光器件基礎(chǔ)知識培訓(xùn)

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1、1 光 器 件 基 礎(chǔ) 知 識第 一 章 光 纖 通 信 簡 介 1.1 光 纖 通 信 的 基 本 含 義 和 發(fā) 展 歷 程 光 纖 通 信 利 用 激 光 作 為 信 息 的 載 波 信 號 并 通 過 光 導(dǎo) 纖 維 來 傳遞 信 息 的 通 信 系 統(tǒng) 。發(fā) 展 歷 程 1. 我 國 周 朝 烽 火 臺 2. 1880年 貝 爾 發(fā) 明 光 電 話 （ 利 用 光 載 波 信 號 來 傳 送 話 音 ） 2 光 器 件 基 礎(chǔ) 知 識3. 1960年 世 界 上 第 一 臺 激 光 器研 制 成 功4. 1970年 第 一 根 低 損 耗 光 纖 （20dB/Km） 研 制 成 功

2、（ 美 國 康 寧 公 司 ） ； 美 國 貝 爾 實 驗 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5. 1974年 美 國 貝 爾 實 驗 室 成 功研 制 出 損 耗 為 1dB/Km的 光 纖 （ 化學(xué) 氣 相 沉 積 法 （ MCVD） ） 36. 1976年 日 本 電 話 電 報 公 司 研 制出 損 耗 更 低 的 光 纖 （ 0.5dB/Km）7. 20世 紀 70年 代 末 期 光 纖 通 信 系統(tǒng) 實 現(xiàn) 第 一 次 業(yè) 務(wù) 運 營 8. 20世 紀 80年 代 后 期 光 纖 損 耗已 經(jīng) 降 低 到 0.16dB/Km 9.

3、 1988年 第 一 條 跨 大 西 洋 光 纜投 入 運 營 光 器 件 基 礎(chǔ) 知 識 4 光 器 件 基 礎(chǔ) 知 識1.2 光 纖 通 信 的 主 要 優(yōu) 點 1. 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 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 。 2. 傳 輸 距 離 長 光 纜 的 傳 輸 損 耗 比 電 纜 低 ， 因 而 可 傳 輸 更 長 的 距 離 。 53

4、. 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 產(chǎn) 生 磁 場 ， 也就 不 存 在 相 互 間 的 電 磁 干 擾 。4. 抗 噪 聲 干 擾 光 纖 不 導(dǎo) 電 的 特 性 還 避 免 了 光 纜 受 到 閃 電 、 電 機 、 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

5、 特 性 也 使 它 不 會 干 擾其 他 通 信 系 統(tǒng) 。 （ 所 以 現(xiàn) 已 廣 泛 應(yīng) 用 于 軍 事 上 ）5. 適 應(yīng) 環(huán) 境 光 纖 對 惡 劣 環(huán) 境 有 較 強 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 其 影 響 也 較 小 。 6. 重 量 輕 、 安 全 、 易 敷 設(shè) 光 器 件 基 礎(chǔ) 知 識 6 光 器 件 基 礎(chǔ) 知 識7. 保 密 光 纖 不 向 外 輻 射 能 量 ， 很 難 用 金 屬 感 應(yīng) 器 對 光 纜 進 行 竊 聽 。8. 壽 命 長 1.3 光 纖 通 信 系

6、統(tǒng) 的 基 本 組 成 與 發(fā) 展 概 況 基 本 組 成 光 發(fā) 送 機 、 光 接 收 機 、 光 纖 （ 光 纜 ） 和 各 種 耦 合 器件 7 光 器 件 基 礎(chǔ) 知 識以 點 到 點 的 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 為 例 電 端 機光 端 機 中 繼 器 光 端 機電 端 機光 源 光 纜 光 檢 測 器 光 源 光 檢 測 器光 纜 8 發(fā) 展 概 況 光 器 件 基 礎(chǔ) 知 識 第 1代 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 20世 紀 70年 代末 大 量 投 入 運 營 ， 由 0.85 m的 光 源 和 多 模光 纖 構(gòu) 成 。 第 2代 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 20世 紀 80年 代初

7、 ， 采 用 1.3 m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 80年代 后 期 以 來 ， 采 用 1.55 m作 為 工 作 波 長 ，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 始 投 入 運 營 。 9 光 器 件 基 礎(chǔ) 知 識 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

8、子 研 究 ， 經(jīng) 過 20多 年 的 研 究 發(fā) 展 ， 有 了 突破 性 進 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) ：1. 點 到 點 的 直 接 強 度 調(diào) 制 /直 接 檢 測 （ IM/DD） 系 統(tǒng) （ 根 據(jù) 傳 輸 信 號 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 ） ；2. 波 分 復(fù) 用 （ WDM） 光 纖 通 信 系 統(tǒng) 。 10第 二 章 半 導(dǎo) 體 物 理 基 礎(chǔ) 知 識 簡 介 光 器

