光器件基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)演示文稿

光器件基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)演示文稿當(dāng)前第1頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)當(dāng)前第2頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)1960年——世界上第一臺(tái)激光器研制成功1970年——第一根低損耗光纖（20dB/Km）研制成功

（美國(guó)康寧公司）；美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室成功研制能在室溫條件下連續(xù)工作的半導(dǎo)體激光器1974年——美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室成功研制出損耗為1dB/Km的光纖（化學(xué)氣相沉積法（MCVD）

）當(dāng)前第3頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)1976年——日本電話電報(bào)公司研制出損耗更低的光纖（0.5dB/Km）20世紀(jì)70年代末期——光纖通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)第一次業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)

20世紀(jì)80年代后期——光纖損耗已經(jīng)降低到0.16dB/Km1988年——第一條跨大西洋光纜投入運(yùn)營(yíng)

光器件基礎(chǔ)知識(shí)當(dāng)前第4頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)1.2光纖通信的主要優(yōu)點(diǎn)

通信容量大

——光纖的可用帶寬較大，一般在10GHz以上；而金屬電纜存在的分布電容和分布電感實(shí)際上起到了低通濾波器的作用，限制了電纜的傳輸頻率、帶寬以及信息承載能力。

傳輸距離長(zhǎng)

——光纜的傳輸損耗比電纜低，因而可傳輸更長(zhǎng)的距離。

當(dāng)前第5頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)抗電磁干擾——光纖通信系統(tǒng)避免了電纜由于相互靠近而引起的電磁干擾。光纖的材料是玻璃或塑料，都不導(dǎo)電，因而不會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，也就不存在相互間的電磁干擾?？乖肼暩蓴_——光纖不導(dǎo)電的特性還避免了光纜受到閃電、電機(jī)、熒光燈及其他電器源的電磁干擾（EMI），外部的電噪聲也不影響光頻的傳輸能力。此外，光纜不輻射射頻（RF）能量的特性也使它不會(huì)干擾其他通信系統(tǒng)。（所以現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于軍事上）適應(yīng)環(huán)境——光纖對(duì)惡劣環(huán)境有較強(qiáng)的抵抗能力。它比金屬電纜更能適應(yīng)溫度的變化，腐蝕性的液體或氣體對(duì)其影響也較小。

重量輕、安全、易敷設(shè)

光器件基礎(chǔ)知識(shí)當(dāng)前第6頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)保密——光纖不向外輻射能量，很難用金屬感應(yīng)器對(duì)光纜進(jìn)行竊聽(tīng)。壽命長(zhǎng)

1.3光纖通信系統(tǒng)的基本組成與發(fā)展概況

基本組成——光發(fā)送機(jī)、光接收機(jī)、光纖（光纜）和各種耦合器件

當(dāng)前第7頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)以點(diǎn)到點(diǎn)的光纖通信系統(tǒng)為例

當(dāng)前第8頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)發(fā)展概況——光器件基礎(chǔ)知識(shí)第1代光纖通信系統(tǒng)——20世紀(jì)70年代末大量投入運(yùn)營(yíng)，由0.85μm的光源和多模光纖構(gòu)成。第2代光纖通信系統(tǒng)——20世紀(jì)80年代初，采用1.3μm的半導(dǎo)體發(fā)光二極管或激光二極管作為光源，再加上多模光纖。第3代光纖通信系統(tǒng)——自20世紀(jì)80年代后期以來(lái)，采用1.55μm作為工作波長(zhǎng)，以色散位移光纖作為傳輸媒介。第4代光纖通信系統(tǒng)——采用波分復(fù)用（WDM）技術(shù)，現(xiàn)已開(kāi)始投入運(yùn)營(yíng)。

當(dāng)前第9頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)第5代光纖通信系統(tǒng)——基于光纖非線性壓縮抵消光纖色散展寬的新概念產(chǎn)生的光孤子研究，經(jīng)過(guò)20多年的研究發(fā)展，有了突破性進(jìn)展。

光纖通信系統(tǒng)雖然經(jīng)歷了5代的發(fā)展，但目前應(yīng)用最為廣泛的不外乎兩種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：點(diǎn)到點(diǎn)的直接強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)（IM/DD）系統(tǒng)（根據(jù)傳輸信號(hào)的性質(zhì)不同，又可分為數(shù)字光纖通信系統(tǒng)和模擬光纖通信系統(tǒng)兩種）；波分復(fù)用（WDM）光纖通信系統(tǒng)。

當(dāng)前第10頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)第二章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)簡(jiǎn)介光器件基礎(chǔ)知識(shí)2.1原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)原子由原子核和核外電子組成。原子核帶正電，電子帶負(fù)電。原子核所帶的正電與核外電子所帶的負(fù)電的總和相等。因此，整個(gè)原子呈電中性。電子在原子中的運(yùn)動(dòng)軌道是量子化的。（軌道的量子化是指原子中的電子以一定的幾率出現(xiàn)在各處，即原子中的電子只能在各個(gè)特定軌道上運(yùn)行，不能具有任意軌道；電子的能量不能取任意值，而是具有確定的量子化的某些離散值，是不連續(xù)的。這些分立的能量值叫做原子的能級(jí)）原子結(jié)構(gòu)模型圖

當(dāng)前第11頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)粒子分立能級(jí)示意圖當(dāng)原子中電子的能量最小時(shí)，整個(gè)原子的能量最低，這個(gè)原子處于穩(wěn)態(tài)，稱為“基態(tài)”；當(dāng)原子處于比基態(tài)高的能級(jí)時(shí)，稱為“激發(fā)態(tài)”。通常情況下，大部分原子處于基態(tài)，只有少數(shù)原子被激發(fā)到高能級(jí)，而且，能級(jí)越高，處于該能級(jí)上的原子數(shù)越少。

光器件基礎(chǔ)知識(shí)當(dāng)前第12頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)2.2固體的能帶結(jié)構(gòu)光器件基礎(chǔ)知識(shí)電子的共有化：在正常狀態(tài)下，原子中的電子并不能都處于最低能級(jí)上。因?yàn)榕堇幌嗳菰碇赋觯恳荒芗?jí)上至多只能有兩個(gè)電子，而且它們的自旋方向還必須相反。能量愈高，相鄰能級(jí)的間隔就越小，電子從下一能級(jí)過(guò)渡到上一能級(jí)也就越方便。當(dāng)電子從原子中掙脫出來(lái)，而進(jìn)入離子化狀態(tài)后，這時(shí)能量已沒(méi)有一級(jí)一級(jí)的差別，而在能量圖上形成一個(gè)能量連續(xù)的區(qū)域，這時(shí)電子可以自由運(yùn)動(dòng)，所以稱為自由電子。當(dāng)前第13頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)電子的共有化是一種量子效應(yīng)而非古典的性質(zhì)——由于原子離得很近，每個(gè)電子不僅受到本身原子核的作用，還受到相鄰原子核的作用。這種作用對(duì)于內(nèi)電子和價(jià)電子的影響是不一樣的。內(nèi)電子被本身原子核牢牢地束縛著，所以所受的影響并不顯著。價(jià)電子卻不然，它的軌道大小和相鄰原子間的距離是相同數(shù)量級(jí)的，所以所受的影響很顯著。按照古典物理，電子是不能從一個(gè)原子轉(zhuǎn)入另一個(gè)原子里去的；而量子力學(xué)卻容許電子通過(guò)隧道效應(yīng)進(jìn)入另一個(gè)原子。這樣，價(jià)電子就不再分別屬于各個(gè)原子，而被整個(gè)晶體中原子所共有，這就是電子的共有化。2.能帶的形成：量子力學(xué)證明，晶體中電子共有化的結(jié)果，使原先每個(gè)原子中具有相同能量的電子能級(jí)，因各原子的相互影響而分裂為一系列和原來(lái)能級(jí)很接近的新能級(jí)，這些新能級(jí)基本上連成一片，而形成能帶。能帶中不允許存在能量狀態(tài)的區(qū)域稱為帶隙（也叫禁帶），帶隙寬度用電子伏特（eV）表示。

光器件基礎(chǔ)知識(shí)當(dāng)前第14頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)帶隙下方與價(jià)電子對(duì)應(yīng)的低能量區(qū)稱為價(jià)帶，它是由價(jià)電子能級(jí)分裂形成的能帶。

價(jià)帶上方高能量區(qū)稱為導(dǎo)帶（價(jià)帶中的能級(jí)若沒(méi)有被電子全部填滿，電子可以進(jìn)入未被填充的高能級(jí)，從而形成定向電流。這樣的能帶稱為導(dǎo)帶）。

