光電半導(dǎo)體講義Word版

1、光電器件基礎(chǔ)講義中研傳輸業(yè)務(wù)部 汪微1 概述光電器件分為發(fā)光器件和光探測器兩大類，發(fā)光器件是把電信號變成光信號的器件，在光纖通信中占有重要的地位。性能好、壽命長、使用方便的不源是保證光纖通信可靠工作的關(guān)鍵。光纖通信對光源的基本要求有如下幾個方面：首先，光源發(fā)光的峰值波長應(yīng)在光纖的低損耗窗口之內(nèi)，要求材料色散較小。其次，光源輸出功率必須足夠大，入纖功率一般應(yīng)在10微瓦到數(shù)毫瓦之間。第三，光源慶具有高度可靠性，工作壽命至少在10萬小時以上才能滿足光纖通信工程的需要。第四，光源的輸出光譜不能太寬以利于傳高速脈沖。第五，光源應(yīng)便于調(diào)制，調(diào)制速率應(yīng)能適應(yīng)系統(tǒng)的要求。第六，電光轉(zhuǎn)換效率不應(yīng)太低，否則會導(dǎo)致

2、器件嚴(yán)重發(fā)熱和縮短壽命。第七，光源應(yīng)省電，光源的體積、重量不應(yīng)太大。 光探測器則是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的光電子器件，作為光通信系統(tǒng)用的光探測器需要滿足以下要求：首先，其響應(yīng)波長范圍要與光纖通信的低衰耗窗口匹配，第二，具有很高的量子效率和響應(yīng)度，第三，具有很高的響應(yīng)速度，第四，具有高度的可靠性。2 光電器件原理2.1半導(dǎo)體中光的發(fā)射和激射原理 2.1-1半導(dǎo)體價帶、導(dǎo)帶、帶隙與發(fā)光半導(dǎo)體單晶材料的原子是按一定規(guī)律緊密排列的。在各個原子之間保持一定的距離，是由于在各原子之間存在著互相作用力的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)合力就是共價鍵。固體物理學(xué)告訴我們，單晶中各個原子的最外層軌道是互相重疊的，這樣就使分立的能級變

3、成了能帶。與原子的最多層軌道的價電子相對應(yīng)的能帶叫做價帶。價帶上面的能帶稱為導(dǎo)帶。在溫度低至絕對零度的情況下，晶體中的電子均在價帶之中，而導(dǎo)帶是完全空著的。如果價帶中的電子受熱或光的激發(fā)，則受激發(fā)的電子就會躍遷到上面的導(dǎo)帶中去。這樣一來，晶體材料就可以導(dǎo)電了。把導(dǎo)帶底的能量記作EC，把價帶頂?shù)哪芰坑涀鱁VO在EC和EV之間是不可能有電子的，故稱為禁帶。把EC與EV之差記作Eg，稱為禁帶寬度或帶隙。如果Eg較大，則需要較大的激勵能量把價帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶中去。對于絕緣體材料，由于禁帶寬度Eg很大，價帶中的電子很難遷到導(dǎo)帶中去，因而它表現(xiàn)出良好的絕緣性能。導(dǎo)體材料的Eg=0，因此它表現(xiàn)出良好的導(dǎo)

4、電性能。半導(dǎo)體材料的禁帶寬度介于導(dǎo)體和絕緣體之間，因而它的導(dǎo)電能力也介于兩者之間。當(dāng)價帶中一個電子被激發(fā)到導(dǎo)帶中，在價帶中就留下了一個電子的空位。在電場的作用下，價帶中鄰近的電子就會填補(bǔ)這個空位，而把它自己的位置空出來，這就好象空位本身在電場的作用下產(chǎn)生移動一樣?？瘴坏淖饔煤孟笠粋€帶正電的粒子，在半導(dǎo)體物理學(xué)上把它叫作空穴。穴帶中的一個電子可以吸收外界能量而躍遷到導(dǎo)帶中去，在價帶中形成一個空穴。反之，導(dǎo)帶中的一個電子也可以躍遷到價帶中去，在價帶中填補(bǔ)一個空穴，把這一過程叫做復(fù)合。在復(fù)合時，電子把大約等于禁帶寬度Eg的能量釋放出來。在輻射躍遷的情況下，釋放出一個頻率為：的光子，其中h是普朗克常數(shù)

