通信用光器件

通信用光器件第一頁，共四十八頁，2022年，8月28日LED的P__I特性曲線原理：由正向偏置電壓產(chǎn)生的注入電流進(jìn)行自發(fā)輻射而發(fā)光43210501001500℃25℃70℃電流/mA輸出功率/mW第二頁，共四十八頁，2022年，8月28日式中，f為調(diào)制頻率，P(f)為對應(yīng)于調(diào)制頻率f的輸出光功率，τe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(dāng)f=fc=1/(2πτe)時，|H(fc)|=，最高調(diào)制頻率應(yīng)低于截止頻率。(4)頻率特性。發(fā)光二極管的頻率響應(yīng)可以表示為|H(f)|=(3.12)圖3.17示出發(fā)光二極管的頻率響應(yīng)，圖中顯示出少數(shù)載流子的壽命τe和截止頻率fc

的關(guān)系。對有源區(qū)為低摻雜濃度的LED，適當(dāng)增加工作電流可以縮短載流子壽命，提高截止頻率。第三頁，共四十八頁，2022年，8月28日圖3.17發(fā)光二極管(LED)的頻率響應(yīng)第四頁，共四十八頁，2022年，8月28日

3.1.5半導(dǎo)體光源一般性能和應(yīng)用半導(dǎo)體光源的一般性能表：

3.1和表3.2列出半導(dǎo)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1.3μm(或0.85μm)波長的小容量短距離系統(tǒng)。因?yàn)長ED發(fā)光面積和光束輻射角較大，而多模SIF光纖或G.651規(guī)范的多模GIF光纖具有較大的芯徑和數(shù)值孔徑，有利于提高耦合效率，增加入纖功率。

LD通常和G.652或G.653規(guī)范的單模光纖耦合，用于1.3μm或1.55μm大容量長距離系統(tǒng)。

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(shè)計(jì)的單模光纖耦合，用于超大容量的新型光纖系統(tǒng)。第五頁，共四十八頁，2022年，8月28日表3.1半導(dǎo)體激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED)的一般性能-20×50-20×50-20×50-20×50工作溫度/°C壽命t/h30×12030×12020×5020×50輻射角50~15030~100500~2000500~1000調(diào)制帶寬B/MHz0.1~0.30.1~0.21~31~3入纖功率P/mW1~51~35~105~10輸出功率P/mW100~150100~150工作電流I/mA20~3030~60閥值電流Ith/mA50~10060~1201~21~3譜線寬度1.31.551.31.55工作波長LEDLD第六頁，共四十八頁，2022年，8月28日表3.2分布反饋激光器(DFB-LD)一般性能

20~4015~30輸出功率P/mW(連續(xù)單縱模,25oC)

2015外量子效率/%

15~2020~30閥值電流Ith/mA<0.08頻譜漂移/(nm/oC)30~35邊模抑制比/dB0.04~0.5(Gb/s,RZ)直接調(diào)制單縱模連續(xù)波單縱模譜線寬度

1.31.55工作波長第七頁，共四十八頁，2022年，8月28日光源組件實(shí)例第八頁，共四十八頁，2022年，8月28日3.2光檢測器

3.2.1光電二極管工作原理

3.2.2PIN光電二極管

一、工作原理和結(jié)構(gòu)

二、PIN光電二極管主要特性

(1)量子效率和光譜特性

(2)響應(yīng)時間和頻率特性

(3)噪聲

3.2.3雪崩光電二極管(APD)

一、工作原理和結(jié)構(gòu)

二、APD特性參數(shù)

3.2.4光電二極管一般性能和應(yīng)用第九頁，共四十八頁，2022年，8月28日光電檢測器的要求-靈敏度高，能檢測出入射在其上面的光功率，并完成光/電信號的轉(zhuǎn)換常用的半導(dǎo)體光電檢測器：光電二極管和雪崩光電二極管-足夠高的響應(yīng)度，對一定的入射功率能輸出足夠大的光電流-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(guān)系，以保證信號轉(zhuǎn)換過程中的不失真-具有較小的體積、較長的工作壽命等第十頁，共四十八頁，2022年，8月28日第十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日3.2光檢測器

