光器件基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)

1、.1光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)第一章第一章 光纖通信簡(jiǎn)介光纖通信簡(jiǎn)介 1.1 光纖通信的基本含義和發(fā)展歷程光纖通信的基本含義和發(fā)展歷程 光纖通信光纖通信利用激光作為信息的載波信號(hào)并通過(guò)光導(dǎo)纖維來(lái)傳遞信息的通信系統(tǒng) 。發(fā)展歷程發(fā)展歷程 我國(guó)周朝 烽火臺(tái) 1880年 貝爾發(fā)明光電話 （利用光載波信號(hào)來(lái)傳送話音 ）.2光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)1960年 世界上第一臺(tái)激光器研制成功1970年 第一根低損耗光纖（20dB/Km）研制成功 （美國(guó)康寧公司 ）；美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室成功研制能在室溫條件下連續(xù)工作的半導(dǎo)體激光器1974年 美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室成功研制出損耗為1dB/Km的光纖 （化學(xué)氣相沉積法（MC

2、VD） ）.31976年日本電話電報(bào)公司研制出損耗更低的光纖（0.5dB/Km）20世紀(jì)70年代末期光纖通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)第一次業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng) 20世紀(jì)80年代后期 光纖損耗已經(jīng)降低到0.16dB/Km 1988年 第一條跨大西洋光纜投入運(yùn)營(yíng) 光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí).4光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)1.2 光纖通信的主要優(yōu)點(diǎn)光纖通信的主要優(yōu)點(diǎn) 通信容量大通信容量大 光纖的可用帶寬較大，一般在10GHz以上；而金屬電纜存在的分布電容和分布電感實(shí)際上起到了低通濾波器的作用，限制了電纜的傳輸頻率、帶寬以及信息承載能力。 傳輸距離長(zhǎng)傳輸距離長(zhǎng) 光纜的傳輸損耗比電纜低，因而可傳輸更長(zhǎng)的距離。 .5 抗電磁干擾抗

3、電磁干擾 光纖通信系統(tǒng)避免了電纜由于相互靠近而引起的電磁干擾。光纖的材料是玻璃或塑料，都不導(dǎo)電，因而不會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，也就不存在相互間的電磁干擾。 抗噪聲干擾抗噪聲干擾光纖不導(dǎo)電的特性還避免了光纜受到閃電、電機(jī)、熒光燈及其他電器源的電磁干擾（EMI），外部的電噪聲也不影響光頻的傳輸能力。此外，光纜不輻射射頻（RF）能量的特性也使它不會(huì)干擾其他通信系統(tǒng)。（所以現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于軍事上） 適應(yīng)環(huán)境適應(yīng)環(huán)境光纖對(duì)惡劣環(huán)境有較強(qiáng)的抵抗能力。它比金屬電纜更能適應(yīng)溫度的變化，腐蝕性的液體或氣體對(duì)其影響也較小。 重量輕、安全、易敷設(shè)重量輕、安全、易敷設(shè) 光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí).6光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)

4、保密保密光纖不向外輻射能量，很難用金屬感應(yīng)器對(duì)光纜進(jìn)行竊聽(tīng)。 壽命長(zhǎng)壽命長(zhǎng) 1.3 光纖通信系統(tǒng)的基本組成與發(fā)展概況光纖通信系統(tǒng)的基本組成與發(fā)展概況 基本組成基本組成光發(fā)送機(jī)、光接收機(jī)、光纖（光纜）和各種耦合器件 .7光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)以點(diǎn)到點(diǎn)的光纖通信系統(tǒng)為例 電端機(jī)光端機(jī)中繼器光端機(jī)電端機(jī)光源光纜光檢測(cè)器光源光檢測(cè)器光纜.8發(fā)展概況發(fā)展概況 光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí) 第1代光纖通信系統(tǒng)20世紀(jì)70年代末大量投入運(yùn)營(yíng)，由0.85m的光源和多模光纖構(gòu)成。 第2代光纖通信系統(tǒng)20世紀(jì)80年代初，采用1.3m的半導(dǎo)體發(fā)光二極管或激光二極管作為光源，再加上多模光纖。 第3代光纖通信系統(tǒng)

5、自20世紀(jì)80年代后期以來(lái)，采用1.55m作為工作波長(zhǎng)，以色散位移光纖作為傳輸媒介。 第4代光纖通信系統(tǒng)采用波分復(fù)用（WDM）技術(shù)，現(xiàn)已開(kāi)始投入運(yùn)營(yíng)。 .9光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí) 第5代光纖通信系統(tǒng)基于光纖非線性壓縮抵消光纖色散展寬的新概念產(chǎn)生的光孤子研究，經(jīng)過(guò)20多年的研究發(fā)展，有了突破性進(jìn)展。 光纖通信系統(tǒng)雖然經(jīng)歷了5代的發(fā)展，但目前應(yīng)用最為廣泛的不外乎兩種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：點(diǎn)到點(diǎn)的直接強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)（IM/DD）系統(tǒng)（根據(jù)傳輸信號(hào)的性質(zhì)不同，又可分為數(shù)字光纖通信系統(tǒng)和模擬光纖通信系統(tǒng)兩種）；1. 波分復(fù)用（WDM）光纖通信系統(tǒng)。 .10第二章第二章 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)簡(jiǎn)介半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)

6、知識(shí)簡(jiǎn)介 光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)2.1 原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)原子的能級(jí)結(jié)構(gòu) 原子由原子核和核外電子組成。原子核帶原子由原子核和核外電子組成。原子核帶正電，電子帶負(fù)電。原子核所帶的正電與核正電，電子帶負(fù)電。原子核所帶的正電與核外電子所帶的負(fù)電的總和相等。因此，整個(gè)外電子所帶的負(fù)電的總和相等。因此，整個(gè)原子呈電中性原子呈電中性 。電子在原子中的運(yùn)動(dòng)軌道是量子化的電子在原子中的運(yùn)動(dòng)軌道是量子化的 。（軌道的量子化是指原子中的電子以一定的幾率出現(xiàn)在各軌道的量子化是指原子中的電子以一定的幾率出現(xiàn)在各處，即原子中的電子只能在各個(gè)特定軌道上運(yùn)行，不能處，即原子中的電子只能在各個(gè)特定軌道上運(yùn)行，不能具有任意軌

7、道；電子的能量不能取任意值，而是具有確具有任意軌道；電子的能量不能取任意值，而是具有確定的量子化的某些離散值，是不連續(xù)的。這些分立的能定的量子化的某些離散值，是不連續(xù)的。這些分立的能量值叫做原子的能級(jí)量值叫做原子的能級(jí) ）原子結(jié)構(gòu)模型圖原子結(jié)構(gòu)模型圖 .11n=1n=2n=3n=4n=5基態(tài)第一激發(fā)態(tài)E(eV)E14E19E116E125E1粒子分立能級(jí)示意圖粒子分立能級(jí)示意圖 當(dāng)原子中電子的能量最小時(shí)，整個(gè)原子的當(dāng)原子中電子的能量最小時(shí)，整個(gè)原子的能量最低，這個(gè)原子處于穩(wěn)態(tài)，稱為能量最低，這個(gè)原子處于穩(wěn)態(tài)，稱為“基態(tài)基態(tài)”；當(dāng)原子處于比基態(tài)高的能級(jí)時(shí)，稱為；當(dāng)原子處于比基態(tài)高的能級(jí)時(shí)，稱為“