5、（6.625×10-34焦耳·秒）。不同的半導(dǎo)體單晶材料的Eg值不同，光發(fā)波長也不同，因為電子和空穴都是處于能帶之中，不同的電子和空穴的能級有所差別，復(fù)合發(fā)光的波長有所差別，但其頻率接近于1 / 16。 2.1-2半導(dǎo)體摻雜、P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體上面說到的都是純凈、完整的理想半導(dǎo)體單晶的情況。在實際的半導(dǎo)體單晶材料中，往往存在著與組成晶體的基質(zhì)原子不同的其它元素的原子雜質(zhì)原子，以及在晶體形成過程中出現(xiàn)的各種缺陷。進(jìn)行材料提純，就是為了去除有害雜質(zhì)。進(jìn)行各種處理，就是為了消除或減少某些缺陷。但是，在實際應(yīng)用中，我們還要有意識地在晶體中摻入一定量的有用雜質(zhì)，這些雜質(zhì)原子對半導(dǎo)

6、體起著極為重要的作用。我們知道，按照摻雜的不同，可以得到電子型半導(dǎo)體和空穴型半導(dǎo)體材料。所謂本征半導(dǎo)體，是指含雜質(zhì)和缺陷極少的純凈、完整的半導(dǎo)體。其特點(diǎn)是，在半導(dǎo)體材料中，導(dǎo)帶電子和數(shù)目和價帶空穴的數(shù)目相等。通常把本征半導(dǎo)體叫做I型半導(dǎo)體。所謂電子型半導(dǎo)體就是通過故意摻雜使用導(dǎo)帶的電子數(shù)目比價帶空穴的數(shù)目大得多的半導(dǎo)體。例如，在純凈的IIIV族化合物GaAs中摻入不量的VI族元素Te，Te原子取代晶體中的As原子，這樣就得到了電子型半導(dǎo)體。Te原子的外層有六個價電子，As原子的外導(dǎo)有五個價電子，在形成共價鍵時每個Te原子向晶體提供一個電子，因而導(dǎo)帶內(nèi)就有許多電子，這種電子型半導(dǎo)體亦稱為N型半導(dǎo)

7、體。所謂空穴型半導(dǎo)體，就是通過故意摻雜使價帶空穴的數(shù)目比導(dǎo)帶電子數(shù)目大得多的半導(dǎo)體。例如，在純凈的IIIV族化合物GaAs中摻入少量的II族元素Zn。Zn原子取代晶體中的Ga原子，這樣就得到了空穴型半導(dǎo)體。Zn原子的外層有兩個價電子，Ga原子的外層有三個價電子，在形成共價鍵時每個Zn原子向晶體索取一個電子，即向晶體提供一個空穴，因而價帶內(nèi)就有許多空穴，這種空穴型半導(dǎo)體也叫做P型半導(dǎo)體。理論分析和實驗結(jié)果表明，半導(dǎo)體的物理性質(zhì)在很大程度上取決于所含雜質(zhì)的種類和數(shù)量。更重要的是，把不同類型的半導(dǎo)體結(jié)合起來，就可以制作成各種各樣的半導(dǎo)體器件，當(dāng)然也包括這里要講的激光二極管和發(fā)光二極管。請注意，這里所

8、說的“結(jié)合”，并不是簡單的機(jī)械的接觸，而是在同一塊半導(dǎo)體單晶內(nèi)形成不同類型的兩個或兩個以上的區(qū)域。 2.1-3半導(dǎo)體p-n結(jié)和p-n結(jié)光源P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體結(jié)合的界面稱為p-n結(jié)，許多半導(dǎo)體器件（包括半導(dǎo)體激光器）的核心就是這個p-n結(jié)。前面提到，在P型半導(dǎo)體內(nèi)有多余空穴，在N型半導(dǎo)體內(nèi)有多余電子，當(dāng)這兩種半導(dǎo)體結(jié)合在一起時，P區(qū)內(nèi)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，在靠近界面的地方剩下了帶負(fù)電的離子，N區(qū)內(nèi)的電子向P區(qū)擴(kuò)散，在靠近界面的地方剩下了帶正電的離子。這樣一來，在界面兩側(cè)就形成了帶相反電荷的區(qū)域，叫做空間電荷區(qū)。由這些相反電荷形成一個自建電場，其方向是由N區(qū)指向P區(qū)。由于自建電場的存在，在界面的兩

