第3章通信用光器件-2精选文档.ppt
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1、第3章通信用光器件-2本讲稿第一页,共四十八页LED的的P_I特性曲线特性曲线原理:由正向偏置电压产生的注入电流进行自发辐射而发光原理:由正向偏置电压产生的注入电流进行自发辐射而发光4 3 2 1 0 50 100 150 02570电流电流/mA输输出出功功率率/mW本讲稿第二页,共四十八页 式中,f 为调制频率,P(f)为对应于调制频率 f 的输出光功率,e为少数载流子(电子)的寿命。定义 fc 为发光二极管的截止频率,当 f=f c=1/(2e)时,|H(fc)|=,最高调制频率应低于截止频率。(4)频率特性。发光二极管的频率响应可以表示为|H(f)|=(3.12)图3.17示出发光二极
2、管的频率响应,图中显示出少数载流子的寿命e和截止频率截止频率 fc 的关系。对有源区为低掺杂浓度的LED,适当增增加加工工作作电电流流可以缩缩短短载载流流子寿命子寿命,提高提高截止频率截止频率。本讲稿第三页,共四十八页图 3.17 发光二极管(LED)的频率响应 本讲稿第四页,共四十八页 3.1.5 半导体光源一般性能和应用半导体光源一般性能和应用半导体光源的一般性能表:半导体光源的一般性能表:3.1和表3.2列出半导体激光器(LD)和发光二极管(LED)的一般性能。LED通常和多多模模光光纤纤耦合,用于1.3 m(或0.85 m)波长的小容量短距离系统。因为LED发发光光面面积积和光光束束辐
3、辐射射角角较大,而多模SIF光纤或G.651规范的多模GIF光纤具有较大的芯径和数值孔径,有利于提高耦耦合合效效率率,增加入纤功率入纤功率。LD通常和G.652或或G.653规范的单单模模光光纤纤耦合,用于1.3 m或1.55 m大容量长距离系统。分分布布反反馈馈激激光光器器(DFB-LD)主要和G.653或G.654规范的单模光纤或特殊设计的单模光纤耦合,用于超大容量的新型光纤系统。本讲稿第五页,共四十八页表表3.1 半导体激光器半导体激光器(LD)和发光二极管和发光二极管(LED)的一般性能的一般性能-2050 -2050-2050 -2050工作温度工作温度 /C寿命寿命 t/h3012
4、0 30120 2050 2050辐射角辐射角50150 301005002000 5001000调制带宽调制带宽 B/MHz0.10.3 0.10.213 13入纤功率入纤功率 P/mW15 13510 510输出功率输出功率 P/mW100150 100150工作电流工作电流 I/mA2030 3060阀值电流阀值电流 Ith/mA50100 6012012 13谱线宽度谱线宽度1.3 1.551.3 1.55工作波长工作波长LEDLD本讲稿第六页,共四十八页表表 3.2 分布反馈激光器分布反馈激光器(DFB-LD)一般性能一般性能 2040 1530输出功率输出功率 P/mW(连续单纵模
5、连续单纵模,25C)20 15外量子效率外量子效率 /%1520 2030阀值电流阀值电流 Ith/mA l截止hv入射不足以激励出电子(2)l入射 l截止材料对光子开始吸收(3)l入射 1时,1,所以为提高量子效率,I层的厚度w要足够大本讲稿第二十五页,共四十八页图3-22 PIN光电二极管响应度、量子效应率 与波长 的关系本讲稿第二十六页,共四十八页图3.22示出量子效率量子效率量子效率量子效率和响应度响应度的光谱特性,由图可见,Si 适用于0.80.9m波段,Ge 和InGaAs 适用于1.31.6 m波段。响应度一般为0.50.6(A/W)。本讲稿第二十七页,共四十八页如上图所示,波长
6、范围为1300 nm-1600 nm的InGaAs pin,量子效率约为90%,因此响应度为:当波长为1300 nm时:当波长大于1600 nm时,光子能量不足以激发出一个电子。当波长1100 nm时,光子在接近光电二极管的表面被吸收,所产生的电子空穴对的复合寿命很短,很多载流子并没有产生光电流。所以在短波长响应度的值迅速降低。例本讲稿第二十八页,共四十八页 (二)响应时间和频率特性响应时间和频率特性。光电二极管对高速调制光信号的响响应应能能力力用脉脉冲冲响响应应时时间间或截截止止频频率率fc(带宽B)表示。对于数字脉冲调制信号,把光生电流脉冲前沿由最大幅度的10%上升到90%,或后沿由90%
7、下降到10%的时间,分别定义为脉脉冲冲上上升升时间时间r和脉冲下降时间脉冲下降时间f。当光电二极管具有单一时间常数0时,其脉冲前沿和脉冲后沿相同,且接近指数函数exp(t/0)和exp(-t/0),由此得到脉冲响应时间脉冲响应时间 =r=f=2.20 (3.16)本讲稿第二十九页,共四十八页 对于幅度一定,频率为=2f 的正弦调制信号,用光生电流I()下降3dB的频率定义为截截截截止止止止频频频频率率率率f fc c。当光电二极管具有单一时间常数0时,(3.17)PIN光电二极管响响应应时时间间或频频率率特特性性主主要要由由光生载流子在耗尽层的渡越时间渡越时间d和包括光电二极管在内的检测电路R
8、C常数常数所确定确定。本讲稿第三十页,共四十八页 当调制频率与渡越时间d的倒数可以相比时,耗尽层(I层)对量子效率()的贡献可以表示为(3.18)由()/(0)=得到由渡越时间d限制的截止频率(3.19)式中,渡越时间d=w/vs,w为耗尽层宽度,vs为载流子渡越速度,比例于电场强度。由式(3.19)和式(3.18)可以看出,减减小小耗耗尽尽层层宽宽度度w,可以减减小小渡渡越越时时间间d,从而提高提高截止频率截止频率fc,但是同时要降低降低量子效率量子效率。本讲稿第三十一页,共四十八页图3.23 内量子效率和带宽的关系本讲稿第三十二页,共四十八页 由电路RC时间常数限制的截止频率截止频率 式中
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