9、 件 基 礎(chǔ) 知 識2.1 原 子 的 能 級 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 電 。 原 子 核 所 帶 的 正 電 與 核外 電 子 所 帶 的 負 電 的 總 和 相 等 。 因 此 ， 整 個原 子 呈 電 中 性 。電 子 在 原 子 中 的 運 動 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 特 定 軌 道 上 運 行 ， 不 能具 有 任 意 軌 道 ； 電 子 的

10、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 ） 原 子 結(jié) 構(gòu) 模 型 圖 11 n=1n=2n=3n=4n=5基 態(tài)第 一 激 發(fā) 態(tài) E(eV)E14E19E116E125E1 粒 子 分 立 能 級 示 意 圖 當 原 子 中 電 子 的 能 量 最 小 時 ， 整 個 原 子 的能 量 最 低 ， 這 個 原 子 處 于 穩(wěn) 態(tài) ， 稱 為 “ 基 態(tài)” ； 當 原 子 處 于 比 基 態(tài) 高 的 能 級 時 ， 稱 為 “激 發(fā) 態(tài) ” 。通 常

11、 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 ， 而 且 ， 能 級 越 高， 處 于 該 能 級 上 的 原 子 數(shù) 越 少 。 光 器 件 基 礎(chǔ) 知 識 122.2 固 體 的 能 帶 結(jié) 構(gòu) 光 器 件 基 礎(chǔ) 知 識1. 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 上 。 因 為 泡 利 不 相 容 原理 指 出 ， 每 一 能 級 上 至 多 只 能 有 兩 個 電 子 ， 而 且 它 們 的 自 旋 方 向 還 必 須 相 反。 能 量 愈 高

12、 ， 相 鄰 能 級 的 間 隔 就 越 小 ， 電 子 從 下 一 能 級 過 渡 到 上 一 能 級 也 就 越方 便 。 當 電 子 從 原 子 中 掙 脫 出 來 ， 而 進 入 離 子 化 狀 態(tài) 后 ， 這 時 能 量 已 沒 有 一 級 一 級 的 差 別 ， 而 在 能 量 圖 上 形 成 一 個 能 量 連 續(xù) 的 區(qū) 域 ， 這 時 電 子 可 以 自 由運 動 ， 所 以 稱 為 自 由 電 子 。 13 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 電 子不 僅 受 到 本 身 原 子 核 的

13、 作 用 ， 還 受 到 相 鄰 原 子 核 的 作 用 。 這 種 作 用 對 于 內(nèi) 電 子 和 價 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 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 原 子 轉(zhuǎn) 入 另 一 個 原 子 里 去 的 ； 而 量 子 力 學(xué) 卻 容 許電 子 通 過 隧 道 效 應(yīng) 進 入

14、 另 一 個 原 子 。 這 樣 ， 價 電 子 就 不 再 分 別 屬 于 各 個 原 子 ， 而 被 整 個晶 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 原 子 中 具 有 相 同 能 量的 電 子 能 級 ， 因 各 原 子 的 相 互 影 響 而 分 裂 為 一 系 列 和 原 來 能 級 很 接 近 的 新 能級 ， 這 些 新 能 級 基 本 上 連 成 一 片 ， 而 形 成 能 帶 。 能 帶 中 不 允 許 存 在 能 量

15、 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 14 帶 隙 下 方 與 價 電 子 對 應(yīng) 的 低 能 量 區(qū) 稱 為 價帶 ， 它 是 由 價 電 子 能 級 分 裂 形 成 的 能 帶 。 價 帶 上 方 高 能 量 區(qū) 稱 為 導(dǎo) 帶 （ 價 帶 中 的 能 級若 沒 有 被 電 子 全 部 填 滿 ， 電 子 可 以 進 入 未 被 填 充的 高 能 級 ， 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 帶 頂

16、 的 電 子 能 量 高， 其 值 等 于 帶 隙 寬 度 Eg（ 簡 稱 帶 隙 的 能 量 ）。 能 帶 中 的 各 個 能 級 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 空 帶價 帶滿 帶E 導(dǎo) 帶晶 體 的 能 帶 結(jié) 構(gòu) 153. 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 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

17、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 機 物 質(zhì) 。 從 本 質(zhì) 上 說 ， 半 導(dǎo) 體 和 絕 緣 體 在 能 帶 結(jié) 構(gòu) 上 沒 有 什 么 差 別 。 不 過 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 eV。 在 任 何溫 度 下 ， 由 于 電 子 的 熱 運 動 ， 將 使 一 些 電 子 從 滿 帶 越 過 禁 帶 ，

