光線傳感技術

1、光線傳感技術第1頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一4.1 光源 光源器件：光纖通信設備的核心，其作用是將電信號轉(zhuǎn)換成光信號送入光纖。 光纖通信中常用的光源器件有半導體激光器和半導體發(fā)光二極管兩種。 半導體激光器（LD）：適用于長距離大容量的光纖通信系統(tǒng)。尤其是單縱模半導體激光器，在高速率、大容量的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應用。 發(fā)光二極管（LED）：適用于短距離、低碼速的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)，或者是模擬光纖通信系統(tǒng)。其制造工藝簡單、成本低、可靠性好。第2頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一半導體的能帶 在單個原子中，電子是在原子內(nèi)部的量子態(tài)運動的。當大量原子

2、結(jié)合成晶體后，原子間的影響將表現(xiàn)出來。晶體中的電子不再屬于個別原子所有，它們一方面圍繞每個原子運動，同時又要在原子之間做共有化運動，如圖所示。PN結(jié)半導體激光器發(fā)光機理 第3頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一第4頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一半導體的能帶晶體的主要特征是它們的內(nèi)部原子有規(guī)則地、周期性地排列著。做共有化運動電子受到周期性地排列著的原子的作用，它們的勢能具有晶格的周期性。如圖所示。第5頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一 半導體的能帶鍺、硅和砷化鎵GaAs 等一些重要的半導體材料，都是典型的共價晶體。在共價晶體中，每個原

3、子最外層的電子和鄰近原子形成共價鍵，整個晶體就是通過這些共價鍵把原子聯(lián)系起來。如圖所示。第6頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一 圖 4.2 半導體的能帶和電子分布(a) 本征半導體； (b) N型半導體； (c) P型半導體 2. PN結(jié)的能帶和電子分布 在半導體中，由于鄰近原子的作用，電子所處的能態(tài)擴展成能級連續(xù)分布的能帶。能量低的能帶稱為價帶，能量高的能帶稱為導帶，導帶底的能量Ec 和價帶頂?shù)哪芰縀v 之間的能量差Ec-Ev=Eg稱為禁帶寬度或帶隙。電子不可能占據(jù)禁帶。第7頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一 圖4.2示出不同半導體的能帶和電子分布圖。

4、根據(jù)量子統(tǒng)計理論，在熱平衡狀態(tài)下，能量為E的能級被電子占據(jù)的概率為費米分布 式中，k為波茲曼常數(shù)，T為熱力學溫度。Ef 稱為費米能級，用來描述半導體中各能級被電子占據(jù)的狀態(tài)。 在費米能級，被電子占據(jù)和空穴占據(jù)的概率相同。 (4.1)第8頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一2. PN結(jié)的能帶P半導體和N半導體的能帶 主要由空穴導電的半導體稱為P型半導體。當重摻雜時，費米能級Ef會進入價帶，稱為簡并型P型半導體，如圖(a)所示； 主要由電子導電的半導體稱為N型半導體。當重摻雜時，費米能級Ef會進入導帶，稱為簡并型N型半導體，如圖(b)所示。第9頁，共74頁，2022年，5月20日

5、，5點3分，星期一第10頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一2. PN結(jié)的能帶當P型半導體N型半導體結(jié)合時形成結(jié)后，N區(qū)的費米能級降低，P區(qū)的費米能級升高，達到熱平衡時，形成了統(tǒng)一的費米能級。如圖所示。hfhfEfEpcEpfEpvEncnEnv電子，空穴內(nèi)部電場外加電場正向偏壓下P - N結(jié)能帶圖第11頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一1. PN結(jié)半導體激光器發(fā)光機理 PN結(jié)半導體激光器是用PN結(jié)作激活區(qū)，用半導體天然解里面作為反射鏡組成光學諧振腔，外加正向偏壓作為泵浦源。外加正向偏壓將N區(qū)的電子、P區(qū)的空穴注入到PN結(jié)，實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，即使之成為