導(dǎo)帶底的電子能量比價(jià)帶頂?shù)碾娮幽芰扛撸渲档扔趲秾挾菶g（簡(jiǎn)稱帶隙的能量）。

能帶中的各個(gè)能級(jí)都被電子所填滿的能帶，稱為滿帶。滿帶中的電子不能起導(dǎo)電作用。

光器件基礎(chǔ)知識(shí)空帶價(jià)帶滿帶E導(dǎo)帶晶體的能帶結(jié)構(gòu)當(dāng)前第15頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)3.導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)：光器件基礎(chǔ)知識(shí)導(dǎo)體——電阻率為10-8～102歐姆·米的物體；絕緣體——電阻率為108～1016歐姆·米的物體；半導(dǎo)體——電阻率則介于導(dǎo)體與絕緣體之間，如硅、硒、碲、鍺、硼等元素以及硒、碲、硫的化合物，各種金屬氧化物和其他許多無(wú)機(jī)物質(zhì)。從本質(zhì)上說(shuō)，半導(dǎo)體和絕緣體在能帶結(jié)構(gòu)上沒(méi)有什么差別。不過(guò)半導(dǎo)體的帶隙較窄，約從十分之幾eV到1.5eV，而絕緣體的帶隙較寬，約從1.5eV到十個(gè)eV。在任何溫度下，由于電子的熱運(yùn)動(dòng)，將使一些電子從滿帶越過(guò)禁帶，激發(fā)到導(dǎo)帶里去。因?yàn)閷?dǎo)帶中的能級(jí)在被熱激發(fā)電子占據(jù)之前是空著的，所以電子進(jìn)入導(dǎo)帶后，就有機(jī)會(huì)在電場(chǎng)作用下，沿著電場(chǎng)相反的方向運(yùn)動(dòng)，去占據(jù)新的能級(jí)。這種定向運(yùn)動(dòng)的結(jié)果就使晶體能夠?qū)щ姟＝^緣體的禁帶一般很寬，所以在一般溫度下，從滿帶熱激發(fā)到導(dǎo)帶的電子數(shù)是微不足道的，這樣，它的外在表現(xiàn)便是電阻率很大。半導(dǎo)體的禁帶較窄，所以在一般溫度下，熱激發(fā)到導(dǎo)帶去的電子數(shù)也較多，電阻率因而較小。

當(dāng)前第16頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)導(dǎo)體和半導(dǎo)體之間，不僅在電阻率的數(shù)量上有所不同，而且還存在著質(zhì)的區(qū)別。有些導(dǎo)體，并沒(méi)有價(jià)帶存在，一些被電子占有的能級(jí)和空著的能級(jí)緊緊地挨在一起；另一些導(dǎo)體，雖然也有價(jià)帶，但這些價(jià)帶和導(dǎo)帶交迭在一起形成一個(gè)統(tǒng)一的寬能帶。在這些情形里，如有外電場(chǎng)作用，它們的電子很容易從一個(gè)能級(jí)躍遷到另一能級(jí)，而顯示出很強(qiáng)的導(dǎo)電能力，因而電阻率也就很小。

4.半導(dǎo)體的特性：

半導(dǎo)體之所以能成為制作半導(dǎo)體元器件的材料，并不是因?yàn)樗膶?dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，而是由于它具有一些獨(dú)特的導(dǎo)電性能。如光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)和溫差電效應(yīng)等。本征半導(dǎo)體——純凈的半導(dǎo)體單晶稱為本征半導(dǎo)體。它的導(dǎo)電性取決于價(jià)帶中電子向?qū)У能S遷。因此，在外電場(chǎng)作用下，既有發(fā)生在到導(dǎo)帶中的電子的定向運(yùn)動(dòng)，又有發(fā)生在價(jià)帶中的電子的定向運(yùn)動(dòng)，它兼具電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電的兩種機(jī)構(gòu)，這類導(dǎo)電性稱為本征導(dǎo)電。

當(dāng)前第17頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)自由電子和空穴——在絕對(duì)溫度0K(即-273℃)，又無(wú)外部激發(fā)時(shí)，由于共價(jià)鍵中的價(jià)電子被束縛著，半導(dǎo)體中沒(méi)有可以自由運(yùn)動(dòng)的帶電粒子——載流子。因此，即使有外電場(chǎng)的作用也不能產(chǎn)生電流。此時(shí)的半導(dǎo)體相當(dāng)于絕緣體。但是當(dāng)有外部激發(fā)，如溫度升高或光照時(shí)，就會(huì)使一些價(jià)電子獲得能量后，掙脫共價(jià)鍵的束縛，而成為自由電子，也叫電子載流子，電荷量為－q。這種現(xiàn)象叫做本征激發(fā)。當(dāng)價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子后，在共價(jià)鍵中就留下一個(gè)空位子，叫空穴。如下圖所示。而鄰近的共價(jià)鍵內(nèi)的價(jià)電子就會(huì)跑過(guò)來(lái)填充，在原來(lái)的位置產(chǎn)生一新的空穴，這種情況相當(dāng)于空穴在移動(dòng)。空穴是由于失去價(jià)電子形成的，所以它是帶正電的載流子。

光器件基礎(chǔ)知識(shí)硅或鍺材料的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

當(dāng)前第18頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)雜質(zhì)半導(dǎo)體——在本征半導(dǎo)體中，人為地?fù)饺肷倭科渌兀ǚQ其為雜質(zhì)），就可制成雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能與本征半導(dǎo)體相比有了非常顯著的改變。雜質(zhì)既可以提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力，還能夠改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)。根據(jù)摻入雜質(zhì)性質(zhì)的不同，可分為電子型半導(dǎo)體和空穴型半導(dǎo)體兩種。因?yàn)殡娮訋ж?fù)電，取英文單詞“Negative”的第一個(gè)字母，所以電子型半導(dǎo)體又稱為N型半導(dǎo)體；空穴帶正電，取英文單詞“Positive”的第一個(gè)字母，所以空穴型半導(dǎo)體又稱為P型半導(dǎo)體。

5.PN結(jié)：

在一塊半導(dǎo)體的一端摻入受主雜質(zhì)，形成P型半導(dǎo)體；另一端摻入施主雜質(zhì)，形成N型半導(dǎo)體，于是在它們的交界處，就形成了一個(gè)PN結(jié)。PN結(jié)是許多半導(dǎo)體器件的重要組成部分。

當(dāng)前第19頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)PN結(jié)的形成——在室溫下，P型半導(dǎo)體內(nèi)每一個(gè)受主雜質(zhì)將產(chǎn)生一個(gè)空穴，同時(shí)形成一個(gè)負(fù)離子；N型半導(dǎo)體內(nèi)每一個(gè)施主雜質(zhì)將產(chǎn)生一個(gè)自由電子，同時(shí)形成一個(gè)正離子。于是，在兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體的交界處，由于P型半導(dǎo)體（又稱P區(qū)）內(nèi)空穴為多子，N型半導(dǎo)體（又稱N區(qū)）內(nèi)電子為多子，存在很大的濃度差，所以，空穴將越過(guò)交界面由P區(qū)向N區(qū)運(yùn)動(dòng)。同理，電子也會(huì)由N區(qū)向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，通常把這種現(xiàn)象稱為擴(kuò)散，如圖所示。載流子分布濃度差引起擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)

當(dāng)前第20頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)

擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，一是進(jìn)入對(duì)方區(qū)域后，多子身份變成為少子，很快就被復(fù)合掉了；另一個(gè)是在交界面兩側(cè)留下了不能移動(dòng)的正負(fù)離子區(qū)，亦稱空間電荷區(qū)，如下圖所示。平衡狀態(tài)下的PN結(jié)當(dāng)前第21頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)

這個(gè)區(qū)域的載流子因擴(kuò)散和復(fù)合而消耗掉了，所以又稱為耗盡區(qū)。在交界面兩邊的正負(fù)電荷間必然有電場(chǎng)存在，這個(gè)電場(chǎng)稱為內(nèi)建電場(chǎng)，電場(chǎng)方向由N區(qū)指向P區(qū)，它所產(chǎn)生的電位差UD（又叫接觸電位差）使N區(qū)的電位高于P區(qū)的電位。由圖可見(jiàn)，這個(gè)電場(chǎng)具有阻止多數(shù)載流子擴(kuò)散的作用。所以，人們又把耗盡區(qū)稱為勢(shì)壘區(qū)或位壘區(qū)。與此同時(shí)，內(nèi)電場(chǎng)將使N區(qū)的少子空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，使P區(qū)的少子電子向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，通常把這種現(xiàn)象稱為漂移。漂移運(yùn)動(dòng)的方向正好與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的方向相反。由擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的電流，稱為擴(kuò)散電流；由漂移運(yùn)動(dòng)形成的電流，稱為漂移電流。這兩種電流方向相反。當(dāng)這兩種電流相等時(shí)，達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)勢(shì)壘區(qū)的寬度也就確定下來(lái)了。PN結(jié)就是指的勢(shì)壘區(qū)，通常很薄，約為數(shù)十微米，其接觸電位差的大小與半導(dǎo)體材料、摻雜濃度和環(huán)境溫度有關(guān)。在室溫下，硅材料PN結(jié)的接觸電位差UD＝0.6～0.8V，鍺材料PN結(jié)的UD＝0.1～0.3V，溫度每升高1℃，電位差降低約2mV。

