1、激光器和探測器第1頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五激光器和探測器第2頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五激光器和探測器編寫：師巖峰第3頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五簡介激光器和光探測器是光通信器件和模塊中兩個重要的組件他們占用光器件和光模塊大部分成本：器件的70%或模塊的30%他們的性能直接決定了光器件和光模塊的指標、性能和品質掌握和了解激光器件和探測器的相關知識，有助于對產(chǎn)品的了解，幫助我們進行研發(fā)、生產(chǎn)和品質管理。第4頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五光、可見光、光源、激光光是一種電磁波可見光是光的

2、一種，人眼可觀察到的光的波長是470-700nm能發(fā)出光的物體叫光源，不管發(fā)出的是可見光或是不可見光激光是不可見光，是電磁波。第5頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五電磁波譜第6頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五半導體的能帶第7頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五量子躍遷光的受激發(fā)射：光子激勵導帶中的電子與價帶中的空穴復合，產(chǎn)生一個所有特征（頻率、相位、偏振）完全相同的光子。它是半導體激光器的工作原理基礎。第8頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五光的產(chǎn)生光是一種電磁波，同時光又是由光子組成的，這稱為光的“波粒二相

3、性”電子躍遷到高能態(tài)后，是不穩(wěn)定的，它隨時會返回低能態(tài)，這時候它所攜帶的多余的能量釋放出來，就產(chǎn)生一個光子在自發(fā)輻射狀態(tài)下釋放的光子數(shù)量很少，而且包含多種頻率，所以能量不集中第9頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五自發(fā)輻射和受激輻射光輻射分為兩類：自發(fā)輻射和受激輻射“自發(fā)的”就是光輻射在沒有外因的情況下發(fā)生的，受激光電子在沒有誘因的條件下由導帶進入價帶。如果讓一個外來的光子擊中一個受激的電子，它們之間相互作用，產(chǎn)生一個新的光子輻射，這就是受激輻射。第10頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五受激輻射的特征外來光子激發(fā)一個帶有相同頻率（波長）的輻射，保證所得

4、到的輻射光的光譜很窄。由于所有光子都是同一方向輻射，因此激光二極管的光電轉換效率和輸出功率很高。所有受激光子的發(fā)射方向都與激發(fā)它們的光子相同，因此受激光有很好的定向性。由于受激光子僅在有外來光子激發(fā)它們的時候才輻射，這兩種光子是同步的，時間上是一致的。第11頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五導體 絕緣體 半導體第12頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五光通信中所用的光源-LEDLED： Light Emitting Diode，發(fā)光二極管，是一種能夠將電能轉化為可見光的固態(tài)的半導體器件，它可以直接把電轉化為光（非激光）LED的心臟是一個半導體的晶片優(yōu)點

5、：省電、壽命長、高亮、低熱缺點：能量不集中其它用途：照明、美化第13頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五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“鐳射”、“萊塞”，是它的英文名稱LASER的音譯，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各單詞頭一個字母組成的縮寫詞。意思是通過受激發(fā)射的光放大。激光的英文全名已經(jīng)完全表達了制造激光的主要過程。1964年按照我國著名科學家錢學森建議改稱“激光”。有意思的是，激光器不是光放大器，而是激光產(chǎn)生器。另有光放大器，如EDFA（摻鉺光纖放大器）

6、、SOA（半導體光放器）激光器有很多種：紅寶石激光器、氣體激光器、半導體激光器。光通信中常用的是半導體激光器第14頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五半導體激光器的產(chǎn)生原理基本條件：1工作物質：有源區(qū)載流子反轉分布2諧振腔：使受激輻射多次反饋，形成振蕩3滿足閾值條件，使增益損耗，有足夠的注入電流。第15頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五正反饋和諧振腔為了得到所需功率的激光，需要數(shù)百萬個光子，采用的方法是在激活層的一端放上一面“鏡子”，光子不斷地被反射回激活層，產(chǎn)生的光子就成幾何倍增加。兩面鏡子實現(xiàn)光的正反饋，組成諧振腔。第16頁，共53頁，2022年，