8、激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)”。通常情況下，大部分原子處于基態(tài)，只有通常情況下，大部分原子處于基態(tài)，只有少數(shù)原子被激發(fā)到高能級(jí)，而且，能級(jí)越高少數(shù)原子被激發(fā)到高能級(jí)，而且，能級(jí)越高，處于該能級(jí)上的原子數(shù)越少。，處于該能級(jí)上的原子數(shù)越少。 光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí).122.2 固體的能帶結(jié)構(gòu)固體的能帶結(jié)構(gòu) 光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí) 電子的共有化：電子的共有化：在正常狀態(tài)下，原子中的電子并不能都處于最低能級(jí)上。因?yàn)榕堇幌嗳菰碇赋?，每一能?jí)上至多只能有兩個(gè)電子，而且它們的自旋方向還必須相反。能量愈高，相鄰能級(jí)的間隔就越小，電子從下一能級(jí)過(guò)渡到上一能級(jí)也就越方便。當(dāng)電子從原子中掙脫出來(lái)，而進(jìn)入離子化狀態(tài)后

9、，這時(shí)能量已沒(méi)有一級(jí)一級(jí)的差別，而在能量圖上形成一個(gè)能量連續(xù)的區(qū)域，這時(shí)電子可以自由運(yùn)動(dòng)，所以稱為自由電子。.13電子的共有化是一種量子效應(yīng)而非古典的性質(zhì)由于原子離得很近，每個(gè)電子不僅受到本身原子核的作用，還受到相鄰原子核的作用。這種作用對(duì)于內(nèi)電子和價(jià)電子的影響是不一樣的。內(nèi)電子被本身原子核牢牢地束縛著，所以所受的影響并不顯著。價(jià)電子卻不然，它的軌道大小和相鄰原子間的距離是相同數(shù)量級(jí)的，所以所受的影響很顯著。按照古典物理，電子是不能從一個(gè)原子轉(zhuǎn)入另一個(gè)原子里去的；而量子力學(xué)卻容許電子通過(guò)隧道效應(yīng)進(jìn)入另一個(gè)原子。這樣，價(jià)電子就不再分別屬于各個(gè)原子，而被整個(gè)晶體中原子所共有，這就是電子的共有化。

10、2. 2. 能帶的形成：能帶的形成：量子力學(xué)證明，晶體中電子共有化的結(jié)果，使原先每個(gè)原子中具有相同能量的電子能級(jí)，因各原子的相互影響而分裂為一系列和原來(lái)能級(jí)很接近的新能級(jí)，這些新能級(jí)基本上連成一片，而形成能帶。能帶中不允許存在能量狀態(tài)的區(qū)域稱為帶隙（也叫禁帶），帶隙寬度用電子伏特（eV）表示。 光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí).14帶隙下方與價(jià)電子對(duì)應(yīng)的低能量區(qū)稱為價(jià)帶，它是由價(jià)電子能級(jí)分裂形成的能帶。 價(jià)帶上方高能量區(qū)稱為導(dǎo)帶（價(jià)帶中的能級(jí)若沒(méi)有被電子全部填滿，電子可以進(jìn)入未被填充的高能級(jí)，從而形成定向電流。這樣的能帶稱為導(dǎo)帶）。 導(dǎo)帶底的電子能量比價(jià)帶頂?shù)碾娮幽芰扛?，其值等于帶隙寬度Eg（簡(jiǎn)稱

11、帶隙的能量）。 能帶中的各個(gè)能級(jí)都被電子所填滿的能帶，稱為滿帶。滿帶中的電子不能起導(dǎo)電作用。 光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)空帶空帶價(jià)帶價(jià)帶滿帶滿帶E導(dǎo)帶導(dǎo)帶晶體的能帶結(jié)構(gòu)晶體的能帶結(jié)構(gòu).153. 3. 導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu) ：光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)導(dǎo)體導(dǎo)體電阻率為10-8102歐姆米的物體；絕緣體絕緣體電阻率為1081016歐姆米的物體；半導(dǎo)體半導(dǎo)體電阻率則介于導(dǎo)體與絕緣體之間，如硅、硒、碲、鍺、硼等元素以及硒、碲、硫的化合物，各種金屬氧化物和其他許多無(wú)機(jī)物質(zhì)。從本質(zhì)上說(shuō)，半導(dǎo)體和絕緣體在能帶結(jié)構(gòu)上沒(méi)有什么差別。不過(guò)半導(dǎo)體的帶隙較窄，約從十分之幾e

12、V到1.5eV，而絕緣體的帶隙較寬，約從1.5eV到十個(gè)eV。在任何溫度下，由于電子的熱運(yùn)動(dòng)，將使一些電子從滿帶越過(guò)禁帶，激發(fā)到導(dǎo)帶里去。因?yàn)閷?dǎo)帶中的能級(jí)在被熱激發(fā)電子占據(jù)之前是空著的，所以電子進(jìn)入導(dǎo)帶后，就有機(jī)會(huì)在電場(chǎng)作用下，沿著電場(chǎng)相反的方向運(yùn)動(dòng)，去占據(jù)新的能級(jí)。這種定向運(yùn)動(dòng)的結(jié)果就使晶體能夠?qū)щ?。絕緣體的禁帶一般很寬，所以在一般溫度下，從滿帶熱激發(fā)到導(dǎo)帶的電子數(shù)是微不足道的，這樣，它的外在表現(xiàn)便是電阻率很大。半導(dǎo)體的禁帶較窄，所以在一般溫度下，熱激發(fā)到導(dǎo)帶去的電子數(shù)也較多，電阻率因而較小。 禁 帶E gE導(dǎo) 帶半 導(dǎo) 體 能 帶 簡(jiǎn) 圖絕 緣 體 能 帶 簡(jiǎn) 圖單 價(jià) 金 屬 能 帶 簡(jiǎn)

13、 圖價(jià) 帶E導(dǎo) 帶金 屬 導(dǎo) 體 能 帶 簡(jiǎn) 圖滿 帶E導(dǎo) 帶E滿 帶導(dǎo) 帶E g 禁 帶滿 帶.16光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)導(dǎo)體和半導(dǎo)體之間，不僅在電阻率的數(shù)量上有所不同，而且還存在著質(zhì)的區(qū)別。有些導(dǎo)體，并沒(méi)有價(jià)帶存在，一些被電子占有的能級(jí)和空著的能級(jí)緊緊地挨在一起；另一些導(dǎo)體，雖然也有價(jià)帶，但這些價(jià)帶和導(dǎo)帶交迭在一起形成一個(gè)統(tǒng)一的寬能帶。在這些情形里，如有外電場(chǎng)作用，它們的電子很容易從一個(gè)能級(jí)躍遷到另一能級(jí)，而顯示出很強(qiáng)的導(dǎo)電能力，因而電阻率也就很小。 4. 4. 半導(dǎo)體的特性半導(dǎo)體的特性 ：半導(dǎo)體之所以能成為制作半導(dǎo)體元器件的材料，并不是因?yàn)樗膶?dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，而是由于

14、它具有一些獨(dú)特的導(dǎo)電性能。如光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)和溫差電效應(yīng)等。 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體純凈的半導(dǎo)體單晶稱為本征半導(dǎo)體。它的導(dǎo)電性取決于價(jià)帶中電子向?qū)У能S遷。因此，在外電場(chǎng)作用下，既有發(fā)生在到導(dǎo)帶中的電子的定向運(yùn)動(dòng)，又有發(fā)生在價(jià)帶中的電子的定向運(yùn)動(dòng)，它兼具電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電的兩種機(jī)構(gòu)，這類導(dǎo)電性稱為本征導(dǎo)電。 .17自由電子和空穴自由電子和空穴在絕對(duì)溫度0K(即-273)，又無(wú)外部激發(fā)時(shí)，由于共價(jià)鍵中的價(jià)電子被束縛著，半導(dǎo)體中沒(méi)有可以自由運(yùn)動(dòng)的帶電粒子載流子。因此，即使有外電場(chǎng)的作用也不能產(chǎn)生電流。此時(shí)的半導(dǎo)體相當(dāng)于絕緣體。但是當(dāng)有外部激發(fā)，如溫度升高或光照時(shí)，就會(huì)使一些價(jià)電子獲得能量后，

