激光器和探测器

边发射和面发射
边发射和面发射
10° 30°
FP和DFB激光器发射 出来的光是椭圆光， 耦合时，与插针斜8度 相对应时，光功率最 大
VCSEL发出的光是圆 形的，容易耦合
激光器TO的封装
发光条
背光探 测器
高速激光器封装
接收器功能框图
数据
数据转换单元 时钟 激光器驱动部件
发送 器信 号
激光器工 作电路
• 峰值波长：一个激光器光功率值最大的波 长 • 中心波长：激光器发射光谱中，最大的单 纵模波长的中间值
工作物质
• 是指用来实现粒子数反转并产生光的受激 辐射放大作用的物质体系 • 它可以是固体（晶体、玻璃）气体（原子 气体、离子气体、分子气体）、半导体和 液体 • 激光器的工作物质决定了辐射的激光波长
上升时间和下降时间对传输速率的影响
功率 （mW）
时间（ns）
上升时间造成1信号延迟 下降时间造成0信号延迟
速率增加，脉冲变窄，则 会造成1，0不分
FP激光器光谱图
光谱宽度
P
λ 3dB谱宽：从峰值波长的功 率算起，功率下降一半，光 谱的宽度，以nm表示 FP激光器的光谱宽度一般为 3nm左右
谱宽过大，造成脉冲展 宽，从而1，0不分
探测器参数
• 上升下降时间：类似于激光器的相关指标。155M为 4.5ns，1.25G为0.3ns
• 工作波长：探测器一般都是宽波长工作范围的， InGaAs(砷镓铟)工作波长范围1270-1620nm，GaAs(砷 化镓)工作波长范围770-860nm • 灵敏度（S）：在工作速率下，当误码率为某一数值 时的最小可接收的光功率。 • 饱和光功率（Ps）：在工作速率下，当误码率为某 一数值时的最大接收光功率。
FP激光器参数
• 峰值波长（λ p）：在规定输出功 率下，最大强度的光谱波长。 • P-I曲线：总发射功率（P）与注入 电流（I）的关系曲线。 • 耦合效率：激光器出纤光功率与 激光二极管发射光功率的比值。
工作电流和功率
P（mW）
Po
Ith
Iop I（mA）
PI曲线和激光器工作原理
温度特性
拐点
光、可见光、光源、激光
• 光是一种电磁波
• 可见光是光的一种，人眼可观察到的光的 波长是470-700nm • 能发出光的物体叫光源，不管发出的是可 见光或是不可见光 • 激光是不可见光，是电磁波。
电磁波谱
半导体的能带
量子跃迁
• 光的受激发射：光子 激励导带中的电子与 价带中的空穴复合， 产生一个所有特征（ 频率、相位、偏振） 完全相同的光子。它 是半导体激光器的工 作原理基础。
激光器波长示意图
红色为峰值波长、绿色为中心波长
FP激光器波长
• 一个激光器管芯发出的光含有很多种波长 • 不同波长的功率相差很大 • 不同的材料发出的波长不同，没有任何一 种材料只发出一种波长 • FP激光器的辐射出的波长由两个镜子（谐 振腔）之间的距离决定，可以有无限多个 ，但是只有增益大于损耗，才产生光 • 2L/λ=N,N是一个整数
155M光探测器参数
1.25G探测器参数
响应度和波长的关系
• 响应度与波长成正比，波长越长，相同功率 下含有的光子数越多，产生的电流就越大 • 我们的PIV测试台，测试1310nm和1550nm时 会分别选择不同的参数，是为了修正响应度 • 常用的光功率计在测试不同波长时，要选择 波长一项，也是为了修正响应度 • 我公司有种850nm的产品，使用的是1310nm 探测器做接收，当然是可以用的，但是灵敏 度比较低
η
λ
C
25℃ CW
CW Po=5mW 25℃
0.15
1280 －
0.2
1310 3
－
1350
mW/mA
nm nm
Δλ
θ
θ
∥
CW,P0=5mW
CW,P0=5mW IF=Ith,Po=5mW,10~90% CW,P0=5mW，VRP=1V VRP=10V
－
－ － 0.1 －
30
40 0.5
－
－ 1.0 -
光的产生
• 光是一种电磁波，同时光又是由光子组成 的，这称为光的“波粒二相性” • 电子跃迁到高能态后，是不稳定的，它随 时会返回低能态，这时候它所携带的多余 的能量释放出来，就产生一个光子
• 在自发辐射状态下释放的光子数量很少， 而且包含多种频率，所以能量不集中
自发辐射和受激辐射
• 光辐射分为两类：自发辐射和受激辐射
