光源和光电检测器.ppt

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1、现在学习的是第1页，共40页o 1 1、晶体的能带、晶体的能带o 晶体的能谱在原子能级的基础上按共晶体的能谱在原子能级的基础上按共有化运动的不同而分裂成若干组。每组有化运动的不同而分裂成若干组。每组中能级彼此靠得很近，组成有一定宽度中能级彼此靠得很近，组成有一定宽度的带，称为能带。的带，称为能带。现在学习的是第2页，共40页o 锗、硅和锗、硅和CaAsCaAs等都是共价晶体。形成共等都是共价晶体。形成共价键的价电子所占据的能带称为价带。价键的价电子所占据的能带称为价带。o 价带下面的能带是被电子占满了，称为价带下面的能带是被电子占满了，称为满带。满带。o 价带上面的能带称为导带。价带上面的能带

2、称为导带。o 价带和导带，价带和满带之间的宽度，价带和导带，价带和满带之间的宽度，不能被电子占据因此称为禁带。不能被电子占据因此称为禁带。现在学习的是第3页，共40页o 原子的电离以及电子与空穴的复合发光原子的电离以及电子与空穴的复合发光等过程，主要发生在价带和导带之间。等过程，主要发生在价带和导带之间。现在学习的是第4页，共40页o 电子是费米子电子是费米子( (自旋量子数为自旋量子数为1/2)1/2)，符合，符合泡里不相容原理。电子在各能级中的分泡里不相容原理。电子在各能级中的分布，服从费米狄拉克统计。布，服从费米狄拉克统计。o 费米能级不是一个可以被电子占据的实费米能级不是一个可以被电子

3、占据的实在的能级，它是反映电子在各能级中分在的能级，它是反映电子在各能级中分布情况的布情况的参量，具有能级的量纲。参量，具有能级的量纲。现在学习的是第5页，共40页3 3、各种半导体中电子的统计分布、各种半导体中电子的统计分布o 根据费米分布规律，可以画出各种半导根据费米分布规律，可以画出各种半导体中电子的统计分布。如图体中电子的统计分布。如图4-1-44-1-4所示所示现在学习的是第6页，共40页1 1、PNPN结的形成结的形成o 当当P P型半导体和型半导体和N N型半导体形成型半导体形成PNPN结时，载流子的浓结时，载流子的浓度差引起扩散运动，度差引起扩散运动，P P区的空穴向区的空穴向

4、N N区扩散，剩下区扩散，剩下带负电的电离受主，从而在靠近带负电的电离受主，从而在靠近PNPN结界面的区域结界面的区域形成一个带负电的区域。同样，形成一个带负电的区域。同样，N N区的电子向区的电子向P P区扩区扩散，剩下带正电的电离施主，从而造成一个带正散，剩下带正电的电离施主，从而造成一个带正电的区域。载流子扩散运动的结果形成了一个空电的区域。载流子扩散运动的结果形成了一个空间电荷区，称为间电荷区，称为PNPN结。结。现在学习的是第7页，共40页o 当当PNPN结加上正向电压时，外加电压的电场方向消结加上正向电压时，外加电压的电场方向消弱了自建场，弱了自建场，P P区的空穴通过区的空穴通过

5、PNPN结流向结流向N N区，区，N N区的区的电子也流向电子也流向P P区，形成正向电流。由于区，形成正向电流。由于P P区的空穴和区的空穴和N N区的电子都很多，所以这股正向电流是大电流。区的电子都很多，所以这股正向电流是大电流。o 当当PNPN结加反向电压时，外电场的方向和自建场相同，结加反向电压时，外电场的方向和自建场相同，多数载流子将背离多数载流子将背离PNPN结的交界面移动，使空间电荷结的交界面移动，使空间电荷区变宽。空间电荷区内电子和空穴都很少，它变成区变宽。空间电荷区内电子和空穴都很少，它变成高阻层，因而反向电流非常小。高阻层，因而反向电流非常小。现在学习的是第8页，共40页2