9、側(cè)產(chǎn)生了一個電勢差VD，這個電勢差阻礙空穴和電子的進(jìn)一步擴(kuò)建，使之最后達(dá)到平衡狀態(tài)。因此，我們把VD叫做阻礙空穴和電子擴(kuò)散的勢壘。如圖2.1所示的p-n結(jié)及能帶，顯然，P區(qū)的能量比N區(qū)的提高了eVD，其中e是電子的電荷量。如圖中所示：對于輕摻雜的p-n結(jié)，eVD<Eg，對于重?fù)诫s的p-n結(jié)，eVD>Eg。理論分析表明，可以利用一個能級EF（稱為費(fèi)米能級）來描述電子和空穴分布的規(guī)律。對于EF以下的能級，電子占據(jù)的可能性大于1/2，空穴占據(jù)的可能性大于1/2。在平衡狀態(tài)下，P區(qū)和N區(qū)有統(tǒng)一的費(fèi)米能級。對于P區(qū)，因為晶體內(nèi)有許多空穴，所以價帶頂在費(fèi)米能級附近。對于N區(qū)，因為晶體內(nèi)有許多電

10、子，所以導(dǎo)帶底在費(fèi)米能級附近。這樣一來就畫出了圖2.1(a)所示的能帶圖。半導(dǎo)體p-n結(jié)光源包括半導(dǎo)體發(fā)光二極管與半導(dǎo)發(fā)光二極管與半導(dǎo)體激光器，它們都是正向工作器件。當(dāng)把正向電壓V加在p-n結(jié)上時，抵銷了一部分勢壘，勢壘高度只剩下了（VDV）的數(shù)值，如圖2.1(b)所示。外加的正向電壓破壞了原來的平衡狀態(tài)，P區(qū)和N區(qū)的費(fèi)米能級分離開來。這時，可以用兩個所謂的準(zhǔn)費(fèi)米能級來描述電子和空穴分布的規(guī)律。把N區(qū)的準(zhǔn)費(fèi)米能級記作（EF）N，對于（EF）N以下的能極，電子占據(jù)的可能性大于1/2。把P區(qū)的準(zhǔn)費(fèi)米能級記作（EF）P，對于（EF）P以上的能級，空穴占據(jù)的可能性大于1/2。當(dāng)把足夠大的正向電壓加在p

11、-n結(jié)上時，P區(qū)內(nèi)的空穴大量地注入N區(qū)，N區(qū)內(nèi)的電子大量地注入P區(qū)。這樣一來，在P區(qū)和N區(qū)靠近界面的地方就產(chǎn)生了復(fù)合發(fā)光。在激光物理學(xué)中，材料的光子吸收、自發(fā)發(fā)射和受激發(fā)射可以由圖2.2的兩能級圖來表示。圖中E1是自建電場NP-+-+NP有源區(qū)-+EF電子多(輕摻)(輕摻)空穴多Eg電子多(重?fù)?(重?fù)?空穴多(b)(a)EF(EF)N(EC)N(EF)P(EV)N(Ec)P(Ev)PeVDEg圖2.1 p-n結(jié)能帶圖基態(tài)能量，E2是激發(fā)態(tài)能量。按照普朗克定律，這兩個能態(tài)之間的躍遷涉及到發(fā)射或吸收一個能量為h12E2E1的光子。一般情況下系統(tǒng)處于基態(tài)。當(dāng)能量為的h12光子射入，能態(tài)E1中的某個

12、電子能夠吸收光子能量，并激發(fā)到能態(tài)E2，如圖7.2所示。由于E2能態(tài)是一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，電子很快就返回到E2h12E1E2(相同)(c) 受激發(fā)射(b) 自發(fā)發(fā)射(a) 吸收h12E1E2h12h12E1圖2.2 光子吸收的三種形式基態(tài)，從而發(fā)射出一個能量為的h12光子。這個過程是在無外部激勵的情況下發(fā)生的，因此稱為自發(fā)發(fā)射。這種發(fā)射是各向同性的，并且其相位是隨機(jī)的，表現(xiàn)為非相干光輸出。另外一種情況是，暫時停留在E2上的電子，由于外部了激勵向下躍遷到基態(tài)，如圖2.2(c )所示。當(dāng)有一個能量為h12的光入射到系統(tǒng)時，電子會立即受到激勵向往下躍遷到基態(tài)，同時釋放出一個能量為h12的光子。發(fā)射出來