15、掙脫共價(jià)鍵的束縛，而成為自由電子，也叫電子載流子，電荷量為q。這種現(xiàn)象叫做本征激發(fā)。當(dāng)價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子后，在共價(jià)鍵中就留下一個(gè)空位子，叫空穴。如下圖所示。而鄰近的共價(jià)鍵內(nèi)的價(jià)電子就會(huì)跑過(guò)來(lái)填充，在原來(lái)的位置產(chǎn)生一新的空穴，這種情況相當(dāng)于空穴在移動(dòng)?？昭ㄊ怯捎谑r(jià)電子形成的，所以它是帶正電的載流子。 光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)+4+4+4+4+4+4+4+4+4（1）共價(jià)鍵（2）空穴自由電子（3）硅或鍺材料的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)硅或鍺材料的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu) .18光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中，人為地?fù)饺肷倭科渌兀ǚQ其為雜質(zhì)），就可制成雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半

16、導(dǎo)體的導(dǎo)電性能與本征半導(dǎo)體相比有了非常顯著的改變。雜質(zhì)既可以提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力，還能夠改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)。根據(jù)摻入雜質(zhì)性質(zhì)的不同，可分為電子型半導(dǎo)體和空穴型半導(dǎo)體兩種。因?yàn)殡娮訋ж?fù)電，取英文單詞“Negative”的第一個(gè)字母，所以電子型半導(dǎo)體又稱為N型半導(dǎo)體；空穴帶正電，取英文單詞“Positive”的第一個(gè)字母，所以空穴型半導(dǎo)體又稱為P型半導(dǎo)體。 5. 5. PNPN結(jié)結(jié) ：在一塊半導(dǎo)體的一端摻入受主雜質(zhì)，形成P型半導(dǎo)體；另一端摻入施主雜質(zhì)，形成N型半導(dǎo)體，于是在它們的交界處，就形成了一個(gè)PN結(jié)。PN結(jié)是許多半導(dǎo)體器件的重要組成部分。 .19光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)PNPN結(jié)的形成

17、結(jié)的形成在室溫下，P型半導(dǎo)體內(nèi)每一個(gè)受主雜質(zhì)將產(chǎn)生一個(gè)空穴，同時(shí)形成一個(gè)負(fù)離子；N型半導(dǎo)體內(nèi)每一個(gè)施主雜質(zhì)將產(chǎn)生一個(gè)自由電子，同時(shí)形成一個(gè)正離子。于是，在兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體的交界處，由于P型半導(dǎo)體（又稱P區(qū)）內(nèi)空穴為多子，N型半導(dǎo)體（又稱N區(qū)）內(nèi)電子為多子，存在很大的濃度差，所以，空穴將越過(guò)交界面由P區(qū)向N區(qū)運(yùn)動(dòng)。同理，電子也會(huì)由N區(qū)向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，通常把這種現(xiàn)象稱為擴(kuò)散，如圖所示。 -+P區(qū)N區(qū)電子擴(kuò)散空穴擴(kuò)散施主雜質(zhì)正離子受主雜質(zhì)負(fù)離子P區(qū)多子（空穴）本征激發(fā)P區(qū)少子（電子）本征激發(fā)N區(qū)少子（空穴）N區(qū)多子（電子）-載流子分布濃度差引起擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) .20光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，一

18、是進(jìn)入對(duì)方區(qū)域后，多子身份變成為少子，很快就被復(fù)合掉了；另一個(gè)是在交界面兩側(cè)留下了不能移動(dòng)的正負(fù)離子區(qū)，亦稱空間電荷區(qū)，如下圖所示。 -+P區(qū)N區(qū)-+耗盡區(qū)（空間電荷區(qū)）E內(nèi)建電場(chǎng)平衡狀態(tài)下的PN結(jié) .21光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)這個(gè)區(qū)域的載流子因擴(kuò)散和復(fù)合而消耗掉了，所以又稱為耗盡區(qū)。在交界面兩邊的正負(fù)電荷間必然有電場(chǎng)存在，這個(gè)電場(chǎng)稱為內(nèi)建電場(chǎng)，電場(chǎng)方向由N區(qū)指向P區(qū)，它所產(chǎn)生的電位差UD（又叫接觸電位差）使N區(qū)的電位高于P區(qū)的電位。由圖可見(jiàn)，這個(gè)電場(chǎng)具有阻止多數(shù)載流子擴(kuò)散的作用。所以，人們又把耗盡區(qū)稱為勢(shì)壘區(qū)或位壘區(qū)。與此同時(shí)，內(nèi)電場(chǎng)將使N區(qū)的少子空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，使P區(qū)的少子電子向N區(qū)

19、運(yùn)動(dòng)，通常把這種現(xiàn)象稱為漂移。漂移運(yùn)動(dòng)的方向正好與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的方向相反。由擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的電流，稱為擴(kuò)散電流；由漂移運(yùn)動(dòng)形成的電流，稱為漂移電流。這兩種電流方向相反。當(dāng)這兩種電流相等時(shí)，達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)勢(shì)壘區(qū)的寬度也就確定下來(lái)了。PN結(jié)就是指的勢(shì)壘區(qū)，通常很薄，約為數(shù)十微米，其接觸電位差的大小與半導(dǎo)體材料、摻雜濃度和環(huán)境溫度有關(guān)。在室溫下，硅材料PN結(jié)的接觸電位差UD0.60.8V，鍺材料PN結(jié)的UD0.10.3V，溫度每升高1，電位差降低約2mV。 PNPN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)外加正向電壓（結(jié)外加正向電壓（PN結(jié)導(dǎo)通）結(jié)導(dǎo)通） .22光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)電源電壓通過(guò)限

20、流電阻加在半導(dǎo)體的兩端，其正極接P，負(fù)極接N。電源的這種接法稱為外加正向電壓，也叫正向偏置，簡(jiǎn)稱“正偏”，如右圖所示。 由圖可知，外加電壓的極性與勢(shì)壘的極性相反。P區(qū)的多子（空穴）在正極性電壓的驅(qū)使下進(jìn)入勢(shì)壘區(qū)；N區(qū)的多子（電子）在負(fù)極性電壓的驅(qū)動(dòng)下也進(jìn)入勢(shì)壘區(qū)，這將使勢(shì)壘區(qū)的部分正、負(fù)離子被中和，導(dǎo)致勢(shì)壘區(qū)變窄，勢(shì)壘降低，有利于多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成較大的擴(kuò)散電流。但勢(shì)壘區(qū)的變窄，內(nèi)電場(chǎng)的減弱，卻不利于少子的漂移運(yùn)動(dòng)，致使漂移運(yùn)動(dòng)電流可以忽略。正向電壓下的電流稱為正向電流，因此正向電流主要由擴(kuò)散電流構(gòu)成，它隨著正向電壓的增加而增大。 PN結(jié)外加正向電壓 .23光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)

21、它的關(guān)系是指數(shù)關(guān)系：其中：ID為流過(guò)PN結(jié)電流，U為PN結(jié)兩端的電壓，UT=kT/q稱為溫度電壓當(dāng)量，其中，k為波爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，q為電子電量，在室溫下（300K）時(shí)UT=26mV，IS為反向飽和電流。所以，PN結(jié)加正向偏壓時(shí)是導(dǎo)電的,它所呈現(xiàn)的電阻為正向電阻。 2） PN結(jié)外加反向電壓結(jié)外加反向電壓 （PN結(jié)截止）結(jié)截止） 如果將外部電壓的負(fù)端接P區(qū)，正端接N區(qū)，稱為外加反向電壓，或稱反向偏置（反偏），如右圖所示。 PN結(jié)外加反向電壓 .24由于外加電壓的極性與勢(shì)壘極性相同，P區(qū)的空穴將離開(kāi)勢(shì)壘區(qū)向電源負(fù)極運(yùn)動(dòng)；N區(qū)電子也將離開(kāi)勢(shì)壘區(qū)向電源正極運(yùn)動(dòng)，于是在勢(shì)壘區(qū)就出現(xiàn)了更多的正、負(fù)