6、激活物質(zhì)（PN結(jié)為激活區(qū)）。在激活區(qū)，電子空穴對復合發(fā)射出光。初始的光場來源于導帶和價帶的自發(fā)輻射，方向雜亂無章，其中偏離軸向的光子很快逸出腔外，沿軸向運動的光子就成為受激輻射的外界因素， 使之產(chǎn)生受激輻射而發(fā)射全同光子。4.1.1 激光器的工作原理第12頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一 PN結(jié)的能帶和電子分布 PN結(jié)空間電場區(qū)P區(qū)N區(qū)+ + + + + + Ef能量EePEVPEeNEVNP區(qū)N區(qū)EVPEePEeNEVNEfNEfPhfhf第13頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一1. PN結(jié)半導體激光器發(fā)光機理這些光子通過反射鏡往返反射不斷通過激活物

7、質(zhì)，使受激輻射過程如雪崩般地加劇，從而使光得到放大。在反射系數(shù)小于1的反射鏡中輸出，這就是經(jīng)受激輻射放大的光 。即PN結(jié)半導體激光器產(chǎn)生激光輸出的工作原理。4.1.1 激光器的工作原理 圖 4.4 激光器的構(gòu)成和工作原理 (a) 激光振蕩； (b) 光反饋 第14頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一4.1.2 半導體激光器 用半導體材料作為工作物質(zhì)的激光器，稱為半導體激光器（LD），對LD的要求如下。 光源的發(fā)光波長應符合目前光纖的三個低損耗窗口（即0.85m、1.31m和1.55m）。 能夠在室溫下長時間連續(xù)工作，并能提供足夠的光輸出功率。目前LD的尾纖輸出功率可達500W

8、2mW；LED的尾纖輸出功率可達10W左右。 與光纖耦合效率高。 光源的譜線寬度要窄。較好的LD的譜線寬度可達到0.1nm。 壽命長，工作穩(wěn)定。第15頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一4.1.2 半導體激光器 1半導體激光器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理有兩種方式構(gòu)成的激光器：F-P腔激光器和分布反饋型（DFB）激光器。F-P腔激光器從結(jié)構(gòu)上可分為3種，如圖所示。 半導體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖第16頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一4.1.2 半導體激光器 （1）同質(zhì)結(jié)半導體激光器。 其核心部分是一個P-N結(jié)，由結(jié)區(qū)發(fā)出激光。 缺點是閾值電流高，且不能在室溫下連續(xù)工作

9、，不能實用。 （2）異質(zhì)半導體激光器 異質(zhì)半導體激光器包括單異質(zhì)和雙異質(zhì)半導體激光器兩種。 異質(zhì)半導體激光器的“結(jié)”是由不同的半導體材料制成的，目的是降低閾值電流，提高效率。 特點是對電子和光子產(chǎn)生限制作用，減少了注入電流，增加了發(fā)光強度。 目前，光纖通信用的激光器大多采用如圖4-5所示的銦鎵砷磷（InGaAsP）雙異質(zhì)結(jié)條形激光器。第17頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一4.1.2 半導體激光器圖4-5 InGaAsP雙異質(zhì)結(jié)條形激光器的基本結(jié)構(gòu) nInGaAsP是發(fā)光的作用區(qū)，其上、下兩層稱為限制層，它們和作用區(qū)構(gòu)成光學諧振腔。限制層和作用層之間形成異質(zhì)結(jié)。最下面一層n

10、InP是襯底，頂層P+InGaAsP是接觸層，其作用是為了改善和金屬電極的接觸。第18頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一4.1.2 半導體激光器 （3）工作原理 用半導體材料做成的激光器，當激光器的P-N結(jié)上外加的正向偏壓足夠大時，將使得P-N結(jié)的結(jié)區(qū)出現(xiàn)了高能級粒子多、低能級粒子少的分布狀態(tài)，這即是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，這種狀態(tài)將出現(xiàn)受激輻射大于受激吸收的情況，可產(chǎn)生光的放大作用。 被放大的光在由P-N結(jié)構(gòu)成的F-P光學諧振腔（諧振腔的兩個反射鏡是由半導體材料的天然解理面形成的）中來回反射，不斷增強，當滿足閾值條件后，即可發(fā)出激光。第19頁，共74頁，2022年，5月20日