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)外加正向電壓（PN結(jié)導(dǎo)通）

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電源電壓通過(guò)限流電阻加在半導(dǎo)體的兩端，其正極接P，負(fù)極接N。電源的這種接法稱為外加正向電壓，也叫正向偏置，簡(jiǎn)稱“正偏”，如右圖所示。 由圖可知，外加電壓的極性與勢(shì)壘的極性相反。P區(qū)的多子（空穴）在正極性電壓的驅(qū)使下進(jìn)入勢(shì)壘區(qū)；N區(qū)的多子（電子）在負(fù)極性電壓的驅(qū)動(dòng)下也進(jìn)入勢(shì)壘區(qū)，這將使勢(shì)壘區(qū)的部分正、負(fù)離子被中和，導(dǎo)致勢(shì)壘區(qū)變窄，勢(shì)壘降低，有利于多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成較大的擴(kuò)散電流。但勢(shì)壘區(qū)的變窄，內(nèi)電場(chǎng)的減弱，卻不利于少子的漂移運(yùn)動(dòng)，致使漂移運(yùn)動(dòng)電流可以忽略。正向電壓下的電流稱為正向電流，因此正向電流主要由擴(kuò)散電流構(gòu)成，它隨著正向電壓的增加而增大。

PN結(jié)外加正向電壓當(dāng)前第23頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)

它的關(guān)系是指數(shù)關(guān)系：其中：ID為流過(guò)PN結(jié)電流，U為PN結(jié)兩端的電壓，UT=kT/q稱為溫度電壓當(dāng)量，其中，k為波爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，q為電子電量，在室溫下（300K）時(shí)UT=26mV，IS為反向飽和電流。所以，PN結(jié)加正向偏壓時(shí)是導(dǎo)電的,它所呈現(xiàn)的電阻為正向電阻。

2）PN結(jié)外加反向電壓（PN結(jié)截止）

如果將外部電壓的負(fù)端接P區(qū)，正端接N區(qū)，稱為外加反向電壓，或稱反向偏置（反偏），如右圖所示。PN結(jié)外加反向電壓當(dāng)前第24頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)由于外加電壓的極性與勢(shì)壘極性相同，P區(qū)的空穴將離開(kāi)勢(shì)壘區(qū)向電源負(fù)極運(yùn)動(dòng)；N區(qū)電子也將離開(kāi)勢(shì)壘區(qū)向電源正極運(yùn)動(dòng)，于是在勢(shì)壘區(qū)就出現(xiàn)了更多的正、負(fù)離子，使勢(shì)壘區(qū)展寬，勢(shì)壘增高，必然對(duì)多子的擴(kuò)散產(chǎn)生影響，使擴(kuò)散電流減少，隨著外加電壓的增加，擴(kuò)散電流很快減到零。剩下的漂移電流，則基本上不隨外加電壓而改變。這是因?yàn)槠齐娏魇怯杀菊骷ぐl(fā)產(chǎn)生的少子形成的，當(dāng)溫度一定時(shí)，便是一個(gè)定值。反向電壓作用下的漂移電流，稱為反向電流，由于它不隨反向電壓而改變，故稱為反向飽和電流。因此，當(dāng)PN結(jié)反向偏置時(shí)，基本上是不導(dǎo)電的。這時(shí)我們稱“PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)”，其呈現(xiàn)的電阻為反向電阻，而且阻值很高。但當(dāng)溫度升高時(shí)，由于本征激發(fā)而產(chǎn)生的少數(shù)載流子增多，反向電流也就增大。溫度每升高1℃時(shí)，反向電流增加約7％。因?yàn)椋?.07）10≈2，故可認(rèn)為，溫度每升高10℃時(shí)，反向電流增加一倍。由以上我們可以看出：PN結(jié)在正向電壓作用下，處于導(dǎo)通狀態(tài)，在反向電壓的作用下，處于截止?fàn)顟B(tài)，因此PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?/p>

光器件基礎(chǔ)知識(shí)當(dāng)前第25頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)3）PN結(jié)的伏安特性

光器件基礎(chǔ)知識(shí)單向?qū)щ娛荘N結(jié)的重要特性。這一特性可以用以下方程描述：

式中：U為PN結(jié)兩端外加電壓，I為流過(guò)PN結(jié)的電流，IS為反向飽和電流，UT＝KT/q為溫度的電壓當(dāng)量，其中k＝1.38×10-23J/K為玻耳茲曼常數(shù)，q＝1.6×10-19庫(kù)侖為電荷量，T為絕對(duì)溫度。在常溫（300K）下，UT≈26mV。根據(jù)方程繪出的伏安特性曲線如下圖所示。

當(dāng)前第26頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)PN結(jié)的反向擊穿在測(cè)量PN結(jié)的伏安特性時(shí)，如果外加的反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，反向電流會(huì)突然增加，如下圖所示。我們把這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿，發(fā)生擊穿所需要的電壓稱為擊穿電壓UB。PN結(jié)被擊穿后，如果對(duì)其電流不加限制，PN結(jié)有可能由于過(guò)熱而造成永久性損壞。

當(dāng)前第27頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)6.激光產(chǎn)生的基本原理：光器件基礎(chǔ)知識(shí)光的輻射和吸收

光的吸收

假設(shè)某原子最初處于基態(tài)能級(jí)Em，用一束能量為hυmn的光子流照射它，則原子就有可能吸收光子的能量，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)能級(jí)En，這種過(guò)程稱為光的吸收。（發(fā)生吸收過(guò)程的必要條件是：入射光子的能量必須等于原子的兩個(gè)能級(jí)的能量差，即hυmn＝En－Em。原子吸收一個(gè)光子而從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)的過(guò)程也稱為原子的激發(fā)。但是滿足上述hυmn＝En－Em的光子不一定都能使原子躍遷到高能級(jí)的受激態(tài)中去。因?yàn)檫@里還有個(gè)躍遷的幾率問(wèn)題。各個(gè)能級(jí)的躍遷幾率有的很大，有的很小，而有些能級(jí)的激發(fā)甚至是被“禁止”的。所有這些都決定于原子本身的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。）當(dāng)前第28頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光的自發(fā)輻射

光器件基礎(chǔ)知識(shí)原子吸收了外界能量而躍遷到激發(fā)態(tài)，這個(gè)激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，原子在激發(fā)態(tài)停留的時(shí)間非常短，通常約為10-8秒的數(shù)量級(jí)。在這期間內(nèi)，它們很快地在沒(méi)有外界作用情況下，自發(fā)地輻射出光子來(lái)，從激發(fā)態(tài)返回到基態(tài)。這種現(xiàn)象就稱為自發(fā)輻射。

自發(fā)輻射的特點(diǎn)在于：這種過(guò)程與外界作用無(wú)關(guān)，各個(gè)原子的輻射都是自發(fā)地、獨(dú)立地進(jìn)行的，因而各個(gè)光子的發(fā)射方向和初相位都不相同。此外，由于大量原子所處的激發(fā)態(tài)不盡相同，可以發(fā)射出不同頻率的光，所以自發(fā)輻射的頻率范圍很廣。這就是普通光源的發(fā)光機(jī)理。由此可見(jiàn)普通光源發(fā)出的光，光子的簡(jiǎn)并度是很低的，具有一系列不同的頻率和不同的初相位，其單色性極差，而且彼此不能相干。

當(dāng)前第29頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光的受激輻射光器件基礎(chǔ)知識(shí)處于激發(fā)態(tài)能級(jí)上的原子，如果在它發(fā)生自發(fā)輻射以前，收到外來(lái)的、能量為hυmn＝En－Em的光子的刺激作用，就有可能從En躍遷到Em，同時(shí)輻射出一個(gè)與外來(lái)光子同頻率、同相位、同方向、同偏振態(tài)的光子，這一過(guò)程稱為受激輻射。

受激輻射必須要在一定頻率（υmn）的外來(lái)入射光子的作用下才會(huì)發(fā)生，而受激輻射過(guò)程中所發(fā)出的光子的性質(zhì)、狀態(tài)等都與外來(lái)光子完全相同。

經(jīng)過(guò)受激輻射，輻射光與入射光同相位、同頻率、同方向、同偏振態(tài)，相互疊加而使強(qiáng)度變強(qiáng)，即入射光得到了放大。受激輻射引起光放大正是激光產(chǎn)生機(jī)構(gòu)中的一個(gè)重要基本概念。

當(dāng)前第30頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)2.產(chǎn)生激光的基本條件粒子數(shù)反轉(zhuǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)從以上關(guān)于自發(fā)輻射和受激輻射的討論中，我們可以看到，普通光源的發(fā)光機(jī)構(gòu)是自發(fā)輻射占統(tǒng)治地位。然而，激光器的發(fā)光卻主要是受激輻射。那么我們?cè)鯓硬拍茉谝粋€(gè)發(fā)光系統(tǒng)中，造成受激輻射的主導(dǎo)地位，而使其發(fā)出激光來(lái)呢？