13、的這個光子與入射光子是同相位的，這種情況稱為受激發(fā)射。在熱平衡狀態(tài)下，受到激發(fā)的電子的密度非常小，入射于系統(tǒng)的大多數(shù)光子都會被吸收，受激發(fā)射可以忽略，材料對光能量來說是消耗性的。僅當(dāng)激發(fā)態(tài)中的電子數(shù)大于基態(tài)中的電子數(shù)時，受激發(fā)射才會超過吸收。這個條件在激光物理學(xué)中稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)并不是一種平衡狀態(tài)，必須利用各種“泵浦”方法來使材料達(dá)到這種狀態(tài)。對于圖2.1所示的p-n結(jié)，正向通電注入電子填滿那些較低能態(tài)，即能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，該材料原來對光是吸收的進(jìn)而變?yōu)閷饩哂蟹糯笞饔昧?。半?dǎo)體激光器中，在電泵浦使用下能夠?qū)庥蟹糯笞饔玫膮^(qū)域稱為有源區(qū)，其實就在圖2.1所示的p-n結(jié)附近。我們知

14、道，高頻電子LC振蕩器就是利用電子放大器和正反饋結(jié)合而產(chǎn)生的。半導(dǎo)體激光器的激光振蕩也是由光放大與正反饋結(jié)合而產(chǎn)生。招圖2.3所示，處于粒子反轉(zhuǎn)狀態(tài)的有源區(qū)對某波長光有放大作用。設(shè)有微弱的光由左向右傳輸，在光放大作用下逐漸增強(qiáng)，到達(dá)右鏡面立刻反射到左傳輸又再逐漸增強(qiáng)，到達(dá)左鏡面反射而形成正反饋過程。顯然，只有在傳播方向與鏡面垂直的一部分光才能夠在鏡面的幫助下實現(xiàn)放大反饋，當(dāng)這個放大反饋環(huán)路的光增益足以抵消一切光損耗時，就在諧振腔內(nèi)建立了等相面與反射鏡面平等的駐波，這就是說產(chǎn)生了激光振蕩了。如圖2.1所示的p-n結(jié)，當(dāng)未注入電流時，其材料對光呈現(xiàn)吸收性，當(dāng)注入電流較小時，p-n結(jié)開始發(fā)光，電流繼

15、續(xù)增加，光放大增強(qiáng)，放大反饋環(huán)路的增益一旦超過損耗，就產(chǎn)生振蕩，半導(dǎo)體激光器就由自發(fā)發(fā)射狀態(tài)轉(zhuǎn)入激射狀態(tài)，此時的注入電流稱閥值電流。諧振腔長圖2.3 平面諧振腔 2.2光電探測器原理 2.2-1 p-n結(jié)的光電效應(yīng) 當(dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合時（不是機(jī)械結(jié)合，而是分子間結(jié)合），能構(gòu)成一個p-n結(jié)。在P、N型半導(dǎo)體的交界面將發(fā)生載流子相互擴(kuò)散的運(yùn)動：P型中的空穴遠(yuǎn)比N型材料多，空穴將從P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)；同樣N型材料中的電子遠(yuǎn)比P型材料的多，也要擴(kuò)散到P區(qū)。達(dá)到平衡時，這些向?qū)Ψ綌U(kuò)的載流子將積聚在P區(qū)、N區(qū)交界面的附近，形成空間電荷區(qū)，稱為結(jié)區(qū)，如圖2.4所示?？臻g電荷區(qū)內(nèi)，因多數(shù)載流子（指P區(qū)中

16、的空穴，N區(qū)中的電子）幾乎已消耗盡了，故又稱它為耗盡區(qū)。耗盡區(qū)內(nèi)形成了內(nèi)建電場Ei,以入接觸電勢或勢壘Vd。Ei或Vd的存在阻止多數(shù)載流子繼續(xù)對方擴(kuò)散，達(dá)到平衡狀態(tài)。如果p-n結(jié)接收相當(dāng)能量的光波照射，進(jìn)入耗盡區(qū)的光子就會產(chǎn)生電子空穴對，并且受內(nèi)電場Ei的加速，空穴順Ei方向漂向P區(qū)，電子則逆Ei方向漂向N區(qū)。光照的結(jié)果打破了原有結(jié)區(qū)的平衡狀態(tài)。光生載流子的運(yùn)動，同樣要在結(jié)區(qū)形成電場Ep和電壓Vp,而Ep和Vp的方向或極性正好與Ei和Vd相反，起到削弱Ei和Vd的作用。電壓Vp稱為光生伏特。當(dāng)外界光照是穩(wěn)定的，將p-n結(jié)兩端用導(dǎo)線連接，串入電流計就能讀出光電流Ip。圖2.5光照下的p-n結(jié) 2

