光線傳感技術(shù)第1頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日4.1

光源光源器件：光纖通信設(shè)備的核心，其作用是將電信號轉(zhuǎn)換成光信號送入光纖。光纖通信中常用的光源器件有半導(dǎo)體激光器和半導(dǎo)體發(fā)光二極管兩種。半導(dǎo)體激光器（LD）：適用于長距離大容量的光纖通信系統(tǒng)。尤其是單縱模半導(dǎo)體激光器，在高速率、大容量的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。發(fā)光二極管（LED）：適用于短距離、低碼速的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)，或者是模擬光纖通信系統(tǒng)。其制造工藝簡單、成本低、可靠性好。第2頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日半導(dǎo)體的能帶

在單個原子中，電子是在原子內(nèi)部的量子態(tài)運(yùn)動的。當(dāng)大量原子結(jié)合成晶體后，原子間的影響將表現(xiàn)出來。晶體中的電子不再屬于個別原子所有，它們一方面圍繞每個原子運(yùn)動，同時又要在原子之間做共有化運(yùn)動，如圖所示。PN結(jié)半導(dǎo)體激光器發(fā)光機(jī)理

第3頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日第4頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日半導(dǎo)體的能帶晶體的主要特征是它們的內(nèi)部原子有規(guī)則地、周期性地排列著。做共有化運(yùn)動電子受到周期性地排列著的原子的作用，它們的勢能具有晶格的周期性。如圖所示。第5頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日

半導(dǎo)體的能帶鍺、硅和砷化鎵GaAs等一些重要的半導(dǎo)體材料，都是典型的共價晶體。在共價晶體中，每個原子最外層的電子和鄰近原子形成共價鍵，整個晶體就是通過這些共價鍵把原子聯(lián)系起來。如圖所示。第6頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日

圖4.2半導(dǎo)體的能帶和電子分布(a)本征半導(dǎo)體；(b)N型半導(dǎo)體；(c)P型半導(dǎo)體2.PN結(jié)的能帶和電子分布

在半導(dǎo)體中，由于鄰近原子的作用，電子所處的能態(tài)擴(kuò)展成能級連續(xù)分布的能帶。能量低的能帶稱為價帶，能量高的能帶稱為導(dǎo)帶，導(dǎo)帶底的能量Ec和價帶頂?shù)哪芰縀v之間的能量差Ec-Ev=Eg稱為禁帶寬度或帶隙。電子不可能占據(jù)禁帶。第7頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日圖4.2示出不同半導(dǎo)體的能帶和電子分布圖。根據(jù)量子統(tǒng)計理論，在熱平衡狀態(tài)下，能量為E的能級被電子占據(jù)的概率為費(fèi)米分布式中，k為波茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。Ef稱為費(fèi)米能級，用來描述半導(dǎo)體中各能級被電子占據(jù)的狀態(tài)。在費(fèi)米能級，被電子占據(jù)和空穴占據(jù)的概率相同。(4.1)第8頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日2.PN結(jié)的能帶P半導(dǎo)體和N半導(dǎo)體的能帶

主要由空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體。當(dāng)重?fù)诫s時，費(fèi)米能級Ef會進(jìn)入價帶，稱為簡并型P型半導(dǎo)體，如圖(a)所示；主要由電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體。當(dāng)重?fù)诫s時，費(fèi)米能級Ef會進(jìn)入導(dǎo)帶，稱為簡并型N型半導(dǎo)體，如圖(b)所示。第9頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日第10頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日2.PN結(jié)的能帶當(dāng)P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體結(jié)合時形成結(jié)后，N區(qū)的費(fèi)米能級降低，P區(qū)的費(fèi)米能級升高，達(dá)到熱平衡時，形成了統(tǒng)一的費(fèi)米能級。如圖所示。hfhfEfEpcEpfEpvEncnEnv電子，空穴內(nèi)部電場外加電場正向偏壓下P-N結(jié)能帶圖第11頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日1.PN結(jié)半導(dǎo)體激光器發(fā)光機(jī)理

PN結(jié)半導(dǎo)體激光器是用PN結(jié)作激活區(qū)，用半導(dǎo)體天然解里面作為反射鏡組成光學(xué)諧振腔，外加正向偏壓作為泵浦源。外加正向偏壓將N區(qū)的電子、P區(qū)的空穴注入到PN結(jié)，實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，即使之成為激活物質(zhì)（PN結(jié)為激活區(qū)）。在激活區(qū)，電子空穴對復(fù)合發(fā)射出光。初始的光場來源于導(dǎo)帶和價帶的自發(fā)輻射，方向雜亂無章，其中偏離軸向的光子很快逸出腔外，沿軸向運(yùn)動的光子就成為受激輻射的外界因素，使之產(chǎn)生受激輻射而發(fā)射全同光子。4.1.1激光器的工作原理第12頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日