實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件有：要有可用來(lái)進(jìn)行粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)（激活介質(zhì)）；具有適當(dāng)?shù)哪芗?jí)結(jié)構(gòu)（存在亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，壽命10-3S）；能夠從外界輸入能量使工作物質(zhì)激活（稱為“激勵(lì)”、也叫“抽運(yùn)”或“光泵”），使物質(zhì)中盡可能多的粒子吸收能量后躍遷到高能級(jí)上去。

當(dāng)前第31頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)以三能級(jí)系統(tǒng)為例，具體介紹實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的方法：

光器件基礎(chǔ)知識(shí)激勵(lì)能源將基態(tài)E1上的原子激勵(lì)到激發(fā)態(tài)能級(jí)E3。

原子通過(guò)碰撞把能量轉(zhuǎn)移給晶格而無(wú)輻射地躍遷到亞穩(wěn)態(tài)E2（原子的壽命約為10-3S）。隨著亞穩(wěn)態(tài)E2上的原子數(shù)不斷增加，而基態(tài)E1上的原子數(shù)不斷減少，于是在亞穩(wěn)態(tài)E2和基態(tài)E1兩能級(jí)之間實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

當(dāng)前第32頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)2）光學(xué)諧振腔光器件基礎(chǔ)知識(shí)為使受激輻射持續(xù)下去，持續(xù)地獲得激光輸出，必須采用光學(xué)諧振腔。初始誘發(fā)原子發(fā)生受激輻射的光子來(lái)源于自發(fā)輻射，因而此時(shí)的受激輻射是隨機(jī)的，所輻射光的相位、偏振態(tài)、頻率和傳播方向都是互不相關(guān)的。光學(xué)諧振腔的作用就是可以使某一方向和頻率的光子享有最優(yōu)越的條件進(jìn)行放大。

常用的光學(xué)諧振腔是在工作物質(zhì)的兩端放置兩塊互相平行的反射鏡。參看下圖，（a）表示處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)在自發(fā)輻射，向各個(gè)方向發(fā)射光子。其中，凡偏離諧振腔軸線方向運(yùn)動(dòng)的光子最終均會(huì)溢出腔外，只有沿軸線方向運(yùn)動(dòng)的光子，在腔內(nèi)來(lái)回反射，產(chǎn)生連鎖式的光放大。（b）表示光遇到諧振腔的反射鏡之后，一部分輸出，一部分又反射回去，又得到放大。（c）則表示光在諧振腔內(nèi)來(lái)回反射，每來(lái)回一次都得到一定的放大，而使光的強(qiáng)度越來(lái)越強(qiáng)，光束越強(qiáng)，則處于激發(fā)態(tài)的原子受激輻射就越多。由于諧振腔的這種作用，最終將從部分反射鏡射出一束極強(qiáng)的光束——“激光”（Laser，LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）。

當(dāng)前第33頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)3）閾值條件如右圖所示：

設(shè)增益介質(zhì)單位長(zhǎng)度的小信號(hào)增益系數(shù)為g0，損耗系數(shù)為αi，兩個(gè)反射鏡的反射率為r1和r2

，α為光學(xué)諧振腔的平均損耗系數(shù)，它包括增益物質(zhì)的本身?yè)p耗和通過(guò)兩個(gè)反射鏡的傳輸損耗，其中包括了有用光的輸出。激光器起振條件：

當(dāng)前第34頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)閾值條件：

光器件基礎(chǔ)知識(shí)4）相位條件要產(chǎn)生激光振蕩，除了要滿足閾值條件以外，還要滿足相位平衡條件，即激光器必須工作在諧振腔的工作模式上。當(dāng)平行平面諧振腔體內(nèi)的光沿著腔軸的方向在腔內(nèi)的兩個(gè)反射面之間來(lái)回傳播時(shí)，從反射鏡1射向反射鏡2的光波，和從反射鏡2射向反射鏡1的光波，正好是沿著相反方向傳播的，因此，光在腔內(nèi)部

沿著腔的軸向?qū)⑿纬筛缮妫啻瓮鶑?fù)反射時(shí)，就會(huì)發(fā)生多光束干涉。為了能在腔內(nèi)形成穩(wěn)定振蕩，就要求光波能因干涉而得到加強(qiáng)以形成正反饋。

發(fā)生加強(qiáng)干涉以形成正反饋的條件是：波從某一點(diǎn)出發(fā)，經(jīng)腔內(nèi)往返一周再回到原來(lái)位置時(shí)，應(yīng)與初始出發(fā)波同相，即相差為2π的整數(shù)倍。

當(dāng)前第35頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)激光器的相位平衡條件

：（又稱為光腔的駐波條件）

其中，q=1,2,3,…；λq為q值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)；L‘為腔的光學(xué)長(zhǎng)度。當(dāng)整個(gè)光腔內(nèi)充滿折射率為n的均勻工作物質(zhì)時(shí)：

式中，L為腔的幾何長(zhǎng)度。通常由不同的q值代表不同的縱向模式，稱為激光器的縱模。

當(dāng)前第36頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)縱模間隔（相鄰兩個(gè)縱模的頻率之差Δf）：Δf與q無(wú)關(guān)，對(duì)于一定得光腔為常數(shù)，因而縱模在頻率尺度上是等距離排列的。

（激光振蕩也可以出現(xiàn)在垂直于腔軸的方向，這是平面波偏離軸向傳播時(shí)產(chǎn)生的橫向電磁場(chǎng)模式，簡(jiǎn)稱橫模，以TEMmn命名，m，n為橫模指數(shù)。下圖示出了三種TEMmn模的電場(chǎng)分布和光斑。由于光學(xué)諧振腔中的光線基本上是平行于腔軸面?zhèn)鞑サ?，腔中各模式的縱向場(chǎng)分量比橫向場(chǎng)分量小的多，因此激光器中的場(chǎng)近似地為橫電磁波，記為TEMmnq，q為縱模指數(shù)。其中TEM00q為基橫模，它具有最大的相干性和最高的頻譜純度，光束的發(fā)散角也最小，光能集中于中心，易于與光纖耦合，耦合效率高，損耗小。）當(dāng)前第37頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)第三章光發(fā)射器件和組件3.1半導(dǎo)體激光器（LD）和激光器組件半導(dǎo)體激光器的分類——法布里－帕羅（Fabry－Perot，F(xiàn)-P）型激光器分布反饋（DistributedFeedback，DFB）型激光器分布布拉格（DBR）型激光器量子阱（QW）型激光器垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）等

當(dāng)前第38頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體激光器組件

上節(jié)我們介紹的幾種半導(dǎo)體激光器，實(shí)際上只是我們通常所說(shuō)的激光器組件的一個(gè)重要元件，如果沒(méi)有組件中其他元件，單一的激光器芯片是沒(méi)有任何實(shí)用性的。

所謂激光器組件，是指在一個(gè)密閉結(jié)構(gòu)中（如管殼內(nèi)），除激光器（LD）芯片外，還配置其他元件以及一些為實(shí)現(xiàn)LD工作所必要的電路結(jié)構(gòu)的集成器件。其他元件和必要電路可能包括：光隔離器：其作用是防止LD輸出的激光反射影響，實(shí)現(xiàn)激光的單向傳輸，它位于LD的激光輸出邊。有自由空間型隔離器和尾纖型隔離器等，根據(jù)偏振形式又可分為偏振相關(guān)和偏振無(wú)關(guān)兩種類型。背光監(jiān)視光電二極管：其作用是監(jiān)視LD的輸出功率變化，是APC（自動(dòng)功率控制）電路中需要用到的必不可少的元件之一。它位于LD的背面出光面。尾纖和連接器：根據(jù)不同的需要，選擇不同的尾纖和連接器。當(dāng)前第39頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)4）LD的驅(qū)動(dòng)電路（包括電源和LD芯片之間的阻抗匹配電路）。5）熱敏電阻：其作用是根據(jù)熱敏電阻的阻值隨溫度變化的規(guī)律，通過(guò)監(jiān)測(cè)其阻值的變化來(lái)監(jiān)測(cè)組件內(nèi)部的溫度變化。在有致冷的組件中，它是ATC（自動(dòng)溫度控制）電路的重要元件之一。6）熱電致冷器（TEC）：一種半導(dǎo)體熱電元件，通過(guò)改變熱電元件的極性可以達(dá)到加熱和致冷的目的。

根據(jù)具體需要，激光器組件內(nèi)部元件會(huì)有很大差別，同時(shí)所采取的封裝形式也會(huì)有所不同。所謂封裝，是指將形成一個(gè)激光器組件所必須的元件和電路部分結(jié)合在一起組成最終的可直接使用的產(chǎn)品的工藝過(guò)程。不同的封裝形式（比如同軸封裝和蝶型封裝），其產(chǎn)品生產(chǎn)工藝過(guò)程是不一樣的；即使同一種同軸封裝，尾纖型和插拔型的生產(chǎn)工藝過(guò)程也是迥然不同的。在此，我們不就各種封裝工藝做具體介紹，因?yàn)檫@涉及到很多其他方面內(nèi)容。我們只就公司現(xiàn)有產(chǎn)品簡(jiǎn)要介紹一些主要的封裝形式，讓大家能有一個(gè)了解。光器件基礎(chǔ)知識(shí)當(dāng)前第40頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)Butterfly蝶型封裝激光器組件PigtailedCoaxial同軸尾纖型封裝激光器組件當(dāng)前第41頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)同軸插拔型封裝（TOSAPackage）