F-P腔激光器和DFB激光器
面发射激光器
FP激光器
• FP：Fabry-Pero，法国物理学家法布里和珀 罗于1897 年发明光干涉仪 • 为了进一步提高激光发射效率，使用特别 薄的激活区，称为“量子阱” • FP激光器TO：全称是“TO封装多量子阱 FP 腔激光器” • 它是一种多纵模激光器，可以理解为多波 长
激光器和探测器
激光器和探测器
激光器和探测器
编写：师岩峰 shiyanfeng@126.com
简介 • 激光器和光探测器是光通信器件和模块中 两个重要的组件 • 他们占用光器件和光模块大部分成本：器 件的70%或模块的30% • 他们的性能直接决定了光器件和光模块的 指标、性能和品质 • 掌握和了解激光器件和探测器的相关知识 ，有助于对产品的了解，帮助我们进行研 发、生产和品质管理。
半导体激光器的产生原理
基本条件：
1工作物质：有源区载流 子反转分布 2谐振腔：使受激辐射多 次反馈，形成振荡 3满足阈值条件，使增益 >损耗，有足够的注入 电流。
正反馈和谐振腔
• 为了得到所需功率的激光，需要数百万个 光子，采用的方法是在激活层的一端放上 一面“镜子”，光子不断地被反射回激活 层，产生的光子就成几何倍增加。 • 两面镜子实现光的正反馈，组成谐振腔。
功率偏移 与调制控制 温度 控制
致冷器 PD 温度报警与监测
LD
光纤
输出功率报警与监测
光接收器-光探测器
• 发光二极管和激光器将电信号转化为光信 号，光电二极管将光信号转化为电信号 • 外界的光子射入半导体，分离出电子和空 穴，这些自由的载流子的流动形成电流， 这种电流称为光电流 • 产生电流与射入光功率的比值称为响应度 R=I/P • 射入的光功率越大，产生的光电流越大， 但到一定程度，会产生饱和。
• “分布”是指反射并不只是发生在一个点 上，而是被散布在激活区的许多点上
VCSEL
• Vertical Cavity Surface Emitting Laser，垂直腔面发 射激光器 • FP和DFB激光器都是边发射激光器，这些激光器产 生的光束都成10°x30° • 优点：谐振腔的尺寸非常小（2μm）这使得两个 邻近纵模之间的模间隔可以很大；VCSEL激光器有 着很小的尺寸，小尺寸伴随着低功耗（10mA产生 3mW）和高开关速度；输出光束是圆形而非边发 射激光器的锥形；制造技术与电子芯片的技术非 常相似。 • 缺点是目前仅能用于850nm
光探测器的带宽
• 带宽：在没有重大错误（误码）的情况下， 光电探测器所能检测的最大频率，或比特率 • 限制光探测器的两个因素：一是传送时间， 即收集光子产生电子的时间 ；二是光电二极 管的内部电容 • C=BWxlog2(1+SNR),C是比特率，BW是带宽， SNR是信噪比 • 155M探测器的带宽为115MHz，1.25G探测器 带宽为670MHz
△f= -(c△λ/λ)
光谱宽度限制了FP激光 器的速率
DFB激光器
• 为了降低光谱宽度，需要使激光器发射一 个纵模，分布反馈式（DFB）激光器是一种 • DFB：Distributed Feed Back
• 布拉格光栅的工作原理跟镜子相似，但它 仅选择性地反射一种波长的光 • 2Τneff=λ,T是光栅周期，neff是介质折射率
光探测器的噪声
• 表面上光电探测器的灵敏度是由暗电流决 定的，实质上光电二极管的噪声真正限制 了光接收器的灵敏度 • 散粒噪声、热噪声、暗电流噪声 • 信噪比（SNR）:信号功率与噪声功率之比。 是光电二极管的最重要的标准之一
几种常用的光探测器
• 原则上光探测器只是一个感光半导体，实 际的产品加了TIA（前置放大器）
Vcc
OUT+ 单PIN
OUT-
APD-雪崩光电二极管
• 为了得到更好的灵敏度，需要使用放大器将光电流 更大的放大，但是同时放大器会引入电路噪声。 • 如果光电探测器不用外界的放大器放大光电流，就 不会引入电路噪声。APD正是因此而设计 。 • APD采用特殊的PIN结构，对其施以反向的高电压（ 60V左右），使电子和空穴获得高能量，分离出更 多的电子和空穴，类似于雪崩的过程。 • APD的响应度在10到100，如：普通PIN-TIA 2.5G灵 敏度为-21dBm，APD可达-30dBm以下
