光源和光電檢測器

光源和光電檢測器第一頁，共四十頁，2022年，8月28日4.1半導(dǎo)體的能帶理論1、晶體的能帶晶體的能譜在原子能級的基礎(chǔ)上按共有化運(yùn)動的不同而分裂成若干組。每組中能級彼此靠得很近，組成有一定寬度的帶，稱為能帶。第二頁，共四十頁，2022年，8月28日鍺、硅和CaAs等都是共價晶體。形成共價鍵的價電子所占據(jù)的能帶稱為價帶。價帶下面的能帶是被電子占滿了，稱為滿帶。價帶上面的能帶稱為導(dǎo)帶。價帶和導(dǎo)帶，價帶和滿帶之間的寬度，不能被電子占據(jù)因此稱為禁帶。第三頁，共四十頁，2022年，8月28日原子的電離以及電子與空穴的復(fù)合發(fā)光等過程，主要發(fā)生在價帶和導(dǎo)帶之間。第四頁，共四十頁，2022年，8月28日2、費(fèi)米－狄拉克統(tǒng)計(jì)電子是費(fèi)米子(自旋量子數(shù)為1/2)，符合泡里不相容原理。電子在各能級中的分布，服從費(fèi)米－狄拉克統(tǒng)計(jì)。費(fèi)米能級不是一個可以被電子占據(jù)的實(shí)在的能級，它是反映電子在各能級中分布情況的參量，具有能級的量綱。第五頁，共四十頁，2022年，8月28日3、各種半導(dǎo)體中電子的統(tǒng)計(jì)分布根據(jù)費(fèi)米分布規(guī)律，可以畫出各種半導(dǎo)體中電子的統(tǒng)計(jì)分布。如圖4-1-4所示第六頁，共四十頁，2022年，8月28日4.2PN結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)1、PN結(jié)的形成當(dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體形成PN結(jié)時，載流子的濃度差引起擴(kuò)散運(yùn)動，P區(qū)的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，剩下帶負(fù)電的電離受主，從而在靠近PN結(jié)界面的區(qū)域形成一個帶負(fù)電的區(qū)域。同樣，N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散，剩下帶正電的電離施主，從而造成一個帶正電的區(qū)域。載流子擴(kuò)散運(yùn)動的結(jié)果形成了一個空間電荷區(qū)，稱為PN結(jié)。第七頁，共四十頁，2022年，8月28日PN結(jié)具有單向?qū)щ娦援?dāng)PN結(jié)加上正向電壓時，外加電壓的電場方向消弱了自建場，P區(qū)的空穴通過PN結(jié)流向N區(qū)，N區(qū)的電子也流向P區(qū)，形成正向電流。由于P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子都很多，所以這股正向電流是大電流。當(dāng)PN結(jié)加反向電壓時，外電場的方向和自建場相同，多數(shù)載流子將背離PN結(jié)的交界面移動，使空間電荷區(qū)變寬。空間電荷區(qū)內(nèi)電子和空穴都很少，它變成高阻層，因而反向電流非常小。第八頁，共四十頁，2022年，8月28日2PN結(jié)的能帶第九頁，共四十頁，2022年，8月28日3增益區(qū)的形成對于兼并型P型半導(dǎo)體和兼并型N型半導(dǎo)體形成的PN結(jié)，當(dāng)注入電流(或正向電壓)加大到某一值后，準(zhǔn)費(fèi)米能級EfC和EfV的能量間隔大于禁帶寬度，PN結(jié)里出現(xiàn)一個增益區(qū)(也叫有源區(qū))。實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。這個區(qū)域?qū)庾幽芰繚M足