22、離子，使勢(shì)壘區(qū)展寬，勢(shì)壘增高，必然對(duì)多子的擴(kuò)散產(chǎn)生影響，使擴(kuò)散電流減少，隨著外加電壓的增加，擴(kuò)散電流很快減到零。剩下的漂移電流，則基本上不隨外加電壓而改變。這是因?yàn)槠齐娏魇怯杀菊骷ぐl(fā)產(chǎn)生的少子形成的，當(dāng)溫度一定時(shí)，便是一個(gè)定值。反向電壓作用下的漂移電流，稱為反向電流，由于它不隨反向電壓而改變，故稱為反向飽和電流。因此，當(dāng)PN結(jié)反向偏置時(shí)，基本上是不導(dǎo)電的。這時(shí)我們稱“PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)”，其呈現(xiàn)的電阻為反向電阻，而且阻值很高。但當(dāng)溫度升高時(shí)，由于本征激發(fā)而產(chǎn)生的少數(shù)載流子增多，反向電流也就增大。溫度每升高1時(shí)，反向電流增加約7。因?yàn)椋?.07）102，故可認(rèn)為，溫度每升高10時(shí)，反向電流增加

23、一倍。由以上我們可以看出：PN結(jié)在正向電壓作用下，處于導(dǎo)通狀態(tài)，在反向電壓的作用下，處于截止?fàn)顟B(tài)，因此PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí).253） PN結(jié)的伏安特性結(jié)的伏安特性 光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)單向?qū)щ娛荘N結(jié)的重要特性。這一特性可以用以下方程描述： 式中：U為PN結(jié)兩端外加電壓，I為流過(guò)PN結(jié)的電流，IS為反向飽和電流，UTKT/q為溫度的電壓當(dāng)量，其中k1.3810-23J/K為玻耳茲曼常數(shù)，q1.610-19庫(kù)侖為電荷量，T為絕對(duì)溫度。在常溫（300K）下，UT26mV。根據(jù)方程繪出的伏安特性曲線如下圖所示。 ABIs(uA)i(mA)15Is10Is5Is

24、0-50-10050100u(mV)-+-+.26光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)PNPN結(jié)的反向擊穿結(jié)的反向擊穿 在測(cè)量PN結(jié)的伏安特性時(shí)，如果外加的反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，反向電流會(huì)突然增加，如下圖所示。我們把這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿，發(fā)生擊穿所需要的電壓稱為擊穿電壓UB。PN結(jié)被擊穿后，如果對(duì)其電流不加限制，PN結(jié)有可能由于過(guò)熱而造成永久性損壞。 UB(uA)i(mA)15Is10Is5Is0u(mV)-+-+.276. 6. 激光產(chǎn)生的基本原理：激光產(chǎn)生的基本原理： 光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)光的輻射和吸收光的輻射和吸收 光的吸收光的吸收 EmEnhvmn假設(shè)某原子最初處于基態(tài)能級(jí)

25、Em，用一束能量為hmn的光子流照射它，則原子就有可能吸收光子的能量，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)能級(jí)En，這種過(guò)程稱為光的吸收。 （發(fā)生吸收過(guò)程的必要條件是：入射光子的能量必須等于原子的兩個(gè)能級(jí)的能量差，即hmnEnEm。原子吸收一個(gè)光子而從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)的過(guò)程也稱為原子的激發(fā)。但是滿足上述hmnEnEm的光子不一定都能使原子躍遷到高能級(jí)的受激態(tài)中去。因?yàn)檫@里還有個(gè)躍遷的幾率問(wèn)題。各個(gè)能級(jí)的躍遷幾率有的很大，有的很小，而有些能級(jí)的激發(fā)甚至是被“禁止”的。所有這些都決定于原子本身的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。） .28 光的自發(fā)輻射光的自發(fā)輻射 光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)EmEnhvmn發(fā)光前發(fā)光后原子吸收了外界能

26、量而躍遷到激發(fā)態(tài)，這個(gè)激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，原子在激發(fā)態(tài)停留的時(shí)間非常短，通常約為10-8秒的數(shù)量級(jí)。在這期間內(nèi)，它們很快地在沒(méi)有外界作用情況下，自發(fā)地輻射出光子來(lái)，從激發(fā)態(tài)返回到基態(tài)。這種現(xiàn)象就稱為自發(fā)輻射。 自發(fā)輻射的特點(diǎn)在于：這種過(guò)程與外界作用無(wú)關(guān)，各個(gè)原子的輻射都是自發(fā)地、獨(dú)立地進(jìn)行的，因而各個(gè)光子的發(fā)射方向和初相位都不相同。此外，由于大量原子所處的激發(fā)態(tài)不盡相同，可以發(fā)射出不同頻率的光，所以自發(fā)輻射的頻率范圍很廣。這就是普通光源的發(fā)光機(jī)理。由此可見(jiàn)普通光源發(fā)出的光，光子的簡(jiǎn)并度是很低的，具有一系列不同的頻率和不同的初相位，其單色性極差，而且彼此不能相干。 .29 光的受激輻射光的受激輻射

27、光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)處于激發(fā)態(tài)能級(jí)上的原子，如果在它發(fā)生自發(fā)輻射以前，收到外來(lái)的、能量為hmnEnEm的光子的刺激作用，就有可能從En躍遷到Em，同時(shí)輻射出一個(gè)與外來(lái)光子同頻率、同相位、同方向、同偏振態(tài)的光子，這一過(guò)程稱為受激輻射。 EmEnhvmn發(fā)光前發(fā)光后hvmnhvmn受激輻射必須要在一定頻率（受激輻射必須要在一定頻率（mn）的外來(lái)入射光子的作用下才會(huì)發(fā)生，的外來(lái)入射光子的作用下才會(huì)發(fā)生，而受激輻射過(guò)程中所發(fā)出的光子的性質(zhì)、狀態(tài)等都與外來(lái)光子完全相同。而受激輻射過(guò)程中所發(fā)出的光子的性質(zhì)、狀態(tài)等都與外來(lái)光子完全相同。 經(jīng)過(guò)受激輻射，輻射光與入射光同相位、同頻率、同方向、同偏振態(tài)，

28、相經(jīng)過(guò)受激輻射，輻射光與入射光同相位、同頻率、同方向、同偏振態(tài)，相互疊加而使強(qiáng)度變強(qiáng)，即入射光得到了放大。受激輻射引起光放大正是激互疊加而使強(qiáng)度變強(qiáng)，即入射光得到了放大。受激輻射引起光放大正是激光產(chǎn)生機(jī)構(gòu)中的一個(gè)重要基本概念。光產(chǎn)生機(jī)構(gòu)中的一個(gè)重要基本概念。 .302. 2. 產(chǎn)生激光的基本條件產(chǎn)生激光的基本條件 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)從以上關(guān)于自發(fā)輻射和受激輻射的討論中，我們可以看到，普通光源的發(fā)光機(jī)構(gòu)是自發(fā)輻射占統(tǒng)治地位。然而，激光器的發(fā)光卻主要是受激輻射。那么我們?cè)鯓硬拍茉谝粋€(gè)發(fā)光系統(tǒng)中，造成受激輻射的主導(dǎo)地位，而使其發(fā)出激光來(lái)呢？ 實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件有：要

29、有可用來(lái)進(jìn)行粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)（激活介質(zhì)）；具有適當(dāng)?shù)哪芗?jí)結(jié)構(gòu)（存在亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，壽命10-3S）；a)能夠從外界輸入能量使工作物質(zhì)激活（稱為“激勵(lì)”、也叫“抽運(yùn)”或“光泵”），使物質(zhì)中盡可能多的粒子吸收能量后躍遷到高能級(jí)上去。 .31以三能級(jí)系統(tǒng)為例，具體介紹實(shí)現(xiàn)以三能級(jí)系統(tǒng)為例，具體介紹實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的方法：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的方法： 光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)E1E3 基態(tài)hvE2 激發(fā)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)激勵(lì)（光泵、抽運(yùn)）激勵(lì)能源將基態(tài)E1上的原子激勵(lì)到激發(fā)態(tài)能級(jí)E3。 E1E3 基態(tài)hvE2 激發(fā)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)激勵(lì)無(wú)輻射躍遷hvE2E1hvhv原子通過(guò)碰撞把能量轉(zhuǎn)移給晶格而無(wú)輻射地躍遷到亞穩(wěn)態(tài)E2（原子的壽