18、 激 發(fā) 到 導(dǎo) 帶 里 去 。 因 為 導(dǎo) 帶 中 的 能 級 在 被 熱 激 發(fā) 電 子 占 據(jù) 之 前 是 空 著 的 ， 所 以 電 子 進 入 導(dǎo) 帶 后 ， 就 有 機 會 在電 場 作 用 下 ， 沿 著 電 場 相 反 的 方 向 運 動 ， 去 占 據(jù) 新 的 能 級 。 這 種 定 向 運 動 的 結(jié) 果 就 使晶 體 能 夠 導(dǎo) 電 。 絕 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

19、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 。 禁 帶Eg E 導(dǎo) 帶半 導(dǎo) 體 能 帶 簡 圖 絕 緣 體 能 帶 簡 圖單 價 金 屬 能 帶 簡 圖價 帶E 導(dǎo) 帶金 屬 導(dǎo) 體 能 帶 簡 圖滿 帶E 導(dǎo) 帶E 滿 帶導(dǎo) 帶Eg 禁 帶 滿 帶 16 光 器 件 基 礎(chǔ) 知 識 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 有 價 帶 存 在 ， 一 些 被 電 子

20、占 有 的 能 級 和 空 著 的 能 級 緊 緊地 挨 在 一 起 ； 另 一 些 導(dǎo) 體 ， 雖 然 也 有 價 帶 ， 但 這 些 價 帶 和 導(dǎo) 帶 交 迭 在 一 起 形成 一 個 統(tǒng) 一 的 寬 能 帶 。 在 這 些 情 形 里 ， 如 有 外 電 場 作 用 ， 它 們 的 電 子 很 容 易從 一 個 能 級 躍 遷 到 另 一 能 級 ， 而 顯 示 出 很 強 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 為 它 的 導(dǎo) 電

21、能 力 介于 導(dǎo) 體 和 絕 緣 體 之 間 ， 而 是 由 于 它 具 有 一 些 獨 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 帶中 電 子 向 導(dǎo) 帶 的 躍 遷 。 因 此 ， 在 外 電 場 作 用 下 ， 既 有 發(fā) 生 在 到 導(dǎo) 帶 中 的 電 子的 定 向 運 動 ， 又 有 發(fā) 生 在 價 帶 中 的 電 子 的 定 向 運 動 ， 它 兼 具 電 子 導(dǎo) 電 和 空 穴導(dǎo) 電 的 兩

22、種 機 構(gòu) ， 這 類 導(dǎo) 電 性 稱 為 本 征 導(dǎo) 電 。 17 自 由 電 子 和 空 穴 在 絕 對 溫 度 0K(即 -273 )， 又 無 外 部 激 發(fā) 時 ， 由 于 共 價 鍵 中 的 價 電 子 被束 縛 著 ， 半 導(dǎo) 體 中 沒 有 可 以 自 由 運 動 的 帶 電 粒子 載 流 子 。 因 此 ， 即 使 有 外 電 場 的 作 用 也不 能 產(chǎn) 生 電 流 。 此 時 的 半 導(dǎo) 體 相 當 于 絕 緣 體 。但 是 當 有 外 部 激 發(fā) ， 如 溫 度 升 高 或 光 照 時 ， 就會 使 一 些 價 電 子 獲 得 能 量 后 ， 掙 脫 共 價 鍵 的 束

23、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 價 電 子掙 脫 共 價 鍵 的 束 縛 成 為 自 由 電 子 后 ， 在 共 價 鍵中 就 留 下 一 個 空 位 子 ， 叫 空 穴 。 如 下 圖 所 示 。而 鄰 近 的 共 價 鍵 內(nèi) 的 價 電 子 就 會 跑 過 來 填 充 ，在 原 來 的 位 置 產(chǎn) 生 一 新 的 空 穴 ， 這 種 情 況 相 當于 空 穴 在 移 動 。 空 穴 是 由 于 失 去 價 電 子 形 成 的， 所 以 它 是 帶 正 電 的 載 流 子 。 光 器

24、件 基 礎(chǔ) 知 識 +4 +4 +4+4 +4 +4+4 +4 +4（ 1） 共 價 鍵 （ 2） 空 穴 自 由 電 子（ 3） 硅 或 鍺 材 料 的 共 價 鍵 結(jié) 構(gòu) 18 光 器 件 基 礎(chǔ) 知 識 雜 質(zhì) 半 導(dǎo) 體 在 本 征 半 導(dǎo) 體 中 ， 人 為 地 摻 入 少 量 其 他 元 素 （ 稱 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 構(gòu)

25、。 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 為 電 子 帶 負 電 ， 取 英 文 單 詞 “ Negative”的 第 一 個 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 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