PN結(jié)的能帶和電子分布

PN結(jié)空間電場區(qū)P區(qū)N區(qū)++++++Ef能量EePEVPEeNEVNP區(qū)N區(qū)EVPEePEeNEVNEfNEfPhfhf第13頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日1.PN結(jié)半導(dǎo)體激光器發(fā)光機(jī)理這些光子通過反射鏡往返反射不斷通過激活物質(zhì)，使受激輻射過程如雪崩般地加劇，從而使光得到放大。在反射系數(shù)小于1的反射鏡中輸出，這就是經(jīng)受激輻射放大的光。即PN結(jié)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光輸出的工作原理。4.1.1激光器的工作原理

圖4.4激光器的構(gòu)成和工作原理(a)激光振蕩；(b)光反饋第14頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日4.1.2半導(dǎo)體激光器用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的激光器，稱為半導(dǎo)體激光器（LD），對LD的要求如下。①光源的發(fā)光波長應(yīng)符合目前光纖的三個低損耗窗口（即0.85μm、1.31μm和1.55μm）。②能夠在室溫下長時間連續(xù)工作，并能提供足夠的光輸出功率。目前LD的尾纖輸出功率可達(dá)500μW～2mW；LED的尾纖輸出功率可達(dá)10μW左右。③與光纖耦合效率高。④光源的譜線寬度要窄。較好的LD的譜線寬度可達(dá)到0.1nm。⑤壽命長，工作穩(wěn)定。第15頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日4.1.2半導(dǎo)體激光器

1．半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理有兩種方式構(gòu)成的激光器：F-P腔激光器和分布反饋型（DFB）激光器。F-P腔激光器從結(jié)構(gòu)上可分為3種，如圖所示。半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖第16頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日4.1.2半導(dǎo)體激光器（1）同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器。其核心部分是一個P-N結(jié)，由結(jié)區(qū)發(fā)出激光。缺點(diǎn)是閾值電流高，且不能在室溫下連續(xù)工作，不能實(shí)用。（2）異質(zhì)半導(dǎo)體激光器異質(zhì)半導(dǎo)體激光器包括單異質(zhì)和雙異質(zhì)半導(dǎo)體激光器兩種。異質(zhì)半導(dǎo)體激光器的“結(jié)”是由不同的半導(dǎo)體材料制成的，目的是降低閾值電流，提高效率。特點(diǎn)是對電子和光子產(chǎn)生限制作用，減少了注入電流，增加了發(fā)光強(qiáng)度。目前，光纖通信用的激光器大多采用如圖4-5所示的銦鎵砷磷（InGaAsP）雙異質(zhì)結(jié)條形激光器。第17頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日4.1.2半導(dǎo)體激光器圖4-5InGaAsP雙異質(zhì)結(jié)條形激光器的基本結(jié)構(gòu)n—InGaAsP是發(fā)光的作用區(qū)，其上、下兩層稱為限制層，它們和作用區(qū)構(gòu)成光學(xué)諧振腔。限制層和作用層之間形成異質(zhì)結(jié)。最下面一層n—InP是襯底，頂層P+—InGaAsP是接觸層，其作用是為了改善和金屬電極的接觸。第18頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日4.1.2半導(dǎo)體激光器

