PN结

直接光强度数字调制原理
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间接调制
间接调制激光器的结构
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光源的外调制和外调制器
目前光通信中实用的外调制器主要有两 种：
M-Z（Mach-Zehnder）波导调制器和 EA(Electro-absorption, 电吸收)调制器。 其他，如声光效应和磁光效应也有被用作 外周制器，但使用较少。这里只介绍上述 常用的两类。
R1,2为两个镜面的功率反射率。
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LD工作特性 模式 工作特性— 工作特性
谐振腔模式：横电（TE）和横磁（TM）模式两种。 谐振腔模式：横电（TE）和横磁（TM）模式两种。 模式分布：可在纵向、水平横向和垂直横向进行描述。 模式分布：可在纵向、水平横向和垂直横向进行描述。
谐振腔中纵向模式
Ith 表示，如图所示。阈值电流越小越好。
典型半导体激光器的输出特性曲线
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LD工作特性 温度特性 工作特性— 工作特性
激光器的阈值电流和输出光功率随温度变化的特性 为温度特性。阈值电流随温度的升高而加大 阈值电流随温度的升高而加大，其变 阈值电流随温度的升高而加大 化情况如图所示。
经验公式:
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LD工作特性 发射波长 工作特性— 工作特性
半导体激光器的发射波长取决于导带电子跃迁到价带时所 释放出的能量，这个能量近似等于禁带宽度Eg (eV)：
1.24 λ= µm Eg (eV)
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LD工作特性 阈值特性 工作特性— 工作特性
对于LD，当外加正向电流达到某一数值时，输出光功率急 剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流称为阈值电流，用
照射光波 N+ P I P+
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APD的特性 的特性
APD除了PIN的特性之外，新引入倍增因子和过剩噪 声因子两个参数。 倍增因子g
倍增因子g 实际上是电流增益系数。
IM g= IP
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光放大器的分类
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EDFA工作原理 工作原理
掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier，简写成 EDFA)
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发光二极管
LED的工作原理 的工作原理
自发辐射 非相干光源 无阈值器件
LED的应用要求 LED的应用要求
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LED的结构 的结构
LED分为面发光型 面发光型LED和边发光型 边发光型LED， 边发光型LED的驱 面发光型 边发光型 动电流较大，输出光功率小，但光束发射角小，与光纤的 耦合效率高，故入纤光功率比面发光型LED高。
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2、光源与光调制 、光源与光调制
光源与光调制器是光发射机的关键器件。 光源与光调制器
光源： 光调制：
目前光纤通信广泛使用的半导体光源主要有：
发光二极管或称发光管( 发光二极管或称发光管(LED) 半导体激光二极管或称激光器( 半导体激光二极管或称激光器(LD)
光调制的实现方式:
直接调制 间接调制
优点： 优点：显著提高响应速度 缺点：漂移的渡越时间增加，使响应速度减慢 缺点：漂移的渡越时间增加，
措施：改进PN结光电二极管结构 措施：改进PN结光电二极管结构 PN
P 光 空穴 耗尽层 电子 导带 N 价带 反偏压 (b) 加反向偏压后的能带
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PIN光电二极管 光电二极管 光电
结构：
基本应用形式
EDFA的具体的应用形式有以下四种： (1)线路放大
广泛用于长途通信，越洋通信等领域。
(2)功率放大
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基本应用形式
(3)前置放大
提高光接收机的接收灵敏度。
(4)LAN放大
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工作原理和性能参数
喇曼散射的基本过程 ： Stokes过程： 下频移 hνs = hν in −hν v 反Stokes过程： 上频移 hν a = hν in + hν v Stokes过程是主要的 过程是主要的。 过程是主要的 喇曼增益谱宽，峰值位置在频移13THz处
nm dB dB dB GHz dB V V ℃ ℃ K SMA 光有源器件
1525~1605 ≤5 ≥20 ≤-45 ≥8 ≤-10 ≤5 ≤10 0~70 -40~80
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光电检测器的工作原理