26、 成 N型 半 導(dǎo) 體 ， 于 是 在 它 們 的 交 界 處 ， 就 形 成 了 一 個 PN結(jié) 。 PN結(jié) 是 許 多 半 導(dǎo) 體 器 件 的 重 要 組 成 部 分 。 19 光 器 件 基 礎(chǔ) 知 識 PN結(jié) 的 形 成 在 室 溫 下 ， P型 半 導(dǎo) 體 內(nèi) 每 一 個 受 主 雜 質(zhì) 將 產(chǎn) 生 一 個 空 穴 ， 同時 形 成 一 個 負 離 子 ； N型 半 導(dǎo) 體 內(nèi) 每 一 個 施 主 雜 質(zhì) 將 產(chǎn) 生 一 個 自 由 電 子 ， 同 時形 成 一 個 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

27、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 交 界 面 由 P區(qū) 向 N區(qū) 運 動 。 同 理 ， 電 子 也 會 由 N區(qū) 向 P區(qū)運 動 ， 通 常 把 這 種 現(xiàn) 象 稱 為 擴 散 ， 如 圖 所 示 。 - + + + + + + + + + + + + + + + +P區(qū) N區(qū)電 子 擴 散空 穴 擴 散 施 主 雜 質(zhì) 正 離 子受 主 雜 質(zhì) 負 離 子P區(qū) 多 子 （ 空 穴 ）本 征 激 發(fā)P區(qū) 少 子 （ 電 子 ） 本 征 激 發(fā)N區(qū) 少 子 （

28、 空 穴 ）N區(qū) 多 子 （ 電 子 ）- - - - - - - - - - - - - - 載 流 子 分 布 濃 度 差 引 起 擴 散 運 動 20 光 器 件 基 礎(chǔ) 知 識擴 散 運 動 的 結(jié) 果 ， 一 是 進 入 對 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 是 在 交 界 面 兩 側(cè) 留 下 了 不 能 移 動 的 正 負 離 子 區(qū) ， 亦 稱 空 間 電荷 區(qū) ， 如 下 圖 所 示 。 - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + +P區(qū) N區(qū)- +耗 盡

29、 區(qū)（ 空 間 電 荷 區(qū) ）E 內(nèi) 建 電 場 平 衡 狀 態(tài) 下 的 PN結(jié) 21 光 器 件 基 礎(chǔ) 知 識這 個 區(qū) 域 的 載 流 子 因 擴 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 電 荷 間 必 然 有 電 場 存 在 ， 這 個 電 場 稱 為 內(nèi) 建 電 場 ， 電 場 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 ， 這 個 電 場 具 有 阻 止 多 數(shù) 載 流 子 擴 散 的

30、作 用 。 所 以 ， 人 們 又 把耗 盡 區(qū) 稱 為 勢 壘 區(qū) 或 位 壘 區(qū) 。 與 此 同 時 ， 內(nèi) 電 場 將 使 N區(qū) 的 少 子 空 穴 向 P區(qū) 運動 ， 使 P區(qū) 的 少 子 電 子 向 N區(qū) 運 動 ， 通 常 把 這 種 現(xiàn) 象 稱 為 漂 移 。 漂 移 運 動 的 方向 正 好 與 擴 散 運 動 的 方 向 相 反 。 由 擴 散 運 動 形 成 的 電 流 ， 稱 為 擴 散 電 流 ； 由漂 移 運 動 形 成 的 電 流 ， 稱 為 漂 移 電 流 。 這 兩 種 電 流 方 向 相 反 。 當 這 兩 種 電 流相 等 時 ， 達 到 了 動 態(tài) 平 衡

31、 ， 此 時 勢 壘 區(qū) 的 寬 度 也 就 確 定 下 來 了 。 PN結(jié) 就 是 指的 勢 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 U D 0.60.8V， 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 導(dǎo) 電 性 1) PN結(jié) 外 加 正 向 電 壓 （ PN結(jié) 導(dǎo) 通 ） 22 光 器 件 基 礎(chǔ) 知 識電 源

32、 電 壓 通 過 限 流 電 阻 加 在 半 導(dǎo) 體 的 兩 端 ， 其正 極 接 P， 負 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 稱 “ 正 偏 ” ， 如右 圖 所 示 。 由 圖 可 知 ， 外 加 電 壓 的 極 性 與 勢 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 入 勢 壘 區(qū) ； N區(qū) 的 多 子 （ 電 子 ） 在 負 極 性 電壓 的 驅(qū) 動 下 也 進 入 勢 壘 區(qū) ， 這 將 使 勢 壘 區(qū) 的 部分 正 、 負 離 子 被 中 和 ， 導(dǎo)

