《【教学课件】第3章通信用光器件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《【教学课件】第3章通信用光器件.ppt（54页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、第 3 章 通信用光器件,杜云刚 内蒙古工业大学物理系,3.1 光源 3.1.1 半导体激光器工作原理和基本结构 3.1.2 半导体激光器的主要特性 3.1.3 分布反馈激光器 3.1.4 发光二极管 3.1.5 半导体光源一般性能和应用 3.2 光检测器 3.2.1 光电二极管工作原理 3.2.2 PIN 光电二极管 3.2.3 雪崩光电二极管(APD)3.2.4 光电二极管一般性能和应用 3.3 光无源器件 3.3.1 连接器和接头 3.3.2 光耦合器 3.3.3 光隔离器与光环行器 3.3.4 光调制器 3.3.5 光开关,3.2 光检测器,光检测器用于将接收到的光信号转换成电信号，由
2、于从光纤传过来的光信号一般都很微弱，因此对光检测器的基本要求是?,光检测器是光接收机的关键器件，目前常用的光检测器有 PIN光电二极管 雪崩光电二极管（APD）,一、光电二极管工作原理 光电二极管(PD)把光信号转换为电信号的功能，是由半导体PN结的光电效应实现的。,在耗尽层两侧是没有电场的中性区，由于热运动，部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层，然后在电场作用下，形成和漂移电流相同方向的扩散电流。漂移电流分量和扩散电流分量的总和即为光生电流。当与P层和N层连接的电路开路时，便在两端产生电动势，这种效应称为光电效应。,当入射光变化时，光生电流随之作线性变化，从而把光信号转换成电信号。这
3、种由PN结构成，在入射光作用下，由于受激吸收过程产生的电子-空穴对的运动，在闭合电路中形成光生电流的器件，就是简单的光电二极管(PD)。,当连接的电路闭合时，N区过剩的电子通过外部电路流向P区。同样，P区的空穴流向N区，便形成了光生电流。,由于载流子扩散运动比漂移运动慢得多，所以减小扩散分量的比例便可显著提高响应速度。但是提高反向偏压，加宽耗尽层，又会增加载流子漂移的渡越时间，使响应速度减慢。为了解决这一矛盾，就需要改进PN结光电二极管的结构。,光电二极管通常要施加适当的反向偏压，目的是增加耗尽层的宽度，缩小耗尽层两侧中性区的宽度，从而减小光生电流中的扩散分量。,二、PIN 光电二极管,为改善
4、器件的特性，在PN结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导体(称为I,Intrinsic)，这种结构便是常用的PIN光电二极管。,PIN光电二极管的产生 由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收，因而光电转换效率低，响应速度慢。,（一）PIN光电二极管的结构,I层很厚，吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量电子-空穴对，因而大幅度提高了光电转换效率。两侧P+层和N+层很薄，吸收入射光的比例很小，I层几乎占据整个耗尽层，因而光生电流中漂移分量占支配地位，从而大大提高了响应速度。另外，可通过控制耗尽层的宽度w，来改变器件的响应速度。,中间的I层是N型掺杂浓度很低的本征半
5、导体，用(N)表示；两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体，用P+和N+表示。,图3.21 PIN光电二极管结构,（二）主要特性：,PIN光电二极管的主要特性包括波长响应范围、响应度、量子效率、响应速度及噪声特性等。,1.波长响应范围（光谱特性）,不同半导体材料存在着上限波长即截止波长;入射波长远远小于截止波长时，光电转换效率会大大降低。因此，半导体光电检测器只可以对一定波长范围的光信号进行有效的光电转换，这一波长范围就是波长响应范围。,当波长很短时，材料的吸收系数很大，这样，光在半导体材料表层即被吸收殆尽。在表层产生的光生载流子要扩散到耗尽区才能产生光生电流，而在表层为零电场扩散区，扩散速度很
6、慢，在光生载流子还没有到达耗尽层时就大量被复合掉了，使得光电转换效率在波长很短时大大下降。,综上所述：检测某波长的光时要选择合适材料作成的光检测器。首先，材料的带隙决定了截止波长要大于被检测光波波长，否则不能进行光电转换；其次，材料的吸收系数不能太大，以免降低光电转换效率。,(3.13),2.量子效率和光谱特性。光电转换效率用量子效率 或响应度 表示。量子效率 的定义为一次光生电子-空穴对和入射光子数的比值。,式中，hf 为光子能量，e为电子电荷。,(3.14),响应度的定义为一次光生电流IP和入射光功率P0的比值,例2：PIN，,得,式中，()和w分别为I层的吸收系数和厚度。由式(3.15)