11、，5點3分，星期一4.1.2 半導體激光器 2半導體激光器的工作特性 （1）發(fā)射波長 半導體激光器的發(fā)射波長取決于導帶的電子躍遷到價帶時所釋放出的能量，這個能量近似等于禁帶寬度Eg(eV)，由式（4-1）得 hf = Eg （4-5） 式中， ，f (Hz)和(m)分別為發(fā)射光的頻率和波長，c=3108m/s， h=6.6251034 Js，leV=1.601019 J為電子伏特，代入式（4-5）得 (m) （4-6） 由于能隙與半導體材料的成分及其含量有關，因此根據(jù)這個原理可以制成不同發(fā)射波長的激光器。第20頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一4.1.2 半導體激光器 （2

12、）閾值特性 對于LD，當外加正向電流達到某一數(shù)值時，輸出光功率急劇增加，這時將產(chǎn)生激光振蕩，這個電流稱為閾值電流，用Ith 表示。如圖4-6所示。閾值電流越小越好。圖4-6 典型半導體激光器的輸出特性曲線 第21頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一4.1.2 半導體激光器 （3）光譜特性LD的光譜隨著激勵電流的變化而變化。當IIth時，發(fā)出的是熒光，光譜很寬，如圖4-7（a）所示。當I Ith后，發(fā)射光譜突然變窄，譜線中心強度急劇增加，表明發(fā)出激光，如圖4-7（b）所示。圖4-7 GaAlAs-GaAs激光器的光譜第22頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一4

13、.1.2 半導體激光器 隨著驅(qū)動電流的增加，縱模模數(shù)逐漸減少，譜線寬度變窄。當驅(qū)動電流足夠大時，多縱模變?yōu)閱慰v模，這種激光器稱為靜態(tài)單縱模激光器。 普通激光器工作在直流或低碼速情況下，它具有良好的單縱模譜線，所對應的光譜只有一根譜線，如圖4-8（a）所示。而在高碼速調(diào)制情況下，其線譜呈現(xiàn)多縱模譜線。如圖4-8（b）所示。 一般，用F-P諧振腔可以得到的是直流驅(qū)動的靜態(tài)單縱模激光器，要得到高速數(shù)字調(diào)制的動態(tài)單縱模激光器，必須改變激光器的結(jié)構(gòu)，例如分布反饋半導體激光器（DFB-LD）。第23頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一4.1.2 半導體激光器圖4-8 GaAlAs-GaA

14、s激光器的輸出光譜第24頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一4.1.2 半導體激光器 （4）轉(zhuǎn)換效率 半導體激光器的電光功率轉(zhuǎn)換效率常用微分量子效率d表示，其定義為激光器達到閾值后，輸出光子數(shù)的增量與注入電子數(shù)的增量之比，其表達式為 （4-7）由此得 （4-8 ） 式中，P為激光器的輸出光功率；I為激光器的輸出驅(qū)動電流，Pth為激光器的閾值功率；Ith為激光器的閾值電流；hf 為光子能量；e為電子電荷。第25頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一4.1.2 半導體激光器 （5）溫度特性 激光器的閾值電流和輸出光功率隨溫度變化的特性為溫度特性。閾值電流隨溫度的升

15、高而加大，其變化情況如圖4-9所示。圖4-9 激光器閾值電流隨溫度變化的曲線第26頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一（6）光束發(fā)散半導體激光器的有源區(qū)是一個類似于矩形平面的介質(zhì)波導，有源區(qū)的寬度為W，厚度為d，它的出射光束具有橢圓形狀。發(fā)散特性可由發(fā)散角來描述，發(fā)散角定義為光功率密度下降為最大輻射方向功率密度的一半的兩個方向之間的夾角。垂直發(fā)散角和水平發(fā)散角分別為和，可以表示為發(fā)散角越小方向性越好，和光纖的耦合效率越高。 4.1.2 半導體激光器第27頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一圖 4.8 GaAlAs-DH條形激光器的近場和遠場圖樣 近場是指激光

16、器輸出反射鏡面上的光強分布；遠場是指離反射鏡面一定距離處的光強分布。第28頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一(7). 頻率特性 在直接光強調(diào)制下， 激光器輸出光功率P和調(diào)制頻率f 的關系為 P(f)= (4.9a)(4.9b)式中， 和分別稱為弛豫頻率和阻尼因子，Ith 和I0分別為閾值電流和偏置電流；I是零增益電流，高摻雜濃度的LD， I=0， 低摻雜濃度的LD, I=(0.70.8)Ith；sp為有源區(qū)內(nèi)的電子壽命，ph為諧振腔內(nèi)的光子壽命。 第29頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一圖 4.11 半導體激光器的直接調(diào)制頻率特性 圖4.11示出半導體激