（3）工作原理用半導(dǎo)體材料做成的激光器，當(dāng)激光器的P-N結(jié)上外加的正向偏壓足夠大時，將使得P-N結(jié)的結(jié)區(qū)出現(xiàn)了高能級粒子多、低能級粒子少的分布狀態(tài)，這即是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，這種狀態(tài)將出現(xiàn)受激輻射大于受激吸收的情況，可產(chǎn)生光的放大作用。被放大的光在由P-N結(jié)構(gòu)成的F-P光學(xué)諧振腔（諧振腔的兩個反射鏡是由半導(dǎo)體材料的天然解理面形成的）中來回反射，不斷增強(qiáng)，當(dāng)滿足閾值條件后，即可發(fā)出激光。第19頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日4.1.2半導(dǎo)體激光器2．半導(dǎo)體激光器的工作特性（1）發(fā)射波長半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長取決于導(dǎo)帶的電子躍遷到價帶時所釋放出的能量，這個能量近似等于禁帶寬度Eg(eV)，由式（4-1）得hf=Eg （4-5）式中，，f(Hz)和λ(μm)分別為發(fā)射光的頻率和波長，c=3×108m/s，h=6.625×10?34J·s，leV=1.60×10?19J為電子伏特，代入式（4-5）得(μm) （4-6）由于能隙與半導(dǎo)體材料的成分及其含量有關(guān)，因此根據(jù)這個原理可以制成不同發(fā)射波長的激光器。第20頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日4.1.2半導(dǎo)體激光器（2）閾值特性對于LD，當(dāng)外加正向電流達(dá)到某一數(shù)值時，輸出光功率急劇增加，這時將產(chǎn)生激光振蕩，這個電流稱為閾值電流，用Ith表示。如圖4-6所示。閾值電流越小越好。圖4-6

典型半導(dǎo)體激光器的輸出特性曲線

第21頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日4.1.2半導(dǎo)體激光器（3）光譜特性LD的光譜隨著激勵電流的變化而變化。當(dāng)I＜Ith時，發(fā)出的是熒光，光譜很寬，如圖4-7（a）所示。當(dāng)I＞Ith后，發(fā)射光譜突然變窄，譜線中心強(qiáng)度急劇增加，表明發(fā)出激光，如圖4-7（b）所示。圖4-7GaAlAs-GaAs激光器的光譜第22頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日4.1.2半導(dǎo)體激光器

隨著驅(qū)動電流的增加，縱模模數(shù)逐漸減少，譜線寬度變窄。當(dāng)驅(qū)動電流足夠大時，多縱模變?yōu)閱慰v模，這種激光器稱為靜態(tài)單縱模激光器。普通激光器工作在直流或低碼速情況下，它具有良好的單縱模譜線，所對應(yīng)的光譜只有一根譜線，如圖4-8（a）所示。而在高碼速調(diào)制情況下，其線譜呈現(xiàn)多縱模譜線。如圖4-8（b）所示。一般，用F-P諧振腔可以得到的是直流驅(qū)動的靜態(tài)單縱模激光器，要得到高速數(shù)字調(diào)制的動態(tài)單縱模激光器，必須改變激光器的結(jié)構(gòu)，例如分布反饋半導(dǎo)體激光器（DFB-LD）。第23頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日4.1.2半導(dǎo)體激光器圖4-8GaAlAs-GaAs激光器的輸出光譜第24頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日4.1.2半導(dǎo)體激光器（4）轉(zhuǎn)換效率半導(dǎo)體激光器的電光功率轉(zhuǎn)換效率常用微分量子效率ηd表示，其定義為激光器達(dá)到閾值后，輸出光子數(shù)的增量與注入電子數(shù)的增量之比，其表達(dá)式為

（4-7）由此得（4-8）式中，P為激光器的輸出光功率；I為激光器的輸出驅(qū)動電流，Pth為激光器的閾值功率；Ith為激光器的閾值電流；hf為光子能量；e為電子電荷?！さ?5頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日4.1.2半導(dǎo)體激光器（5）溫度特性激光器的閾值電流和輸出光功率隨溫度變化的特性為溫度特性。閾值電流隨溫度的升高而加大，其變化情況如圖4-9所示。圖4-9激光器閾值電流隨溫度變化的曲線第26頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日（6）光束發(fā)散半導(dǎo)體激光器的有源區(qū)是一個類似于矩形平面的介質(zhì)波導(dǎo)，有源區(qū)的寬度為W，厚度為d，它的出射光束具有橢圓形狀。發(fā)散特性可由發(fā)散角來描述，發(fā)散角定義為光功率密度下降為最大輻射方向功率密度的一半的兩個方向之間的夾角。垂直發(fā)散角和水平發(fā)散角分別為θ⊥和θ∥，可以表示為發(fā)散角越小方向性越好，和光纖的耦合效率越高。

4.1.2半導(dǎo)體激光器第27頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日圖4.8GaAlAs-DH條形激光器的近場和遠(yuǎn)場圖樣

近場是指激光器輸出反射鏡面上的光強(qiáng)分布；遠(yuǎn)場是指離反射鏡面一定距離處的光強(qiáng)分布。第28頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日(7).頻率特性在直接光強(qiáng)調(diào)制下，激光器輸出光功率P和調(diào)制頻率f

