光纖元件連接

1、光纖元件連接第1頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一第六章 光纖機械量傳感器 第七章 光纖熱工量傳感器 第八章 光纖電磁量傳感器 第九章 醫(yī)用光纖傳感器 第2頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一第二章 光纖系統(tǒng)轉換器與元件連接 2.1 引言一般的光纖系統(tǒng)包括發(fā)射機、接收機、光纖傳輸線第3頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一第4頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一22 電光轉換器光源光源是光發(fā)射機的關鍵器件，其功能是把電信號轉換為光信號。目前光纖通信廣泛使用的光源主要有半導體激光二極管或稱激光器(LD

2、)和發(fā)光二極管或稱發(fā)光管(LED)， 有些場合也使用固體激光器，例如摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)激光器。 第5頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一 2.2.1 光源的特性 一、輸出功率特性 對于一個帶有光纖輸出的光源，要求是從光纖終端射出的光通量應最大。這個量的大小取決于光源的波長和射入光纖的光通量。射入光纖的光通量與光源和光纖的耦合效果以及光源的亮度有關第6頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一二、輻射頻譜特性光源輻射的頻譜特性應與光纖波導的傳輸頻響特性匹配。SiO2光纖的損耗曲線表明，除OH根的吸收峰值外，光纖損耗隨波長的增加而減小。在波長為

3、0.8-1.6微米的區(qū)域內(nèi)，傳輸損耗較低。第7頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一三、電光轉換特性 施加于光源的電偏置對光輸出有直接影響。 通常，輸出功率值隨電激勵的增加而增加。但是，器件的溫度也隨電激勵的增加而升高。因此，對于大多數(shù)電光變換器來說非恒溫的輸出光功率比恒溫的稍低，且光頻將發(fā)生變化。第8頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一四、環(huán)境特性 除某些半導體光源外，大多數(shù)光源的平均壽命都在幾千小時范圍內(nèi)。其輸出功率常常隨使用時間下降，且與溫度密切相關。第9頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一2.2.2 典型光源一、白熾

4、光源 白熾光源屬于溫度輻射體，具有連續(xù)的光譜分布。輻射光是從通有電流的鎢絲發(fā)出來的。 鎢絲的熔點約為3600K鎢絲裝在抽成真空的或充有惰性氣體的玻璃泡里，工作溫度通常在22003000 K。白熾燈發(fā)光近于黑體輻射光源的亮度正比于輻射體熱力學溫度的4次方，輻射光譜的蜂值波長與輻射體的溫度成反比。第10頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一二、氣體溫光器 氣體激光器通常用于要求高度相干的系統(tǒng)中。 最常用的氣體激光源有： 工作波長為0.633 m或1.15 m的氦氖激光器， 工作波長為10.6m的二氧化碳激光器， 工作波長為0.516 m的氨離子激光器。 第11頁，共155頁，

5、2022年，5月20日，17點51分，星期一 HeNe激光器容易達到單縱模工作，一種方法是減小激光腔的長度使得在激光帶寬內(nèi)只發(fā)生一個振蕩模。這種單模的線寬非常窄，低到1kHz的寬度(相當于空氣中300 km的相干長度)。比較典型的線寬是幾kHz。第12頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一 三、固體激光器 常見的固體激光器有紅寶石激光器(Ruby)、釹玻璃激光器(Nd：glass)和摻釹億鋁石榴石激光器(Nd：YAG)。三者各有其特點，以Nd： YAG激光器應用最廣。特別是用Nd； YAG晶體光纖制成的小型激光器更是光纖系統(tǒng)的理想光源。典型情況工作于1.064 m波長.第

6、13頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一四、半導體光源 半導體光源是光纖系統(tǒng)中最常用的也是最重要的光源。其主要優(yōu)點是體積小、重量輕、可靠性高、使用壽命長，亮度足夠、供電電源簡單等。它與光纖的特點相容，因此，在光纖傳感器和光纖通信中得到廣泛應用。第14頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一 1 半導體激光器工作原理和基本結構 半導體激光器是向半導體PN結注入電流， 實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。激光，其英文LASER就是Light Amplification by Stimulated Emiss