6、 2PNPN结的能带结的能带现在学习的是第9页，共40页3 3增益区的形成增益区的形成o 对于兼并型对于兼并型P P型半导体和兼并型型半导体和兼并型N N型半导体形成的型半导体形成的PNPN结，当注入电流结，当注入电流( (或正向电压或正向电压) )加大到某一值后，加大到某一值后，准费米能级准费米能级E EfCfC和和E EfVfV的能量间隔大于禁带宽度，的能量间隔大于禁带宽度， PNPN结里出现一个增益区结里出现一个增益区( (也叫有源区也叫有源区) )。 o 实现了粒子数反转。这个区域对光子能量满足实现了粒子数反转。这个区域对光子能量满足 E Eg ghhe e0 0V V 的光子有光放大

7、作用。半导体激光器的的光子有光放大作用。半导体激光器的辐射就发生在这个区域。辐射就发生在这个区域。现在学习的是第10页，共40页o 早期研制的半导体激光器和发生二极管早期研制的半导体激光器和发生二极管一般采用同质结构。一般采用同质结构。o 采用同质结结构的激光器存在如下问题：采用同质结结构的激光器存在如下问题：o 首先是对光波的限制不完善；首先是对光波的限制不完善；o 其次是对载流子的限制不完善其次是对载流子的限制不完善现在学习的是第11页，共40页o 为了降低同质结半导体激光器的阈值为了降低同质结半导体激光器的阈值电流，就要从上述两个方面改进。电流，就要从上述两个方面改进。o 双异质结双异质

8、结(DH)(DH)是窄带隙有源区是窄带隙有源区(GaAs)(GaAs)材料被夹在宽带隙的材料材料被夹在宽带隙的材料(GaAlAs)(GaAlAs)之之间构成。间构成。现在学习的是第12页，共40页o 由于双异质结激光器在有源区两侧，由于双异质结激光器在有源区两侧，既限制了载流子，又限制了光波。既限制了载流子，又限制了光波。o 所以它的光强分布基本被约束在有源所以它的光强分布基本被约束在有源区，而且阈值电流大大降低。区，而且阈值电流大大降低。现在学习的是第13页，共40页o 发光二极管发光二极管(LED)(LED)是低速、短距离光通信是低速、短距离光通信系统中常用光源。目前广泛采用系统中常用光源

9、。目前广泛采用PNPN异质异质结制造。结制造。LEDLED的原理是在的原理是在LEDLED注入正向电注入正向电流时，注入的非平衡载流子在扩散过程流时，注入的非平衡载流子在扩散过程中发光。中发光。o LEDLED是非相干光源，它的发光过程是自发是非相干光源，它的发光过程是自发辐射过程，发出的是荧光，它没有光学辐射过程，发出的是荧光，它没有光学谐振腔，是无阈值器件。谐振腔，是无阈值器件。现在学习的是第14页，共40页LEDLED有如下工作特性：有如下工作特性：(1) LED(1) LED的光谱特性的光谱特性 它的谱线宽度较宽，对高速率调制它的谱线宽度较宽，对高速率调制是不利的。是不利的。(2) L

10、ED(2) LED的电光转换特性的电光转换特性 现在学习的是第15页，共40页1 1、光纤通信对半导体激光器的主要要求、光纤通信对半导体激光器的主要要求 半导体激光器半导体激光器(LD)(LD)是光纤通信最主要是光纤通信最主要的光源，对它的基本要求有以下几点：的光源，对它的基本要求有以下几点： 光源应在光纤的三个低损耗窗口工作，光源应在光纤的三个低损耗窗口工作，即发光波长为即发光波长为0.85m0.85m、1.31m1.31m或或1.55m1.55m。现在学习的是第16页，共40页 光源的谱线宽度较窄，光源的谱线宽度较窄，=0.1=0.11.0nm1.0nm。 能提供足够的输出功率，可达到能提

11、供足够的输出功率，可达到10mW10mW以上。以上。 与光纤耦合效率高，与光纤耦合效率高，30%30%50%50%。 能长时间连续工作，工作稳定。能长时间连续工作，工作稳定。因此，因此，LDLD非常适合于高码速率长距离的非常适合于高码速率长距离的光纤通信系统。光纤通信系统。现在学习的是第17页，共40页2 2、LDLD的工作原理的工作原理半导体激光器产生激光输出应满足三个基半导体激光器产生激光输出应满足三个基本条件：本条件：o 粒子数反转分布粒子数反转分布o 光反馈光反馈o 激光振荡的阈值条件激光振荡的阈值条件现在学习的是第18页，共40页3 3LDLD的结构的结构o 普通的半导体激光器一般采

