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上按共有化運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帶。價帶和導帶，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合發(fā)光等過程，主要發(fā)生在價帶和導帶之間。第四頁，共四十頁，2022年，8月28日2、費米－狄拉克統(tǒng)計電子是費米子(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，服從費米－狄拉克統(tǒng)計。費米能級不是一個可以被電子占據(jù)的實在的能級，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、各種半導體中電子的統(tǒng)計分布根據(jù)費米分布規(guī)律，可以畫出各種半導體中電子的統(tǒng)計分布。如圖4-1-4所示第六頁，共四十頁，2022年，8月28日4.2PN結的能帶結構1、PN結的形成當P型半導體和N型半導體形成PN結時，載流子的濃度差引起擴散運動，P區(qū)的空穴向N區(qū)擴散，剩下帶負電的電離受主，從而在靠近PN結界面的區(qū)域形成一個帶負電的區(qū)域。同樣，N區(qū)的電子向P區(qū)擴散，剩下帶正電的電離施主，從而造成一個帶正電的區(qū)域。載流子擴散運動的結果形成了一個空間電荷區(qū)，稱為PN結。第七頁，共四十頁，2022年，8月28日PN結具有單向導電性當PN結加上正向電壓時，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PN結加反向電壓時，外電場的方向和自建場相同，多數(shù)載流子將背離PN結的交界面移動，使空間電荷區(qū)變寬。空間電荷區(qū)內電子和空穴都很少，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型半導體和兼并型N型半導體形成的PN結，當注入電流(或正向電壓)加大到某一值后，準費米能級EfC和EfV的能量間隔大于禁帶寬度，PN結里出現(xiàn)一個增益區(qū)(也叫有源區(qū))。實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉。這個區(qū)域對光子能量滿足

Eg＜hν＜e0V的光子有光放大作用。半導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同質結和異質結早期研制的半導體激光器和發(fā)生二極管一般采用同質結構。同質結就是在PN結的兩邊使用相同的半導體材料。采用同質結結構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日為了降低同質結半導體激光器的閾值電流，就要從上述兩個方面改進。雙異質結(DH)是窄帶隙有源區(qū)(GaAs)材料被夾在寬帶隙的材料(GaAlAs)之間構成。第十二頁，共四十頁，2022年，8月28日由于雙異質結激光器在有源區(qū)兩側，既限制了載流子，又限制了光波。所以它的光強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異質結制造。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，對高速率調制是不利的。(2)LED的電光轉換特性光輸出功率P與注入電流I的關系，一般稱為P-I曲線，LED的P-I曲線線性范圍較大。在進行調制時，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半導體激光器的工作原理1、光纖通信對半導體激光器的主要要求半導體激光器(LD)是光纖通信最主要的光源，對它的基本要求有以下幾點：①光源應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的工作原理半導體激光器產(chǎn)生激光輸出應滿足三個基本條件：粒子數(shù)反轉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的結構普通的半導體激光器一般采用條形結構雙異質結半導體激光器(BHLD)，光學諧振腔為法布里－珀羅腔(F－P)，它可以分為兩類，即增益波導LD和折射率波導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)，就是指在高速調制下仍能單縱模工作的半導體激光器。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：分布反饋半導體激光器(Distributed-FeedbackSemiconductorLaserDFBLaser)，它是在異質結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構對光的反射作用，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，這種結構可以理解為形成了一個對光波波長“敏感”的光學諧振腔。由布喇格條件:2nΛ=mλ，分布反饋激光器具有極強的波長選擇性，從而實現(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體(如Ga1-xAlxAs)中間的窄帶隙半導體(如GaAs)起著載流子(電子和空穴)陷阱的作用。材料的電性質和光學性質產(chǎn)生劇烈的變化，垂直于有源層方向上運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構如圖4-5-4示所出第二十四頁，共四十頁，2022年，8月28日在量子阱結構中，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，可達幾百毫瓦以上，線寬很寬，可達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、半導體的光電效應光電檢測器是利用半導體的光電效應制成。半導體材料的光電效應是指：光照射到半導體的P-N結上，若光子能量足夠大，則半導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導帶，在導帶中出現(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偏壓和內建電場的作用下，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換效率高；檢測過程中帶來的附加噪聲盡可能小；(3)響應速度快、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可以制造出簡單的PN結構光電二極管，但是這樣的光電二極管的響應速度低，光電轉換效率低。為了改善光電檢測器的響應速度和轉換效率，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)，限制了它的應用。但用Ⅲ－Ⅴ族半導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是利用半導體材料的雪崩信增效應制成的。雪崩光電二極管的雪崩倍增效應，是在二極管的P-N結上加高反向電壓(一般為幾十伏或幾百伏)形成的，此時在結區(qū)形成一個強電場，在高場區(qū)內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構形式有保護環(huán)型和拉通型。雪崩光電二極管的結構見圖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、響應度和量子效率響應度和量子效率都是描述這種器件光電轉換能力的物理量第三十六頁，共四十頁，2022年，8月28日2、響應時間表征光檢測器對光信號變化響應速度快慢的是它的響應時間，通過用光檢測器受階躍光脈沖照射時，輸出脈沖前沿的10%點到90%點之間的時間間隔(即上升時間)來衡量。光電檢測器的響應時間受三個因素影響：

(1)渡越時間(2)擴散時間的影響(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部的反向電流。在理想條件下，當沒有光照時，光電檢測器應無光電流輸出。但是，實際上由于熱激勵、宇宙射線或放射性物質的激勵，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