7、ion of Radiation(受激輻射的光放大)的縮寫。所以討論激光器工作原理要從受激輻射開始。 第15頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一 能級和電子躍遷(a) 受激吸收； (b) 自發(fā)輻射； (c) 受激輻射 受激輻射和粒子數(shù)反轉分布第16頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一 受激輻射是受激吸收的逆過程。 電子在E1和E2兩個能級之間躍遷，吸收的光子能量或輻射的光子能量都要滿足波爾條件，即 E2-E1=hf12 式中，h=6.62810-34Js，為普朗克常數(shù)，f12為吸收或輻射的光子頻率。 第17頁，共155頁，2022年，5月20日，

8、17點51分，星期一受激輻射和自發(fā)輻射產(chǎn)生的光的特點很不相同。受激輻射光的頻率、相位、偏振態(tài)和傳播方向與入射光相同，這種光稱為相干光。自發(fā)輻射光是由大量不同激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)躍遷產(chǎn)生的，其頻率和方向分布在一定范圍內(nèi)，相位和偏振態(tài)是混亂的，這種光稱為非相干光。 第18頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一 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 PN結的能帶和電子分布第19頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一PN結的能帶和電子分布(a) P - N結內(nèi)載流子運動；(b) 零偏壓時P - N結的能帶圖； (c

9、) 正向偏壓下P - N結能帶圖 第20頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一自發(fā)輻射電子運動方向與電場方向相反，便使N區(qū)的電子向P區(qū)運動，P區(qū)的空穴向N區(qū)運動，最后在PN結形成一個特殊的增益區(qū)。增益區(qū)的導帶主要是電子，價帶主要是空穴，結果獲得粒子數(shù)反轉分布，見圖 (c)。在電子和空穴擴散過程中，導帶的電子可以躍遷到價帶和空穴復合，產(chǎn)生自發(fā)輻射光。 第21頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一 激光振蕩和光學諧振腔 粒子數(shù)反轉分布是產(chǎn)生受激輻射的必要條件，但還不能產(chǎn)生激光。只有把激活物質(zhì)置于光學諧振腔中，對光的頻率和方向進行選擇，才能獲得連續(xù)的光放大

10、和激光振蕩輸出。 基本的光學諧振腔由兩個反射率分別為R1和R2的平行反射鏡構成(如圖所示)，并被稱為法布里 - 珀羅(Fabry Perot, FP)諧振腔。第22頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一 激光器的構成和工作原理 (a) 激光振蕩； (b) 光反饋 第23頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一 半導體激光器基本結構半導體激光器的結構多種多樣，基本結構是雙異質(zhì)結(DH)平面條形結構。這種結構由三層不同類型半導體材料構成，不同材料發(fā)射不同的光波長。第24頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一結構中間有一層厚0.10.3

11、 m的窄帶隙P型半導體，稱為有源層；兩側分別為寬帶隙的P型和N型半導體， 稱為限制層。三層半導體置于基片(襯底)上，前后兩個晶體解理面作為反射鏡構成法布里 - 珀羅(FP)諧振腔。第25頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一DH激光器工作原理(a) 短波長； (b) 長波長 (a) 雙異質(zhì)結構； (b) 能帶； (c) 折射率分布； (d) 光功率分布 由于限制層的帶隙比有源層寬，施加正向偏壓后， P層的空穴和N層的電子注入有源層。 P層帶隙寬， 導帶的能態(tài)比有源層高，對注入電子形成了勢壘， 注入到有源層的電子不可能擴散到P層。同理，注入到有源層的空穴也不可能擴散到N層。

12、 第26頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一這樣，注入到有源層的電子和空穴被限制在厚0.10.3 m的有源層內(nèi)形成粒子數(shù)反轉分布，這時只要很小的外加電流，就可以使電子和空穴濃度增大而提高效益。另一方面，有源層的折射率比限制層高，產(chǎn)生的激光被限制在有源區(qū)內(nèi)，因而電/光轉換效率很高，輸出激光的閾值電流很低，很小的散熱體就可以在室溫連續(xù)工作。 第27頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一 2 半導體激光器的主要特性 1. 發(fā)射波長和光譜特性 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的能量，這個能量近似等于禁帶寬度Eg(eV) hf=Eg式

13、中，f=c/，f(Hz)和(m)分別為發(fā)射光的頻率和波長， c=3108 m/s為光速，h=6.62810-34JS為普朗克常數(shù)，1 eV=1.610-19 J，代入上式得到第28頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一 不同半導體材料有不同的禁帶寬度Eg，因而有不同的發(fā)射波長。鎵鋁砷 -鎵砷(GaAlAsGaAs)材料適用于0.85 m波段，銦鎵砷磷 - 銦磷(InGaAsPInP)材料適用于1.31.55 m波段。 第29頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一 圖 3.7 GaAlAsDH激光器的光譜特性 (a) 直流驅動; (b) 300 Mb/