的關(guān)系為P(f)=(4.9a)(4.9b)式中，和ξ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′=(0.7~0.8)Ith；τsp為有源區(qū)內(nèi)的電子壽命，τph為諧振腔內(nèi)的光子壽命。第29頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日圖4.11半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制頻率特性圖4.11示出半導(dǎo)體激光器的直接調(diào)制頻率特性。弛豫頻率fr

是調(diào)制頻率的上限，一般激光器的fr為1~2GHz。在接近fr處，數(shù)字調(diào)制要產(chǎn)生弛豫振蕩，模擬調(diào)制要產(chǎn)生非線性失真。第30頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日4.1.2半導(dǎo)體激光器

3．分布反饋半導(dǎo)體激光器（DFB-LD）DFB-LD結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)是：激光振蕩不是由反射鏡面來提供，而是由折射率周期性變化的波紋結(jié)構(gòu)（波紋光柵）來提供，即在有源區(qū)的一側(cè)刻有波紋光柵，如圖4-10所示。圖4.10分布反饋(DFB)激光器(a)結(jié)構(gòu)；(b)光反饋第31頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日4.1.2半導(dǎo)體激光器分布反饋半導(dǎo)體激光器（DFB-LD）優(yōu)點(diǎn)是譜線窄，其線寬大約為普通型激光器線寬的1/10左右，如圖所示，從而使色散的影響大為降低，可以實(shí)現(xiàn)速率為Gb/s的超高速傳輸。由有源層發(fā)射的光，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)。光柵周期Λ=mne為材料有效折射率，λB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)生激光振蕩的有兩個閾值最低、增益相同的縱模，其波長為第32頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日4.1.2半導(dǎo)體激光器

4．量子阱半導(dǎo)體激光器量子阱半導(dǎo)體激光器與一般雙異質(zhì)激光器類似，只是有源區(qū)的厚度很薄（幾十埃），如圖4-11所示。當(dāng)有源區(qū)的厚度非常小時，在有源區(qū)的異質(zhì)結(jié)將產(chǎn)生一個勢能阱，因此將產(chǎn)生這種量子效應(yīng)的激光器稱為量子阱半導(dǎo)體激光器。圖4-11量子阱半導(dǎo)體激光器第33頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日4.1.3發(fā)光二極管

1．LED的工作原理發(fā)光二極管（LED）是非相干光源，是無閾值器件，它的基本工作原理是自發(fā)輻射。發(fā)光二極管與半導(dǎo)體激光器差別是：發(fā)光二極管沒有光學(xué)諧振腔，不能形成激光。僅限于自發(fā)輻射，所發(fā)出的是熒光，是非相干光。半導(dǎo)體激光器是受激輻射，發(fā)出的是相干光。LED三種主要結(jié)構(gòu)：面發(fā)射（Surfaceemitter)LED邊發(fā)射（Edgeemitter)LED超輻射（Superluminescent）LED第34頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日4-9SLED典型結(jié)構(gòu)第35頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日§4.4.2ELED典型結(jié)構(gòu)ELED的結(jié)構(gòu)圖如圖4-10所示。這種結(jié)構(gòu)的目的是為了降低有源層中的光吸收并使光束有更好的方向性，光從有源層的端面輸出。第36頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日§4.4.3超輻射LED這種器件輸出功率大，發(fā)射波束寬度窄，線度窄，特別適合與單模光纖耦合；有源區(qū)具有光放大作用，調(diào)制帶寬大于前兩種LED。光輸出強(qiáng)度與二極管電流不是呈線性關(guān)系，且輸出光功率隨結(jié)溫升高而急劇下降。第37頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日4.1.3發(fā)光二極管

2．LED的結(jié)構(gòu)LED也多采用雙異質(zhì)結(jié)芯片，不同的是LED沒有解理面，即沒有光學(xué)諧振腔。由于不是激光振蕩，所以沒有閾值。LED分為兩大類：一類是面發(fā)光型LED，另一類是邊發(fā)光型LED，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-12所示。圖4-12常用的兩類發(fā)光二極管（LED）第38頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日4.1.3發(fā)光二極管3．LED的工作特性（1）光譜特性LED譜線寬度?λ比激光器寬得多。圖4-13是InGaAsPLED的輸出光譜。