在耗盡層形成漂移電流。內(nèi)部電場的作用，電子向N區(qū)運(yùn)動，空穴向P區(qū)運(yùn)動3.2.1光電二極管工作原理

光電二極管(PD)把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的功能，是由半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動PN結(jié)界面內(nèi)部電場漂移運(yùn)動能帶傾斜如果光子的能量大于或等于帶隙(hf≥Eg)當(dāng)入射光作用在PN結(jié)時發(fā)生受激吸收第十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日在耗盡層兩側(cè)是沒有電場的中性區(qū)，由于熱運(yùn)動，部分光生電子和空穴通過擴(kuò)散運(yùn)動可能進(jìn)入耗盡層，然后在電場作用下，形成和漂移電流相同方向的擴(kuò)散電流。漂移電流分量和擴(kuò)散電流分量的總和即為光生電流。當(dāng)與P層和N層連接的電路開路時，便在兩端產(chǎn)生電動勢，這種效應(yīng)稱為光電效應(yīng)。當(dāng)連接的電路閉合時，N區(qū)過剩的電子通過外部電路流向P區(qū)。同樣，P區(qū)的空穴流向N區(qū)，便形成了光生電流。當(dāng)入射光變化時，光生電流隨之作線性變化，從而把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。這種由PN結(jié)構(gòu)成，在入射光作用下，由于受激吸收過程產(chǎn)生的電子-空穴對的運(yùn)動，在閉合電路中形成光生電流的器件，就是簡單的光電二極管(PD)。第十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日如圖3.19(b)所示，光電二極管通常要施加適當(dāng)?shù)姆聪蚱珘?，目的是增加耗盡層的寬度，縮小耗盡層兩側(cè)中性區(qū)的寬度，從而減小光生電流中的擴(kuò)散分量。由于載流子擴(kuò)散運(yùn)動比漂移運(yùn)動慢得多，所以減小擴(kuò)散分量的比例便可顯著提高響應(yīng)速度。但是提高反向偏壓，加寬耗盡層，又會增加載流子漂移的渡越時間，使響應(yīng)速度減慢。為了解決這一矛盾，就需要改進(jìn)PN結(jié)光電二極管的結(jié)構(gòu)。第十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日

3.2.2PIN光電二極管

PIN光電二極管的產(chǎn)生

由于PN結(jié)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(zhuǎn)換效率低，響應(yīng)速度慢。為改善器件的特性，在PN結(jié)中間設(shè)置一層摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體(稱為I)，這種結(jié)構(gòu)便是常用的PIN光電二極管。第十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日PIN光電二極管的工作原理和結(jié)構(gòu)見圖3.20和圖3.21。中間的I層是N型摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體，用Π(N)表示；兩側(cè)是摻雜濃度很高的P型和N型半導(dǎo)體，用P+和N+表示。

I層很厚，吸收系數(shù)很小，入射光很容易進(jìn)入材料內(nèi)部被充分吸收而產(chǎn)生大量電子-空穴對，因而大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效率。兩側(cè)P+層和N+層很薄，吸收入射光的比例很小，I層幾乎占據(jù)整個耗盡層，因而光生電流中漂移分量占支配地位，從而大大提高了響應(yīng)速度。另外，可通過控制耗盡層的寬度w，來改變器件的響應(yīng)速度。第十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日第十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日圖3.21PIN光電二極管結(jié)構(gòu)第十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日P(x)xpin在半導(dǎo)體材料中光功率的吸收呈指數(shù)規(guī)律：其中as(l)為材料對波長l的吸收系數(shù)，P0是入射光功率，P(x)是光在耗盡區(qū)中經(jīng)過距離x后被吸收的功率pin的光吸收光損耗第十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日不同材料吸收系數(shù)as(l)與波長的關(guān)系截止波長lc由其帶隙能量Eg決定：lc=hc/Eg(1)l入射