光电二极管通常要施加反向偏压， 光电二极管通常要施加反向偏压，目的是增加耗尽层的宽 减小光生电流中的扩散分量。 度，减小光生电流中的扩散分量。
2．输出功率特性
输出饱和功率定义为放大器增益降为（-3dB） 时的输出功率
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噪声系数
3．噪声特性
光纤放大器的噪声主要来自它的放大自发 辐射(Amplified Spontaneous Emission， ASE) 衡量EDFA的噪声特性可用噪声指数NF来 度量。
NF定义为输入信噪比与输出信噪比之比。
·
ηext
P hv = I e
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如何制造单模激光器 DFB、DBR
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VCSEL激光器（垂直腔面发射激光器 ） 激光器（ 激光器
小的发散角和圆形对称的远、 小的发散角和圆形对称的远、近场分布 使其与光纤的耦合效率大大提高， 使其与光纤的耦合效率大大提高，现已证 实与多模光纤的耦合效率竟能大于90％； 实与多模光纤的耦合效率竟能大于 ％； VCSEL的光腔长度极短，导致其纵模间 的光腔长度极短， 的光腔长度极短 距拉大， 距拉大，可在较宽的温度范围内实现单纵 模工作，动态调制频率高； 模工作，动态调制频率高； 腔体积减小使得其自发辐射因子较普通 端面发射激光器高几个数量级， 端面发射激光器高几个数量级，这导致许 多物理特性大为改善； 多物理特性大为改善； 可以在片测试， 可以在片测试，极大地降低了开发成本 ； 出光方向垂直衬底， 出光方向垂直衬底，可实现高密度二维 电介质镜 面阵的集成； 面阵的集成； 有源区InGaAs 有源区 最吸引人的是它的制造工艺与发光二极 电介质镜 兼容， 管(LED)兼容，大规模制造的成本很低。 兼容 大规模制造的成本很低。 AlGaAs
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EDFA输出光谱
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EDFA的基本特性 的基本特性
EDFA的基本特性有增益特性 、 输出功率特性和 的基本特性有增益特性、 的基本特性有增益特性 噪声特性。 噪声特性。
1．增益特性
大小与多种因素有关，通常为15~40dB。
G = 10 lg ( Pout Pin ) (dB )
电子能量 ～2kBT 电子 导带 Ec 电子态数量 电子跃迁 能隙 Eg＝Ec－Ev 空穴态数量 Ev 空穴 价带 ～2kBT 空穴浓度分布 电子浓度分布
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概念：纵模、横模？ 激光器指标评价：功率、调制速率、模式特 性、阈值、带宽 激光器种类：纵模角度：多模、单模 单模：DFB、 DBR VCSEL(结构与传统的不一样)
简述PIN工作原理：1、2、3、
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典型的InGaAs-PIN光电二极管的结构图
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PIN光电二极管的主要特性 光电二极管的主要特性 光电二极管
工作波长和截止波长 光电转换效率
量子效率 响应度
光谱特性 响应时间/频率特性
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几种材料的吸收系数曲线
几种材料的光电二极管的响应度
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Stokes喇曼增益谱
gR ≈ 7×10–14 m/W ×
l l
喇曼增益不依赖于泵浦与信号的方向 喇曼增益是偏振相关性
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注入电流
输出光信号 输入光信号 有源区
Z
L Z=0 Z=L
行波半导体光放大器原理图
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雪崩光电二极管（ 雪崩光电二极管（APD） ） 雪崩光电二极管，又称APD（Avalanche Photo Diode）。它不但具有光/电转换作用， 而且具有内部放大作用。 APD就是利用雪崩效应 雪崩效应使光电流得到倍增的 雪崩效应 高灵敏度的检测器。 APD工作原理：
PN结 结
半导体的能带：
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1
半导体掺杂
不掺杂的本征半导体电子和空穴有一定的本征能级 施主：杂质在带隙中提供带有电子的能级（N型半导体） 受主：杂质在带隙中提供空的能级（P型半导体）
受主
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2
少数载流子漂移
耗尽区变窄
n型区 型区
耗尽区
n区 区
p区 区 n区 区 p区 区
扩散电子
p型区 型区
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F-P激光器的振荡模型 激光器的振荡模型
要在F-P谐振腔内建立稳定的振荡，必须满足一定 的相位条件和振幅条件 （1）相位条件 相位条件： 相位条件
2 β L = 2π q ( q = 1, 2, 3, ...)