14、s數(shù)字調(diào)制 第30頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一 2. 激光束的空間分布 激光束的空間分布用近場和遠場來描述。近場是指激光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31頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一第32頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一GaAlAsDH條形激光器的近場圖 第33頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一典型半導體激光器的遠場輻射特性和遠場圖樣 (a) 光強的角分布； (b) 輻射光束 第34頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星

15、期一 3. 轉換效率和輸出光功率特性 激光器的電/光轉換效率用外微分量子效率d表示，其定義是在閾值電流以上，每對復合載流子產(chǎn)生的光子數(shù)由此得到式中，P和I分別為激光器的輸出光功率和驅動電流，Pth和Ith分別為相應的閾值，hf和e分別為光子能量和電子電荷。第35頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一 典型半導體激光器的光功率特性(a) 短波長AlGaAs/GaAs; (b) 長波長InGaAsP/InP 第36頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一4. 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)= 第37頁，共15

16、5頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一 式中，fr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38頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一圖 3.11 半導體激光器的直接調(diào)制頻率特性 第39頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一 5. 溫度特性 第40頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一 作業(yè)1：什么是單模光纖和多模光纖？它們各有什么特點？2、半

17、導體激光器能夠輸出激光應具備的基本條件有那些？第41頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一第42頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一6、分布反饋激光器 隨著技術的進步，高速率光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展和新型光纖通信系統(tǒng)例如波分復用系統(tǒng)的出現(xiàn)，都對激光器提出更高的要求。 和由FP諧振腔構成的DH激光器相比，要求新型半導體激光器的譜線寬度更窄，并在高速率脈沖調(diào)制下保持動態(tài)單縱模特性；發(fā)射光波長更加穩(wěn)定，并能實現(xiàn)調(diào)諧；閾值電流更低， 而輸出光功率更大。具有這些特性的動態(tài)單縱模激光器有多種類型，其中性能優(yōu)良并得到廣泛應用的是分布反饋(Distributed Fee

18、d Back, DFB)激光器。 第43頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一 由有源層發(fā)射的光，從一個方向向另一個方向傳播時，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)。如果光線a和b匹配，相互疊加，則產(chǎn)生更強的反饋，而其他波長的光將相互抵消。雖然每個波紋峰反射的光不大， 但整個光柵有成百上千個波紋峰，反饋光的總量足以產(chǎn)生激光振蕩。 第44頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一光柵周期由下式確定=m 式中，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

19、的有兩個閾值最低、增益相同的縱模，其波長為 第45頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一DFB激光器與FP激光器相比， 具有以下優(yōu)點： 單縱模激光器。 FP激光器的發(fā)射光譜是由增益譜和激光器縱模特性共同決定的，由于諧振腔的長度較長，導致縱模間隔小，相鄰縱模間的增益差別小，因此要得到單縱模振蕩非常困難。DFB激光器的發(fā)射光譜主要由光柵周期決定。相當于FP激光器的腔長L，每一個形成一個微型諧振腔。由于的長度很小，所以m階和(m+1)階模之間的波長間隔比FP腔大得多，加之多個微型腔的選模作用，很容易設計成只有一個模式就能獲得足夠的增益。于是DFB激光器容易設計成單縱模振蕩。 第

20、46頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一 譜線窄， 波長穩(wěn)定性好。 由于DFB激光器的每一個柵距相當于一個FP腔，所以布喇格反射可以看作多級調(diào)諧，使得諧振波長的選擇性大大提高， 譜線明顯變窄，可以窄到幾個GHz。 由于光柵的作用有助于使發(fā)射波長鎖定在諧振波長上，因而波長的穩(wěn)定性得以改善。 動態(tài)譜線好。 DFB激光器在高速調(diào)制時也能保持單模特性，這是FP激光器無法比擬的。盡管DFB激光器在高速調(diào)制時存在啁啾，譜線有一定展寬，但比FP激光器的動態(tài)譜線的展寬要改善一個數(shù)量級左右。 第47頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一 線性好。 DFB激光器的線性

