(精品)第四章光源和光电检测器

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第四章 光源和光电检测器,4.1 半导体的能带理论,4.2,PN,结的能带结构,4.3 同质结和异质结,4.4 发光二极管的工作原理,4.5 半导体激光器的工作原理,4.6,LD,的工作特性,4.7 光电检测器的工作原理和主要要求,4.8,PIN,和,APD,的工作原理,4.9光电检测器的工作特性,4.1 半导体的能带理论,1、晶体的能带,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。每组中能级彼此靠得很近，组成有一定宽度的带，称为能带。,锗、硅和,CaAs,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。,价带下面的能带是被电子占满了，称为满带。,价带上面的能带称为导带。,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。,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。,2、费米狄拉克统计,电子是费米子(自旋量子数为1/2)，符合泡里不相容原理。电子在各能级中的分布，服从费米狄拉克统计。,费米能级不是一个可以被电子占据的实在的能级，它是反映电子在各能级中分布情况的,参量，具有能级的量纲。,3、各种半导体中电子的统计分布,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4-1-4所示,4.2,PN,结的能带结构,1、,PN,结的形成,当,P,型半导体和,N,型半导体形成,PN,结时，载流子的浓度差引起扩散运动，,P,区的空穴向,N,区扩散，剩下带负电的电离受主，从而在靠近,PN,结界面的区域形成一个带负电的区域。同样，,N,区的电子向,P,区扩散，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间电荷区，称为,PN,结。,PN,结具有单向导电,性,当,PN,结加上正向电压时，外加电压的电场方向消弱了自建场，,P,区的空穴通过,PN,结流向,N,区，,N,区的电子也流向,P,区，形成正向电流。由于,P,区的空穴和,N,区的电子都很多，所以这股正向电流是大电流。,当,PN,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,PN,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，它变成高阻层，因而反向电流非常小。,2,PN,结的能带,3增益区的形成,对于兼并型,P,型半导体和兼并型,N,型半导体形成的,PN,结，当注入电流(或正向电压)加大到某一值后，准费米能级,E,fC,和,E,fV,的能量间隔大于禁带宽度，,PN,结里出现一个增益区(也叫有源区)。,实现了粒子数反转。这个区域对光子能量满足,E,g,he,0,V,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。,4.3 同质结和异质结,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。,同质结就是在,PN,结的两边使用相同的半导体材料。,采用同质结结构的激光器存在如下问题：,首先是对光波的限制不完善；,其次是对载流子的限制不完善,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。,双异质结(,DH),是窄带隙有源区(,GaAs,),材料被夹在宽带隙的材料(,GaAlAs,),之间构成。,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。,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。,4.4 发光二极管的工作原理,发光二极管(,LED),是低速、短距离光通信系统中常用光源。目前广泛采用,PN,异质结制造。,LED,的原理是在,LED,注入正向电流时，注入的非平衡载流子在扩散过程中发光。,LED,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，它没有光学谐振腔，是无阈值器件。,LED,有如下工作特性：,(1),LED,的光谱特性,它的谱线宽度较宽，对高速率调制是不利的。,(2),LED,的电光转换特性,光输出功率,P,与注入电流,I,的关系，一般称为,P-I,曲线，,LED,的,P-I,曲线线性范围较大。在进行调制时，动态范围大，信号失真小。,4.5 半导体激光器的工作原理,1、光纤通信对半导体激光器的主要要求,半导体激光器,(,LD),是光纤通信最主要的光源，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，即发光波长为0.85,m、1.31m,或1.55,m。,光源的谱线宽度较窄，,=0.11.0nm。,能提供足够的输出功率，可达到10,mW,以上。,与光纤耦合效率高，30%50%。,能长时间连续工作，工作稳定。,因此,，,LD,非常适合于高码速率长距离的光纤通信系统。,2、,LD,的工作原理,半导体激光器产生激光输出应满足三个基本条件：,粒子数反转分布,光反馈,激光振荡的阈值条件,3,LD,的结构,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,(,BH LD)，,光学谐振腔为法布里珀罗腔,(,FP)，,它可以分为两类，即增益波,导,LD,和折射率波导,LD。