12、用条形结构普通的半导体激光器一般采用条形结构双异质结半导体激光器双异质结半导体激光器(BH LD)(BH LD)，光学谐，光学谐振腔为法布里珀罗腔振腔为法布里珀罗腔(F(FP)P)，它可以，它可以分为两类，即增益波导分为两类，即增益波导LDLD和折射率波导和折射率波导LDLD。 现在学习的是第19页，共40页 4 4动态单纵模激光器的原理动态单纵模激光器的原理 现在学习的是第20页，共40页o 分布反馈激光器的原理：分布反馈激光器的原理： 现在学习的是第21页，共40页o 由于这种波纹状周期结构对光的反射作由于这种波纹状周期结构对光的反射作用，使得在一个方向上传播的光波不断用，使得在一个方向上

13、传播的光波不断地被反馈回相对的方向，使得前向和反地被反馈回相对的方向，使得前向和反向波之间产生耦合，这种结构可以理解向波之间产生耦合，这种结构可以理解为形成了一个对光波波长为形成了一个对光波波长“敏感敏感”的光的光学谐振腔。学谐振腔。o 由布喇格条件由布喇格条件:2n=m:2n=m， 现在学习的是第22页，共40页5 5量子阱激光器的基本原理量子阱激光器的基本原理o 材料的电性质和光学性质产生剧烈的变材料的电性质和光学性质产生剧烈的变化，垂直于有源层方向上运动的载流子化，垂直于有源层方向上运动的载流子动能可量子化成分立的能级，这类似于动能可量子化成分立的能级，这类似于一维势阱的量子力学问题，因

14、而这类激一维势阱的量子力学问题，因而这类激光器叫做量子阱激光器。光器叫做量子阱激光器。现在学习的是第23页，共40页o 量子阱中的能级结构如图量子阱中的能级结构如图4-5-44-5-4示所出示所出现在学习的是第24页，共40页o 在量子阱结构中，只要简单地改变阱宽在量子阱结构中，只要简单地改变阱宽LzLz，就可，就可改变发射光子的能量。阱宽愈小，激光发射向高能改变发射光子的能量。阱宽愈小，激光发射向高能量方向移动。同时，可以导致量子阱激光器的高速量方向移动。同时，可以导致量子阱激光器的高速度和窄带宽。度和窄带宽。 o 有多个有源层，即多个量子阱的激光器称为多量有多个有源层，即多个量子阱的激光器

15、称为多量子阱激光器子阱激光器(MQW-LD)(MQW-LD)，它可以获得更低的阈值电流，它可以获得更低的阈值电流，输出功率很大，可达几百毫瓦以上，线宽很宽，可达输出功率很大，可达几百毫瓦以上，线宽很宽，可达25kHz25kHz。现在学习的是第25页，共40页o LDLD的工作特性可以用一些特性曲线和特性参量来描述：的工作特性可以用一些特性曲线和特性参量来描述：1 1、P-IP-I曲线曲线现在学习的是第26页，共40页 2 2、光谱特性、光谱特性 GaAs LDGaAs LD的光谱特性曲线如图的光谱特性曲线如图4-6-24-6-2所示。所示。现在学习的是第27页，共40页 3 3、温度特性、温度

16、特性o （1 1）阈值电流）阈值电流 I It t随温度的升高而加大，随温度的升高而加大，为了使光纤通信系统稳定、可靠地工作，为了使光纤通信系统稳定、可靠地工作，一般都要采用自动温度控制电路，来稳一般都要采用自动温度控制电路，来稳定激光器的阈值电流和输出光功率。定激光器的阈值电流和输出光功率。o (2) (2) 激光二级管的中心波长激光二级管的中心波长随温度升随温度升高而增加。高而增加。现在学习的是第28页，共40页1 1、半导体的光电效应、半导体的光电效应o 光电检测器是利用半导体的光电效应制成。光电检测器是利用半导体的光电效应制成。o 半导体材料的光电效应是指：光照射到半导体的半导体材料的