圖4-13InGaAsPLED的發(fā)光光譜

第39頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日4.1.3發(fā)光二極管（2）輸出光功率特性兩種類型的LED輸出光功率特性如圖4-14所示。驅(qū)動電流I較小時，P?I曲線的線性較好；當(dāng)I過大時，由于P-N結(jié)發(fā)熱而產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，使P?I曲線的斜率減小。圖4-14發(fā)光二極管（LED）的P?I特性第40頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日4.1.3發(fā)光二極管（3）溫度特性由于LED是無閾值器件，因此溫度特性較好。（4）耦合效率由于LED發(fā)射出的光束的發(fā)散角較大，因此與光纖的耦合效率較低。一般只適于短距離傳輸。（5）調(diào)制特性調(diào)制頻率較低。在一般工作條件下，面發(fā)光型LED截止頻率為20MHz～30MHz，邊發(fā)光型LED截止頻率為100MHz～150MHz。

比較：LED與LD相比，LED輸出光功率較小，譜線寬度較寬，調(diào)制頻率較低。但LED性能穩(wěn)定，壽命長，使用簡單，輸出光功率線性范圍寬，而且制造工藝簡單，價格低廉。第41頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日式中，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)|=(4.12)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42頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日圖4.17發(fā)光二極管(LED)的頻率響應(yīng)第43頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日面發(fā)射LED與光纖的耦合方法面發(fā)光LED與光纖直接耦合，耦合效率很低將光纖端面做成球形，提高光纖的數(shù)值孔徑，從而提高耦合效率，一般可提高2～6倍在LED與光纖之間放置一個削頂圓球透鏡，耦合效率可比直接耦合提高20倍左右直接在LED上制做一個低吸收透鏡結(jié)構(gòu)，耦合效率最高第44頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日表4.1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45頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日表4.2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46頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日光源組件實(shí)例第47頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日4.1.4半導(dǎo)體光源的應(yīng)用LED通常和多模光纖耦合，用于1.31μm或0.85μm波長的小容量、短距離的光通信系統(tǒng)。LD通常和單模光纖耦合，用于1.31μm或1.55μm大容量、長距離光通信系統(tǒng)。分布反饋半導(dǎo)體激光器（DFB-LD）主要也和單模光纖或特殊設(shè)計的單模光纖耦合，用于1.55μm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48頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日4.2光電檢測器光電檢測器完成光/電信號的轉(zhuǎn)換。對光檢測器的基本要求是：①在系統(tǒng)的工作波長上具有足夠高的響應(yīng)度，即對一定的入射光功率，能夠輸出盡可能大的光電流；②具有足夠快的響應(yīng)速度，能夠適用于高速或?qū)拵到y(tǒng)；③具有盡可能低的噪聲，以降低器件本身對信號的影響；④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；⑤具有較小的體積、較長的工作壽命等。

目前常用的半導(dǎo)體光電檢測器有兩種，PIN光電二極管和APD雪崩光電二極管。第49頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日4.2.1光電檢測器的工作原理光電檢測器是利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的。光電效應(yīng)如圖4-15（a）和（b）所示。當(dāng)入射光子能量hf小于禁帶寬度Eg時，不論入射光有多強(qiáng)，光電效應(yīng)也不會發(fā)生，即產(chǎn)生光電效應(yīng)必須滿足以下條件hf≥Eg（4-9）即光頻fc＜的入射光是不能產(chǎn)生光電效應(yīng)的，將fc轉(zhuǎn)換為波長，則λc=。即只有波長λ＜λc的入射光，才能使這種材料產(chǎn)生光生載流子，故λc為產(chǎn)生光電效應(yīng)的入射光的最大波長，又稱為截至波長，相應(yīng)的fc稱為截至頻率。第50頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日4.2.1光電檢測器的工作原理圖4-15半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)第51頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日4.2.2PIN光電二極管PIN光電二極管是在摻雜濃度很高的P型、N型半導(dǎo)體之間，加一層輕摻雜的N型材料，稱為I（Intrinsic，本征的）層。由于是輕摻雜，電子濃度很低，經(jīng)擴(kuò)散后形成一個很寬的耗盡層，如圖4-16（a）所示。這樣可以提高其響應(yīng)速度和轉(zhuǎn)換效率。結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-16（b）所示。圖4-16PIN光電二極管第52頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日4.2.3雪崩光電二極管雪崩光電二極管，又稱APD（AvalanchePhotoDiode）。它不但具有光/電轉(zhuǎn)換作用，而且具有內(nèi)部放大作用，其放大作用是靠管子內(nèi)部的雪崩倍增效應(yīng)完成的。

