通信用光器件幻灯片.ppt

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1、通信用光器件第1页，共48页，编辑于2022年，星期三LED的的P_I特性曲线特性曲线原理：由正向偏置电压产生的注入电流进行自发辐射而发光原理：由正向偏置电压产生的注入电流进行自发辐射而发光4 3 2 1 0 50 100 150 02570电流电流/mA输输出出功功率率/mW第2页，共48页，编辑于2022年，星期三 式中，f 为调制频率，P(f)为对应于调制频率 f 的输出光功率，e为少数载流子(电子)的寿命。定义 fc 为发光二极管的截止频率，当 f=f c=1/(2e)时，|H(fc)|=，最高调制频率应低于截止频率。(4)频率特性。发光二极管的频率响应可以表示为|H(f)|=(3.1

2、2)图3.17示出发光二极管的频率响应，图中显示出少数载流子的寿命e和截止频率截止频率 fc 的关系。对有源区为低掺杂浓度的LED，适当增增加加工工作作电电流流可以缩缩短短载载流流子寿命子寿命，提高提高截止频率截止频率。第3页，共48页，编辑于2022年，星期三图 3.17 发光二极管(LED)的频率响应 第4页，共48页，编辑于2022年，星期三 3.1.5 半导体光源一般性能和应用半导体光源一般性能和应用半导体光源的一般性能表：半导体光源的一般性能表：3.1和表3.2列出半导体激光器(LD)和发光二极管(LED)的一般性能。LED通常和多多模模光光纤纤耦合，用于1.3 m(或0.85 m)

3、波长的小容量短距离系统。因为LED发发光光面面积积和光光束束辐辐射射角角较大，而多模SIF光纤或G.651规范的多模GIF光纤具有较大的芯径和数值孔径，有利于提高耦耦合合效效率率，增加入纤功率入纤功率。LD通常和G.652或或G.653规范的单单模模光光纤纤耦合，用于1.3 m或1.55 m大容量长距离系统。分分布布反反馈馈激激光光器器(DFB-LD)主要和G.653或G.654规范的单模光纤或特殊设计的单模光纤耦合，用于超大容量的新型光纤系统。第5页，共48页，编辑于2022年，星期三表表3.1 半导体激光器半导体激光器(LD)和发光二极管和发光二极管(LED)的一般性能的一般性能-2050

4、 -2050-2050 -2050工作温度工作温度 /C寿命寿命 t/h30120 30120 2050 2050辐射角辐射角50150 301005002000 5001000调制带宽调制带宽 B/MHz0.10.3 0.10.213 13入纤功率入纤功率 P/mW15 13510 510输出功率输出功率 P/mW100150 100150工作电流工作电流 I/mA2030 3060阀值电流阀值电流 Ith/mA50100 6012012 13谱线宽度谱线宽度1.3 1.551.3 1.55工作波长工作波长LEDLD第6页，共48页，编辑于2022年，星期三表表 3.2 分布反馈激光器分布反

5、馈激光器(DFB-LD)一般性能一般性能 2040 1530输出功率输出功率 P/mW(连续单纵模连续单纵模,25C)20 15外量子效率外量子效率 /%1520 2030阀值电流阀值电流 Ith/mA l截止hv入射不足以激励出电子(2)l入射 l截止材料对光子开始吸收(3)l入射 1时，1，所以为提高量子效率，I层的厚度w要足够大第25页，共48页，编辑于2022年，星期三图3-22 PIN光电二极管响应度、量子效应率 与波长 的关系第26页，共48页，编辑于2022年，星期三图3.22示出量子效率量子效率量子效率量子效率和响应度响应度响应度响应度 的光谱特性，由图可见，Si 适用于0.8

6、0.9m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)。第27页，共48页，编辑于2022年，星期三如上图所示，波长范围为1300 nm-1600 nm的InGaAs pin，量子效率约为90%，因此响应度为：当波长为1300 nm时：当波长大于1600 nm时，光子能量不足以激发出一个电子。当波长1100 nm时，光子在接近光电二极管的表面被吸收，所产生的电子空穴对的复合寿命很短，很多载流子并没有产生光电流。所以在短波长响应度的值迅速降低。例第28页，共48页，编辑于2022年，星期三 (二)响应时间和频率特性响应时间和频率特性。光电二极管对高速调

7、制光信号的响响应应能能力力用脉脉冲冲响响应应时时间间或截截止止频频率率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，分别定义为脉脉冲冲上上升升时间时间r和脉冲下降时间脉冲下降时间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脉冲响应时间 =r=f=2.20 (3.16)第29页，共48页，编辑于2022年，星期三 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的频率定义为截截截截止止止止频频频频率率率率

8、f fc c。当光电二极管具有单一时间常数0时，（3.17）PIN光电二极管响响应应时时间间或频频率率特特性性主主要要由由光生载流子在耗尽层的渡越时间渡越时间d和包括光电二极管在内的检测电路RC常数常数所确定确定。第30页，共48页，编辑于2022年，星期三 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(3.18)由()/(0)=得到由渡越时间d限制的截止频率（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。由式(3.19)和式(3.18)可以看出，减减小小耗耗尽尽层层宽宽度度w，可以减减小小渡渡越越时间时间d