Eg＜hν＜e0V的光子有光放大作用。半導(dǎo)體激光器的輻射就發(fā)生在這個區(qū)域。第十頁，共四十頁，2022年，8月28日4.3同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)早期研制的半導(dǎo)體激光器和發(fā)生二極管一般采用同質(zhì)結(jié)構(gòu)。同質(zhì)結(jié)就是在PN結(jié)的兩邊使用相同的半導(dǎo)體材料。采用同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的激光器存在如下問題：首先是對光波的限制不完善；其次是對載流子的限制不完善第十一頁，共四十頁，2022年，8月28日為了降低同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的閾值電流，就要從上述兩個方面改進(jìn)。雙異質(zhì)結(jié)(DH)是窄帶隙有源區(qū)(GaAs)材料被夾在寬帶隙的材料(GaAlAs)之間構(gòu)成。第十二頁，共四十頁，2022年，8月28日由于雙異質(zhì)結(jié)激光器在有源區(qū)兩側(cè)，既限制了載流子，又限制了光波。所以它的光強(qiáng)分布基本被約束在有源區(qū)，而且閾值電流大大降低。第十三頁，共四十頁，2022年，8月28日4.4發(fā)光二極管的工作原理發(fā)光二極管(LED)是低速、短距離光通信系統(tǒng)中常用光源。目前廣泛采用PN異質(zhì)結(jié)制造。LED的原理是在LED注入正向電流時，注入的非平衡載流子在擴(kuò)散過程中發(fā)光。LED是非相干光源，它的發(fā)光過程是自發(fā)輻射過程，發(fā)出的是熒光，它沒有光學(xué)諧振腔，是無閾值器件。第十四頁，共四十頁，2022年，8月28日LED有如下工作特性：(1)LED的光譜特性它的譜線寬度較寬，對高速率調(diào)制是不利的。(2)LED的電光轉(zhuǎn)換特性光輸出功率P與注入電流I的關(guān)系，一般稱為P-I曲線，LED的P-I曲線線性范圍較大。在進(jìn)行調(diào)制時，動態(tài)范圍大，信號失真小。

第十五頁，共四十頁，2022年，8月28日4.5半導(dǎo)體激光器的工作原理1、光纖通信對半導(dǎo)體激光器的主要要求半導(dǎo)體激光器(LD)是光纖通信最主要的光源，對它的基本要求有以下幾點(diǎn)：①光源應(yīng)在光纖的三個低損耗窗口工作，即發(fā)光波長為0.85μm、1.31μm或1.55μm。第十六頁，共四十頁，2022年，8月28日②光源的譜線寬度較窄，Δλ=0.1～1.0nm。③能提供足夠的輸出功率，可達(dá)到10mW以上。④與光纖耦合效率高，30%～50%。⑤能長時間連續(xù)工作，工作穩(wěn)定。因此，LD非常適合于高碼速率長距離的光纖通信系統(tǒng)。第十七頁，共四十頁，2022年，8月28日2、LD的工作原理半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光輸出應(yīng)滿足三個基本條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布光反饋激光振蕩的閾值條件第十八頁，共四十頁，2022年，8月28日3LD的結(jié)構(gòu)普通的半導(dǎo)體激光器一般采用條形結(jié)構(gòu)雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(BHLD)，光學(xué)諧振腔為法布里－珀羅腔(F－P)，它可以分為兩類，即增益波導(dǎo)LD和折射率波導(dǎo)LD。

第十九頁，共四十頁，2022年，8月28日

4動態(tài)單縱模激光器的原理所謂動態(tài)單縱模激光器(SLMLD)，就是指在高速調(diào)制下仍能單縱模工作的半導(dǎo)體激光器。目前，比較成熟的單縱模激光器有分布反饋激光器及耦合腔激光器。

第二十頁，共四十頁，2022年，8月28日分布反饋激光器的原理：分布反饋半導(dǎo)體激光器(Distributed-FeedbackSemiconductorLaserDFBLaser)，它是在異質(zhì)結(jié)激光器具有光放大作用的有源層附近，刻上波絞狀的周期的光柵來構(gòu)成的。光子在每一條光柵上的反射形成一個激光器所需要的光反饋。