17、.2-2反向偏置的p-n結(jié) p-n結(jié)中的光電流是靠耗盡區(qū)中的內(nèi)電場形成的。當(dāng)以適當(dāng)能量的光照射p-n結(jié)，且光強(qiáng)很大，能使光生電場Ep=Ei，合成電場E=Ei-Ep=0，即Ei已被削減為零，耗盡區(qū)也不存在了。這時發(fā)生載流子雖仍可在p-n區(qū)中產(chǎn)生，但無電場導(dǎo)引和加速，在雜亂的擴(kuò)散過程中，大部分光生空穴和光生電子相繼復(fù)合而消失，不能形成外部電流。這是不加偏置的p-n結(jié)可能出現(xiàn)的問題。零偏置有兩大弊?。?1)器件的響應(yīng)率很差，且很易飽和；(2)依靠擴(kuò)散運(yùn)動形成的光電流響應(yīng)速度很慢。若在p-n結(jié)上加反向偏置電壓(見圖8.3)，則勢壘高度增加到Vd+V；耗盡區(qū)W加寬了，響應(yīng)率和響應(yīng)速度都可以得到提高。圖2

18、.6反偏下光照的p-n3 光電器件類型3.1半導(dǎo)體發(fā)光器件半導(dǎo)體發(fā)光器件有三大類：發(fā)光管、FP激光器、DBF激光器，下面分別介紹三類器件的特點(diǎn)：發(fā)光管（LED）未經(jīng)諧振輸出，發(fā)非相干光的半導(dǎo)體發(fā)光器件稱為發(fā)光管。發(fā)光管的特點(diǎn)：輸出光功率低、發(fā)散角大、光譜寬、調(diào)制速率低、價格低廉，適合于短距離通信。FP激光器FP激光器是以FP腔為諧振腔，發(fā)出多縱模相干光的半導(dǎo)體發(fā)光器件。這類器件的特點(diǎn)；輸出光功率大、發(fā)散角較小、光譜較窄、調(diào)制速率高，適合于較長距離通信。DFB激光器DFB激光器是在FP激光器的基礎(chǔ)上采用光柵慮光器件使器件只有一個縱模輸出，此類器件的特點(diǎn)：輸出光功率大、發(fā)散角較小、光譜極窄、調(diào)制速

19、率高，適合于長距離通信。3.2光電檢測器件光電檢測器是將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕钠骷饫w通信系統(tǒng)中使用2類光電檢測器，即光電二極（PIN）管和雪崩光電二極管（APD）。 PIN探測器PIN探測器是在普通光電二極管的基礎(chǔ)上加入一層耗盡層的器件，它具有量子效率高、暗電流低、響應(yīng)速度高、工作偏壓低、不具有倍增效應(yīng)的特點(diǎn)。 APD探測器雪崩光電二極管是一種利用較高的偏壓加速光子激發(fā)出的電子空穴對，碰撞出二次電子空穴對，形成光電流倍增的器件。它具有較高的量子效率、較高的響應(yīng)、有倍增效應(yīng)。4. 光電器件的參數(shù)指標(biāo)4.1半導(dǎo)體發(fā)光器件4.1-1發(fā)光管（LED） 發(fā)光管有以下性能參數(shù)：工作波長、3dB光譜寬度、

20、輸出光功率、最高調(diào)制速率。 工作波長是指LED發(fā)出光譜的中心波長；-3dB光譜寬度是LED發(fā)射光譜的最高點(diǎn)降低3dB時所對應(yīng)的光譜寬度；輸出光功率是器件輸出端口輸出的光功率；最高調(diào)制速率為LED所能調(diào)制的最高速率。表4.1是某公司LED器件的性能參數(shù)，其典型光譜如圖4.1所示表4.1 LED性能參數(shù)性能參數(shù)參數(shù)符號單位測試條件最小典型最大工作波長lpnmI=80mA1280131013301520155015703dB光譜寬度DlnmI=80mA60尾纖輸出光功率P0mWI80mA,1310nm10100I=80mA,1550nm1050正向電壓VfVI80mA2.0圖4.14.1-2 FP激

