激光器和探测器

1、激光器和探测器第1页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五激光器和探测器第2页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五激光器和探测器编写：师岩峰第3页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五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。第4页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五光、可见光、光源、激光光是一种电磁波可见光是光的

2、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。第5页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五电磁波谱第6页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五半导体的能带第7页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五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。第8页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五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

3、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，所以能量不集中第9页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五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“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。第10页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五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

4、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。第11页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五导体 绝缘体 半导体第12页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五光通信中所用的光源-LEDLED： 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

5、：省电、寿命长、高亮、低热缺点：能量不集中其它用途：照明、美化第13页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五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）

6、、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第14页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五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。第15页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五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。第16页，共53页，2022年，

7、5月20日，2点25分，星期五F-P腔激光器和DFB激光器第17页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五面发射激光器第18页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五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，可以理解为多波长第19页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五参数Parameter符号Symbol测试条件Conditions最小值Min.典型值Typ.最大

8、值Max.单位Unit阈值电流Threshold currentIthCW1020mA输出功率Output PowerPoCW 255mW工作电压Operating voltageVoCW Po=5mW1.21.5V斜率效率Slope efficiency25 CW0.150.2mW/mA中心波长Center wavelengthCCW Po=5mW128013101350nm谱线宽度(FWHM)Spectral width(FWHM)25 3nm平行发散角Beam divergenceangle(parallel)CW,P0=5mW30 deg垂直发散角Beam divergence ang

9、le(perpendicular)CW,P0=5mW40deg上升下降时间Rise and fall timetr,tfIF=Ith,Po=5mW,1090%0.51.0ns探测器输出电流Monitoring outputcurrentImCW,P0=5mW，VRP=1V0.1-mA探测器暗电流Dark currentIDVRP=10V0.050.2AFP激光器参数表第20页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五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

10、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。第21页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五FP激光器参数峰值波长（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。第22页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五工作电流和功率I（mA）P（mW）IthIopPo第23页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五PI曲线和激光器工作原理温度特性拐点第24页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五光功率芯片的发光功率

11、汇聚后的光功率入纤光功率耦合效率第25页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五背光探测器芯片的发光功率LDPD背光探测器的作用：调节驱动电流，达到功率平衡功率背光电流驱动电流功率第26页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五波长、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第27页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五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

12、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第28页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五激光器波长示意图红色为峰值波长、绿色为中心波长第29页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五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/=N,N是一个整数第30页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五上升时

13、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？第31页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五上升时间和下降时间对传输速率的影响时间（ns）功率（mW）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不分第32页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五FP激光器光谱图第33页，共53页，2022年

14、，5月20日，2点25分，星期五光谱宽度P3dB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不分光谱宽度限制了FP激光器的速率f= -(c/)第34页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五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2neff=,T是光栅周期，neff是介质折射率“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

15、的许多点上第35页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五VCSELVertical 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（2m）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第36页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五边发射和面发射第37页，共53

16、页，2022年，5月20日，2点25分，星期五边发射和面发射1030FP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，容易耦合第38页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五激光器TO的封装发光条背光探测器第39页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五高速激光器封装第40页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五接收器功能框图激光器工作电路功率偏移与调制控制数据转换单元 温度控制数据时钟激光器驱动部件 LDPD致冷器光纤发送器信号输出功率报警与监测温度报警与监测第41页，共53页，2022年，

17、5月20日，2点25分，星期五光接收器-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。第42页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五155M光探测器参数第43页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五1.25G探测器参数第44页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五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

18、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，但是灵敏度比较低第45页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五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第46页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五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。 第47页，共53页，2022年，5月20日，2点25分，星期五光探测器的噪