7、5月20日，2點25分，星期五F-P腔激光器和DFB激光器第17頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五面發(fā)射激光器第18頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五FP激光器FP：Fabry-Pero，法國物理學家法布里和珀羅于1897 年發(fā)明光干涉儀為了進一步提高激光發(fā)射效率，使用特別薄的激活區(qū)，稱為“量子阱”FP激光器TO：全稱是“TO封裝多量子阱 FP 腔激光器”它是一種多縱模激光器，可以理解為多波長第19頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五參數(shù)Parameter符號Symbol測試條件Conditions最小值Min.典型值Typ.最大

8、值Max.單位Unit閾值電流Threshold currentIthCW1020mA輸出功率Output PowerPoCW 255mW工作電壓Operating voltageVoCW Po=5mW1.21.5V斜率效率Slope efficiency25 CW0.150.2mW/mA中心波長Center wavelengthCCW Po=5mW128013101350nm譜線寬度(FWHM)Spectral width(FWHM)25 3nm平行發(fā)散角Beam divergenceangle(parallel)CW,P0=5mW30 deg垂直發(fā)散角Beam divergence ang

9、le(perpendicular)CW,P0=5mW40deg上升下降時間Rise and fall timetr,tfIF=Ith,Po=5mW,1090%0.51.0ns探測器輸出電流Monitoring outputcurrentImCW,P0=5mW，VRP=1V0.1-mA探測器暗電流Dark currentIDVRP=10V0.050.2AFP激光器參數(shù)表第20頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五FP激光器參數(shù)閾值電流（Ith）:激光二極管開始振蕩，產(chǎn)生激光時的正向電流。驅動電流(Iop)：輸出額定光功率下所需的總電流。輸出光功率（Po）：工作電流下輻射出的最大

10、連續(xù)光功率。輸出光功率（Po）：工作電流下輻射出的最大連續(xù)光功率。第21頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五FP激光器參數(shù)峰值波長（p）：在規(guī)定輸出功率下，最大強度的光譜波長。P-I曲線：總發(fā)射功率（P）與注入電流（I）的關系曲線。耦合效率：激光器出纖光功率與激光二極管發(fā)射光功率的比值。第22頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五工作電流和功率I（mA）P（mW）IthIopPo第23頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五PI曲線和激光器工作原理溫度特性拐點第24頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五光功率芯片的發(fā)光功率

11、匯聚后的光功率入纖光功率耦合效率第25頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五背光探測器芯片的發(fā)光功率LDPD背光探測器的作用：調節(jié)驅動電流，達到功率平衡功率背光電流驅動電流功率第26頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五波長、平均波長、峰值波長、中心波長波長：物理概念，一個波的長度平均波長：一個激光器發(fā)射出的所有光譜 即模式的加權平均值峰值波長：一個激光器光功率值最大的波長中心波長：激光器發(fā)射光譜中，最大的單縱模波長的中間值第27頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五工作物質是指用來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉并產(chǎn)生光的受激輻射放大作用的物質體系它可以是

12、固體（晶體、玻璃）氣體（原子氣體、離子氣體、分子氣體）、半導體和液體激光器的工作物質決定了輻射的激光波長第28頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五激光器波長示意圖紅色為峰值波長、綠色為中心波長第29頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五FP激光器波長一個激光器管芯發(fā)出的光含有很多種波長不同波長的功率相差很大不同的材料發(fā)出的波長不同，沒有任何一種材料只發(fā)出一種波長FP激光器的輻射出的波長由兩個鏡子（諧振腔）之間的距離決定，可以有無限多個，但是只有增益大于損耗，才產(chǎn)生光2L/=N,N是一個整數(shù)第30頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五上升時

13、間和下降時間上升時間（Tr）：激光器額定功率從10%上升到90%所用的時間下降時間（Tf）：激光器額定功率從90%下降到10%所用的時間上升時間和下降時間跟材料的性質有關直接決定了器件的速率，1.25G產(chǎn)品意味著每秒鐘信號變化2.5x109次，每個信號的時間是4ns。如果是10G的產(chǎn)品呢？第31頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五上升時間和下降時間對傳輸速率的影響時間（ns）功率（mW）上升時間造成1信號延遲下降時間造成0信號延遲速率增加，脈沖變窄，則會造成1，0不分第32頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五FP激光器光譜圖第33頁，共53頁，2022年