>l截止hv入射不足以激勵出電子(2)l入射

<l截止材料對光子開始吸收(3)l入射

<<l截止材料吸收強(qiáng)烈(as很大)光的透射力變得很弱第二十頁，共四十八頁，2022年，8月28日有一個GaAs光電二極管，在300k時其帶隙能量為1.43eV，其截止波長為：因此，檢測器不能用于波長范圍大于869nm的系統(tǒng)中。例第二十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日如果耗盡區(qū)寬度為w，在距離w內(nèi)吸收光功率為：如果二極管的入射表面反射系數(shù)為Rf，初級光電流為：其中e是電子電荷。量子效率定義為產(chǎn)生的電子-空隙對與入射光子數(shù)之比：量子效率只與波長有關(guān)，而與Pin無關(guān)pin的量子效率第二十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日有一個InGaAs光電二極管，在100ns內(nèi)共入射了波長為1300nm的光子6×106個，產(chǎn)生了5.4×106個電子空隙對，則其量子效率可以等于：例第二十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日光電二極管的性能常使用響應(yīng)度來表征：例：能量為1.53×10-19J的光子入射到光電二極管上，此二極管的響應(yīng)度為0.65A/W，如果入射光功率為10mW，則產(chǎn)生的光電流為：pin的響應(yīng)度在1550nm處典型響應(yīng)度為0.7A/W第二十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日實(shí)際檢測器的量子效率一般在30%-95%之間。增加量子效率的辦法是增加耗盡區(qū)的厚度，使大部分的入射光子可以被吸收。但是耗盡區(qū)越寬，pin的響應(yīng)速度會變慢。因此二者構(gòu)成一對折衷式中，α(λ)和w分別為I層的吸收系數(shù)和厚度。由式(3.15)可以看到，當(dāng)α(λ)w>>1時，η→1，所以為提高量子效率η，I層的厚度w要足夠大第二十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日圖3-22PIN光電二極管響應(yīng)度、量子效應(yīng)率與波長的關(guān)系第二十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日圖3.22示出量子效率η和響應(yīng)度ρ的光譜特性，由圖可見，Si適用于0.8~0.9μm波段，Ge和InGaAs適用于1.3~1.6μm波段。響應(yīng)度一般為0.5~0.6(A/W)。

第二十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日如上圖所示，波長范圍為1300nm-1600nm的InGaAspin，量子效率約為90%，因此響應(yīng)度為：當(dāng)波長為1300nm時：當(dāng)波長大于1600nm時，光子能量不足以激發(fā)出一個電子。當(dāng)波長<1100nm時，光子在接近光電二極管的表面被吸收，所產(chǎn)生的電子空穴對的復(fù)合壽命很短，很多載流子并沒有產(chǎn)生光電流。所以在短波長響應(yīng)度的值迅速降低。例第二十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日

(二)響應(yīng)時間和頻率特性。光電二極管對高速調(diào)制光信號的響應(yīng)能力用脈沖響應(yīng)時間τ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τr和脈沖下降時間τf。當(dāng)光電二極管具有單一時間常數(shù)τ0時，其脈沖前沿和脈沖后沿相同，且接近指數(shù)函數(shù)exp(t/τ0)和exp(-t/τ0)，由此得到脈沖響應(yīng)時間τ=τr=τf=2.2τ0

(3.16)第二十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日對于幅度一定，頻率為ω=2πf的正弦調(diào)制信號，用光生電流I(ω)下降3dB的頻率定義為截止頻率fc。當(dāng)光電二極管具有單一時間常數(shù)τ0時，（3.17）

PIN光電二極管響應(yīng)時間或頻率特性主要由光生載流子在耗盡層的渡越時間τd和包括光電二極管在內(nèi)的檢測電路RC常數(shù)所確定。第三十頁，共四十八頁，2022年，8月28日當(dāng)調(diào)制頻率ω與渡越時間τd的倒數(shù)可以相比時，耗盡層(I層)對量子效率η(ω)的貢獻(xiàn)可以表示為(3.18)

由η(ω)/η(0)=得到由渡越時間τd限制的截止頻率（3.19）式中，渡越時間τd=w/vs，w為耗盡層寬度，vs為載流子渡越速度，比例于電場強(qiáng)度。由式(3.19)和式(3.18)可以看出，減小耗盡層寬度w，可以減小渡越時間τd，從而提高截止頻率fc，但是同時要降低量子效率η。第三十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日圖3.23內(nèi)量子效率和帶寬的關(guān)系第三十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日