21、光器FP激光器有以下性能參數(shù)：工作波長：激光器發(fā)出光譜的中心波長。光譜寬度：多縱模激光器的均方根譜寬。 閾值電流：當(dāng)器件的工作電流超過閾值電流時激光器發(fā)出相干性很好的激光。輸出光功率：激光器輸出端口發(fā)出的光功率。典型參數(shù)見表4.2，其典型光譜圖為圖4.2 表4.2 FP激光器性能參數(shù)性能指標(biāo)參數(shù)符號單位測試條件最小典型最大工作波長lpnmIW= Ith+20mA129013101330153015501570光譜寬度DlnmIW= Ith+20mA35閾值電流IthmA520輸出光功率P0mWIW, 1310nm0.32.5IW, 1550nm0.32.0正向電壓VfVIW= Ith+20mA

22、1.11.5圖4.24.1-3 DFB激光器DFB激光器有以下性能參數(shù)：工作波長：激光器發(fā)出光譜的中心波長。邊模抑制比：激光器工作主模與最大邊模的功率比。-20dB光譜寬度：由激光器輸出光譜的最高點(diǎn)降低20dB處光譜寬度。閾值電流：當(dāng)器件的工作電流超過閾值電流時激光器發(fā)出相干性很好的激光。輸出光功率：激光器輸出端口發(fā)出的光功率。典型參數(shù)見表4.3，其典型光譜圖為圖4.3表4.3 DFB激光器典型參數(shù)性能指標(biāo)參數(shù)符號單位測試條件最小典型最大工作波長lpnmIW= Ith+20mA13101550-20dB光譜寬度DlnmIW= Ith+20mA0.30.5閾值電流IthmA1520輸出光功率P0

23、mWIW, 1310nm0.32.5IW, 1550nm0.32.0正向電壓VfVIW= Ith+20mA圖4.34.2 光電檢測器件4.2-1 PIN光電二極管PIN光電二極管性能參數(shù)如下：響應(yīng)光譜范圍：光電二極管能檢測到的光譜范圍。暗電流： 光電二極管在沒有光輸入時產(chǎn)生的漏電流。 響應(yīng)度： 即光電轉(zhuǎn)換的效率，是光電流與輸入的光功率之比。 表4.4 PIN光電二極管的典型參數(shù)性能指標(biāo)參數(shù)符號單位測試條件最小典型最大光譜響應(yīng)nm110013101600暗電流IdnAVr=-5V-0.15響應(yīng)度1310nmRA/WVr=-5V0.80.85-飽和光功率PmVVr=-5V1.5響應(yīng)時間tr/tfn

24、s-0.1-電容CpfVr=-5V0.75光敏面直徑fm m754.2-2 APD光電探測器APD探測器性能主要參數(shù):工作波長：APD探測器能檢測的波長范圍。量子效率：激發(fā)出的一次電子數(shù)與輸入的光子數(shù)之比。暗電流： APD探測器在沒有輸入光功率時的漏電流。倍增因子：光電子的倍增倍數(shù)。過剩噪聲指數(shù)：反映噪聲的大小。 表4.5 APD光電探測器參數(shù)種類G-APD工作波長10001600nm量子效率50%過剩噪聲指數(shù)0.8暗電流200mA倍增因子15結(jié)電容2pF上升時間150ps光敏面積f>200mm擊穿電壓>60V5 各種光電器件的應(yīng)用場合5.1 FP激光器的應(yīng)用由于受1310nm通信

25、窗口的光纜衰耗和1550nm通信窗口的光纜色散限制，此類激光器用于傳輸距離小于50km的場合。主要是1310nm的工作波長。5.2 DBF激光器的應(yīng)用這類激光器具有光譜窄特性，在1550nm低衰耗特性窗口受色散限制的距離為70120km，由于目前激光器制造工藝正在不斷發(fā)展，此類激光器的受色散限制的距離有可能達(dá)到170200km。此類激光器與光放大器配合使用目前能實現(xiàn)120km以內(nèi)的無中繼傳輸。5.3 EADFB激光器應(yīng)用EADFB激光器不直接對激光器進(jìn)行調(diào)制，使激光器的啁秋效應(yīng)大大降低，此類激光器受色散限制的距離為3001000km。此類激光器與光放大器結(jié)合使用，能實現(xiàn)200km無中繼傳輸，3