14、，5月20日，2點25分，星期五光譜寬度P3dB譜寬：從峰值波長的功率算起，功率下降一半，光譜的寬度，以nm表示FP激光器的光譜寬度一般為3nm左右譜寬過大，造成脈沖展寬，從而1，0不分光譜寬度限制了FP激光器的速率f= -(c/)第34頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五DFB激光器為了降低光譜寬度，需要使激光器發(fā)射一個縱模，分布反饋式（DFB）激光器是一種DFB：Distributed Feed Back布拉格光柵的工作原理跟鏡子相似，但它僅選擇性地反射一種波長的光2neff=,T是光柵周期，neff是介質折射率“分布”是指反射并不只是發(fā)生在一個點上，而是被散布在激活區(qū)

15、的許多點上第35頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五VCSELVertical Cavity Surface Emitting Laser，垂直腔面發(fā)射激光器FP和DFB激光器都是邊發(fā)射激光器，這些激光器產(chǎn)生的光束都成10 x30優(yōu)點：諧振腔的尺寸非常小（2m）這使得兩個鄰近縱模之間的模間隔可以很大；VCSEL激光器有著很小的尺寸，小尺寸伴隨著低功耗（10mA產(chǎn)生3mW）和高開關速度；輸出光束是圓形而非邊發(fā)射激光器的錐形；制造技術與電子芯片的技術非常相似。缺點是目前僅能用于850nm第36頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五邊發(fā)射和面發(fā)射第37頁，共53

16、頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五邊發(fā)射和面發(fā)射1030FP和DFB激光器發(fā)射出來的光是橢圓光，耦合時，與插針斜8度相對應時，光功率最大VCSEL發(fā)出的光是圓形的，容易耦合第38頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五激光器TO的封裝發(fā)光條背光探測器第39頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五高速激光器封裝第40頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五接收器功能框圖激光器工作電路功率偏移與調制控制數(shù)據(jù)轉換單元 溫度控制數(shù)據(jù)時鐘激光器驅動部件 LDPD致冷器光纖發(fā)送器信號輸出功率報警與監(jiān)測溫度報警與監(jiān)測第41頁，共53頁，2022年，

17、5月20日，2點25分，星期五光接收器-光探測器發(fā)光二極管和激光器將電信號轉化為光信號，光電二極管將光信號轉化為電信號外界的光子射入半導體，分離出電子和空穴，這些自由的載流子的流動形成電流，這種電流稱為光電流產(chǎn)生電流與射入光功率的比值稱為響應度R=I/P射入的光功率越大，產(chǎn)生的光電流越大，但到一定程度，會產(chǎn)生飽和。第42頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五155M光探測器參數(shù)第43頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五1.25G探測器參數(shù)第44頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五響應度和波長的關系響應度與波長成正比，波長越長，相同功率下

18、含有的光子數(shù)越多，產(chǎn)生的電流就越大我們的PIV測試臺，測試1310nm和1550nm時會分別選擇不同的參數(shù)，是為了修正響應度常用的光功率計在測試不同波長時，要選擇波長一項，也是為了修正響應度我公司有種850nm的產(chǎn)品，使用的是1310nm探測器做接收，當然是可以用的，但是靈敏度比較低第45頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五光探測器的帶寬帶寬：在沒有重大錯誤（誤碼）的情況下，光電探測器所能檢測的最大頻率，或比特率限制光探測器的兩個因素：一是傳送時間，即收集光子產(chǎn)生電子的時間 ；二是光電二極管的內部電容C=BWxlog2(1+SNR),C是比特率，BW是帶寬，SNR是信噪比155M探測器的帶寬為115MHz，1.25G探測器帶寬為670MHz第46頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五探測器參數(shù)上升下降時間：類似于激光器的相關指標。155M為4.5ns，1.25G為0.3ns工作波長：探測器一般都是寬波長工作范圍的，InGaAs(砷鎵銦)工作波長范圍1270-1620nm，GaAs(砷化鎵)工作波長范圍770-860nm靈敏度（S）：在工作速率下，當誤碼率為某一數(shù)值時的最小可接收的光功率。飽和光功率（Ps）：在工作速率下，當誤碼率為某一數(shù)值時的最大接收光功率。 第47頁，共53頁，2022年，5月20日，2點25分，星期五光探測器的噪