17、光电效应是指：光照射到半导体的P-NP-N结上，若光子能量足够大，则半导体材料中结上，若光子能量足够大，则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量从价带越过禁带到达价带的电子吸收光子的能量从价带越过禁带到达导带，在导带中出现光电子，在价带中出现光空导带，在导带中出现光电子，在价带中出现光空穴，它们总起来称作光生载流子。穴，它们总起来称作光生载流子。o 光生载流子在外加负偏压和内建电场的作用下，在外光生载流子在外加负偏压和内建电场的作用下，在外电路中出现光电流。电路中出现光电流。现在学习的是第29页，共40页2 2、光纤通信对光电检测器的主要要求、光纤通信对光电检测器的主要要求o在工作波长上光电转换

18、效率高在工作波长上光电转换效率高 ；o 检测过程中带来的附加噪声尽可能小；检测过程中带来的附加噪声尽可能小；(3) (3) 响应速度快、线性好及频带宽；响应速度快、线性好及频带宽；(4) (4) 高可靠性，长寿命，尺寸与光纤直径相配，工作高可靠性，长寿命，尺寸与光纤直径相配，工作电压低等。电压低等。 在光纤通信中，满足上述要求的光电检测器有在光纤通信中，满足上述要求的光电检测器有两种半导体光电二极管：两种半导体光电二极管：PINPIN光电二极管和雪崩光光电二极管和雪崩光电二极管电二极管(APD)(APD)。现在学习的是第30页，共40页1 1、PINPIN光电二极管的原理光电二极管的原理o 利

19、用光电效应可以制造出简单的利用光电效应可以制造出简单的PNPN结构光电二极管，结构光电二极管，但是这样的光电二极管的响应速度低，光电转换但是这样的光电二极管的响应速度低，光电转换效率低。效率低。o 为了改善光电检测器的响应速度和转换效率，在为了改善光电检测器的响应速度和转换效率，在P P型材料和型材料和N N型材料之间加一层轻掺杂的型材料之间加一层轻掺杂的N N型材料，型材料，I I层，层，由于掺杂浓度较轻，电子浓度很低，经扩散可以由于掺杂浓度较轻，电子浓度很低，经扩散可以形成一个很宽的耗尽层。形成一个很宽的耗尽层。现在学习的是第31页，共40页o PINPIN光电二级管：光电二级管：o Si

20、-PINSi-PIN工作波长小于工作波长小于1.09m1.09m，用于光通，用于光通信可以在信可以在0.85m0.85m附近工作。附近工作。o 在长波长波段，有在长波长波段，有Ge-PINGe-PIN光电二级管，光电二级管，但其暗电流大但其暗电流大(20(20时时100nA100nA，4040时增时增大到大到1A)1A)，限制了它的应用。，限制了它的应用。o 但用但用族半导体合金制造的长波长族半导体合金制造的长波长光电二极管有较满意的性能，例如晶格光电二极管有较满意的性能，例如晶格匹配的匹配的In0.53Ga 0.47As/InPIn0.53Ga 0.47As/InP系的检测波系的检测波长达长

21、达1.67m1.67m。现在学习的是第32页，共40页2 2雪崩光电二极管的原理雪崩光电二极管的原理o APDAPD是利用半导体材料的雪崩信增效应制成的。是利用半导体材料的雪崩信增效应制成的。o 雪崩光电二极管的雪崩倍增效应，是在二极管的雪崩光电二极管的雪崩倍增效应，是在二极管的P-NP-N结上加高反向电压结上加高反向电压( (一般为几十伏或几百伏一般为几十伏或几百伏) )形形成的，此时在结区形成一个强电场，在高场区内成的，此时在结区形成一个强电场，在高场区内光生载流子被强电场加速，获得高的动能，与晶光生载流子被强电场加速，获得高的动能，与晶格的原子发生碰撞，使价带的电子得到能量，越格的原子发

22、生碰撞，使价带的电子得到能量，越过禁带到导带，产生了新的电子空穴对，新产过禁带到导带，产生了新的电子空穴对，新产生的电子空穴对在强电场中又被加速，再次碰生的电子空穴对在强电场中又被加速，再次碰撞，又激发出新的电子空穴对撞，又激发出新的电子空穴对如此循环下如此循环下去，像雪崩一样的发展，从而使光电流在管子内去，像雪崩一样的发展，从而使光电流在管子内部即获得了倍增。部即获得了倍增。现在学习的是第33页，共40页o 目前光纤通信系统中使用的雪崩光电二目前光纤通信系统中使用的雪崩光电二级管结构形式有保护环型和拉通型。级管结构形式有保护环型和拉通型。o 雪崩光电二极管的结构见图雪崩光电二极管的结构见图4