33、致 勢 壘 區(qū) 變 窄 ， 勢 壘降 低 ， 有 利 于 多 數(shù) 載 流 子 的 擴 散 運 動 ， 形 成 較大 的 擴 散 電 流 。 但 勢 壘 區(qū) 的 變 窄 ， 內(nèi) 電 場 的 減 弱 ， 卻 不 利 于 少 子 的 漂 移 運 動 ， 致 使 漂 移 運 動電 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 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 23 光 器 件 基 礎(chǔ) 知 識它 的 關(guān) 系 是 指 數(shù) 關(guān) 系 ：其 中 ： ID為 流

34、過 PN結(jié) 電 流 ， U為 PN結(jié) 兩 端 的 電 壓 ， UT=kT/q稱 為 溫 度 電 壓 當量 ， 其 中 ， k為 波 爾 茲 曼 常 數(shù) ， T為 絕 對 溫 度 ， q為 電 子 電 量 ， 在 室 溫 下 （300K） 時 U T=26mV， IS為 反 向 飽 和 電 流 。 所 以 ， PN結(jié) 加 正 向 偏 壓 時 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 端 接 P區(qū) ， 正 端 接 N區(qū) ， 稱為 外 加 反 向 電 壓 ， 或 稱 反 向 偏

35、 置 （ 反 偏 ） ， 如右 圖 所 示 。 PN結(jié) 外 加 反 向 電 壓 24 由 于 外 加 電 壓 的 極 性 與 勢 壘 極 性 相 同 ， P區(qū) 的 空 穴 將 離 開 勢 壘 區(qū) 向 電 源 負 極運 動 ； N區(qū) 電 子 也 將 離 開 勢 壘 區(qū) 向 電 源 正 極 運 動 ， 于 是 在 勢 壘 區(qū) 就 出 現(xiàn) 了 更多 的 正 、 負 離 子 ， 使 勢 壘 區(qū) 展 寬 ， 勢 壘 增 高 ， 必 然 對 多 子 的 擴 散 產(chǎn) 生 影 響， 使 擴 散 電 流 減 少 ， 隨 著 外 加 電 壓 的 增 加 ， 擴 散 電 流 很 快 減 到 零 。 剩 下 的漂 移

36、 電 流 ， 則 基 本 上 不 隨 外 加 電 壓 而 改 變 。 這 是 因 為 漂 移 電 流 是 由 本 征 激發(fā) 產(chǎn) 生 的 少 子 形 成 的 ， 當 溫 度 一 定 時 ， 便 是 一 個 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 PN結(jié) 反 向 偏 置 時 ， 基 本 上 是 不 導(dǎo) 電 的 。 這 時 我 們 稱 “ PN結(jié)處 于 截 止 狀 態(tài) ” ， 其 呈 現(xiàn) 的 電 阻 為 反 向 電 阻 ， 而 且 阻 值 很 高

37、 。 但 當 溫 度 升高 時 ， 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 ， 反 向 電 流 增 加 約 7 。 因 為 （ 1.07） 10 2， 故 可 認 為 ， 溫 度每 升 高 10 時 ， 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 狀 態(tài) ， 因 此 PN結(jié) 具 有 單 向 導(dǎo) 電 性 。 光 器 件 基 礎(chǔ) 知 識 25 3） P

38、N結(jié) 的 伏 安 特 性 光 器 件 基 礎(chǔ) 知 識單 向 導(dǎo) 電 是 PN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 PN結(jié) 的 電 流 ， IS為 反 向 飽 和 電 流 ，UT KT/q為 溫 度 的 電 壓 當 量 ， 其 中 k 1.38 10-23J/K為 玻 耳 茲 曼 常 數(shù) ， q1.6 10-19庫 侖 為 電 荷 量 ， T為 絕 對 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

39、示 。 ABIs (uA)i(mA)15Is10Is5Is0-50-100 50 100 u(mV)- + - + 26 光 器 件 基 礎(chǔ) 知 識 PN結(jié) 的 反 向 擊 穿 在 測 量 PN結(jié) 的 伏 安 特 性 時 ， 如 果 外 加 的 反 向 電 壓 增 加 到 一 定 數(shù) 值 時 ， 反 向電 流 會 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 其 電 流 不 加限 制 ， PN結(jié) 有 可 能 由 于 過

40、熱 而 造 成 永 久 性 損 壞 。 UB (uA)i(mA)15Is10Is5Is0 u(mV)- + - + 27 6. 激 光 產(chǎn) 生 的 基 本 原 理 ： 光 器 件 基 礎(chǔ) 知 識1. 光 的 輻 射 和 吸 收 光 的 吸 收 EmEnhvmn假 設(shè) 某 原 子 最 初 處 于 基 態(tài) 能 級 Em， 用 一 束 能 量 為 h mn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 En， 這 種 過 程 稱 為 光 的 吸收 。 （ 發(fā) 生 吸 收 過 程 的 必 要 條 件 是 ： 入 射

