激光器和探测器

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
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。
激光器和探测器
激光器和探测器
编写：师岩峰 shiyanfeng@
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。
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
• “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。
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
V mW/mA nm nm
Δλ
θ
θ
∥
CW,P0=5mW
CW,P,P0=5mW，VRP=1V VRP=10V
－
－ － 0.1 －
30
40 0.5
－
－ 1.0 -
deg
deg ns mA μ A
⊥
tr,tf Im ID
0.05
0.2
FP激光器参数
工作电流和功率
P（mW ）
Po
Ith
• 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。
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。
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。
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 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
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
符号 Symbol
Ith Po Vo η λ
C
测试条件 Conditions
CW CW 25℃ CW Po=5mW 25℃ CW CW Po=5mW 25℃
最小值 Min.
－ 5 － 0.15 1280 －
典型值 Typ.
10
最大值 Max.
20
单位 Unit
mA mW
1.2 0.2 1310 3
1.5 － 1350