23、-8-34-8-3现在学习的是第34页，共40页o 雪崩光电二极管随使用的材料不同有：雪崩光电二极管随使用的材料不同有：Si-APD(Si-APD(工作在短波长区工作在短波长区) )；Ge-APDGe-APD，InGaAs-APDInGaAs-APD等等( (工作在长波长区工作在长波长区) )。o Si-APDSi-APD性能较好，它工作在性能较好，它工作在0.85m0.85m附近，附近，倍增增益高达倍增增益高达10010010001000，暗电流很小。，暗电流很小。o Ge-APDGe-APD工作在长波长区，它的倍增增益工作在长波长区，它的倍增增益一般不超过一般不超过1515，过剩噪声大，暗

24、电流也，过剩噪声大，暗电流也很大，限制了倍增增益及检测灵敏度。很大，限制了倍增增益及检测灵敏度。现在学习的是第35页，共40页1 1、响应度和量子效率、响应度和量子效率o 响应度和量子效率都是描述这种器件光响应度和量子效率都是描述这种器件光电转换能力的物理量电转换能力的物理量现在学习的是第36页，共40页2 2、响应时间、响应时间o 表征光检测器对光信号变化响应速度快慢的是它的表征光检测器对光信号变化响应速度快慢的是它的响应时间，通过用光检测器受阶跃光脉冲照射时，响应时间，通过用光检测器受阶跃光脉冲照射时，输出脉冲前沿的输出脉冲前沿的10%10%点到点到90%90%点之间的时间间隔点之间的时间

25、间隔( (即即上升时间上升时间) )来衡量。来衡量。光电检测器的响应时间受三个因素影响：光电检测器的响应时间受三个因素影响： (1) (1) 渡越时间渡越时间(2) (2) 扩散时间的影响扩散时间的影响(3) (3) 电路的影响电路的影响现在学习的是第37页，共40页o 3 3暗电流暗电流I Id do 暗电流是指在暗电流是指在PINPIN规定的反向电压或者规定的反向电压或者APDAPD的的90%90%击穿击穿电压时，在无入射光情况下器件内部的反向电流。电压时，在无入射光情况下器件内部的反向电流。o 在理想条件下，当没有光照时，光电检测器应无在理想条件下，当没有光照时，光电检测器应无光电流输出

26、。但是，实际上由于热激励、宇宙射光电流输出。但是，实际上由于热激励、宇宙射线或放射性物质的激励，在无光情况下，光电检线或放射性物质的激励，在无光情况下，光电检测器仍有电流输出，这种电流称为暗电流。严格测器仍有电流输出，这种电流称为暗电流。严格说暗电流还包括器件表面的漏电流。据理论研究，说暗电流还包括器件表面的漏电流。据理论研究，暗电流将引起光接收机噪声增大。因此，人们总暗电流将引起光接收机噪声增大。因此，人们总是希望器件的暗电流越小越好。是希望器件的暗电流越小越好。现在学习的是第38页，共40页4 4倍增特性倍增特性o APDAPD的雪崩倍增因子用的雪崩倍增因子用G G表示表示o PINPIN

27、无倍增效应，所以无倍增效应，所以G=1G=1。o APDAPD的倍增因子的倍增因子G G随反向电压随反向电压V V的升高而增的升高而增大。大。APDAPD可以达到的最大倍增因子用可以达到的最大倍增因子用G Gmaxmax表示。表示。现在学习的是第39页，共40页5 5过剩噪声系数过剩噪声系数F(G)F(G)o 在在APDAPD中，每个光生载流子不会经历相同中，每个光生载流子不会经历相同的倍增过程，这将导致倍增增益产生波的倍增过程，这将导致倍增增益产生波动。这种波动是额外的倍增噪声的主要动。这种波动是额外的倍增噪声的主要根源。通常用过剩噪声系数根源。通常用过剩噪声系数F(G)F(G)来表示。来表示。o 过剩噪声指数过剩噪声指数x x越大，则越大，则F(G)F(G)越大，所以越大，所以应选择应选择APDAPD的的x x小的管子。小的管子。现在学习的是第40页，共40页