41、光 子 的 能 量 必 須 等 于 原 子 的 兩 個 能 級 的 能 量 差 ， 即h mn En Em。 原 子 吸 收 一 個 光 子 而 從 低 能 態(tài) 躍 遷 到 高 能 態(tài) 的 過 程 也 稱 為 原 子 的 激 發(fā) 。 但是 滿 足 上 述 h mn En Em的 光 子 不 一 定 都 能 使 原 子 躍 遷 到 高 能 級 的 受 激 態(tài) 中 去 。 因 為 這 里還 有 個 躍 遷 的 幾 率 問 題 。 各 個 能 級 的 躍 遷 幾 率 有 的 很 大 ， 有 的 很 小 ， 而 有 些 能 級 的 激 發(fā)甚 至 是 被 “ 禁 止 ” 的 。 所 有 這 些 都 決

42、定 于 原 子 本 身 的 運 動 規(guī) 律 。 ） 28 光 的 自 發(fā) 輻 射 光 器 件 基 礎(chǔ) 知 識 EmEn hvmn發(fā) 光 前 發(fā) 光 后原 子 吸 收 了 外 界 能 量 而 躍 遷 到 激 發(fā) 態(tài) ，這 個 激 發(fā) 態(tài) 是 不 穩(wěn) 定 的 ， 原 子 在 激 發(fā) 態(tài)停 留 的 時 間 非 常 短 ， 通 常 約 為 10-8秒 的 數(shù)量 級 。 在 這 期 間 內(nèi) ， 它 們 很 快 地 在 沒 有外 界 作 用 情 況 下 ， 自 發(fā) 地 輻 射 出 光 子 來， 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

43、 在 于 ： 這 種 過 程 與 外 界 作 用 無 關(guān) ， 各 個 原 子 的 輻 射 都 是 自 發(fā) 地 、 獨 立 地 進 行 的 ， 因 而 各 個 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 理 。 由 此 可 見 普 通 光 源 發(fā) 出 的 光 ， 光 子 的 簡 并 度是 很 低 的 ， 具 有 一 系 列 不 同 的 頻 率 和 不 同

44、的 初 相 位 ， 其 單 色 性 極 差 ， 而 且 彼 此 不能 相 干 。 29 光 的 受 激 輻 射 光 器 件 基 礎(chǔ) 知 識處 于 激 發(fā) 態(tài) 能 級 上 的 原 子 ， 如 果 在 它 發(fā)生 自 發(fā) 輻 射 以 前 ， 收 到 外 來 的 、 能 量 為h mn En Em的 光 子 的 刺 激 作 用 ， 就有 可 能 從 E n躍 遷 到 Em， 同 時 輻 射 出 一個 與 外 來 光 子 同 頻 率 、 同 相 位 、 同 方 向、 同 偏 振 態(tài) 的 光 子 ， 這 一 過 程 稱 為 受 激輻 射 。 EmEn hvmn發(fā) 光 前 發(fā) 光 后hvmn hvmn受 激

45、 輻 射 必 須 要 在 一 定 頻 率 （ mn） 的 外 來 入 射 光 子 的 作 用 下 才 會 發(fā) 生 ，而 受 激 輻 射 過 程 中 所 發(fā) 出 的 光 子 的 性 質(zhì) 、 狀 態(tài) 等 都 與 外 來 光 子 完 全 相 同 。 經(jīng) 過 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 度 變 強 ， 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 構(gòu) 中 的 一 個 重 要 基 本 概 念 。 30 2. 產(chǎn) 生 激 光 的 基 本

46、條 件 1) 粒 子 數(shù) 反 轉(zhuǎn) 光 器 件 基 礎(chǔ) 知 識從 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 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 怎 樣 才 能 在 一 個 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 呢 ？ 實 現(xiàn) 粒 子 數(shù) 反 轉(zhuǎn) 的 條 件 有 ：a) 要 有 可 用 來 進 行 粒 子 數(shù) 反 轉(zhuǎn) 的 工 作 物 質(zhì) （ 激 活 介

47、 質(zhì) ） ；b) 具 有 適 當 的 能 級 結(jié) 構(gòu) （ 存 在 亞 穩(wěn) 態(tài) 能 級 ， 壽 命 10-3S） ；c) 能 夠 從 外 界 輸 入 能 量 使 工 作 物 質(zhì) 激 活 （ 稱 為 “ 激 勵 ” 、 也 叫 “ 抽 運 ” 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 上 去 。 31 以 三 能 級 系 統(tǒng) 為 例 ， 具 體 介 紹 實 現(xiàn)粒 子 數(shù) 反 轉(zhuǎn) 的 方 法 ： 光 器 件 基 礎(chǔ) 知 識 E1E3 基 態(tài)hv E2 激 發(fā) 態(tài) 亞 穩(wěn) 態(tài)激 勵 （ 光 泵 、 抽 運 ）激 勵 能 源 將 基