當(dāng)前第42頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)3.2半導(dǎo)體激光器組件的常用參數(shù)和測(cè)試方法半導(dǎo)體激光器組件的絕對(duì)最大額定值

絕對(duì)最大額定值是指：在任何情況下都不能超過(guò)的極限值，超過(guò)這些極限值可能導(dǎo)致器件的立即破壞或永久損壞。所有光電參數(shù)最大的額定值都是在25℃大氣環(huán)境下確定的。

它包括下面幾項(xiàng)：

存貯溫度（Tstg）：指當(dāng)器件存貯在一個(gè)非工作條件中時(shí)，絕對(duì)不能超過(guò)的溫度（大氣環(huán)境）范圍。工作的管殼溫度（TOP）：指當(dāng)器件在處于工作狀態(tài)時(shí)，絕對(duì)不能超過(guò)的管殼溫度范圍

光輸出功率（P0或Pf）：指從一個(gè)未損傷器件可輻射出的最大連續(xù)光輸出功率。尾纖型組件既是指尾纖輸出功率；插拔型組件既是指插拔端口輸出功率。

當(dāng)前第43頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)正向電流（IF）：指可以施加到器件上且不產(chǎn)生器件損傷的最大連續(xù)正向電流。反向電壓（VR）：指可以施加到器件上且不產(chǎn)生器件損傷的最大反向電壓。

背光監(jiān)測(cè)光電二極管反向電壓（VD）：指可以施加到背光監(jiān)測(cè)的光電二極管上且不產(chǎn)生器件損傷的最大反向電壓。

激光器組件的絕對(duì)最大額定值雖然不是我們需要測(cè)試的項(xiàng)目，但是我們必須對(duì)其要有充分的了解，因?yàn)槲覀儨y(cè)試時(shí)直接接觸的就是各種組件，我們的每一步操作都必須嚴(yán)格限制在各種組件的絕對(duì)最大額定值范圍以內(nèi)，否則，就有可能對(duì)器件造成永久性損或損壞。

當(dāng)前第44頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)2.半導(dǎo)體激光器組件的光電特性參數(shù)及其測(cè)試方法光器件基礎(chǔ)知識(shí)激光器組件的光電特性參數(shù)一般都是在25℃管殼溫度下（或在有致冷器組件的激光器芯片上）確定的，除非另做詳細(xì)說(shuō)明。其主要光電特性參數(shù)有以下幾項(xiàng)：

P-I-V特性：

激光器組件的P-I-V特性指的是：其輸出光功率和正向輸入電流以及正向電壓之間的關(guān)系。是激光器組件的重要特性之一，它反映出激光器組件的多項(xiàng)性能指標(biāo)。我們現(xiàn)在所使用的測(cè)試系統(tǒng)如ILX、KEITHLEY、武漢理工大學(xué)等都具備測(cè)試P-I-V特性的功能。P-I-V特性的基本測(cè)試方法和原理：

當(dāng)前第45頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)

如圖所示，其中，D為被測(cè)激光器；ATC為自動(dòng)溫度控制裝置；G為直流電流源；V為電壓表；mA為電流計(jì)；P為光功率計(jì)；Rc為保護(hù)電阻。 測(cè)試時(shí)，開(kāi)啟ATC自動(dòng)溫度控制電路（對(duì)于無(wú)致冷器件，規(guī)定測(cè)試時(shí)管殼溫度為25℃），設(shè)置直流電源輸入電流按適當(dāng)步長(zhǎng)增加。通過(guò)計(jì)算機(jī)掃描其各個(gè)電流值時(shí)的輸出光功率和正向電壓值并繪制出P－I－V曲線。然后通過(guò)一定的計(jì)算方法，對(duì)曲線及數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，從而得出各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)。我們現(xiàn)在所使用的測(cè)試系統(tǒng)就是按照該測(cè)試原理將各個(gè)設(shè)備集成化的產(chǎn)品。

光器件基礎(chǔ)知識(shí)P－I－V特性測(cè)試原理框圖

當(dāng)前第46頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)測(cè)試項(xiàng)目：

正向電壓（VF）：指當(dāng)正向驅(qū)動(dòng)電流為一確定值時(shí)（如對(duì)于某些LD，IF＝Ith＋20mA），對(duì)應(yīng)的激光器的正向壓降。也可以認(rèn)為是指激光器組件在額定輸出光功率P0處的正向壓降。

伏安（V－I）特性：激光器是半導(dǎo)體二極管，它具有半導(dǎo)體二極管的特性。通過(guò)測(cè)試激光器的V－I特性，可以反映出其結(jié)特性的優(yōu)劣，同時(shí)通過(guò)大電流下的正向V－I特性，我們還可以估算出其串聯(lián)電阻值。下圖示出了一般激光器的V－I曲線。 當(dāng)前第47頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)

P－I曲線、閾值電流：P－I曲線指的是激光器組件輸出光功率與注入正向電流的關(guān)系曲線。如右圖所示。隨著正向電流的增加，激光器首先是漸漸地增加自發(fā)輻射，直至它開(kāi)始發(fā)射受激輻射，產(chǎn)生激光。我們把激光器開(kāi)始產(chǎn)生激光發(fā)射時(shí)的正向驅(qū)動(dòng)電流稱之為閾值電流。用符號(hào)Ith表示。

注：閾值電流的測(cè)試方法——是依據(jù)P－I曲線的測(cè)試數(shù)據(jù)，通過(guò)一定的計(jì)算方法得出的。 主要計(jì)算方法有下面兩種：P－I曲線上分別作出熒光輻射段與激光輻射段的切線，其交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流值即為被測(cè)激光器的閾值電流值。在P－I曲線上作出輸出輻射光功率對(duì)正向電流的二階導(dǎo)數(shù)曲線，該曲線上出現(xiàn)第一個(gè)極大值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的正向電流值即為被測(cè)激光器的Ith。

當(dāng)前第48頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)

激光器組件輸出光功率的線性度（％）：輸出光功率的線性度是衡量實(shí)際輸出光功率偏離理論輸出光功率的一個(gè)量。用百分?jǐn)?shù)表示。目前可接受的計(jì)算方法有三種：一次微分法：通過(guò)對(duì)P－I曲線微分并規(guī)定限制微分變化測(cè)量所有線性。測(cè)量過(guò)程可與拐點(diǎn)（Kink點(diǎn)）測(cè)試一起完成。如左圖所示。諧波法：通過(guò)把光電曲線變換為頻譜曲線，能夠識(shí)別其非線性特征。通過(guò)把激光器偏置設(shè)置在50％最大額定光功率輸出，并在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)用正弦調(diào)制信號(hào)來(lái)掃描可以完成這種變換。此方法必須使用線性的探測(cè)器來(lái)探測(cè)光輸出。探測(cè)器的電輸出被送到頻譜分析儀。其反應(yīng)出來(lái)的二階（三階或更高階）諧波就是其非線性的證據(jù)。（此方法一般在測(cè)量模擬傳輸用的高線性器件時(shí)才用到。）

當(dāng)前第49頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)c.圖形分析法：標(biāo)出P－I曲線上對(duì)應(yīng)的10％及額定光功率點(diǎn)，通過(guò)兩點(diǎn)畫(huà)一直線并測(cè)量實(shí)際P－I曲線偏離這條線的最大變化。如左圖所示。功率線性度可表示為——

拐點(diǎn)（Kink點(diǎn)）：指的是P－I曲線上光功率出現(xiàn)非線性變化的點(diǎn)。其測(cè)試方法如前介紹光功率線性度時(shí)所述，通過(guò)一階微分法。通過(guò)選取足夠小的電流步長(zhǎng)（≤0.25mA），對(duì)P－I曲線進(jìn)行一階微分。其導(dǎo)數(shù)曲線圖可以說(shuō)明其拐點(diǎn)位置和線性度范圍。當(dāng)前第50頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)

光輸出飽和度：光輸出飽和度是指理想的線性響應(yīng)光輸出的跌落。如果P－I曲線上有過(guò)多的彎曲（也稱“翻轉(zhuǎn)”），則認(rèn)為該激光器的光輸出是飽和的。同樣，我們可以通過(guò)一階微分法，計(jì)算曲線上的最大的跌落即可測(cè)量出飽和度。

P－I曲線的斜率（％）：我們使用半導(dǎo)體激光器，除了希望低的閾值電流（Ith）外，還希望使用最小的電流就能得到越來(lái)越大的光輸出功率。也就是說(shuō)，在慢慢地注入電流后，能夠獲得快速增加的光功率。這就是我們通常所說(shuō)的斜向效率。即是指在Ith以上的P－I曲線的斜率，用ΔP/ΔI表示。其單位是W/A或mW/mA。其測(cè)試方法如右圖所示。