7、可以看到，当()w1时，1，所以为提高量子效率，I层的厚度w要足够大。,量子效率和响应度取决于材料的特性和器件的结构。假设器件表面反射率为零，P层和N层对量子效率的贡献可以忽略，在工作电压下，I层全部耗尽，那么PIN光电二极管的量子效率可以近似表示为,(3.15),量子效率的光谱特性取决于半导体材料的吸收光谱()，对长波长的限制由式(3.6)确定，即c=1.24/Eg。图3.22示出量子效率和响应度的光谱特性，由图可见，Si 适用于0.80.9m波段，Ge 和InGaAs 适用于1.31.6 m波段。响应度一般为0.50.6(A/W)。,图3-22 PIN光电二极管响应度、量子效应率 与波长
8、的关系,(三)响应时间和频率特性 光电二极管对高速调制光信号的响应能力用脉冲响应时间或截止频率fc(带宽B)表示。对于数字脉冲调制信号，把光生电流脉冲前沿由最大幅度的10%上升到90%，或后沿由90%下降到10%的时间，分别定义为脉冲上升时间r和脉冲下降时间f。当光电二极管具有单一时间常数0时，其脉冲前沿和脉冲后沿相同，且接近指数函数exp(t/0)和exp(-t/0)，由此得到脉冲响应时间=r=f=2.20(3.16),对于幅度一定，频率为=2f 的正弦调制信号，用光生电流I()下降3dB的频率定义为截止频率fc。当光电二极管具有单一时间常数0时，,（3.17）,PIN光电二极管响应时间或频
9、率特性主要由光生载流子在耗尽层的渡越时间d和包括光电二极管在内的检测电路RC常数所确定。,当调制频率与渡越时间d的倒数可以相比时，耗尽层(I层)对量子效率()的贡献可以表示为,（3.19）,式中，渡越时间d=w/vs，w为耗尽层宽度，vs为载流子渡越速度，比例于电场强度。可以看出，减小耗尽层宽度w，可以减小渡越时间d，从而提高截止频率fc，但是同时要降低量子效率。,由 得到由渡越时间 限制的截止频率,图3.23 内量子效率和带宽的关系,式中，Rt为光电二极管的串联电阻和负载电阻的总和，Cd为结电容Cj和管壳分布电容的总和。,式中，为材料介电常数，A为结面积，w为耗尽层宽度。,(3.20),(3
10、.21),(三)噪声 噪声影响光接收机的灵敏度。噪声包括散粒噪声(Shot Noise)(由信号电流和暗电流产生)热噪声(由负载电阻和后继放大器输入电阻产生),（1）均方散粒噪声电流 i2sh=2e(Ip+Id)B(3.22)e为电子电荷，B为放大器带宽，Ip和Id分别为信号电流和暗电流。2eIpB 称为量子噪声(由于入射光子和所形成的电子-空穴对都具有离散性和随机性而产生)，有光信号输入就有量子噪声，决定光接收机灵敏度的极限。2eIdB是暗电流产生的噪声。暗电流是器件在反偏压条件下，没有入射光时产生的反向直流电流。,（1）均方热噪声电流,式中，k=1.3810-23J/K为波尔兹曼常数，T为
11、等效噪声温度，R为等效电阻，是负载电阻和放大器输入电阻并联的结果。因此，光电二极管的总均方噪声电流为,三、雪崩光电二极管(APD Avalanche Photodiode Diodes),APD就是根据这种特性设计的器件。根据光电效应，当光入射到PN结时，光子被吸收而产生电子-空穴对。,随着反向偏压的增加，开始光电流基本保持不变。当反向偏压增加到一定数值时，光电流急剧增加，最后器件被击穿，这个电压称为击穿电压UB。,（一）APD的工作原理,如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增。所以这种器件就称为雪崩光电二极管(APD)。,如果电压增加到使电场达到200 kV/cm以上，初始电子(一
12、次电子)在高电场区获得足够能量而加速运动。,高速运动的电子和晶格原子相碰撞，使晶格原子电离，产生新的电子-空穴对。新产生的二次电子再次和晶格原子碰撞。,N+PP+结构被称为拉通型APD。,转换效率高、响应速度快、附加噪声低,偏压加大到一定值后，耗尽层拉通到 层一直抵达 接触层，一种全耗尽结构。,APD的响应度比PIN增加了g倍。,对APD特性新引入的参数是倍增因子和附加噪声指数倍增因子 倍增因子g(一次光生电流产生的平均增益的倍数)定义为APD输出光电流Io和一次光生电流IP的比值。,(3.25),(3.26),为反向偏压，UB为击穿电压，n为与材料特性和入射光波长有关的常数，R为体电阻。,当