17、光器的直接調(diào)制頻率特性。弛豫頻率fr 是調(diào)制頻率的上限，一般激光器的fr 為12 GHz。在接近fr 處，數(shù)字調(diào)制要產(chǎn)生弛豫振蕩，模擬調(diào)制要產(chǎn)生非線性失真。 第30頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一4.1.2 半導體激光器 3分布反饋半導體激光器（DFB-LD） DFB-LD結(jié)構(gòu)上的特點是：激光振蕩不是由反射鏡面來提供，而是由折射率周期性變化的波紋結(jié)構(gòu)（波紋光柵）來提供，即在有源區(qū)的一側(cè)刻有波紋光柵，如圖4-10所示。 圖 4.10 分布反饋(DFB)激光器 (a) 結(jié)構(gòu)； (b) 光反饋 第31頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一4.1.2 半導體激光器

18、分布反饋半導體激光器（DFB-LD）優(yōu)點是 譜線窄，其線寬大約為普通型激光器線寬的1/10左右，如圖所示，從而使色散的影響大為降低，可以實現(xiàn)速率為Gb/s的超高速傳輸。由有源層發(fā)射的光，一部分在光柵波紋峰反射(如光線a)， 另一部分繼續(xù)向前傳播，在鄰近的光柵波紋峰反射(如光線b)。 光柵周期=m ne 為材料有效折射率，B為布喇格波長，m為衍射級數(shù)。 在普通光柵的DFB激光器中，發(fā)生激光振蕩的有兩個閾值最低、增益相同的縱模，其波長為 第32頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一4.1.2 半導體激光器 4量子阱半導體激光器 量子阱半導體激光器與一般雙異質(zhì)激光器類似，只是有源區(qū)的

19、厚度很薄（幾十埃），如圖4-11所示。當有源區(qū)的厚度非常小時，在有源區(qū)的異質(zhì)結(jié)將產(chǎn)生一個勢能阱，因此將產(chǎn)生這種量子效應的激光器稱為量子阱半導體激光器。圖4-11 量子阱半導體激光器第33頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一4.1.3 發(fā)光二極管 1LED的工作原理 發(fā)光二極管（LED）是非相干光源，是無閾值器件，它的基本工作原理是自發(fā)輻射。 發(fā)光二極管與半導體激光器差別是：發(fā)光二極管沒有光學諧振腔，不能形成激光。僅限于自發(fā)輻射，所發(fā)出的是熒光，是非相干光。半導體激光器是受激輻射，發(fā)出的是相干光。LED三種主要結(jié)構(gòu)：面發(fā)射（Surface emitter)LED邊發(fā)射（Edge

20、 emitter)LED超輻射（Superluminescent）LED第34頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一4-9 SLED典型結(jié)構(gòu) 第35頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一4.4.2 ELED典型結(jié)構(gòu)ELED的結(jié)構(gòu)圖如圖4-10所示。這種結(jié)構(gòu)的目的是為了降低有源層中的光吸收并使光束有更好的方向性，光從有源層的端面輸出。第36頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一4.4.3 超輻射LED這種器件輸出功率大，發(fā)射波束寬度窄，線度窄，特別適合與單模光纖耦合；有源區(qū)具有光放大作用，調(diào)制帶寬大于前兩種LED。光輸出強度與二極管電流不是呈線性關

21、系，且輸出光功率隨結(jié)溫升高而急劇下降。第37頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一4.1.3 發(fā)光二極管 2LED的結(jié)構(gòu) LED也多采用雙異質(zhì)結(jié)芯片，不同的是LED沒有解理面，即沒有光學諧振腔。由于不是激光振蕩，所以沒有閾值。 LED分為兩大類：一類是面發(fā)光型LED，另一類是邊發(fā)光型LED，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-12所示。圖4-12 常用的兩類發(fā)光二極管（LED）第38頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一4.1.3 發(fā)光二極管 3LED的工作特性 （1）光譜特性 LED譜線寬度比激光器寬得多。圖4-13是InGaAsP LED的輸出光譜。 圖4-13 InGaA

