CH32通信用光器件副本

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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（DistributedFeedback）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，λB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

3、纵模，其波长为(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

4、周期相当于一个FP腔，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

5、的工作的物理基础：光的吸收（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

6、场的作用下，电子和空穴分别向N区和P区运动（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。2.2PIN光电二极管由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射

7、光被中性区吸收，因而光电转换效率低，响应速度慢。为改善器件的特性，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Π(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