光通信用光电子器件结构、工艺和性能.pdf

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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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