22、sP LED的發(fā)光光譜 第39頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一4.1.3 發(fā)光二極管 （2）輸出光功率特性 兩種類型的LED輸出光功率特性如圖4-14所示。驅(qū)動電流I 較小時，P I 曲線的線性較好；當I 過大時，由于P-N結(jié)發(fā)熱而產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，使P I 曲線的斜率減小。圖4-14 發(fā)光二極管（LED）的P I 特性第40頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一4.1.3 發(fā)光二極管 （3）溫度特性 由于LED是無閾值器件，因此溫度特性較好。 （4）耦合效率 由于LED發(fā)射出的光束的發(fā)散角較大，因此與光纖的耦合效率較低。一般只適于短距離傳輸。 （5）調(diào)制特性

23、 調(diào)制頻率較低。在一般工作條件下，面發(fā)光型LED截止頻率為20MHz30MHz，邊發(fā)光型LED截止頻率為100MHz150MHz。 比較： LED與LD相比，LED輸出光功率較小，譜線寬度較寬，調(diào)制頻率較低。但LED性能穩(wěn)定，壽命長，使用簡單，輸出光功率線性范圍寬，而且制造工藝簡單，價格低廉。第41頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一 式中，f 為調(diào)制頻率，P( f )為對應于調(diào)制頻率 f 的輸出光功率，e為少數(shù)載流子(電子)的壽命。定義 fc 為發(fā)光二極管的截止頻率，當 f = f c =1/(2e)時，|H(fc)|= ， 最高調(diào)制頻率應低于截止頻率。 (4) 頻率特性。

24、 發(fā)光二極管的頻率響應可以表示為|H(f)|= (4.12) 圖3.17示出發(fā)光二極管的頻率響應， 圖中顯示出少數(shù)載流子的壽命e和截止頻率 fc 的關系。 對有源區(qū)為低摻雜濃度的LED， 適當增加工作電流可以縮短載流子壽命，提高截止頻率。第42頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一圖 4.17 發(fā)光二極管(LED)的頻率響應 第43頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一面發(fā)射LED與光纖的耦合方法面發(fā)光LED與光纖直接耦合，耦合效率很低將光纖端面做成球形，提高光纖的數(shù)值孔徑，從而提高耦合效率，一般可提高26倍在LED與光纖之間放置一個削頂圓球透鏡，耦合效率可比直

25、接耦合提高20倍左右直接在LED上制做一個低吸收透鏡結(jié)構(gòu)，耦合效率最高第44頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一表4.1 半導體激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)的一般性能-2050 -2050-2050 -2050工作溫度 /C壽命 t/h30120 30120 2050 2050輻射角50150 301005002000 5001000調(diào)制帶寬 B/MHz0.10.3 0.10.213 13入纖功率 P/mW15 13510 510輸出功率 P/mW100150 100150工作電流 I/mA2030 3060閥值電流 Ith/mA50100 6012012 13譜線寬

26、度1.3 1.551.3 1.55工作波長LEDLD第45頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一表 4.2 分布反饋激光器(DFB - LD)一般性能 2040 1530輸出功率 P/mW (連續(xù)單縱模,25C) 20 15外量子效率 /% 1520 2030閥值電流 Ith/mA0.08頻譜漂移 /(nm/C)3035邊模抑制比 /dB0.040.5(Gb/s,RZ)直接調(diào)制單縱模連續(xù)波單縱模譜線寬度 1.3 1.55工作波長第46頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一光源組件實例第47頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一4.1.4 半導體光

27、源的應用 LED通常和多模光纖耦合，用于1.31m或0.85m波長的小容量、短距離的光通信系統(tǒng)。 LD通常和單模光纖耦合，用于1.31m或1.55m大容量、長距離光通信系統(tǒng)。 分布反饋半導體激光器（DFB-LD）主要也和單模光纖或特殊設計的單模光纖耦合，用于1.55m超大容量的新型光纖系統(tǒng)，這是目前光纖通信發(fā)展的主要趨勢。第48頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一4.2 光電檢測器 光電檢測器完成光/電信號的轉(zhuǎn)換。對光檢測器的基本要求是： 在系統(tǒng)的工作波長上具有足夠高的響應度，即對一定的入射光功率，能夠輸出盡可能大的光電流； 具有足夠快的響應速度，能夠適用于高速或?qū)拵到y(tǒng)；