9、，从而提高提高截止频率截止频率fc，但是同时要降低降低量子效率量子效率。第31页，共48页，编辑于2022年，星期三图3.23 内量子效率和带宽的关系第32页，共48页，编辑于2022年，星期三 由电路RC时间常数限制的截止频率截止频率 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，为材料介电常数材料介电常数材料介电常数材料介电常数，A为结面积结面积结面积结面积，w为耗尽层耗尽层耗尽层耗尽层宽度。(3.20)(3.21)第33页，共48页，编辑于2022年，星期三 (三三)噪声噪声。噪声噪声影响光接收机的灵敏度灵敏度。噪噪声声包括散散粒粒噪噪声声

10、(Shot Noise)(由信号电流和暗电流产生)热热噪噪声声(由负载电阻和后继放大器输入电阻产生)（1）均方散粒噪声电流均方散粒噪声电流均方散粒噪声电流均方散粒噪声电流 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。2eI2eIP PB B 称为量量子子噪噪声声(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)2eI 2eId dB B是暗电流暗电流产生的噪声。暗电流暗电流是器件在反反偏压偏压条件下，没有入射光时产生的反向直流反向直流电流。第34页，共48页，编辑于2022年，星期三（1）均方热噪声电流均方热噪声电流

11、 式中，k=1.3810-23J/K为波波波波尔尔尔尔兹兹兹兹曼曼曼曼常常常常数数数数，T为等效噪声温度，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总均方噪声电流为 i2=2e(IP+Id)B+(3.24)(3.23)i2T=第35页，共48页，编辑于2022年，星期三光电二极管物理原理及其参数雪崩倍增管的原理及其参数光电检测器的噪声分析光电检测器的带宽主要内容主要内容第36页，共48页，编辑于2022年，星期三雪崩二极管(APD)照片第37页，共48页，编辑于2022年，星期三 3.2.3 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)光电二极管输出电流输出

12、电流 I和反偏压反偏压U的关系示于图3.24。随着反向偏压反向偏压的增加，开始光电流光电流基本保持不变。当反反向向偏偏压压增加到一定数值时，光光电电流流急剧增加，最后器件被击穿，这个电压称为击穿电压击穿电压UB。APDAPD就是根据这种特性设计的器件。根据光光电电效效应应，当光入射到PN结时，光子被吸收而产生电电子子-空空穴穴对对。第38页，共48页，编辑于2022年，星期三 如果如果电压增加到使电场达到200 kV/cm以上，初始电子(一次电子)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，产生新的电子电子电子电子 -空穴对空穴对空穴对空穴对。新产生的二次

13、电子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子载流子雪崩式倍增雪崩式倍增，见图3.25。所以所以这种器件就称为雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)。第39页，共48页，编辑于2022年，星期三 图 3.24 光电二极管输出电流I和反向偏压U的关系 第40页，共48页，编辑于2022年，星期三 图 3.25 APD载流子雪崩式倍增示意图(只画出电子）第41页，共48页，编辑于2022年，星期三图3.26 APD结构图 图3.26示出的N+PP+结构被称为拉通型拉通型APD。第42页，共48页，编辑于2022年，星期三 APD的响应度响应度比PIN增加了g倍。U为反反反反向向向向偏偏

14、偏偏压压压压，UB为击击击击穿穿穿穿电电电电压压压压，n为与材料特性和入射光波长有关的常数，R为体电阻体电阻体电阻体电阻。当UUB时，RIo/UB1)是雪雪雪雪崩崩崩崩效效效效应应应应的随机性引起噪声增加的倍数，设F=gx，APD的均均均均方量子噪声电流方量子噪声电流方量子噪声电流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，APDAPD暗电流暗电流暗电流暗电流产生的均方噪声电流应为 i2d=2eIdBg2+x (3.27)附加噪声指数附加噪声指数附加噪声指数附加噪声指数x x与器件所用材料和制造工艺有关 Si-APD的x=0.30.5，Ge-AP

15、D的x=0.81.0，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。第44页，共48页，编辑于2022年，星期三 3.2.4 光电二极管一般性能和应用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光电二极管光电二极管光电二极管(PIN和APD)的一般性能。APDAPD是有增益的光电二极管，在光接收机灵灵敏敏度度要求较高的场合，采用APDAPD有利于延长系统的传输距离。灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度要求不高的场合，一般采用PIN-PD。第45页，共48页，编辑于2022年，星期三-5-15-5-15工作电压工作电压 /V1

16、20.51结电容结电容 Cj/pF0.21210响应时间响应时间250.11暗电流暗电流 Id/nA0.6(1.3 )0.4(0.85 )响应度响应度1.01.60.41.0波长响应波长响应InGaAs-PINSi-PIN表表3.3 PIN光电二极管一般特性光电二极管一般特性第46页，共48页，编辑于2022年，星期三0.50.70.30.4附加噪声指数附加噪声指数 x203030100倍增因子倍增因子 g406050100工作电压工作电压 /V0.512结电容结电容 Cj/pF0.10.30.20.5响应时间响应时间10200.11暗电流暗电流 Id/nA050.70.5响应度响应度11.650.41.0波长响应波长响应InGaAs-APDSi-APD表表3.4 雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（APD）一般性能）一般性能第47页，共48页，编辑于2022年，星期三3.3 光无源器件光无源器件 3.3.1 连接器和接头连接器和接头 3.3.2 光耦合器光耦合器 一、耦合器类型一、耦合器类型 二、基本结构二、基本结构 三、主要特性三、主要特性 3.3.3 光隔离器与光环行器光隔离器与光环行器 3.3.4 光调制器光调制器 3.3.5 光开关光开关第48页，共48页，编辑于2022年，星期三