脉冲信号的前沿幅度从10 上升到90 所需的时间为上升时间tr 电脉冲信号的后沿幅度从90 下降至10 所需的时间为下降时间tf 右图示出了理想的入射光脉冲信号和光电二极管响应输出的电脉冲信号曲线 80 4 线性饱和 光电二极管的线性饱和指的是它有一定的功率检测范围 当入射光功率太强时 光电流和光功率将不成正比 从而产生非线性失真 如下图所示 随着入射光功率Pin增加 光电流Ip增大 负载RL上的压降增大 使得光电二极管上的实际压降减小 内建电场变弱 这样 使光生载流子的漂移速度减慢 使单位光功率产生的光电流