當(dāng)前第51頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)

特征溫度（T0）：在大多數(shù)應(yīng)用中，總是希望激光器能在溫度升高時(shí)繼續(xù)正常工作，尤其是大功率激光器更是如此。表征這種性能的參數(shù)就是特征溫度，用T0表示。它是衡量激光器對(duì)溫度敏感度的一個(gè)參數(shù)。較高的意味著當(dāng)溫度快速升高時(shí)，激光器的Ith和ΔP/ΔI變化不大。也可將T0理解為激光器的熱穩(wěn)定性。其測(cè)試方法是在各種溫度下測(cè)量激光器的P－I曲線，然后將結(jié)果列表，然后計(jì)算出T0的值。如左圖所示，首先我們?cè)诓煌瑴囟认聹y(cè)出相應(yīng)的P－I曲線。然后，通過(guò)下式求出T0值。當(dāng)前第52頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)

右圖是通過(guò)圖解法來(lái)求T0的方法：通過(guò)擬合直線，計(jì)算其斜率即可得出T0值。當(dāng)前第53頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)2）背光探測(cè)器監(jiān)測(cè)光電流Im：

激光器組件內(nèi)部通常都帶有背光探測(cè)器，其作用就是通過(guò)監(jiān)測(cè)激光器背光變化來(lái)反饋給APC電路以達(dá)到控制激光器正向光穩(wěn)定輸出的目的。這項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試現(xiàn)在也已經(jīng)集成到了我們所使用的P－I－V測(cè)試系統(tǒng)中。其測(cè)試原理如下圖所示。當(dāng)前第54頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)3）光譜特性：

光譜其實(shí)就是一種電磁波譜，電磁波譜分為長(zhǎng)波區(qū)、光學(xué)區(qū)、射線區(qū)。光電技術(shù)只涉及光學(xué)譜區(qū)。在光學(xué)譜區(qū)內(nèi)，具有相同的輻射與吸收機(jī)理，許多輻射源的光譜分布和接收器的靈敏閾都同時(shí)覆蓋此區(qū)域。光器件基礎(chǔ)知識(shí)當(dāng)前第55頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)測(cè)試原理如右圖所示。其中M為光譜儀。測(cè)試項(xiàng)目：峰值波長(zhǎng)（λP）——在規(guī)定輸出光功率時(shí)，光譜內(nèi)若干發(fā)射模式中最大強(qiáng)度的光譜波長(zhǎng)被稱為峰值波長(zhǎng)（λP）。

中心波長(zhǎng)（λc）——在激光器光譜中，連接50％最大幅度值線段的中點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為中心波長(zhǎng)（λc）。平均波長(zhǎng)（λmean）——所有光譜模式的加權(quán)平均值，把幅度大于峰值2％的模式均計(jì)λ。當(dāng)前第56頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)d）光譜寬度（Δλ）——在規(guī)定輸出光功率時(shí)，光譜內(nèi)若干發(fā)射模式中最大強(qiáng)度的光譜波長(zhǎng)被稱為峰值波長(zhǎng)（λP）。

對(duì)于不同類型的激光器產(chǎn)品，我們采用不同的計(jì)算方法。如F－P型（多縱模）激光器組件，采用ITU-TG.957建議的最大均方根（RMS）寬度定義Δλ。在規(guī)定的光輸出功率下測(cè)量光譜寬度。其值由下式確定：

光器件基礎(chǔ)知識(shí)如DFB型（單縱模）激光器組件，采用ITU-TG.957建議的最大－20dB寬度來(lái)定義。即在規(guī)定光輸出功率下主模中心波長(zhǎng)的最大峰值功率跌落－20dB時(shí)的最大全寬定義為Δλ。

當(dāng)前第57頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)e）邊模抑制比（SMSR）——在發(fā)射光譜中，在規(guī)定的輸出光功率和規(guī)定的調(diào)制（或CW）時(shí)最高光譜峰強(qiáng)度與次高光譜峰強(qiáng)度之比。該參數(shù)僅用于單頻（單縱模）激光器，如DFB激光器的光譜測(cè)試中。f）中心波長(zhǎng)的溫度依賴性——激光器的中心波長(zhǎng)比例于它的工作溫度，隨溫度升高，激光器的中心波長(zhǎng)會(huì)隨之增加。下圖示出了DFB激光器的中心波長(zhǎng)隨溫度漂移的示意圖。

光器件基礎(chǔ)知識(shí)當(dāng)前第58頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)4）激光器組件的調(diào)制特性：光器件基礎(chǔ)知識(shí)測(cè)試項(xiàng)目：調(diào)制電流（Imod）——調(diào)制電流等于達(dá)到額定輸出光功率時(shí)所需的總電流值（I）減去閾值電流（Ith），即：Imod＝I－Ith。上升（tr）、下降（tf）時(shí)間——上升、下降時(shí)間是指激光器輸出光功率的脈沖響應(yīng)時(shí)間。把光脈沖的上升時(shí)間定義為從額定光功率的10％上升到90％所需的時(shí)間；把光脈沖下降時(shí)間定義為從額定光功率的90％下降到10％所需的時(shí)間，如左圖所示。通常把偏置電平設(shè)在Ith或稍高于Ith。對(duì)激光器來(lái)說(shuō)，總是希望由小的上升、下降時(shí)間。當(dāng)前第59頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí) 其測(cè)試原理圖如下：（其中G1為脈沖發(fā)生器；G2為直流電流偏置電源；G3為直流電壓偏置電源；C1、C2為耦合電容；M為測(cè)量?jī)x表（例如示波器、頻譜分析儀）；R為匹配電阻；SYN為同步信號(hào)；L為電感。）

當(dāng)前第60頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)c）開(kāi)通延時(shí)（ton）——開(kāi)通延時(shí)是調(diào)制的光脈沖上升沿在電信號(hào)為“開(kāi)”后到達(dá)全幅度10％所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。

d）存貯時(shí)間（tS）：——存貯時(shí)間是調(diào)制的光脈沖下降沿在電信號(hào)為“閉”后到達(dá)全幅度90％所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。5）激光器組件的小信號(hào)頻率特性（截止頻率fc）：其測(cè)試原理如右圖所示。其中G1為頻率可調(diào)正弦交流發(fā)生器；G2為直流電流偏置電源；G3為直流電壓偏置電源；R為匹配電阻；C1、C2為耦合電容；M為測(cè)量?jī)x器；L為電感。

當(dāng)前第61頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)測(cè)試時(shí)，給被測(cè)激光器組件施加直流偏置電流，并迭加交變正弦調(diào)制電流。保持交變調(diào)制電流恒定，增加調(diào)制頻率，直到光電二極管探測(cè)器的交流輸出信號(hào)下降3dB，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率為截止頻率fc。如下圖所示。（注意，測(cè)試所用的光電二極管探測(cè)器的頻率響應(yīng)應(yīng)大于激光器截止頻率；同時(shí)為防止交流輸出信號(hào)失真，交變調(diào)制正弦信號(hào)應(yīng)足夠小。）

當(dāng)前第62頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)6）激光器組件的相對(duì)強(qiáng)度噪聲（RIN）：由于激光器諧振腔內(nèi)載流子和光子密度的量子起伏，造成輸出光波中存在著固定的量子噪聲，這種量子噪聲一般用相對(duì)強(qiáng)度噪聲來(lái)度量，即光強(qiáng)度脈動(dòng)的均方根與平均光強(qiáng)度平方之比，公式如下：

由于RIN的存在，會(huì)影響光纖傳輸系數(shù)的信號(hào)質(zhì)量。對(duì)光CATV系統(tǒng)而言，要求RIN小于－150dB/Hz。在確定RIN時(shí)，應(yīng)畫(huà)出RIN與頻率或工作電流的關(guān)系曲線，如右圖所示。用下面公式可計(jì)算RIN：

當(dāng)前第63頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)其中Pn是有光時(shí)的噪聲功率；Pno是無(wú)光時(shí)的噪聲功率；G是放大器增益；Bn是光譜分析儀的噪聲帶寬；Z0是光電二極管探測(cè)器的負(fù)載電阻；<Iph>是平均的光電流（有光時(shí)）；e是電子電荷（1.6×10-19庫(kù)侖）。

光器件基礎(chǔ)知識(shí)該指標(biāo)的測(cè)試原理如下圖所示。其中M為頻譜分析儀。當(dāng)前第64頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)7）組合二階失真和組合三階差拍（CSO和CTB）：

當(dāng)把多個(gè)RF信號(hào)（載波）應(yīng)用到器件時(shí)，會(huì)出現(xiàn)疊加失真，在光纖CATV中，這個(gè)問(wèn)題特別突出。所以對(duì)光纖CATV的激光器組件提出了關(guān)于疊加失真的重要要求。組合二階失真（CSO）——落在一個(gè)頻道中的其他頻道載波所產(chǎn)生的二階互調(diào)產(chǎn)物的總功率與該頻道載波功率之比。其表達(dá)式為：光器件基礎(chǔ)知識(shí)組合三階差拍（CTB）——落在一個(gè)頻道中的其他頻道載波所產(chǎn)生的三階互調(diào)產(chǎn)物和三階差拍產(chǎn)物的總功率與該頻道載波功率之比。其表達(dá)式為：當(dāng)前第65頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)8）跟蹤誤差（TE）：