30、命約為10-3S）。隨著亞穩(wěn)態(tài)E2上的原子數(shù)不斷增加，而基態(tài)E1上的原子數(shù)不斷減少，于是在亞穩(wěn)態(tài)E2和基態(tài)E1兩能級(jí)之間實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 .322 2）光學(xué)諧振腔）光學(xué)諧振腔 光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)為使受激輻射持續(xù)下去，持續(xù)地獲得激光輸出，必須采用光學(xué)諧振腔。為使受激輻射持續(xù)下去，持續(xù)地獲得激光輸出，必須采用光學(xué)諧振腔。 初始誘發(fā)原子發(fā)生受激輻射的光子來(lái)源于自發(fā)輻射，因而此時(shí)的受激輻射是隨機(jī)的，所輻射光的相位、偏振態(tài)、頻率和傳播方向都是互不相關(guān)的。光學(xué)諧振腔的作用就是可以使某一方向和頻率的光子享有最優(yōu)越的條件進(jìn)行放大。 常用的光學(xué)諧振腔是在工作物質(zhì)的兩端放置兩塊互相平行的反射鏡。參看下

31、圖，（a）表示處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)在自發(fā)輻射，向各個(gè)方向發(fā)射光子。其中，凡偏離諧振腔軸線方向運(yùn)動(dòng)的光子最終均會(huì)溢出腔外，只有沿軸線方向運(yùn)動(dòng)的光子，在腔內(nèi)來(lái)回反射，產(chǎn)生連鎖式的光放大。（b）表示光遇到諧振腔的反射鏡之后，一部分輸出，一部分又反射回去，又得到放大。（c）則表示光在諧振腔內(nèi)來(lái)回反射，每來(lái)回一次都得到一定的放大，而使光的強(qiáng)度越來(lái)越強(qiáng)，光束越強(qiáng)，則處于激發(fā)態(tài)的原子受激輻射就越多。由于諧振腔的這種作用，最終將從部分反射鏡射出一束極強(qiáng)的光束“激光”（Laser，Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）。 .33光器件

32、基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)3 3）閾值條件）閾值條件 如右圖所示： 反射鏡2L反射鏡1Az設(shè)增益介質(zhì)單位長(zhǎng)度的小信號(hào)增益系數(shù)為g0，損耗系數(shù)為i，兩個(gè)反射鏡的反射率為r1和r2 ， 為光學(xué)諧振腔的平均損耗系數(shù)，它包括增益物質(zhì)的本身?yè)p耗和通過(guò)兩個(gè)反射鏡的傳輸損耗，其中包括了有用光的輸出。 激光器起振條件：激光器起振條件： .34閾值條件：閾值條件： 光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)4 4）相位條件）相位條件 要產(chǎn)生激光振蕩，除了要滿足閾值條件以外，還要滿足相位平衡條件，即激光器必須工作在諧振腔的工作模式上。當(dāng)平行平面諧振腔體內(nèi)的光沿著腔軸的方向在腔內(nèi)的兩個(gè)反射面之間來(lái)回傳播時(shí)，從反射鏡1射向反射鏡2的光

33、波，和從反射鏡2射向反射鏡1的光波，正好是沿著相反方向傳播的，因此，光在腔內(nèi)部 沿著腔的軸向?qū)⑿纬筛缮?，多次往?fù)反射時(shí)，就會(huì)發(fā)生多光束干涉。為了能在腔內(nèi)形成穩(wěn)定振蕩，就要求光波能因干涉而得到加強(qiáng)以形成正反饋。 發(fā)生加強(qiáng)干涉以形成正反饋的條件是 ：波從某一點(diǎn)出發(fā)，經(jīng)腔內(nèi)往返一周再回到原來(lái)位置時(shí)，應(yīng)與初始出發(fā)波同相，即相差為2的整數(shù)倍。 .35光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)激光器的相位平衡條件 ：（又稱為光腔的駐波條件） 其中，q=1,2,3,；q為q值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)；L為腔的光學(xué)長(zhǎng)度。 當(dāng)整個(gè)光腔內(nèi)充滿折射率為n的均勻工作物質(zhì)時(shí)： 式中，L為腔的幾何長(zhǎng)度。通常由不同的q值代表不同的縱向模式，稱為激光器

34、的縱模。 .36光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)縱模間隔（相鄰兩個(gè)縱模的頻率之差f）：f與q無(wú)關(guān)，對(duì)于一定得光腔為常數(shù)，因而縱模在頻率尺度上是等距離排列的。 （激光振蕩也可以出現(xiàn)在垂直于腔軸的方向，這是平面波偏離軸向傳播時(shí)產(chǎn)生的橫向電磁場(chǎng)模式，簡(jiǎn)稱橫模，以TEMmn命名，m，n為橫模指數(shù)。下圖示出了三種TEMmn模的電場(chǎng)分布和光斑。由于光學(xué)諧振腔中的光線基本上是平行于腔軸面?zhèn)鞑サ?，腔中各模式的縱向場(chǎng)分量比橫向場(chǎng)分量小的多，因此激光器中的場(chǎng)近似地為橫電磁波，記為TEMmnq，q為縱模指數(shù)。其中TEM00q為基橫模，它具有最大的相干性和最高的頻譜純度，光束的發(fā)散角也最小，光能集中于中心，易于與光纖耦合

35、，耦合效率高，損耗小。）.37光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)第三章第三章 光發(fā)射器件和組件光發(fā)射器件和組件 3.1 半導(dǎo)體激光器（半導(dǎo)體激光器（LDLD）和激光器組件和激光器組件 半導(dǎo)體激光器的分類半導(dǎo)體激光器的分類 法布里帕羅（FabryPerot，F(xiàn)-P）型激光器分布反饋（Distributed Feedback，DFB）型激光器 分布布拉格（DBR）型激光器 量子阱（QW）型激光器 垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）等 .38光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體激光器組件半導(dǎo)體激光器組件上節(jié)我們介紹的幾種半導(dǎo)體激光器，實(shí)際上只是我們通常所說(shuō)的激光器組件的一個(gè)重要元件，如果沒(méi)有組件中其他元件，單

36、一的激光器芯片是沒(méi)有任何實(shí)用性的。所謂激光器組件，是指在一個(gè)密閉結(jié)構(gòu)中（如管殼內(nèi)），除激光器（LD）芯片外，還配置其他元件以及一些為實(shí)現(xiàn)LD工作所必要的電路結(jié)構(gòu)的集成器件。其他元件和必要電路可能包括：光隔離器：其作用是防止LD輸出的激光反射影響，實(shí)現(xiàn)激光的單向傳輸，它位于LD的激光輸出邊。有自由空間型隔離器和尾纖型隔離器等，根據(jù)偏振形式又可分為偏振相關(guān)和偏振無(wú)關(guān)兩種類型。背光監(jiān)視光電二極管：其作用是監(jiān)視LD的輸出功率變化，是APC（自動(dòng)功率控制）電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。1)尾纖和連接器：根據(jù)不同的需要，選擇不同的尾纖和連接器。.394） LD的驅(qū)動(dòng)電路（包括

