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光通信用光电子器件结构、工艺和性能
光通信用光电子器件结构、工艺和性能
丁国庆,2012年5-6月
目 录
1 基本概念、定义和缩略语
2 光电子器件的分类及基本结构
3 光电子器件主要工艺制作
4 激光器光电性能及技术指标
5 探测器光电性能及技术指标
6 光电子器件的可靠性
7 结束语
1 基本概念、定义和缩略语
1.1 受激辐射的概念
1916年爱因斯坦提出了受激辐射的概念,它奠定了激光器的理论基础。
该理论指出,原子中处于高能态的电子,当受到一个能量等于两个能级
差的光子的作用 时,该电子将跃迁到低能态,并发射出光子。该光子是由于第一个
光子的感应作用而辐射射出来的。该过程称为受激辐射。如果受激辐射同时或连续
发生,输出的光就能得到放大。这种因受激辐射发出发射方向、频率、位相、偏振
完全相同的光,因此称为相干光。
1.2 激光
具有相同发射方向、相同频率、相同相位、相同偏振方向的光,称为激光,或受
激辐射、莱塞(Laser)。
1.3 受激光辐射条件
1) 外部能源
2) 增益介质
3) 谐振腔。
外部能源可以是电流、电压、光和高能粒子;
增益介质可以是气体、液体和晶体
谐振腔可以是平行平面(法布理-泊罗腔,F-P)、分布布喇格光栅(DFB)或外腔。
1.4 峰值波长和中心波长 ( Peak Wavelength and Center Wavelength)
在发射光谱中,辐射强度(或光功率密度)最大的波长,称为峰值波长。
在发射光谱中,最高强度(或幅度)的50%处两点中心所对应的波长,称为中心波长
1.5 光强度直接调制 ( Directly Modulation of Optical Power Density )
调制电信号直接控制激光器驱动电流,使激光器输出光强度随调制电信号的幅度而
变化的一种调制方式。
1.6 光功率-电流曲线 (Optical Power-Current Curve )
激光器输出光功率(P)和其驱动电流(I)之间关系(P-I)的曲线,如下图所示。
其中,B处为光功率- 电流曲线扭折(the kink )点。
1.7 阈值电流 (Threshold Current)
物理上,把激光器发射荧光和激光的交界点相对应的电流称为阈值电流;数学上,
它为光功率- 电流(PL-I)函数二阶导数(d 2 2
P/dI )极值处所对应的电流。其示意图
如下图所示。
1.8 调制电流 Modulation Current
加于激光器偏置电流之上的、与传输信号相关的控制电流(Im)。它等于激光
器总驱动电流与偏置电流之差。调制电流与时间(Im –T ) 、光功率与驱动电流
(PO- I)关系曲线如下图所示。
1.9 光谱宽度 Spectral Width
激光器光谱宽度有三种不同的定义,即均方根谱宽(RMS)、光半高全(FWHM)
谱宽和-20dB下的谱宽。
对于MQW-DFB-LD,主要采用FWHM谱宽和-20dB下谱宽。
在标准工作条件下,用测得的比峰值波长幅度下降一半或下降20dB处、光谱曲线
上两点间的波长间隔来表征其光谱宽度。前者称之为FWHM谱宽(或称-3dB谱宽),
后者称之为-20dB下谱宽。
1.10 边模抑制比 (SMSR, Side Mode Suppression Ratio )
在最坏反射条件时、全调制条件下,激光器光谱中主纵模光功率峰值强度(Pm0 )
与最大边模光功率峰值强度(P m1)之比的对数,即:
SMSR =10 lg (Pm0/P m1)
SMSR示意图如右下图所示.
1.11 光电转换
长波长光探测器作用原理
光探测器是把光信号转换为电信号(电压或电流)的半导体光电二极管,它是
探测器某种材料中处于基态的电子吸收了光子能量,转变为电子动能的过程。
如果涉及到光电转换的光波长在范围(1100-1600)nm范围,相对于(400-900
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