CH32通信用光器件副本.ppt
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1、第三章 通信用光器件,第二讲,内容提要,分布反馈式激光器(DFB)光电二极管主要内容回顾,1.分布反馈式激光器(DFB),产生的背景工作原理,DFB产生的背景,随着技术的进步,高速率的光纤通信系统不断投入使用,对光源提出了更高的要求:(1)光源的谱线更窄;(2)高速调制下,能保持动态单纵模特性;(3)发射波长更稳定,且能够实现调谐;(4)阈值电流更低,输出功率更大。满足上述特性的激光器就是分布反馈式(Distributed Feedback)激光器,工作原理,普通的F-P谐振腔两端的反射镜对激活物质发出的辐射光进行反馈,而DFB激光器用靠近有源层沿长度方向制作的周期性(波纹状)衍射光栅实现光的
2、反馈。因此,把这种利用衍射光栅的折射率周期性变化,使光沿整个有源层的分布进行反馈的结构,称为分布反馈式结构。,图 3.13 分布反馈(DFB)激光器(a)结构;(b)光反馈,如图3.13所示,由有源层发射的光,一部分在光栅波纹峰反射(如光线a),另一部分继续向前传播,在邻近的光栅波纹峰反射(如光线b)。如果a和b能够匹配,相互叠加,则产生更强的反馈,而其他波长的光相互抵消。虽然,每个波纹反射的光不大,但是整个光栅有成百上千个波纹,反馈光的总量足以产生激光振荡。,ne 为材料有效折射率,B为布喇格波长,m为衍射级数。在普通光栅的DFB激光器中,发生激光振荡的有两个阈值最低、增益相同的纵模,其波长
3、为,(3.11),(3.10),DFB激光器的优点,单纵模激光器:FP激光器的发射光谱由增益谱和激光器的纵模特性共同决定。由于其谐振腔的长度较长,导致纵模间隔小,相邻纵模的增益差别小。因此,要得到单纵模振荡就很困难。DFB激光器的发射光谱主要由光栅周期决定。光栅周期相当于FP激光器的腔长L,每一个光栅的周期都形成一个微型谐振腔。由于光栅周期很小,所以m阶和m+1阶模之间的波长比FP腔大很多,加上多个微型谐振腔的选模作用,就很容易设计成只有一个模式能够获得足够增益。于是,DFB激光器容易制成单纵模激光器。,DFB激光器的优点,谱线窄,波长稳定性好由于DFB激光器的每一个光栅周期相当于一个FP腔,
4、所以光栅形成的布拉格反射可以看作多级调谐,使得谐振波长的选择性大大提高,谱线明显变窄。此外,由于光栅的作用有助于使发射波长锁定在谐振波长上,使得波长稳定性极好。,DFB激光器的优点,动态谱线好由于DFB激光器能够在高速调制时也能保持单模特性,因此,高速调制时的动态谱线特性比FP激光器能够改善一个数量级。,DFB激光器的优点,线性好DFB的线性非常好,广泛用于模拟调制的有线电视光纤传输系统。,2.光检测器,光电二极管的工作原理PIN光电二极管的工作原理APD光电二极管的工作原理,2.1 光电二极管的工作原理,光电二极管(PD)的功能:光信号转换为电(流)信号。光电二极管的工作的物理基础:光的吸收
5、(光电效应)光(生)电流=漂移电流+扩散电流入射光照射到光电二极管上时,不仅PN结会产生光电效应,而且P区或者N区也会产生光电效应。光电二极管工作于反向偏置状态。,漂移电流的产生,当入射光作用在PN结上,如果光子的能量大于或者等于带隙能量时,便发生光的吸收,价带的电子吸收光子的能量跃迁到导带,形成光生电子空穴对。在耗尽层,由于内部电场的作用,电子向N区运动,空穴向P区运动,形成漂移电流。,扩散电流的产生,当入射光照射在P区或者N区时,由于该区域没有内电场(中性区)。所以,生成的光生电子空穴对在热运动的作用下,向PN结结区扩散进入耗尽层。接着,在耗尽层内电场的作用下,电子和空穴分别向N区和P区运
6、动(运动方向与漂移电流运动方向相同)形成扩散电流。,光电二极管工作于反向偏置状态,目的:提高响应速度!光电二极管通常工作于反向偏置状态。其目的是增加耗尽层的宽度,缩小耗尽层两侧中性区的宽度,从而减小光生电流中的扩散电流。由于载流子的扩散速度比漂移速度慢得多,所以,减小扩散电流,可以显著提高光电二极管的响应速度。但是,如果反向偏置电压升高,会导致耗尽层增宽,增加了漂移运动的时间,进而使得响应速度减慢。为了解决这个矛盾,必须改进PN结光电二极管的结构,于是就出现了PIN光电二极管。,2.2 PIN光电二极管,由于PN结耗尽层只有几微米,大部分入射光被中性区吸收,因而光电转换效率低,响应速度慢。为改
7、善器件的特性,在PN结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导体(称为I),这种结构便是常用的PIN光电二极管。,PIN光电二极管的结构和工作原理,中间的I层是N型掺杂浓度很低的本征半导体,用(N)表示;两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体,用P+和N+表示。I层很厚,吸收系数很小,入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量电子-空穴对,因而大幅度提高了光电转换效率。两侧P+层和N+层很薄,吸收入射光的比例很小,I层几乎占据整个耗尽层,因而光生电流中漂移分量占支配地位,从而大大提高了响应速度。另外,可通过控制耗尽层的宽度w,来改变器件的响应速度。,图3.21 PIN光电二极管结构,PIN光电二极管
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