21、非常好， 因此廣泛用于模擬調(diào)制的有線電視光纖傳輸系統(tǒng)中。 第48頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一7、發(fā)光二極管 發(fā)光二極管(LED)的工作原理與激光器(LD)有所不同， LD發(fā)射的是受激輻射光，LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光。LED的結構和LD相似，大多是采用雙異質(zhì)結(DH)芯片，把有源層夾在P型和N型限制層中間，不同的是LED不需要光學諧振腔， 沒有閾值。發(fā)光二極管有兩種類型：一類是正面發(fā)光型LED， 另一類是側面發(fā)光型LED，其結構示于圖3.14。和正面發(fā)光型LED相比，側面發(fā)光型LED驅動電流較大，輸出光功率較小， 但由于光束輻射角較小，與光纖的耦合效率較高，因而入

22、纖光功率比正面發(fā)光型LED大。 第49頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一 兩類發(fā)光二極管(LED) (a) 正面發(fā)光型； (b) 側面發(fā)光型 第50頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一 和激光器相比，發(fā)光二極管輸出光功率較小，譜線寬度較寬，調(diào)制頻率較低。但發(fā)光二極管性能穩(wěn)定，壽命長，輸出光功率線性范圍寬， 而且制造工藝簡單，價格低廉。因此， 這種器件在小容量短距離系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用。 發(fā)光二極管具有如下工作特性： (1) 光譜特性。 第51頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一 LED光譜特性 第52頁，共155頁，20

23、22年，5月20日，17點51分，星期一 (2) 光束的空間分布。 在垂直于發(fā)光平面上， 正面發(fā)光型LED輻射圖呈朗伯分布， 即P()=P0 cos，半功率點輻射角120。側面發(fā)光型LED，120，2535。由于大，LED與光纖的耦合效率一般小于10%。 (3) 輸出光功率特性。 在通常工作條件下，LED工作電流為50100mA， 輸出光功率為幾mW，由于光束輻射角大，入纖光功率只有幾百W。 第53頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一 發(fā)光二極管(LED)的P - I特性 第54頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一 (4) 頻率特性。 e為少數(shù)載

24、流子(電子)的壽命 第55頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一8、半導體光源一般性能和應用 表3.1和表3.2列出半導體激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)的一般性能。 LED通常和多模光纖耦合，用于1.3 m(或0.85 m)波長的小容量短距離系統(tǒng)。 LD通常和G.652或G.653規(guī)范的單模光纖耦合，用于1.3 m或1.55 m大容量長距離系統(tǒng)，這種系統(tǒng)在國內(nèi)外都得到最廣泛的應用。 分布反饋激光器(DFB - LD)主要和G.653或G.654規(guī)范的單模光纖或特殊設計的單模光纖耦合，用于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56頁，共155頁

25、，2022年，5月20日，17點51分，星期一第57頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一表 3.2分布反饋激光器(DFB - LD)一般性能 第58頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一 在實際應用中，通常把光源做成組件，同時利用熱敏電阻和冷卻元件進行溫度監(jiān)測和自動溫度控制(ATC)。 第59頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一第60頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一2.3 光電轉換器光探測器光電探測器：對各種光輻射進行接收和探測的器件2.3.1 光探測器的特性參數(shù) 第61頁，共155頁，2022年

26、，5月20日，17點51分，星期一一、量子效率 光探測器吸收光子產(chǎn)生光電子。光電子形成光電流，光電流與光功率成正比。由光子統(tǒng)計理論可知光電流J與入射光功率P的關系為式中為光電轉換因子, ;e為電子電荷；h為普朗克常數(shù)；p為人射光頻率；為量子效率、Phv為單位時間入射到探測器表面的光子致；Ie為單位時間內(nèi)被光子激勵的光電子數(shù)。 第62頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一量子效率定義為對于理想的探測器1，即一個光于產(chǎn)生一個光電子。實際探測器1。顯然，越接近1，效率越高。第63頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一二、響應度響應度是與量子效率相對應的宏觀

27、參數(shù)。它包括電壓響應度和電流靈敏度。1 電壓響應度Rv電壓響應度定義為入射的單位光功率所能產(chǎn)生的信號電壓，即 Rv = Us / P式中，Us為探測器產(chǎn)生的信號電壓, P為入射功率。通常規(guī)定P和Us均取有效值。第64頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一2電流靈敏度Sd電流靈敏度定義為入射的單位光功率所能產(chǎn)生的傳導電流，即 Sd = Is / P式中Is為探測器產(chǎn)生的信導電流，通常規(guī)定P和Is均取有效值第65頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一 三、光譜響應 光譜響應是光探測器的響應度隨入射光波長變化的特性。把響應度隨波長變化的規(guī)律畫成曲線稱為光譜