37、電源和LD芯片之間的阻抗匹配電路）。5） 熱敏電阻：其作用是根據(jù)熱敏電阻的阻值隨溫度變化的規(guī)律，通過(guò)監(jiān)測(cè)其阻值的變化來(lái)監(jiān)測(cè)組件內(nèi)部的溫度變化。在有致冷的組件中，它是ATC（自動(dòng)溫度控制）電路的重要元件之一。6） 熱電致冷器（TEC）：一種半導(dǎo)體熱電元件，通過(guò)改變熱電元件的極性可以達(dá)到加熱和致冷的目的。根據(jù)具體需要，激光器組件內(nèi)部元件會(huì)有很大差別，同時(shí)所采取的封裝形式也會(huì)有所不同。所謂封裝，是指將形成一個(gè)激光器組件所必須的元件和電路部分結(jié)合在一起組成最終的可直接使用的產(chǎn)品的工藝過(guò)程。不同的封裝形式（比如同軸封裝和蝶型封裝），其產(chǎn)品生產(chǎn)工藝過(guò)程是不一樣的；即使同一種同軸封裝，尾纖型和插拔型的生產(chǎn)工

38、藝過(guò)程也是迥然不同的。在此，我們不就各種封裝工藝做具體介紹，因?yàn)檫@涉及到很多其他方面內(nèi)容。我們只就公司現(xiàn)有產(chǎn)品簡(jiǎn)要介紹一些主要的封裝形式，讓大家能有一個(gè)了解。 光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí).40光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)Butterfly 蝶型封裝激光器組件蝶型封裝激光器組件Pigtailed Coaxial 同軸尾纖型封裝同軸尾纖型封裝激光器組件激光器組件 .41光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)同軸插拔型封裝（同軸插拔型封裝（TOSA Package） .42光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)3.2 半導(dǎo)體激光器組件的常用參數(shù)和測(cè)試方法半導(dǎo)體激光器組件的常用參數(shù)和測(cè)試方法 半導(dǎo)體激光器組件的絕對(duì)最大

39、額定值半導(dǎo)體激光器組件的絕對(duì)最大額定值 絕對(duì)最大額定值是指：在任何情況下都不能超過(guò)的極限值，超過(guò)這些極限值可能導(dǎo)致器件的立即破壞或永久損壞。所有光電參數(shù)最大的額定值都是在25大氣環(huán)境下確定的。 它包括下面幾項(xiàng)： 存貯溫度（Tstg）：指當(dāng)器件存貯在一個(gè)非工作條件中時(shí)，絕對(duì)不能超過(guò)的溫度（大氣環(huán)境）范圍。工作的管殼溫度（TOP）：指當(dāng)器件在處于工作狀態(tài)時(shí)，絕對(duì)不能超過(guò)的管殼溫度范圍 1)光輸出功率（P0或Pf）：指從一個(gè)未損傷器件可輻射出的最大連續(xù)光輸出功率。尾纖型組件既是指尾纖輸出功率；插拔型組件既是指插拔端口輸出功率。 .43光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)正向電流（IF）：指可以施加到器件上且

40、不產(chǎn)生器件損傷的最大連續(xù)正向電流。反向電壓（VR）：指可以施加到器件上且不產(chǎn)生器件損傷的最大反向電壓。 背光監(jiān)測(cè)光電二極管反向電壓（VD）：指可以施加到背光監(jiān)測(cè)的光電二極管上且不產(chǎn)生器件損傷的最大反向電壓。 激光器組件的絕對(duì)最大額定值雖然不是我們需要測(cè)試的項(xiàng)目，但是我們必須對(duì)其要有充分的了解，因?yàn)槲覀儨y(cè)試時(shí)直接接觸的就是各種組件，我們的每一步操作都必須嚴(yán)格限制在各種組件的絕對(duì)最大額定值范圍以內(nèi)，否則，就有可能對(duì)器件造成永久性損或損壞。 .442. 2. 半導(dǎo)體激光器組件的光電特性參數(shù)及其測(cè)試方法半導(dǎo)體激光器組件的光電特性參數(shù)及其測(cè)試方法 光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)激光器組件的光電特性參數(shù)一般

41、都是在25管殼溫度下（或在有致冷器組件的激光器芯片上）確定的，除非另做詳細(xì)說(shuō)明。其主要光電特性參數(shù)有以下幾項(xiàng)： P-I-V特性：激光器組件的P-I-V特性指的是：其輸出光功率和正向輸入電流以及正向電壓之間的關(guān)系。是激光器組件的重要特性之一，它反映出激光器組件的多項(xiàng)性能指標(biāo)。我們現(xiàn)在所使用的測(cè)試系統(tǒng)如ILX、KEITHLEY、武漢理工大學(xué)等都具備測(cè)試P-I-V特性的功能。P-I-V特性的基本測(cè)試方法和原理： .45如圖所示，其中，D為被測(cè)激光器；ATC為自動(dòng)溫度控制裝置；G為直流電流源；V為電壓表；mA為電流計(jì)；P為光功率計(jì)；Rc為保護(hù)電阻。測(cè)試時(shí)，開(kāi)啟ATC自動(dòng)溫度控制電路（對(duì)于無(wú)致冷器件，規(guī)

42、定測(cè)試時(shí)管殼溫度為25），設(shè)置直流電源輸入電流按適當(dāng)步長(zhǎng)增加。通過(guò)計(jì)算機(jī)掃描其各個(gè)電流值時(shí)的輸出光功率和正向電壓值并繪制出PIV曲線。然后通過(guò)一定的計(jì)算方法，對(duì)曲線及數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，從而得出各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)。我們現(xiàn)在所使用的測(cè)試系統(tǒng)就是按照該測(cè)試原理將各個(gè)設(shè)備集成化的產(chǎn)品。 光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)GATCDVRcmAPPIV特性測(cè)試原理框圖 .46光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)測(cè)試項(xiàng)目：正向電壓（VF）：指當(dāng)正向驅(qū)動(dòng)電流為一確定值時(shí)（如對(duì)于某些LD，IFIth20mA），對(duì)應(yīng)的激光器的正向壓降。也可以認(rèn)為是指激光器組件在額定輸出光功率P0處的正向壓降。伏安（VI）特性：激光器是半導(dǎo)體二極管，它具

43、有半導(dǎo)體二極管的特性。通過(guò)測(cè)試激光器的VI特性，可以反映出其結(jié)特性的優(yōu)劣，同時(shí)通過(guò)大電流下的正向VI特性，我們還可以估算出其串聯(lián)電阻值。下圖示出了一般激光器的VI曲線。 -4-201u(V)210.20.6i(mA)-6-5-10.47光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)PI曲線、閾值電流：PI曲線指的是激光器組件輸出光功率與注入正向電流的關(guān)系曲線。如右圖所示。隨著正向電流的增加，激光器首先是漸漸地增加自發(fā)輻射，直至它開(kāi)始發(fā)射受激輻射，產(chǎn)生激光。我們把激光器開(kāi)始產(chǎn)生激光發(fā)射時(shí)的正向驅(qū)動(dòng)電流稱之為閾值電流。用符號(hào)Ith表示。 注：閾值電流的測(cè)試方法是依據(jù)PI曲線的測(cè)試數(shù)據(jù)，通過(guò)一定的計(jì)算方法得出的。主要

44、計(jì)算方法有下面兩種： 熒光輻射段0.60.20.4P(mW)Ith5100.81.0P(mW)受激光輻射段I(mA)I(mA)203040Ithd PdIF22PI曲線上分別作出熒光輻射段與激光輻射段的切線，其交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流值即為被測(cè)激光器的閾值電流值。在PI曲線上作出輸出輻射光功率對(duì)正向電流的二階導(dǎo)數(shù)曲線，該曲線上出現(xiàn)第一個(gè)極大值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的正向電流值即為被測(cè)激光器的Ith。 .48光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)激光器組件輸出光功率的線性度（）：輸出光功率的線性度是衡量實(shí)際輸出光功率偏離理論輸出光功率的一個(gè)量。用百分?jǐn)?shù)表示。目前可接受的計(jì)算方法有三種： 一次微分法：通過(guò)對(duì)PI曲線微分并規(guī)定限制