第二十一頁，共四十頁，2022年，8月28日由于這種波紋狀周期結(jié)構(gòu)對光的反射作用，使得在一個方向上傳播的光波不斷地被反饋回相對的方向，使得前向和反向波之間產(chǎn)生耦合，這種結(jié)構(gòu)可以理解為形成了一個對光波波長“敏感”的光學(xué)諧振腔。由布喇格條件:2nΛ=mλ，分布反饋激光器具有極強(qiáng)的波長選擇性，從而實(shí)現(xiàn)動態(tài)單縱模工作。

第二十二頁，共四十頁，2022年，8月28日5量子阱激光器的基本原理夾于寬帶隙半導(dǎo)體(如Ga1-xAlxAs)中間的窄帶隙半導(dǎo)體(如GaAs)起著載流子(電子和空穴)陷阱的作用。材料的電性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生劇烈的變化，垂直于有源層方向上運(yùn)動的載流子動能可量子化成分立的能級，這類似于一維勢阱的量子力學(xué)問題，因而這類激光器叫做量子阱激光器。第二十三頁，共四十頁，2022年，8月28日量子阱中的能級結(jié)構(gòu)如圖4-5-4示所出第二十四頁，共四十頁，2022年，8月28日在量子阱結(jié)構(gòu)中，只要簡單地改變阱寬Lz，就可改變發(fā)射光子的能量。阱寬愈小，激光發(fā)射向高能量方向移動。同時，可以導(dǎo)致量子阱激光器的高速度和窄帶寬。

有多個有源層，即多個量子阱的激光器稱為多量子阱激光器(MQW-LD)，它可以獲得更低的閾值電流，輸出功率很大，可達(dá)幾百毫瓦以上，線寬很寬，可達(dá)25kHz。第二十五頁，共四十頁，2022年，8月28日4.6LD的工作特性LD的工作特性可以用一些特性曲線和特性參量來描述：1、P-I曲線第二十六頁，共四十頁，2022年，8月28日