28、響應曲線。有時取響應的相對變化值，并把響應的相對最大值作為1，這種曲線稱為“歸一化光譜響應曲線”。響應度最大時所對應的波長稱為峰值響應波長，以m表示。當光波長偏離m時，響應度便下降。當響應度下降到其峰值的50時，所對應的波長c稱為光譜響應的截止波長。第66頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一第67頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一 四、頻率響應和響應時間 頻率響應是在入射光波長一定的條件下，探測器的響應度隨入射光信號的調(diào)制頻率變化的特性。探測器的頻率響應R(f)可表示為式中R(0)為調(diào)制頻率為零時的響應度；為探測器的時間常數(shù)由探測器的材料、結構

29、及外電路決定。第68頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一五、噪聲等效功率 當選擇光探測器時，通常認為響應度越大越好。但在探測微弱信號時，限制光探測器探測能力的因素不是響應度的大小，而是光探測器的噪聲。 當無入射光時，輸出端仍有電信號輸出，這就是噪聲的影響。通常引入等效噪聲功率(NEP)的概念來表征探測器的最小可探測功率。 等效噪聲功率定義為探測器輸出電壓恰好等于輸出噪聲電壓時的入射光功率，即式中各量均取有效值。NEP越小，探測器的探測能力越強第69頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一六、探測度探測度(D)定義為NEP的倒數(shù)，即 D1NEP (1w

30、) D表示探測器的探測能力，其值超大超好。第70頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一2.3.2 光電探測器的原理 探測器在受光照射后，吸收了光子的能量，并把它轉換成另一種能量，因此光探測器是將光能轉換為其它能量的換能器。 光探測器可分為熱電探測器和光電探測器。 第71頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一 熱電探測器的原理是基于光輻射引起探測器溫度上升，從而使與溫度有關的電物理量產(chǎn)生變化，測量其變化便可測定入射光的能量或功率。 探測器的光譜響應沒有選擇性。最常用的熱電效應有三種：溫差電效應、熱敏電阻效應和熱釋電效應。 熱電探測器的優(yōu)點是可以在室溫下

31、工作和無光譜選擇性。 溫差電探測器和熱敏電阻探測器的缺點是響應速度慢，只能用于光能量、功率的慢速測量。 熱釋電探測器對溫度的變化極靈敏，響應速度快，在中、遠紅并光探測器中有發(fā)展前途。第72頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一 在光纖傳感系統(tǒng)中所用的光探測器多半是光電探測器。所應用的光電效應主要有光電子發(fā)射效應、光電導效應、光伏效應及光電磁效應等。第73頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一 一、光電子發(fā)射效應 光電發(fā)射現(xiàn)象是赫茲于1887年在做電磁振蕩的研究中首先發(fā)現(xiàn)的，由此開拓了外光電轉換技術。經(jīng)過近百年的探討及大量研究工作，使光電發(fā)射的理論不斷

32、深入目前被公認的理論模型是三步過程模型。即把光電發(fā)射的物理過程分為三步： 光電發(fā)射體內(nèi)的電子被入射光子激發(fā)到高能態(tài)； 受激電子向表面運動，在運動的過程中因碰撞而損失部分能量； 到達表面的受激電子克服表面電子親和勢而逸出。第74頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一 根據(jù)光的量子理論，每個光子具有能量hv。則電子吸收光子能量后逸出材料表面成為光電子。這種效應稱為光電子發(fā)射或外光電效應，可用愛因斯坦方程來描述 式中，Ek為光電子的動能，w為光電子發(fā)射材料的逸出功，表示產(chǎn)生一個光電子所必須給予束縛電子的最小能量。 第75頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期

33、一第76頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一二、光電導效應 當光照射在某些半導體材料時若透入內(nèi)部的光子能量足夠大，則某些電子吸收光于能量從原來的束縛態(tài)變成導電的自由態(tài)。這時在外電場作用下流過半導體的電流會增大，即半導體的電導增大，這種現(xiàn)象稱為光電導效應。它是一種內(nèi)光電效應。光敏管及光敏電阻的光電效應屬于此類效應。第77頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一第78頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一 三、光生伏特效應在無光照射時PN結內(nèi)存在內(nèi)部電場E。當光照射在PN結及其附近時，若光子的能量足夠大，則在結區(qū)及其附近產(chǎn)生少數(shù)載流

