• 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
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
功率偏移 与调制控制 温度 控制
致冷器 PD 温度报警与监测
LD
光纤
输出功率报警与监测
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。
边发射和面发射
边发射和面发射
10° 30°
FP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
激光器TO的封装
发光条
背光探 测器
高速激光器封装
接收器功能框图
数据
数据转换单元 时钟 激光器驱动部件
发送 器信 号
激光器工 作电路
deg
deg ns mA μA
⊥
tr,tf Im ID
0.05
0.2
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。
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
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
上升时间和下降时间对传输速率的影响
功率 （mW）
时间（ns）
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
FP激光器光谱图
光谱宽度
P
λ 3dB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
10
最大值 Max.
20
单位 Unit
mA mW
1.2
1.5
V
斜率效率Slope efficiency
中心波长Center wavelength 谱线宽度(FWHM)Spectral width(FWHM) 平行发散角Beam divergenceangle(parallel) 垂直发散角Beam divergence angle(perpendicular) 上升下降时间 Rise and fall time 探测器输出电流Monitoring outputcurrent 探测器暗电流Dark current
光功率
耦合效率
芯片的发光功率
汇聚后的光功率
入纤光功率
背光探测器
背光探测器的作用： 调节驱动电流，达 到功率平衡
PD 功 率 背光 电流 驱动 电流 功 率
LD
芯片的发光功率
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
155M光探测器参数
1.25G探测器参数
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
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）、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
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
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。
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。
η
λ
C
25℃ CW
CW Po=5mW 25℃
0.15
1280 －
0.2
1310 3
－
1350
mW/mA
nm nm
Δλ
θ
θ
∥
CW,P0=5mW
CW,P0=5mW IF=Ith,Po=5mW,10~90% CW,P0=5mW，VRP=1V VRP=10V
－
－ － 0.1 －
30
40 0.5
－
－ 1.0 -
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。
• “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的许多点上
VCSEL
• Vertical 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（2μm）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
FP激光器参数
• 峰值波长（λ 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。
工作电流和功率
P（mW）ຫໍສະໝຸດ PoIthIop I（mA）
PI曲线和激光器工作原理
温度特性
拐点
上升时间和下降时间
• 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？
FP激光器参数表
参数 Parameter
阈值电流Threshold current 输出功率Output Power 工作电压Operating voltage
符号 Symbol
Ith Po Vo
测试条件 Conditions
CW CW 25℃ CW Po=5mW
最小值 Min.
－ 5 －
典型值 Typ.
F-P腔激光器和DFB激光器
面发射激光器
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
激光器和探测器
激光器和探测器
激光器和探测器
编写：师岩峰 shiyanfeng@
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。
Vcc
OUT+ 单PIN
OUT-
APD-雪崩光电二极管
• 为了得到更好的灵敏度，需要使用放大器将光电流 更大的放大，但是同时放大器会引入电路噪声。 • 如果光电探测器不用外界的放大器放大光电流，就 不会引入电路噪声。APD正是因此而设计 。 • APD采用特殊的PIN结构，对其施以反向的高电压（ 60V左右），使电子和空穴获得高能量，分离出更 多的电子和空穴，类似于雪崩的过程。 • APD的响应度在10到100，如：普通PIN-TIA 2.5G灵 敏度为-21dBm，APD可达-30dBm以下