跟蹤誤差指的是在兩個(gè)不同管殼溫度條件下的光纖輸出功率的比值，用以衡量器件耦合效率的穩(wěn)定性。其測(cè)試方法為在保持恒定的背面光電流（典型值為200μA）的條件下，先測(cè)量25℃時(shí)的光功率，再測(cè)量預(yù)期的工作溫度的兩個(gè)極值（典型值為0℃和65℃）時(shí)的光功率。其計(jì)算方法如下：

式中Pi為兩個(gè)溫度極值下的光功率。i＝1或2。

當(dāng)前第66頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)3.3發(fā)光二極管（LED）和發(fā)光二極管組件光器件基礎(chǔ)知識(shí)LED的基本工作原理

：

作為光纖通信中光源的發(fā)光二極管（LED），它在工作原理上與半導(dǎo)體激光器（LD）的根本區(qū)別是：LED是利用注入有源區(qū)的載流子自發(fā)輻射而發(fā)出光的。兩者在結(jié)構(gòu)上的主要差別是：LED沒(méi)有光學(xué)諧振腔，形不成激光，它的發(fā)光僅限于自發(fā)輻射，發(fā)出的是熒光，是非相干光。

2.LED的特性及測(cè)試方法：

與LD相比，由于兩者在發(fā)光機(jī)理和結(jié)構(gòu)上存在差異，因此使得它們?cè)谥饕阅苌弦泊嬖诿黠@差異。如：LED不存在閾值，輸出功率與注入電流之間呈線性關(guān)系；由于自發(fā)輻射的隨機(jī)性，致使LED的光譜寬度較寬；光束發(fā)散角較大，與光纖耦合效率也較低；輸出的光功率比較低。

當(dāng)前第67頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)LED光譜特性及測(cè)試方法：

由于LED沒(méi)有光學(xué)諧振腔選擇波長(zhǎng)，所以它的光譜是以自發(fā)發(fā)射為主的光譜，下圖示出了1.3μmLED的典型光譜曲線。其測(cè)試方法與激光器類似。

光器件基礎(chǔ)知識(shí)λP：發(fā)光光譜曲線上發(fā)光強(qiáng)度最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為發(fā)光峰值波長(zhǎng)λP；

Δλ：光譜曲線上兩個(gè)半光強(qiáng)點(diǎn)λ1和λ2所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)差Δλ稱之為L(zhǎng)ED的譜線寬度（簡(jiǎn)稱譜寬），其典型值在30～40nm之間。

當(dāng)前第68頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)2）LED溫度特性：

從上頁(yè)圖中可以看出，當(dāng)器件工作溫度升高時(shí)，光譜曲線會(huì)隨之向右（向長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)域）移動(dòng)，從λP的變化可以求出LED的波長(zhǎng)溫度系數(shù)。 同時(shí)，其輸出光功率也會(huì)隨著溫度進(jìn)行變化，但是光功率的變化很小。這說(shuō)明LED是一個(gè)溫度不敏感器件，也就是說(shuō)我們?cè)谑褂肔ED組件時(shí)，可以不考慮使用致冷元件。

光器件基礎(chǔ)知識(shí)3）LED的P－I－V特性及測(cè)試方法：

與激光器P－I－V特性測(cè)試方法類似，曲線示意圖如下所示。當(dāng)前第69頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)4）LED的調(diào)制特性：

LED調(diào)制特性與LD類似，但由于其受到有源區(qū)內(nèi)少數(shù)載流子壽命的限制，其調(diào)制最高頻率只有幾十兆赫茲，從而限制了LED在高比特速率系統(tǒng)中的應(yīng)用。

總的說(shuō)來(lái)，LED與LD相比，其突出優(yōu)點(diǎn)是壽命長(zhǎng)、可靠性高、調(diào)制電路簡(jiǎn)單、成本低，因此它在一些傳輸速率不太高、傳輸距離不太長(zhǎng)的系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。

當(dāng)前第70頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)第四章光電探測(cè)器件和光接收組件光器件基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體光電探測(cè)器是光接收部分的主要器件。它通過(guò)光電效應(yīng)，將接收到的光信號(hào)功率轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?。?duì)光電探測(cè)器的性能要求與光源相似，也應(yīng)該具有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短、噪聲小、功耗低、尺寸合理及穩(wěn)定的可靠性等優(yōu)點(diǎn)。

4.1PIN光電二極管

由于石英光纖具有3個(gè)低損耗窗口，所以相應(yīng)的光電探測(cè)器也分為3個(gè)波段。我們把用于0.85μm波段的光電探測(cè)器稱為短波長(zhǎng)光電探測(cè)器，用于1.31μm和1.55μm波段的則稱為長(zhǎng)波長(zhǎng)光電探測(cè)器。我們知道光電探測(cè)器的核心是PN結(jié)的光電效應(yīng)。最簡(jiǎn)單的光電探測(cè)器就是PN結(jié)，當(dāng)PN結(jié)兩端加反向電壓時(shí)，外加電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)方向一致，因而在PN結(jié)界面附近形成了相當(dāng)高電場(chǎng)的耗盡區(qū)。當(dāng)光照射PN結(jié)時(shí)，在耗盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的光生載流子立即被高電場(chǎng)加速，以很高的速度向兩端運(yùn)動(dòng)，從而在外電路中形成光電流。當(dāng)前第71頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)然而，在耗盡區(qū)以外產(chǎn)生的光生載流子，由于沒(méi)有內(nèi)建電場(chǎng)的加速作用，運(yùn)動(dòng)速度很慢，而且很容易被復(fù)合掉。因此，這種光電檢測(cè)器響應(yīng)速度低，光電轉(zhuǎn)換效率差。光纖通信系統(tǒng)中，采用較多的是PIN光電二極管（PIN－PD）及雪崩光電二極管（APD）。為提高接收機(jī)的靈敏度，又常將PIN－PD或APD與場(chǎng)效應(yīng)管（FET）組合成為PIN－FET或APD－FET接收器組件，因此它們兼有光電轉(zhuǎn)換和光放大作用，在光纖通信接收機(jī)中獲得了廣泛應(yīng)用。

4.2光接收組件光接收組件的含義

光接收組件的功能是將經(jīng)過(guò)光纖傳送的光信號(hào)經(jīng)組件內(nèi)的光電二極管還原成電信號(hào)。因此，光接收組件的核心是光電二極管和放大光電二極管輸出的前置放大器。一個(gè)最簡(jiǎn)單的光接收組件就是將光電二極管和前置放大器組裝在一個(gè)密封管殼所形成的組件。光器件基礎(chǔ)知識(shí)當(dāng)前第72頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)為了輸入和輸出有良好的阻抗匹配，組件內(nèi)還需配置阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。為了光電二極管工作，還需配置直流偏置電路。為避免光返回光纖，在組件內(nèi)還采取防反射措施。與半導(dǎo)體激光器組件不同的是光電二極管一般都不需要致冷器。下圖是光接收組件的框圖。光器件基礎(chǔ)知識(shí)當(dāng)前第73頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)組件中的光電二極管可以是PIN也可以是APD，究竟采用PIN還是APD，要視應(yīng)用場(chǎng)合而定。一般來(lái)說(shuō)，PIN光電二極管具有好的光電轉(zhuǎn)換線性度、不需要高的工作電壓、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。APD最大的優(yōu)點(diǎn)是它具有載流子倍增效應(yīng)，其探測(cè)靈敏度特別高，但需要采用較高的偏壓和溫度補(bǔ)償電路。從簡(jiǎn)化光接收機(jī)電路考慮，一般情況下多喜歡采用PIN光電二極管作光探測(cè)器。前置放大器的主要作用是保持探測(cè)的電信號(hào)不失真的放大和保證噪聲最小，一般采用場(chǎng)效應(yīng)管（FET）。最常用的這種光接收組件有兩種類型，即PIN/FET和APD/FET組件。光電二極管和前置放大器之間的集成可以是單片式集成，也可以是混合式集成。光器件基礎(chǔ)知識(shí)2.光接收組件的特性及測(cè)試方法波長(zhǎng)響應(yīng)范圍：

λc亦稱為光電二極管的截止波長(zhǎng)

（只有入射光的波長(zhǎng)小于λc時(shí)，光電二極管才能產(chǎn)生光電效應(yīng)。）

當(dāng)前第74頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)（當(dāng)入射光波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于截止波長(zhǎng)時(shí)，光電轉(zhuǎn)換效率也會(huì)大大下降。

）

因此，PIN光電二極管是對(duì)一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的入射光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，這一波長(zhǎng)范圍就是PIN光電二極管的波長(zhǎng)響應(yīng)范圍。