28、具有盡可能低的噪聲，以降低器件本身對信號的影響； 具有良好的線性關系，以保證信號轉(zhuǎn)換過程中的不失真； 具有較小的體積、較長的工作壽命等。 目前常用的半導體光電檢測器有兩種，PIN光電二極管和APD雪崩光電二極管。第49頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一4.2.1 光電檢測器的工作原理 光電檢測器是利用半導體材料的光電效應實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的。 光電效應如圖4-15（a）和（b）所示。 當入射光子能量hf 小于禁帶寬度Eg時，不論入射光有多強，光電效應也不會發(fā)生，即產(chǎn)生光電效應必須滿足以下條件 hf Eg （4-9） 即光頻fc 的入射光是不能產(chǎn)生光電效應的，將fc 轉(zhuǎn)換為波長，則

29、 c= 。即只有波長 c 的入射光，才能使這種材料產(chǎn)生光生載流子，故c 為產(chǎn)生光電效應的入射光的最大波長，又稱為截至波長，相應的fc 稱為截至頻率。第50頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一4.2.1 光電檢測器的工作原理圖4-15 半導體材料的光電效應第51頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一4.2.2 PIN光電二極管 PIN光電二極管是在摻雜濃度很高的P型、N型半導體之間，加一層輕摻雜的N型材料，稱為I（Intrinsic，本征的）層。由于是輕摻雜，電子濃度很低，經(jīng)擴散后形成一個很寬的耗盡層，如圖4-16（a）所示。這樣可以提高其響應速度和轉(zhuǎn)換效率。結(jié)

30、構(gòu)示意圖如圖4-16（b）所示。圖4-16 PIN光電二極管第52頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一4.2.3 雪崩光電二極管 雪崩光電二極管，又稱APD（Avalanche Photo Diode）。它不但具有光/電轉(zhuǎn)換作用，而且具有內(nèi)部放大作用，其放大作用是靠管子內(nèi)部的雪崩倍增效應完成的。 1APD的雪崩效應 APD的雪崩倍增效應，是在二極管的P-N結(jié)上加高反向電壓，在結(jié)區(qū)形成一個強電場；在高場區(qū)內(nèi)光生載流子被強電場加速，獲得高的動能，與晶格的原子發(fā)生碰撞，使價帶的電子得到了能量；越過禁帶到導帶，產(chǎn)生了新的電子空穴對；新產(chǎn)生的電子空穴對在強電場中又被加速，再次碰撞，又激

31、發(fā)出新的電子空穴對如此循環(huán)下去，形成雪崩效應，使光電流在管子內(nèi)部獲得了倍增。APD就是利用雪崩效應使光電流得到倍增的高靈敏度的檢測器。第53頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一4.2.3 雪崩光電二極管 2APD的結(jié)構(gòu) 目前APD結(jié)構(gòu)型式，有保護環(huán)型和拉通（又稱通達）型。 保護環(huán)型在制作時淀積一層環(huán)形N型材料，以防止在高反壓時使P-N結(jié)邊緣產(chǎn)生雪崩擊穿。 拉通型雪崩光電二極管（RAPD）的結(jié)構(gòu)示意圖和電場分布如圖4-17所示。圖4-17（a）所示的是縱向剖面的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4-17（b）所示的是將縱向剖面順時針轉(zhuǎn)90的示意圖。圖4-17（c）所示的是它的電場強度隨位置變化的分

32、布圖。 APD隨使用的材料不同有幾種：Si-APD（工作在短波長區(qū)）；Ge-APD和InGaAs-APD（工作在長波長區(qū)）等。 第54頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一4.2.3 雪崩光電二極管圖4-17 RAPD的結(jié)構(gòu)圖和能帶示意圖第55頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一第56頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一4.2.4 光電檢測器的特性 PIN管特性包括響應度、量子效率、響應時間和暗電流。 APD管除有上述特性外，還有雪崩倍增特性、溫度特性等。 1PIN光電二極管的特性 （1）響應度和量子效率 響應度和量子效率表征了光電二極管的光