1．APD的雪崩效應(yīng)APD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，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，使價帶的電子得到了能量；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，形成雪崩效應(yīng)，使光電流在管子內(nèi)部獲得了倍增。APD就是利用雪崩效應(yīng)使光電流得到倍增的高靈敏度的檢測器。第53頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日4.2.3雪崩光電二極管2．APD的結(jié)構(gòu)目前APD結(jié)構(gòu)型式，有保護(hù)環(huán)型和拉通（又稱通達(dá)）型。保護(hù)環(huán)型在制作時淀積一層環(huán)形N型材料，以防止在高反壓時使P-N結(jié)邊緣產(chǎn)生雪崩擊穿。拉通型雪崩光電二極管（RAPD）的結(jié)構(gòu)示意圖和電場分布如圖4-17所示。圖4-17（a）所示的是縱向剖面的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4-17（b）所示的是將縱向剖面順時針轉(zhuǎn)90°的示意圖。圖4-17（c）所示的是它的電場強(qiáng)度隨位置變化的分布圖。APD隨使用的材料不同有幾種：Si-APD（工作在短波長區(qū)）；Ge-APD和InGaAs-APD（工作在長波長區(qū)）等。第54頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日4.2.3雪崩光電二極管圖4-17RAPD的結(jié)構(gòu)圖和能帶示意圖第55頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日第56頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日4.2.4光電檢測器的特性PIN管特性包括響應(yīng)度、量子效率、響應(yīng)時間和暗電流。APD管除有上述特性外，還有雪崩倍增特性、溫度特性等。

1．PIN光電二極管的特性（1）響應(yīng)度和量子效率響應(yīng)度和量子效率表征了光電二極管的光電轉(zhuǎn)換效率。①響應(yīng)度響應(yīng)度定義（A/W） （4-10）

其中，Ip為光電檢測器的平均輸出電流，Pin為入射到光電二極管上的平均光功率。

第57頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日4.2.4光電檢測器的特性②量子效率量子效率表示入射光子轉(zhuǎn)換為光電子的效率。它定義為單位時間內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光子數(shù)之比，即 （4-11）其中，e為電子電荷，，hf為一個光子的能量，（4-12）式中m/s為光速，·s為普朗克常數(shù)。也就是說，光電二極管的響應(yīng)度和量子效率與入射光頻率（波長）有關(guān)。圖4-18為硅APD雪崩管的量子效率與波長的關(guān)系?！ぁ?/p>

第58頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日4.2.4光電檢測器的特性圖4-18PIN光電二極管響應(yīng)度、量子效應(yīng)率與波長的關(guān)系第59頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日4.2.4光電檢測器的特性（3）響應(yīng)時間表征檢測器對光信號響應(yīng)速度快慢的參量。響應(yīng)時間可以用光檢測器的輸出脈沖的上升時間和下降時間來表示：上升時間是輸出脈沖前沿的10％到90％之間的時間間隔，下降時間是輸出脈沖后沿的90％到10％的時間間隔。響應(yīng)時間越小越好。影響光電二極管的響應(yīng)時間的主要因素有：

a.耗盡區(qū)光生載流子的漂移時間（耗盡區(qū)的電場很高，載流子能達(dá)到飽和速度）

b.耗盡區(qū)以外產(chǎn)生載流子的擴(kuò)散時間（慢，制約響應(yīng)時間）

c.光電二極管與其相關(guān)電路的RC時間常數(shù)第60頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日(3)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

(4.13)第61頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日對于幅度一定，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，（4.14）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62頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日當(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(4.15)

由η(ω)/η(0)=得到由渡越時間τd限制的截止頻率（4.16）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63頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日圖4.23內(nèi)量子效率和帶寬的關(guān)系第64頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日4.2.4光電檢測器的特性c.光電二極管與其相關(guān)電路的RC時間常數(shù)光檢測器在實(shí)際應(yīng)用中，必須與駢枝電路和前置放大器連接，等效電路如圖：Rs為光檢測器的串連電阻，Cd為結(jié)電容，Rl為負(fù)載電阻，Ra和Ca為前置放大器的等效輸入電阻和電容。光電二極管的結(jié)電容可以寫為：W增加可以增加光吸收，提高量子效率，同時也可以降低結(jié)電容，提高響應(yīng)速度；但他也增加了載流子的漂移時間，所以要折中選擇W的寬度。第65頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日4.2.4光電檢測器的特性(3)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(4.17)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66頁，共74頁，2023年，2月20日，星期日（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+(4.19)(4.18)〈i2T〉=