其測(cè)試方法為：將不同波長(zhǎng)的單色光送入被測(cè)器件，被測(cè)器件對(duì)光響應(yīng)后的輸出信號(hào)由記錄儀記錄出光譜響應(yīng)曲線。其測(cè)試原理如下圖所示。

當(dāng)前第75頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)2）響應(yīng)度：

響應(yīng)度表征了二極管的光電轉(zhuǎn)換效率。 響應(yīng)度R定義為：

其中：Pin為入射光到光電二極管上的光功率；Ip為在該入射功率下光電二極管產(chǎn)生的光電流。R的單位是：A/W或mA/mW。

其實(shí)用計(jì)算公式為：

式中：h＝6.63×10-34J·s，為普朗克常數(shù)；q＝1.6×10-19C，為電子電荷。式中，波長(zhǎng)的單位取μm。當(dāng)前第76頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)

式中，η為量子效率，其定義為：

響應(yīng)度的測(cè)試方法為：給被測(cè)PIN管芯加規(guī)定的反向偏壓；入射標(biāo)定的光功率和規(guī)定的光波長(zhǎng)；讀得被測(cè)管芯得輸出電流，扣除該管芯得暗電流，即為響應(yīng)電流；此響應(yīng)電流與入射光功率的比值即為該管芯的響應(yīng)度。其測(cè)試框圖如下。當(dāng)前第77頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)3）響應(yīng)速度：

作為光探測(cè)器，在光纖通信系統(tǒng)中要能夠檢測(cè)高頻調(diào)制的光信號(hào)，因此響應(yīng)速度是光電二極管的一個(gè)重要參數(shù)。響應(yīng)速度通常用響應(yīng)時(shí)間來(lái)表示。響應(yīng)時(shí)間為光電二極管對(duì)矩形光脈沖的響應(yīng)——電脈沖的上升或下降時(shí)間。響應(yīng)速度主要受光生載流子的擴(kuò)散時(shí)間、光生載流子通過(guò)耗盡區(qū)的渡越時(shí)間及其結(jié)電容的影響。光器件基礎(chǔ)知識(shí)結(jié)電容對(duì)響應(yīng)時(shí)間的影響： 光電二極管可視作一個(gè)電流源，它的等效電路如右圖所示。其中Cd為光電二極管的結(jié)電容，它可以看作為一個(gè)平板電容，與耗盡區(qū)寬度W和結(jié)區(qū)面積A有關(guān)，有：式中：ε為耗盡區(qū)中半導(dǎo)體材料的介電常數(shù)；Rs為光電二極管的串聯(lián)電阻，一般很小可忽略；Rp為光電二極管的跨接電阻，其阻值很大，它的影響也可忽略；RL為負(fù)載電阻。因此，結(jié)電容對(duì)光電二極管響應(yīng)速度的影響主要由電容Cd和負(fù)載電阻RL決定。

當(dāng)前第78頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)載流子渡越時(shí)間對(duì)響應(yīng)時(shí)間的影響：

由于渡越時(shí)間τtr的存在，對(duì)信號(hào)的高頻成分產(chǎn)生了兩方面的不良影響：一是有較大的相位滯后；二是信號(hào)幅度受到較大削弱。可見(jiàn)，τtr引起了高頻失真，限制了器件的帶寬。 減小τtr的方法是減小耗盡區(qū)的寬度和加大反偏壓，加大反偏壓是為了提高載流子的平均漂移速度。但是這兩種方法并不能無(wú)限制地增大漂移速度，因?yàn)樵诎雽?dǎo)體晶格中，載流子有一定的飽和速度。

載流子擴(kuò)散時(shí)間對(duì)響應(yīng)時(shí)間的影響：

在耗盡區(qū)外產(chǎn)生的光生載流子只有離耗盡區(qū)為平均擴(kuò)散長(zhǎng)度以內(nèi)的那部分才能擴(kuò)散進(jìn)耗盡區(qū)，并最后形成光電流。這部分載流子擴(kuò)散時(shí)間比較長(zhǎng)，與擴(kuò)散長(zhǎng)度的平方成正比。因此對(duì)PIN光電二極管來(lái)說(shuō)，擴(kuò)散時(shí)間可通過(guò)減薄受光面到耗盡區(qū)之間的厚度及適當(dāng)選取耗盡區(qū)厚度而減至最小，所以對(duì)實(shí)際器件，擴(kuò)散時(shí)間對(duì)響應(yīng)速度影響很小。當(dāng)前第79頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)響應(yīng)速度的測(cè)試原理如下：

光電二極管在給定的反向偏壓下，接收一個(gè)給定波長(zhǎng)的矩形光脈沖信號(hào)，光電二極管響應(yīng)輸出一個(gè)電脈沖信號(hào)。其電脈沖信號(hào)的前沿幅度從10％上升到90％所需的時(shí)間為上升時(shí)間tr，電脈沖信號(hào)的后沿幅度從90％下降至10％所需的時(shí)間為下降時(shí)間tf。右圖示出了理想的入射光脈沖信號(hào)和光電二極管響應(yīng)輸出的電脈沖信號(hào)曲線。

當(dāng)前第80頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)4）線性飽和： 光電二極管的線性飽和指的是它有一定的功率檢測(cè)范圍，當(dāng)入射光功率太強(qiáng)時(shí)，光電流和光功率將不成正比，從而產(chǎn)生非線性失真。 如下圖所示，隨著入射光功率Pin增加，光電流Ip增大，負(fù)載RL上的壓降增大，使得光電二極管上的實(shí)際壓降減小，內(nèi)建電場(chǎng)變?nèi)?。這樣，使光生載流子的漂移速度減慢，使單位光功率產(chǎn)生的光電流變小，則Ip和Pin不成正比，Ip/Pin減小，即響應(yīng)度減小。

光器件基礎(chǔ)知識(shí)當(dāng)入射光功率達(dá)到一定值時(shí)，光電二極管上的壓降降為0，偏壓UB全部降在RL上，此時(shí)光電流達(dá)到最大值：

則相應(yīng)的光功率為：

則此功率為飽和光功率。當(dāng)前第81頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)5）擊穿電壓及暗電流： 下圖為反向偏置的光電二極管的伏安特性曲線。無(wú)光照時(shí)，PIN作為一種PN結(jié)器件，在反向偏壓下也有反向電流流過(guò)，這一電流稱為PIN光電二極管的暗電流。它主要由PN結(jié)內(nèi)熱效應(yīng)產(chǎn)生的電子－空穴對(duì)形成。當(dāng)偏置電壓增大時(shí)，暗電流增大。當(dāng)反偏壓增大到一定值時(shí)，暗電流激增，發(fā)生了反向擊穿（即為非破壞性的雪崩擊穿，如果此時(shí)不能盡快散熱，就會(huì)變?yōu)槠茐男缘凝R納擊穿）。發(fā)生反向擊穿的電壓值稱為反向擊穿電壓，以VB表示。Si－PIN的典型擊穿電壓值為100多伏。PIN工作時(shí)的反向偏置都遠(yuǎn)離擊穿電壓，一般為10～30V。當(dāng)前第82頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)擊穿電壓及暗電流的測(cè)試方法為：給無(wú)光照時(shí)的被測(cè)PIN管芯加反向偏壓；調(diào)整反向偏壓至電流表讀數(shù)達(dá)到測(cè)試規(guī)定的電流值；電壓表讀數(shù)即為反向擊穿電壓（VBR）；降低反向偏壓至規(guī)定值時(shí)讀電流表讀數(shù)即為暗電流（Id）值。

（在PIN光電二極管中，除了暗電流外，還有表面漏電流。表面漏電流是由于器件表面物理特性不完善，如表面缺陷、不清潔以及表面積大小和加有偏置電壓而引起的。與暗電流一樣，漏電流也是在有偏壓的條件下產(chǎn)生的。它需要通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，良好的結(jié)構(gòu)和嚴(yán)格的工藝來(lái)降低。）

暗電流的大小與光電二極管的結(jié)面積成正比，暗電流還隨器件溫度的增加而增加，從室溫到70℃，暗電流增大了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

當(dāng)前第83頁(yè)\共有92頁(yè)\編于星期日\(chéng)19點(diǎn)光器件基礎(chǔ)知識(shí)6）噪聲特性： 光電二極管的噪聲包括量子噪聲、暗電流噪聲、漏電流噪聲以及負(fù)載電阻的熱噪聲，除負(fù)載電阻的熱噪聲以外，其它都稱為散彈噪聲。散彈噪聲是由于帶電粒子產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性而引起的，如電流是由帶電粒子（如電子）的運(yùn)動(dòng)形成的。如果帶電粒子的產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)是隨機(jī)的，則電流就會(huì)有波動(dòng)，這就給信號(hào)帶來(lái)了散彈噪聲。散彈噪聲是一種具有均勻頻譜的白噪聲。光接收組件的噪聲將影響信噪比（S/N）和通信質(zhì)量。光接收組件的噪