33、電轉(zhuǎn)換效率。 響應度 響應度定義 （A/W）（4-10） 其中，Ip為光電檢測器的平均輸出電流，Pin為入射到光電二極管上的平均光功率。 第57頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一4.2.4 光電檢測器的特性 量子效率 量子效率表示入射光子轉(zhuǎn)換為光電子的效率。它定義為單位時間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光子數(shù)之比，即 （4-11） 其中，e為電子電荷，hf 為一個光子的能量， （4-12） 式中 m/s為光速， s為普朗克常數(shù)。也就是說，光電二極管的響應度和量子效率與入射光頻率（波長）有關。圖4-18為硅APD雪崩管的量子效率與波長的關系。 第58頁，共74頁，2022年，5月20

34、日，5點3分，星期一4.2.4 光電檢測器的特性圖4-18 PIN光電二極管響應度、 量子效應率 與波長 的關系第59頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一4.2.4 光電檢測器的特性（3）響應時間 表征檢測器對光信號響應速度快慢的參量。響應時間可以用光檢測器的輸出脈沖的上升時間和下降時間來表示：上升時間是輸出脈沖前沿的10到90之間的時間間隔，下降時間是輸出脈沖后沿的90到10的時間間隔。 響應時間越小越好。 影響光電二極管的響應時間的主要因素有： a.耗盡區(qū)光生載流子的漂移時間（耗盡區(qū)的電場很高，載流子能達到飽和速度） b.耗盡區(qū)以外產(chǎn)生載流子的擴散時間（慢，制約響應時間）

35、 c.光電二極管與其相關電路的RC時間常數(shù)第60頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一 (3) 響應時間和頻率特性。 光電二極管對高速調(diào)制光信號的響應能力用脈沖響應時間或截止頻率fc(帶寬B)表示。 對于數(shù)字脈沖調(diào)制信號，把光生電流脈沖前沿由最大幅度的10%上升到90%，或后沿由90%下降到10%的時間，分別定義為脈沖上升時間r和脈沖下降時間f。 當光電二極管具有單一時間常數(shù)0時，其脈沖前沿和脈沖后沿相同，且接近指數(shù)函數(shù)exp(t/0)和exp(-t/0)，由此得到脈沖響應時間 =r=f=2.20 (4.13)第61頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一 對于幅

36、度一定，頻率為=2f 的正弦調(diào)制信號，用光生電流I()下降3dB的頻率定義為截止頻率fc。當光電二極管具有單一時間常數(shù)0時， （4.14） PIN光電二極管響應時間或頻率特性主要由光生載流子在耗盡層的渡越時間d和包括光電二極管在內(nèi)的檢測電路RC常數(shù)所確定。第62頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一 當調(diào)制頻率與渡越時間d的倒數(shù)可以相比時， 耗盡層(I層)對量子效率()的貢獻可以表示為(4.15) 由()/(0)= 得到由渡越時間d限制的截止頻率（4.16） 式中，渡越時間d=w/vs，w為耗盡層寬度，vs為載流子渡越速度， 比例于電場強度。 由式(3.19)和式(3.18)可

37、以看出， 減小耗盡層寬度w，可以減小渡越時間d，從而提高截止頻率fc，但是同時要降低量子效率。第63頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一圖4.23 內(nèi)量子效率和帶寬的關系第64頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一4.2.4 光電檢測器的特性c.光電二極管與其相關電路的RC時間常數(shù) 光檢測器在實際應用中，必須與駢枝電路和前置放大器連接，等效電路如圖：Rs為光檢測器的串連電阻，Cd為結(jié)電容，Rl為負載電阻，Ra和Ca為前置放大器的等效輸入電阻和電容。光電二極管的結(jié)電容可以寫為：W增加可以增加光吸收，提高量子效率，同時也可以降低結(jié)電容，提高響應速度；但他也增加了載流子的漂移時間，所以要折中選擇W的寬度。第65頁，共74頁，2022年，5月20日，5點3分，星期一4.2.4 光電檢測器的特性 (3) 噪聲。 噪聲影響光接收機的靈敏度。 噪聲包括散粒噪聲(Shot Noise)(由