48、 態(tài) E1上 的 原 子 激 勵 到 激 發(fā) 態(tài)能 級 E3。 E1E3 基 態(tài)hv E2 激 發(fā) 態(tài) 亞 穩(wěn) 態(tài)激 勵 無 輻 射 躍 遷hv E2 E1 hvhv 原 子 通 過 碰 撞 把 能 量 轉(zhuǎn) 移 給 晶 格 而 無 輻 射 地躍 遷 到 亞 穩(wěn) 態(tài) E 2（ 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 之 間 實 現(xiàn) 了 粒 子 數(shù) 反 轉(zhuǎn) 。 322） 光 學(xué) 諧 振 腔 光 器 件 基 礎(chǔ) 知 識為 使

49、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 源 于 自 發(fā) 輻 射 ， 因 而 此 時 的 受 激 輻 射 是 隨 機的 ， 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 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

50、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 方 向 發(fā) 射 光 子 。 其 中， 凡 偏 離 諧 振 腔 軸 線 方 向 運 動 的 光 子 最 終 均 會 溢 出 腔 外 ， 只 有 沿 軸 線 方 向 運 動 的光 子 ， 在 腔 內(nèi) 來 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

51、 內(nèi) 來 回 反 射 ， 每 來 回 一 次 都 得 到 一 定 的 放 大 ， 而 使 光 的 強 度 越 來 越 強 ， 光 束 越強 ， 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 的 光 束 “ 激 光 ” （ Laser， Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation） 。 33 光 器 件 基 礎(chǔ) 知 識3） 閾 值 條 件 如 右 圖 所 示 ： 反 射 鏡 2L反 射 鏡 1 A z設(shè) 增

52、 益 介 質(zhì) 單 位 長 度 的 小 信 號 增益 系 數(shù) 為 g0， 損 耗 系 數(shù) 為 i， 兩個 反 射 鏡 的 反 射 率 為 r 1和 r2 ， 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 損 耗 和通 過 兩 個 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 ： 34閾 值 條 件 ： 光 器 件 基 礎(chǔ) 知 識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

53、必 須 工 作 在 諧 振 腔 的 工 作 模 式 上 。 當 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 反 射 面 之 間 來 回 傳 播 時 ， 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 將 形 成 干 涉 ， 多 次 往 復(fù) 反 射時 ， 就 會 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

54、涉 而 得 到 加 強 以 形 成 正 反 饋 。 發(fā) 生 加 強 干 涉 以 形 成 正 反 饋 的 條 件 是 ： 波 從 某 一 點 出 發(fā) ， 經(jīng) 腔 內(nèi) 往 返 一 周再 回 到 原 來 位 置 時 ， 應(yīng) 與 初 始 出 發(fā) 波 同 相 ， 即 相 差 為 2 的 整 數(shù) 倍 。 35 光 器 件 基 礎(chǔ) 知 識激 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,； q為 q值 對 應(yīng) 的 波 長； L為 腔 的 光 學(xué) 長 度 。 當 整 個 光 腔 內(nèi) 充 滿 折 射 率 為 n的 均 勻 工 作 物 質(zhì) 時

55、： 式 中 ， L為 腔 的 幾 何 長 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 。 36 光 器 件 基 礎(chǔ) 知 識縱 模 間 隔 （ 相 鄰 兩 個 縱 模 的 頻 率 之 差 f） ： f與 q無 關(guān) ， 對 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 產(chǎn) 生 的 橫 向 電 磁場 模 式 ， 簡 稱 橫 模 ， 以 TEM m

56、n命 名 ， m， n為 橫 模 指 數(shù) 。 下 圖 示 出 了 三 種 TEMmn模 的 電 場 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 傳 播 的 ， 腔 中 各 模 式 的 縱 向 場 分 量比 橫 向 場 分 量 小 的 多 ， 因 此 激 光 器 中 的 場 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 ，

57、 易 于 與 光 纖 耦 合 ， 耦 合 效 率 高 ， 損 耗 小 。 ） 37 光 器 件 基 礎(chǔ) 知 識第 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 a. 法 布 里 帕 羅 （ Fabry Perot， F-P） 型 激 光器b. 分 布 反 饋 （ Distributed Feedback， DFB） 型 激光 器 c. 分 布 布 拉 格 （ DBR） 型 激 光 器 d. 量 子 阱 （ QW） 型 激 光 器 e. 垂 直 腔 面 發(fā) 射 激 光 器 （ VCSEL） 等 38

58、 光 器 件 基 礎(chǔ) 知 識半 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 際 上 只 是 我 們 通 常 所 說 的 激 光 器 組 件 的一 個 重 要 元 件 ， 如 果 沒 有 組 件 中 其 他 元 件 ， 單 一 的 激 光 器 芯 片 是 沒 有 任 何 實 用性 的 。所 謂 激 光 器 組 件 ， 是 指 在 一 個 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 現(xiàn) LD工 作 所 必 要 的 電 路 結(jié) 構(gòu) 的 集 成 器 件 。