由電路RC時間常數(shù)限制的截止頻率式中，Rt為光電二極管的串聯(lián)電阻和負(fù)載電阻的總和，Cd為結(jié)電容Cj和管殼分布電容的總和。式中，ε為材料介電常數(shù)，A為結(jié)面積，w為耗盡層寬度。(3.20)(3.21)第三十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日(三)噪聲。

噪聲影響光接收機(jī)的靈敏度。

噪聲包括散粒噪聲(ShotNoise)(由信號電流和暗電流產(chǎn)生)熱噪聲(由負(fù)載電阻和后繼放大器輸入電阻產(chǎn)生)

（1）均方散粒噪聲電流〈i2sh〉=2e(IP+Id)B(3.22)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。

2eIPB

稱為量子噪聲(由于入射光子和所形成的電子-空穴對都具有離散性和隨機(jī)性而產(chǎn)生)

2eIdB是暗電流產(chǎn)生的噪聲。

暗電流是器件在反偏壓條件下，沒有入射光時產(chǎn)生的反向直流電流。第三十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日（1）均方熱噪聲電流式中，k=1.38×10-23J/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(fù)載電阻和放大器輸入電阻并聯(lián)的結(jié)果。因此，光電二極管的總均方噪聲電流為〈i2〉=2e(IP+Id)B+(3.24)(3.23)〈i2T〉=第三十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日光電二極管物理原理及其參數(shù)雪崩倍增管的原理及其參數(shù)光電檢測器的噪聲分析光電檢測器的帶寬主要內(nèi)容第三十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日雪崩二極管(APD)照片第三十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日

3.2.3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(guān)系示于圖3.24。隨著反向偏壓的增加，開始光電流基本保持不變。當(dāng)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(shè)計(jì)的器件。根據(jù)光電效應(yīng)，當(dāng)光入射到PN結(jié)時，光子被吸收而產(chǎn)生電子-空穴對。

第三十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日如果電壓增加到使電場達(dá)到200kV/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(yùn)動。高速運(yùn)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(yīng)，致使載流子雪崩式倍增，見圖3.25。

所以這種器件就稱為雪崩光電二極管(APD)。第三十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日圖3.24光電二極管輸出電流I和反向偏壓U的關(guān)系

第四十頁，共四十八頁，2022年，8月28日圖3.25APD載流子雪崩式倍增示意圖(只畫出電子）第四十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日圖3.26APD結(jié)構(gòu)圖圖3.26示出的N+PΠP+結(jié)構(gòu)被稱為拉通型APD。第四十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日

APD的響應(yīng)度比PIN增加了g倍。

U為反向偏壓，UB為擊穿電壓，n為與材料特性和入射光波長有關(guān)的常數(shù)，R為體電阻。當(dāng)U≈UB時，RIo/UB<<1，上式可簡化為對APD特性新引入的參數(shù)是倍增因子和附加噪聲指數(shù)倍增因子

倍增因子g(一次光生電流產(chǎn)生的平均增益的倍數(shù))定義為APD輸出光電流Io和一次光生電流IP的比值。(3.25)(3.26)(3.27)第四十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日

2.過剩噪聲因子

APD的均方量子噪聲電流為〈i2q〉=2eIPBg2(3.26a)

引入新的噪聲成分，并表示為附加噪聲因子F。

F(>1)是雪崩效應(yīng)的隨機(jī)性引起噪聲增加的倍數(shù)，設(shè)F=gx，APD的均方量子噪聲電流應(yīng)為〈i2q〉=2eIPBg2+x(3.26b)式中，x為附加噪聲指數(shù)。同理，APD暗電流產(chǎn)生的均方噪聲電流應(yīng)為

〈i2d〉=2eIdBg2+x(3.27)

附加噪聲指數(shù)x與器件所用材料和制造工藝有關(guān)

Si-APD的x=0.3~0.5，Ge-APD的x=0.8~1.0，InGaAs-APD的x=0