45、微分變化測(cè)量所有線性。測(cè)量過(guò)程可與拐點(diǎn)（Kink點(diǎn)）測(cè)試一起完成。 如左圖所示。諧波法：通過(guò)把光電曲線變換為頻譜曲線，能夠識(shí)別其非線性特征。通過(guò)把激光器偏置設(shè)置在50最大額定光功率輸出，并在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)用正弦調(diào)制信號(hào)來(lái)掃描可以完成這種變換。此方法必須使用線性的探測(cè)器來(lái)探測(cè)光輸出。探測(cè)器的電輸出被送到頻譜分析儀。其反應(yīng)出來(lái)的二階（三階或更高階）諧波就是其非線性的證據(jù)。（此方法一般在測(cè)量模擬傳輸用的高線性器件時(shí)才用到。） I(mA)P(mW)dP/dI光輸出飽和.49光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)c. 圖形分析法：標(biāo)出PI曲線上對(duì)應(yīng)的10及額定光功率點(diǎn)，通過(guò)兩點(diǎn)畫(huà)一直線并測(cè)量實(shí)際PI曲線偏離這條線

46、的最大變化。如左圖所示。功率線性度可表示為 I(mA)P(mW)10%Pth P0P實(shí)際P理論拐點(diǎn)（Kink點(diǎn)）：指的是PI曲線上光功率出現(xiàn)非線性變化的點(diǎn)。其測(cè)試方法如前介紹光功率線性度時(shí)所述，通過(guò)一階微分法。通過(guò)選取足夠小的電流步長(zhǎng)（0.25mA），對(duì)PI曲線進(jìn)行一階微分。其導(dǎo)數(shù)曲線圖可以說(shuō)明其拐點(diǎn)位置和線性度范圍。 .50光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)光輸出飽和度：光輸出飽和度是指理想的線性響應(yīng)光輸出的跌落。如果PI曲線上有過(guò)多的彎曲（也稱“翻轉(zhuǎn)”），則認(rèn)為該激光器的光輸出是飽和的。同樣，我們可以通過(guò)一階微分法，計(jì)算曲線上的最大的跌落即可測(cè)量出飽和度。PI曲線的斜率（）：我們使用半導(dǎo)體激光器

47、，除了希望低的閾值電流（Ith）外，還希望使用最小的電流就能得到越來(lái)越大的光輸出功率。也就是說(shuō)，在慢慢地注入電流后，能夠獲得快速增加的光功率。這就是我們通常所說(shuō)的斜向效率。即是指在Ith以上的PI曲線的斜率，用P/I表示。其單位是W /A或mW/mA。其測(cè)試方法如右圖所示。 5103020400.20.40.80.61.0I(mA)P(mW)IP.51光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)特征溫度（T0）：在大多數(shù)應(yīng)用中，總是希望激光器能在溫度升高時(shí)繼續(xù)正常工作，尤其是大功率激光器更是如此。表征這種性能的參數(shù)就是特征溫度，用T0表示。它是衡量激光器對(duì)溫度敏感度的一個(gè)參數(shù)。較高的意味著當(dāng)溫度快速升高時(shí)，激

48、光器的Ith和P/I變化不大。也可將T0理解為激光器的熱穩(wěn)定性。其測(cè)試方法是在各種溫度下測(cè)量激光器的PI曲線，然后將結(jié)果列表，然后計(jì)算出T0的值。如左圖所示，首先我們?cè)诓煌瑴囟认聹y(cè)出相應(yīng)的PI曲線。然后，通過(guò)下式求出T0值。 I(mA)P(mW)20C 30C40C50C60C70C80C.52光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)右圖是通過(guò)圖解法來(lái)求T0的方法： 10204030506070806.16.26.46.36.66.5溫度Cln（Ith）通過(guò)擬合直線，計(jì)算其斜率即可得出T0值。 .53光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)GATCDRcGLDPDP2） 背光探測(cè)器監(jiān)測(cè)光電流Im：激光器組件內(nèi)部通常都

49、帶有背光探測(cè)器，其作用就是通過(guò)監(jiān)測(cè)激光器背光變化來(lái)反饋給APC電路以達(dá)到控制激光器正向光穩(wěn)定輸出的目的。這項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試現(xiàn)在也已經(jīng)集成到了我們所使用的PIV測(cè)試系統(tǒng)中。其測(cè)試原理如下圖所示。 .543） 光譜特性： 光譜其實(shí)就是一種電磁波譜，電磁波譜分為長(zhǎng)波區(qū)、光學(xué)區(qū)、射線區(qū)。光電技術(shù)只涉及光學(xué)譜區(qū)。在光學(xué)譜區(qū)內(nèi)，具有相同的輻射與吸收機(jī)理，許多輻射源的光譜分布和接收器的靈敏閾都同時(shí)覆蓋此區(qū)域。 光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí).55光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)測(cè)試原理如右圖所示。其中M為光譜儀。 GATCDRcM測(cè)試項(xiàng)目： 峰值波長(zhǎng)（P）在規(guī)定輸出光功率時(shí)，光譜內(nèi)若干發(fā)射模式中最大強(qiáng)度的光譜波長(zhǎng)被稱

50、為峰值波長(zhǎng)（P）。 中心波長(zhǎng)（c）在激光器光譜中，連接50最大幅度值線段的中點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為中心波長(zhǎng)（c）。平均波長(zhǎng)（mean）所有光譜模式的加權(quán)平均值，把幅度大于峰值2的模式均計(jì) 。 .56d） 光譜寬度（）在規(guī)定輸出光功率時(shí)，光譜內(nèi)若干發(fā)射模式中最大強(qiáng)度的光譜波長(zhǎng)被稱為峰值波長(zhǎng)（P）。對(duì)于不同類型的激光器產(chǎn)品，我們采用不同的計(jì)算方法。如FP型（多縱模）激光器組件，采用ITU-TG.957建議的最大均方根（RMS）寬度定義。在規(guī)定的光輸出功率下測(cè)量光譜寬度。其值由下式確定： 光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)如DFB型（單縱模）激光器組件，采用ITU-TG.957建議的最大20dB寬度來(lái)定義。即

51、在規(guī)定光輸出功率下主模中心波長(zhǎng)的最大峰值功率跌落20dB時(shí)的最大全寬定義為。 .57e） 邊模抑制比（SMSR）在發(fā)射光譜中，在規(guī)定的輸出光功率和規(guī)定的調(diào)制（或CW）時(shí)最高光譜峰強(qiáng)度與次高光譜峰強(qiáng)度之比。該參數(shù)僅用于單頻（單縱模）激光器，如DFB激光器的光譜測(cè)試中。f）中心波長(zhǎng)的溫度依賴性激光器的中心波長(zhǎng)比例于它的工作溫度，隨溫度升高，激光器的中心波長(zhǎng)會(huì)隨之增加。下圖示出了DFB激光器的中心波長(zhǎng)隨溫度漂移的示意圖。 光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)相對(duì)強(qiáng)度波長(zhǎng)pp.584） 激光器組件的調(diào)制特性： 光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)測(cè)試項(xiàng)目： 調(diào)制電流（Imod）調(diào)制電流等于達(dá)到額定輸出光功率時(shí)所需的總

52、電流值（I）減去閾值電流（Ith），即：ImodIIth。 上升（tr）、下降（tf）時(shí)間上升、下降時(shí)間是指激光器輸出光功率的脈沖響應(yīng)時(shí)間。把光脈沖的上升時(shí)間定義為從額定光功率的10上升到90所需的時(shí)間；把光脈沖下降時(shí)間定義為從額定光功率的90下降到10所需的時(shí)間，如左圖所示。通常把偏置電平設(shè)在Ith或稍高于Ith。對(duì)激光器來(lái)說(shuō)，總是希望由小的上升、下降時(shí)間。t電流偏置電流輸入脈沖電流直流1090100相對(duì)光強(qiáng)ttontrtfts.59光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)其測(cè)試原理圖如下： （其中G1為脈沖發(fā)生器；G2為直流電流偏置電源；G3為直流電壓偏置電源；C1、C2為耦合電容；M為測(cè)量?jī)x表（例如