2、光譜特性

GaAsLD的光譜特性曲線如圖4-6-2所示。第二十七頁，共四十頁，2022年，8月28日

3、溫度特性（1）閾值電流It隨溫度的升高而加大，為了使光纖通信系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠地工作，一般都要采用自動溫度控制電路，來穩(wěn)定激光器的閾值電流和輸出光功率。(2)激光二級管的中心波長λ隨溫度升高而增加。第二十八頁，共四十頁，2022年，8月28日4.7光電檢測器的工作原理和主要要求1、半導(dǎo)體的光電效應(yīng)光電檢測器是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成。半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)是指：光照射到半導(dǎo)體的P-N結(jié)上，若光子能量足夠大，則半導(dǎo)體材料中價帶的電子吸收光子的能量從價帶越過禁帶到達(dá)導(dǎo)帶，在導(dǎo)帶中出現(xiàn)光電子，在價帶中出現(xiàn)光空穴，它們總起來稱作光生載流子。光生載流子在外加負(fù)偏壓和內(nèi)建電場的作用下，在外電路中出現(xiàn)光電流。第二十九頁，共四十頁，2022年，8月28日2、光纖通信對光電檢測器的主要要求在工作波長上光電轉(zhuǎn)換效率高；檢測過程中帶來的附加噪聲盡可能??；(3)響應(yīng)速度快、線性好及頻帶寬；(4)高可靠性，長壽命，尺寸與光纖直徑相配，工作電壓低等。在光纖通信中，滿足上述要求的光電檢測器有兩種半導(dǎo)體光電二極管：PIN光電二極管和雪崩光電二極管(APD)。第三十頁，共四十頁，2022年，8月28日4.8PIN和APD的工作原理1、PIN光電二極管的原理利用光電效應(yīng)可以制造出簡單的PN結(jié)構(gòu)光電二極管，但是這樣的光電二極管的響應(yīng)速度低，光電轉(zhuǎn)換效率低。為了改善光電檢測器的響應(yīng)速度和轉(zhuǎn)換效率，在P型材料和N型材料之間加一層輕摻雜的N型材料，I層，由于摻雜濃度較輕，電子濃度很低，經(jīng)擴(kuò)散可以形成一個很寬的耗盡層。第三十一頁，共四十頁，2022年，8月28日PIN光電二級管：Si-PIN工作波長小于1.09μm，用于光通信可以在0.85μm附近工作。在長波長波段，有Ge-PIN光電二級管，但其暗電流大(20℃時100nA，40℃時增大到1μA)，限制了它的應(yīng)用。但用Ⅲ－Ⅴ族半導(dǎo)體合金制造的長波長光電二極管有較滿意的性能，例如晶格匹配的In0.53Ga0.47As/InP系的檢測波長達(dá)1.67μm。第三十二頁，共四十頁，2022年，8月28日2雪崩光電二極管的原理APD是利用半導(dǎo)體材料的雪崩信增效應(yīng)制成的。雪崩光電二極管的雪崩倍增效應(yīng)，是在二極管的P-N結(jié)上加高反向電壓(一般為幾十伏或幾百伏)形成的，此時在結(jié)區(qū)形成一個強(qiáng)電場，在高場區(qū)內(nèi)光生載流子被強(qiáng)電場加速，獲得高的動能，與晶格的原子發(fā)生碰撞，使價帶的電子得到能量，越過禁帶到導(dǎo)帶，產(chǎn)生了新的電子－空穴對，新產(chǎn)生的電子－空穴對在強(qiáng)電場中又被加速，再次碰撞，又激發(fā)出新的電子－空穴對……如此循環(huán)下去，像雪崩一樣的發(fā)展，從而使光電流在管子內(nèi)部即獲得了倍增。第三十三頁，共四十頁，2022年，8月28日目前光纖通信系統(tǒng)中使用的雪崩光電二級管結(jié)構(gòu)形式有保護(hù)環(huán)型和拉通型。雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)見圖4-8-3第三十四頁，共四十頁，2022年，8月28日雪崩光電二極管隨使用的材料不同有：Si-APD(工作在短波長區(qū))；Ge-APD，InGaAs-APD等(工作在長波長區(qū))。Si-APD性能較好，它工作在0.85μm附近，倍增增益高達(dá)100～1000，暗電流很小。Ge-APD工作在長波長區(qū)，它的倍增增益一般不超過15，過剩噪聲大，暗電流也很大，限制了倍增增益及檢測靈敏度。第三十五頁，共四十頁，2022年，8月28日4.9光電檢測器的工作特性1、響應(yīng)度和量子效率響應(yīng)度和量子效率都是描述這種器件光電轉(zhuǎn)換能力的物理量第三十六頁，共四十頁，2022年，8月28日2、響應(yīng)時間表征光檢測器對光信號變化響應(yīng)速度快慢的是它的響應(yīng)時間，通過用光檢測器受階躍光脈沖照射時，輸出脈沖前沿的10%點(diǎn)到90%點(diǎn)之間的時間間隔(即上升時間)來衡量。光電檢測器的響應(yīng)時間受三個因素影響：

(1)渡越時間(2)擴(kuò)散時間的影響(3)電路的影響第三十七頁，共四十頁，2022年，8月28日3暗電流Id暗電流是指在PIN規(guī)定的反向電壓或者APD的90%擊穿電壓時，在無入射光情況下器件內(nèi)部的反向電流。在理想條件下，當(dāng)沒有光照時，光電檢測器應(yīng)無光電流輸出。但是，實(shí)際上由于熱激勵、宇宙射線或放射性物質(zhì)的激勵，在無光情況下，光電檢測器仍有電流輸出，這種電流稱為暗電流。嚴(yán)格說暗電流還包括器件表面的漏電流。據(jù)理論研究，暗電流將引起光接收機(jī)噪聲增大。因此，人們總是希望器件的暗電流越小越好。第三十八頁，共四十頁，2022年，8月28日4