34、了(電子空穴對)。它們在結區(qū)外時，靠擴散進入結區(qū)，它們在結區(qū)內(nèi)時，則在電場E作用下電子漂移到N區(qū)，空穴漂移到P區(qū)。結果，N區(qū)帶負電荷，P區(qū)帶正電荷，產(chǎn)生附加電動勢。此電動勢稱為光生電動勢，此效應稱為光生伏特效應。第79頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一第80頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一 四、光電磁效應 將半導體樣品置于強磁場中，用激光輻射線垂直照射其表面。當光子能量足夠大時，在表面層內(nèi)激發(fā)出光生載流子電子空穴對，并在樣品表面層和體內(nèi)形成載流于濃度梯度于是光生載流子向體內(nèi)擴散。在擴散過程中，由于磁場產(chǎn)生的洛侖茲力的作用，電子和空穴偏向樣品

35、兩端，產(chǎn)生電荷積累，這就是光電磁效應。第81頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一2.3.3 半導體光電探測器1、光電二極管工作原理 光電二極管(PD)把光信號轉換為電信號的功能， 是由半導體PN結的光電效應實現(xiàn)的。 第82頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一第83頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一 光電二極管通常要施加適當?shù)姆聪蚱珘海康氖窃黾雍谋M層的寬度，縮小耗盡層兩側中性區(qū)的寬度，從而減小光生電流中的擴散分量。由于載流子擴散運動比漂移運動慢得多，所以減小擴散分量的比例便可顯著提高響應速度。但是提高反向偏壓，加寬耗盡層

36、，又會增加載流子漂移的渡越時間， 使響應速度減慢。為了解決這一矛盾， 就需要改進PN結光電二極管的結構。 第84頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一2、PIN光電二極管 由于PN結耗盡層只有幾微米，大部分入射光被中性區(qū)吸收， 因而光電轉換效率低，響應速度慢。為改善器件的特性，在PN結中間設置一層摻雜濃度很低的本征半導體(稱為I)，這種結構便是常用的PIN光電二極管。 第85頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一第86頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一圖3. 21 PIN光電二極管結構第87頁，共155頁，2022年，5月2

37、0日，17點51分，星期一PIN光電二極管響應度 量子效應率 與波長 的關系第88頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一噪聲。 噪聲是反映光電二極管特性的一個重要參數(shù)。光電二極管的噪聲包括由信號電流和暗電流產(chǎn)生的散粒噪聲(Shot Noise)和由負載電阻和后繼放大器輸入電阻產(chǎn)生的熱噪聲。噪聲通常用均方噪聲電流(在1負載上消耗的噪聲功率)來描述。 均方散粒噪聲電流 i2sh=2e(IP+Id)B 式中，e為電子電荷，B為放大器帶寬，Ip和Id分別為信號電流和暗電流。 第89頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一 i2T= 式中，k=1.3810-23

38、J/K為波爾茲曼常數(shù)，T為等效噪聲溫度，R為等效電阻，是負載電阻和放大器輸入電阻并聯(lián)的結果。 因此， 光電二極管的總均方噪聲電流為i2=2e(IP+Id)B+ 均方熱噪聲電流第90頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一3、雪崩光電二極管(APD) 光電二極管輸出電流I和反偏壓U的關系示于圖。 隨著反向偏壓的增加，開始光電流基本保持不變。當反向偏壓增加到一定數(shù)值時，光電流急劇增加，最后器件被擊穿，這個電壓稱為擊穿電壓UB。APD就是根據(jù)這種特性設計的器件。 第91頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一圖 光電二極管輸出電流I和反向偏壓U的關系 (返回）第92頁，共155頁，2022年，5月20日，17點51分，星期一 根據(jù)光電效應，當光入射到PN結時， 光子被吸收而產(chǎn)生電子 - 空穴對。如果電壓增加到使電場達到200 kV/cm以上，初始電子(一次電子)在高電場區(qū)獲得足夠能量而加速運動。高速運動的電子和晶格原子相碰撞， 使晶格原子電離，產(chǎn)生新的電子 - 空穴對。新產(chǎn)生的二次電子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，產(chǎn)生連鎖反應，致使載流子雪崩式倍增，見圖。所以這種器