13、UUB时，RIo/UB1，上式可简化为,(3.26),(3.27),现有的APD的g值可达几十甚至上百，随反向偏压、波长和温度而变化。,2.过剩噪声因子 APD的均方量子噪声电流为 i2q=2eIpBg2(3.26a)引入新的噪声成分，并表示为附加噪声因子F。F(1)是雪崩效应的随机性引起噪声增加的倍数，设F=gx，APD的均方量子噪声电流应为 i2q=2eIpBg2+x(3.26b)式中，x为附加噪声指数。,同理，APD暗电流产生的均方噪声电流应为 i2d=2eIdBg2+x(3.27)附加噪声指数x与器件所用材料和制造工艺有关 Si-APD的x=0.30.5，Ge-APD的x=0.81.0
14、，InGaAs-APD的x=0.50.7。当式(3.26)和式(3.27)的g=1时，得到的结果和PIN相同。,四、光电二极管一般性能和应用 表3.3和表3.4列出半导体光电二极管(PIN和APD)的一般性能。APD是有增益的光电二极管，在光接收机灵敏度要求较高的场合，采用APD有利于延长系统的传输距离。灵敏度要求不高的场合，一般采用PIN-PD。,五、光电探测器生产企业,Intel硅光子技术获重大突破,Intel在最新一期自然杂志上发表的文章宣称，公司已经使用硅材料创造了雪崩光电二极管（APD）的性能世界纪录，频率高达340GHz。,众所周知，用光导线替代目前计算机中的电线路能够爆炸式的提高
15、传输带宽，也就是科幻小说中常听到的“光脑”。Intel自90年代中期就开始对硅光子技术进行长期研究，此次基于硅的高性能APD就是他们的最新突破。,雪崩光电二极管是一种感光元件，通常被用在光纤传输设备中接收光信号，并将微弱信号放大。此次Intel用硅制造出的APD频率高达340GHz，能够支持40Gbps甚至更高速的光纤传输，使硅光子设备的性能首次超越传统光纤设备。而相比传统中用磷化铟等材料制造的光纤设备，使用半导体产业中习以为常的硅芯片，还能够大幅度降低制造成本。,不同大小的圆点即试验用各种规格的APD,封装好的硅APD,放大的硅APD,欧司朗光电半导体为明日世界提供高效节能的照明解决方案,欧
16、司朗光电半导体致力于开发智能照明解决方案，是全球领先的光电半导体制造商之一。30 多年来，欧司朗光电半导体一直是创新型光电半导体技术的代表，并为多个应用领域创设了一系列标准。公司产品包括照明、可视化和传感应用等方面的元件。欧司朗光电半导体的产品种类繁多，其中最广为人知的有高功率 LED、半导体激光器、红外二极管(IRED)、传感器和 OLED 等。,/,You have completed your tertiary education.You are ready to take on the world and achieve your professional goals.If you a
17、re seeking to kick start your career in a multi-national set-up,come and join OSRAMs Fresh Graduates Program&we will guide you along the path to a bright future.OSRAM Opto Semiconductors division has manufacturing facilities at its corporate headquarters in Regensburg,Germany and its sales&marketing
18、,development and manufacturing sites in Penang,Malaysia,San Jose,California&Shanghai,China.So the opportunities awaiting you are almost unlimited,InGaAs PIN Mini-Can 光电探测器,InGaAs PIN 尾纤耦合光电探测器,LightPipe型APD(内置光纤),SAR500系列雪崩光电二极管APD在400nm到1100nm很宽的频谱范围内响应灵敏，并且上升沿时间短。有效感光面为0.5mm直径大小，采用TO-46气密封装。这个系列的A
19、PD现在可以标配带光纤导管输出的管帽，即TO-46封装的管帽上内置芯径为200m或400m的光纤。光纤离探测器表面只有几m的距离。所有耦合进光纤的光都可以被探测器的有效感光面接收。避免了信号损耗。这对于聚焦的光束很有用，只要将光束有效地耦合到光纤。,http:/,（原“莱特太平洋公司”）成立于1994年，专业代理世界著名专业公司如Continuum公司、公司、CVIMellesGriot公司等研制和生产的光学测量仪器（椭圆偏振仪、CD和掩膜的测量仪等）、激光器（固体激光器、气体激光器、可调谐激光器、半导体激光器、光纤激光器及其它各类激光器）、激光功率/能量计、光束诊断系统、激光染料、光学防震台及配套设备和光电元器件等产品代理业务和技术服务。,