26、001000km無電中繼傳輸。 5.4 PIN探測器 PIN探測器由于沒有倍增效應(yīng)，其響應(yīng)度較小，主要用于155/622Mb/s系統(tǒng)。5.5 APD探測器APD探測器具有倍增效應(yīng)和較高的效應(yīng)速度，用于2.5Gb/s設(shè)備上。 6. 使用中需要注意的問題 6.1防靜電目前光纖通信設(shè)備中的光電器件均為異質(zhì)結(jié)器件，其反向擊穿電壓都很低，極易被人體靜電擊穿或擊傷，造成器件立即損耗或壽命減少。因此在使用過程一定要十分注意防靜電。 6.2注意避免折斷尾纖設(shè)備中使用的光電器件多數(shù)是帶尾纖輸出的類型，器件尾纖是采用0.9mm直徑的套塑光纖，十分脆弱。在使用過程中如果不小心很容易將尾纖折斷，造成器件完全無法使用。

27、 6.3注意清潔光纖連接器光電器件的光纖連接器是器件與外界的光接口。如果光纖連接器被污染，則會明顯增加連接衰耗，造成發(fā)光器件的輸出光功率明顯低于器件額定值，接收器件靈敏度明顯降低，使設(shè)備的光口指標(biāo)變壞，嚴(yán)重影響設(shè)備的整體性能。 7. 摻鉺光纖放大器介紹 7.1 摻鉺光纖放大器介紹 摻鉺光纖放大器作為新一代光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，具有增益高、輸出功率大、工作光學(xué)帶寬較寬、與偏振無關(guān)、噪聲指數(shù)較低、放大特性與系統(tǒng)比特率和數(shù)據(jù)格式無關(guān)。它是大容量波分復(fù)用系統(tǒng)、2.5Gb/s和10Gb/s以上高速系統(tǒng)中必不可少的關(guān)鍵部件，也是大型CATV網(wǎng)不可缺少的器件。它的出現(xiàn)給光纖通信與傳輸技術(shù)帶來了一場革命。ED

28、FA在光纜線路中可以有以下幾種應(yīng)用：(1)、裝在光發(fā)射機(jī)后面作功率放大器，它可以將光發(fā)射機(jī)的發(fā)送功率由 0dBm左右提高至 +13+18dBm。(2)、在光發(fā)送機(jī)和光接收機(jī)之間裝若干個EDFA，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的中繼設(shè)備。(3)、裝在光接收機(jī)前面作預(yù)放大器可以將接收機(jī)靈敏度提高至 -45 -35dBm 光纜通信線路中使用EDFA作功率放大器和預(yù)放大器可以大幅度提高通信設(shè)備的動態(tài)范圍，使線路的無中繼距離達(dá)到 150250km，這將使通信系統(tǒng)的中繼站的數(shù)量大大減少，線路的建設(shè)成本、維護(hù)成本大為降低，同時也提高了線路的可靠性。在沿途不上下話路的長途干線中應(yīng)用EDFA，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的 光®電、電

29、4;光 的中繼方式，可以節(jié)省設(shè)備投資，同時有利于線路的升級。因為EDFA具有放大特性與系統(tǒng)比特率和數(shù)據(jù)格式無關(guān)的特點(diǎn)，因此，在線路升級時，只需更換線路兩端的設(shè)備，而不需要更換作中繼的EDFA。(4)在廣電網(wǎng)中使用可以使壹臺光發(fā)射機(jī)帶更多的光接收機(jī)。在國外，摻鉺光纖放大器已經(jīng)開始大規(guī)模地用于各種工程中。 7.1 摻鉺光纖放大器原理在石英光纖中摻入稀土元素鉺，形成Er3+離子。激發(fā)態(tài)980nm泵浦光馳豫亞穩(wěn)態(tài)1550nm信號光子1550nm信號光子基態(tài)圖7.1 Er3+在光纖中的能級圖 在摻鉺光纖中注入足夠的泵浦光,就可以將大部分處于基態(tài)的Er3+抽運(yùn)到激發(fā)態(tài)上，處于激發(fā)態(tài)的Er3+又迅速無輻射地轉(zhuǎn)移到比激發(fā)態(tài)低的亞穩(wěn)態(tài)上。由于Er3+在亞穩(wěn)態(tài)上的平均停留時間為10ms，因此，很容易在亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)之間形成反轉(zhuǎn)，此時，信號光子通過摻鉺光纖，將通過受激輻射效應(yīng)，產(chǎn)生