（2）阈值条件 阈值条件： 阈值条件
1 1 γ th (ω ) = α + ln 2 L R1 R2
衬底GaAs 衬底
电极
λ/(4n1) λ/(4n2)
n1 n2
d1 d2
电极
表面 发射
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如何提高激光效率（从能态密度的角度） 三维材料：抛物线 二位量子阱：台阶状 一维量子线：锯齿状 零维量子点：δ函数分布
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激光器的封装
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直接调制原理 直接调制原理
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Fabry-Perot半导体激光器 半导体激光器(FP-LD) 半导体激光器
半导体激光器的辐射光在Fabry-Perot谐振腔中产生。 半导体激光器的辐射光在Fabry-Perot谐振腔中产生。在 Fabry 谐振腔中产生 abry-Perot腔中 腔中， abry-Perot腔中，使用一对平行放置的部分反射镜来构成 谐振腔，可以减少腔内光的损失， 谐振腔，可以减少腔内光的损失，以降低阈值电流
常用的两类发光二极管（LED）
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半导体激光器
激光器的工作物质为半导体材料。 半导体激光器基本组成：
工作物质 谐振腔 泵浦源
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半导体激光器的结构
半导体激光器形成激光输出需具备两个基本条件：
（1）在有源区产生足够的粒子数反转分布，使受激辐 射占主导地位；（正向偏置） （2）存在光学谐振腔机制，并在有源区内建立起稳定 的振荡。
I th (T ) = I 0 eT / T0
其中, T0 是激光器对温度 敏感程度的度量的特性温度； 是一个常数。 I
0
激光器阈值电流随温度变化的曲线 光有源器件
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LD工作特性 转换效率 工作特性— 工作特性
半导体激光器的电光功率转换效率用外微分量子效 率ηd表示，外量子效率定义为超过阈值时每个电子－空 外量子效率定义为超过阈值时每个电子－ 外量子效率定义为超过阈值时每个电子 穴对的辐射性复合所产生的光子数。 穴对的辐射性复合所产生的光子数。
在同向泵浦方案中，泵浦光与信号 光从同一端注入掺铒光纤。
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（2） 反向泵浦 ）
反向泵浦，泵浦光与信号光从不同的方 向输入掺杂光纤，两者在掺铒光纤中反 向传输。
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（3） 双向泵浦 ） 双向泵浦
为了使掺铒光纤中的铒离子能够得 到充分的激励，必须提高泵浦功率。
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光波导
电光晶体
输入光 输出光
信号电压
电极
马赫一曾德尔干涉仪型调制器 行波电极型电吸收调制器结构示意图
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主要技术指标（T=25℃） 主要技术指标
工作波长 光学 插入损耗 消光比(DC) 光回损 电光带宽 (-3dBe) 电学 S11 电回损 射频电极Vπ 偏置电极Vπ 工作温度 其他 存储温度 射频电极连接器 偏置电极连接器
耗尽区加宽 外接电池 外接电池
势垒（电场） 势垒（电场）
pn结 结
区
反向偏置使耗尽区加宽， 但允许少数载流子在外 加场的作用下自由移动
正向偏置使势垒降低， 使得多数载流子在结 区内扩散增强
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PN结的内型：
同质结（同种半导体构成的）
缺点
异质结： 单异质（两种材料构成的PN结）
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双异质（三种材料构成的 结 双异质（三种材料构成的PN结，中间层 为有源层） 为有源层）
( SNR)in ≈ 2nsp NF = ( SNR)out
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EDFA的结构 的结构
掺铒光纤（ 掺铒光纤（EDF） ） 高功率泵浦源
三种选择： 三种选择：1480nm、980nm、800nm 、 、
光耦合器/波分复用器 光耦合器 波分复用器 光隔离器
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（1） 同向泵浦 ）