59、其 他 元 件 和 必 要 電 路 可 能 包 括 ：1) 光 隔 離 器 ： 其 作 用 是 防 止 LD輸 出 的 激 光 反 射 影 響 ， 實 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 關(guān) 兩 種 類 型 。2) 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 功 率 控 制 ） 電 路 中需 要 用 到 的 必 不 可 少 的 元 件

60、 之 一 。 它 位 于 LD的 背 面 出 光 面 。3) 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 。 39 4） LD的 驅(qū) 動 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 監(jiān) 測 其 阻 值 的 變 化 來 監(jiān)測 組 件 內(nèi) 部 的 溫 度 變 化 。 在 有 致 冷 的 組 件 中 ， 它 是 ATC（ 自 動 溫 度 控 制 ） 電 路 的 重 要 元 件 之

61、一 。6） 熱 電 致 冷 器 （ TEC） ： 一 種 半 導(dǎo) 體 熱 電 元 件 ， 通 過 改 變 熱 電 元 件 的 極 性 可 以 達 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 有 很 大 差 別 ， 同 時 所 采 取 的 封 裝 形 式 也 會有 所 不 同 。 所 謂 封 裝 ， 是 指 將 形 成 一 個 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 程 。 不 同 的 封 裝 形 式 （ 比 如 同 軸 封裝

62、和 蝶 型 封 裝 ） ， 其 產(chǎn) 品 生 產(chǎn) 工 藝 過 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 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 為 這 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 要 介 紹 一 些主 要 的 封 裝 形 式 ， 讓 大 家 能 有 一 個 了 解 。 光 器 件 基 礎(chǔ) 知 識 40 光 器 件 基 礎(chǔ) 知 識 Butterfly 蝶 型 封 裝 激 光 器 組 件

63、Pigtailed Coaxial 同 軸 尾 纖 型 封 裝激 光 器 組 件 41 光 器 件 基 礎(chǔ) 知 識同 軸 插 拔 型 封 裝 （ TOSA Package） 42 光 器 件 基 礎(chǔ) 知 識3.2 半 導(dǎo) 體 激 光 器 組 件 的 常 用 參 數(shù) 和 測 試 方法1. 半 導(dǎo) 體 激 光 器 組 件 的 絕 對 最 大 額 定 值 絕 對 最 大 額 定 值 是 指 ： 在 任 何 情 況 下 都 不 能 超 過 的 極 限 值 ， 超 過 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

64、 是 在 25 大 氣 環(huán)境 下 確 定 的 。 它 包 括 下 面 幾 項 ： 1) 存 貯 溫 度 （ T stg） ： 指 當 器 件 存 貯 在 一 個 非 工 作 條 件 中 時 ， 絕 對 不 能 超 過 的 溫 度（ 大 氣 環(huán) 境 ） 范 圍 。2) 工 作 的 管 殼 溫 度 （ TOP） ： 指 當 器 件 在 處 于 工 作 狀 態(tài) 時 ， 絕 對 不 能 超 過 的 管 殼 溫 度范 圍 3) 光 輸 出 功 率 （ P0或 Pf） ： 指 從 一 個 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

65、輸 出 功 率 ； 插 拔 型 組 件 既 是 指 插 拔 端 口 輸 出 功 率 。 43 光 器 件 基 礎(chǔ) 知 識4) 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 。5) 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 。 6) 背 光 監(jiān) 測 光 電 二 極 管 反 向 電 壓 （ VD） ： 指 可 以 施 加 到 背 光 監(jiān) 測 的 光 電 二 極 管 上 且不 產(chǎn) 生 器 件 損 傷 的 最 大 反 向 電 壓

66、 。 激 光 器 組 件 的 絕 對 最 大 額 定 值 雖 然 不 是 我 們 需 要 測 試 的 項 目 ， 但 是 我 們 必 須 對 其要 有 充 分 的 了 解 ， 因 為 我 們 測 試 時 直 接 接 觸 的 就 是 各 種 組 件 ， 我 們 的 每 一 步 操 作都 必 須 嚴 格 限 制 在 各 種 組 件 的 絕 對 最 大 額 定 值 范 圍 以 內(nèi) ， 否 則 ， 就 有 可 能 對 器 件造 成 永 久 性 損 或 損 壞 。 44 2. 半 導(dǎo) 體 激 光 器 組 件 的 光 電 特 性 參 數(shù) 及 其 測 試 方 法 光 器 件 基 礎(chǔ) 知 識激 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 說 明 。 其 主 要 光 電 特 性 參 數(shù) 有 以 下 幾 項 ： 1) 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