光功率
耦合效率
芯片的发光功率
汇聚后的光功率
入纤光功率
背光探测器
背光探测器的作用： 调节驱动电流，达 到功率平衡
PD 功 率 背光 电流 驱动 电流 功 率
LD
芯片的发光功率
波长、平均波长、峰值波长、中心波长
• 波长：物理概念，一个波的长度 • 平均波长：一个激光器发射出的所有光谱 即模式的加权平均值
• “自发的”就是光辐射在没有外因的情况 下发生的，受激光电子在没有诱因的条件 下由导带进入价带。
• 如果让一个外来的光子击中一个受激的电 子，它们之间相互作用，产生一个新的光 子辐射，这就是受激辐射。
受激辐射的特征
• 外来光子激发一个带有相同频率（波长）的 辐射，保证所得到的辐射光的光谱很窄。 • 由于所有光子都是同一方向辐射，因此激光 二极管的光电转换效率和输出功率很高。 • 所有受激光子的发射方向都与激发它们的光 子相同，因此受激光有很好的定向性。 • 由于受激光子仅在有外来光子激发它们的时 候才辐射，这两种光子是同步的，时间上是 一致的。
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“镭射”、“莱塞”，是 它的英文名称LASER的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词 头一个字母组成的缩写词。意思是"通过受激发射的光放 大"。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过 程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议改称“激光” 。 • 有意思的是，激光器不是光放大器，而是激光产生器。另 有光放大器，如EDFA（掺铒光纤放大器）、SOA（半导体 光放器） • 激光器有很多种：红宝石激光器、气体激光器、半导体激 光器。光通信中常用的是半导体激光器
上升时间和下降时间
• 上升时间（Tr）：激光器额定功率从10%上 升到90%所用的时间 • 下降时间（Tf）：激光器额定功率从90%下 降到10%所用的时间 • 上升时间和下降时间跟材料的性质有关 • 直接决定了器件的速率，1.25G产品意味着 每秒钟信号变化2.5x109次，每个信号的时 间是4ns。如果是10G的产品呢？
deg
deg ns mA μA
⊥
tr,tf Im ID
0.05
0.2
FP激光器参数
• 阈值电流（Ith）:激光二极管开始振荡，
产生激光时的正向电流。 • 驱动电流(Iop)：输出额定光功率下所 需的总电流。输出光功率（Po）：工 作电流下辐射出的最大连续光功率。 • 输出光功率（Po）：工作电流下辐射 出的最大连续光功率。
导体
绝缘体
半导体
光通信中所用的光源-LED
• LED： Light Emitting Diode，发光二极 管，是一种能够将电能转化为可见光 的固态的半导体器件，它可以直接把 电转化为光（非激光） • LED的心脏是一个半导体的晶片 • 优点：省电、寿命长、高亮、低热 • 缺点：能量不集中 • 其它用途：照明、美化
10
最大值 Max.
20
单位 Unit
mA mW
1.2
1.5
V
斜率效率Slope efficiency
中心波长Center wavelength 谱线宽度(FWHM)Spectral width(FWHM) 平行发散角Beam divergenceangle(parallel) 垂直发散角Beam divergence angle(perpendicular) 上升下降时间 Rise and fall time 探测器输出电流Monitoring outputcurrent 探测器暗电流Dark current
ห้องสมุดไป่ตู้
FP激光器参数表
参数 Parameter
阈值电流Threshold current 输出功率Output Power 工作电压Operating voltage
符号 Symbol
Ith Po Vo
测试条件 Conditions
CW CW 25℃ CW Po=5mW
最小值 Min.
－ 5 －
典型值 Typ.