53、示波器、頻譜分析儀）；R為匹配電阻；SYN為同步信號(hào)；L為電感。） G1ATCDR1G3LDPDC1G2LR2C2MSYN.60光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)c） 開(kāi)通延時(shí)（ton）開(kāi)通延時(shí)是調(diào)制的光脈沖上升沿在電信號(hào)為“開(kāi)”后到達(dá)全幅度10所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。 d） 存貯時(shí)間（tS）： 存貯時(shí)間是調(diào)制的光脈沖下降沿在電信號(hào)為“閉”后到達(dá)全幅度90所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。 5） 激光器組件的小信號(hào)頻率特性（截止頻率fc）： 其測(cè)試原理如右圖所示。其中G1為頻率可調(diào)正弦交流發(fā)生器；G2為直流電流偏置電源；G3為直流電壓偏置電源；R為匹配電阻；C1、C2為耦合電容；M為測(cè)量?jī)x器；L為電感。 G1ATCDG3LDPD

54、C1G2LR2C2M.61光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)測(cè)試時(shí)，給被測(cè)激光器組件施加直流偏置電流，并迭加交變正弦調(diào)制電流。保持交變調(diào)制電流恒定，增加調(diào)制頻率，直到光電二極管探測(cè)器的交流輸出信號(hào)下降3dB，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率為截止頻率fc。如下圖所示。（注意，測(cè)試所用的光電二極管探測(cè)器的頻率響應(yīng)應(yīng)大于激光器截止頻率；同時(shí)為防止交流輸出信號(hào)失真，交變調(diào)制正弦信號(hào)應(yīng)足夠小。 ） 增益，dB頻率，GHz-10-30fc0.62光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)6） 激光器組件的相對(duì)強(qiáng)度噪聲（RIN）： 由于激光器諧振腔內(nèi)載流子和光子密度的量子起伏，造成輸出光波中存在著固定的量子噪聲，這種量子噪聲一般用相對(duì)強(qiáng)度噪

55、聲來(lái)度量，即光強(qiáng)度脈動(dòng)的均方根與平均光強(qiáng)度平方之比，公式如下： 由于RIN的存在，會(huì)影響光纖傳輸系數(shù)的信號(hào)質(zhì)量。對(duì)光CATV系統(tǒng)而言，要求RIN小于150dB/Hz。在確定RIN時(shí)，應(yīng)畫(huà)出RIN與頻率或工作電流的關(guān)系曲線，如右圖所示。用下面公式可計(jì)算RIN： 0100200300400500600頻率（MHz)-170-160-150-130-140-120-110RIN(dB/Hz)（ ）與頻率關(guān)系曲線-110-120-140-130-150-160-1706040200RIN(dB/Hz)在100200頻率范圍的平均值平均工作電流（）（ ）與工作電流關(guān)系曲線.63其中Pn是有光時(shí)的噪聲功率

56、；Pno是無(wú)光時(shí)的噪聲功率；G是放大器增益；Bn是光譜分析儀的噪聲帶寬；Z0是光電二極管探測(cè)器的負(fù)載電阻；是平均的光電流（有光時(shí)）；e是電子電荷（1.610-19庫(kù)侖）。 光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)該指標(biāo)的測(cè)試原理如下圖所示。其中M為頻譜分析儀。 MR2PDLDG3DATCG1低噪聲AMP.647） 組合二階失真和組合三階差拍（CSO和CTB） ： 當(dāng)把多個(gè)RF信號(hào)（載波）應(yīng)用到器件時(shí)，會(huì)出現(xiàn)疊加失真，在光纖CATV中，這個(gè)問(wèn)題特別突出。所以對(duì)光纖CATV的激光器組件提出了關(guān)于疊加失真的重要要求。 組合二階失真（CSO）落在一個(gè)頻道中的其他頻道載波所產(chǎn)生的二階互調(diào)產(chǎn)物的總功率與該頻道載波功率

57、之比。其表達(dá)式為： 光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)組合三階差拍（CTB）落在一個(gè)頻道中的其他頻道載波所產(chǎn)生的三階互調(diào)產(chǎn)物和三階差拍產(chǎn)物的總功率與該頻道載波功率之比。其表達(dá)式為： .65光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)8） 跟蹤誤差（TE）： 跟蹤誤差指的是在兩個(gè)不同管殼溫度條件下的光纖輸出功率的比值，用以衡量器件耦合效率的穩(wěn)定性。其測(cè)試方法為在保持恒定的背面光電流（典型值為200A）的條件下，先測(cè)量25時(shí)的光功率，再測(cè)量預(yù)期的工作溫度的兩個(gè)極值（典型值為0和65）時(shí)的光功率。其計(jì)算方法如下： 式中Pi為兩個(gè)溫度極值下的光功率。i1或2。 .663.3 發(fā)光二極管（發(fā)光二極管（LEDLED）和發(fā)光二極

58、管組件和發(fā)光二極管組件 光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)LEDLED的基本工作原理的基本工作原理 ： 作為光纖通信中光源的發(fā)光二極管（LED），它在工作原理上與半導(dǎo)體激光器（LD）的根本區(qū)別是：LED是利用注入有源區(qū)的載流子自發(fā)輻射而發(fā)出光的。兩者在結(jié)構(gòu)上的主要差別是：LED沒(méi)有光學(xué)諧振腔，形不成激光，它的發(fā)光僅限于自發(fā)輻射，發(fā)出的是熒光，是非相干光。 2. 2. LEDLED的特性及測(cè)試方法：的特性及測(cè)試方法：與LD相比，由于兩者在發(fā)光機(jī)理和結(jié)構(gòu)上存在差異，因此使得它們?cè)谥饕阅苌弦泊嬖诿黠@差異。如：LED不存在閾值，輸出功率與注入電流之間呈線性關(guān)系；由于自發(fā)輻射的隨機(jī)性，致使LED的光譜寬度較

59、寬；光束發(fā)散角較大，與光纖耦合效率也較低；輸出的光功率比較低。 .67LEDLED光譜特性及測(cè)試方法：光譜特性及測(cè)試方法：由于LED沒(méi)有光學(xué)諧振腔選擇波長(zhǎng)，所以它的光譜是以自發(fā)發(fā)射為主的光譜，下圖示出了1.3m LED的典型光譜曲線。其測(cè)試方法與激光器類似。 光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)波長(zhǎng)相對(duì)強(qiáng)度pp10.51.301.341.261.3812P：發(fā)光光譜曲線上發(fā)光強(qiáng)度最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為發(fā)光峰值波長(zhǎng)P； ：光譜曲線上兩個(gè)半光強(qiáng)點(diǎn)1和2所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)差稱之為L(zhǎng)ED的譜線寬度（簡(jiǎn)稱譜寬），其典型值在3040 nm之間。 .682 2）LEDLED溫度特性：溫度特性： 從上頁(yè)圖中可以看出，當(dāng)器件工

60、作溫度升高時(shí)，光譜曲線會(huì)隨之向右（向長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)域）移動(dòng)，從P的變化可以求出LED的波長(zhǎng)溫度系數(shù)。同時(shí)，其輸出光功率也會(huì)隨著溫度進(jìn)行變化，但是光功率的變化很小。這說(shuō)明LED是一個(gè)溫度不敏感器件，也就是說(shuō)我們?cè)谑褂肔ED組件時(shí)，可以不考慮使用致冷元件。 光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)3 3）LEDLED的的P PI IV V特性及測(cè)試方法：特性及測(cè)試方法：與激光器PIV特性測(cè)試方法類似，曲線示意圖如下所示。-4-20u(V)10.20.6i(mA)-60.51.69光器件基礎(chǔ)知識(shí)光器件基礎(chǔ)知識(shí)I(mA)255015010020020408060100P(uW)4 4）LEDLED的調(diào)制特性：的調(diào)制特性