,4动态单纵模激光器的原理,所谓动态单纵模激光器(,SLM LD)，,就是指在高速调制下仍能单纵模工作的半导体激光器。,目前，比较成熟的单纵模激光器有分布反馈激光器及耦合腔激光器,。,分布反馈激光器的原理：,分布反馈半导体激光器,(,Distributed-Feedback Semiconductor Laser DFB Laser)，,它是在异质结激光器具有光放大作用的有源层附近，刻上波绞状的周期的光栅来构成的。光子在每一条光栅上的反射形成一个激光器所需要的光反馈。,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，这种结构可以理解为形成了一个对光波波长“敏感”的光学谐振腔。,由布喇格条件:2,n=m，,分布反馈激光器具有极强的波长选择性，从而实现动态单纵模工作。,5量子阱激光器的基本原理,夹于宽带隙半导体,(如,Ga1-,xAlxAs,),中间的窄带隙半导体(,如,GaAs,),起着载流子(电子和空穴)陷阱的作用。,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，因而这类激光器叫做量子阱激光器。,量子阱中的能级结构如图4-5-4示所出,在量子阱结构中，只要简单地改变阱宽,Lz,，,就可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度和窄带宽。,有多个有源层，即多个量子阱的激光器称为多量子阱激光器(,MQW-LD)，,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25,kHz。,4.6,LD,的工作特性,LD,的工作特性可以用一些特性曲线和特性参量来描述：,1、,P-I,曲线,2、光谱特性,GaAs,LD,的光谱特性曲线如图4-6-2所示。,3、温度特性,（1）阈值电流,I,t,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，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。,(2)激光二级管的中心波长,随温度升高而增加。,4.7 光电检测器的工作原理和主要要求,1、半导体的光电效应,光电检测器是利用半导体的光电效应制成。,半导体材料的光电效应是指：光照射到半导体的,P-N,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。,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。,2、光纤通信对光电检测器的主要要求,在工作波长上光电转换效率高；,检测过程中带来的附加噪声尽可能小；,(3)响应速度快、线性好及频带宽；,(4)高可靠性，长寿命，尺寸与光纤直径相配，工作电压低等。,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：,PIN,光电二极管和雪崩光电二极管(,APD)。,4.8,PIN,和,APD,的工作原理,1、,PIN,光电二极管的原理,利用光电效应可以制造出简单的,PN,结构光电二极管，但是这样的光电二极管的响应速度低，光电转换效率低。,为了改善光电检测器的响应速度和转换效率，在,P,型材料和,N,型材料之间加一层轻掺杂的,N,型材料，,I,层，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。,PIN,光电二级管：,Si,-PIN,工作波长小于1.09,m，,用于光通信可以在0.85,m,附近工作。,在长波长波段，有,Ge,-PIN,光电二级管，但其暗电流大(20时100,nA,，40,时增大,到1,A)，,限制了它的应用。,但用族半导体合金制造的长波长光电二极管有较满意的性能，例如晶格匹配,的,In0.53Ga 0.47As/,InP,系的检测波长达1.67,m。,2雪崩光电二极管的原理,APD,是利用半导体材料的雪崩信增效应制成的。,雪崩光电二极管的雪崩倍增效应，是在二极管,的,P-N,结上加高反向电压(一般为几十伏或几百伏)形成的，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，与晶格的原子发生碰撞，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如此循环下去，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。,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。,雪崩光电二极管的结构见图4-8-3,雪崩光电二极管随使用的材料不同有：,Si,-APD(,工作在短波长区),；,Ge,-APD，,InGaAs,-APD,等(工作在长波长区)。,Si,-APD,性能较好，它工作在0.85,m,附近，倍增增益高达1001000，暗电流很小。,Ge,-APD,工作在长波长区，它的倍增增益一般不超过15，过剩噪声大，暗电流也很大，限制了倍增增益及检测灵敏度。,4.9 光电检测器的工作特性,1、响应度和量子效率,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,2、响应时间,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，输出脉冲前沿的10%点到90%点之间的时间间隔(即上升时间)来衡量。,光电检测器的响应时间受三个因素影响：,(1)渡越时间,(2)扩散时间的影响,(3)电路的影响,3暗电流,I,d,暗电流是指在,PIN,规定的反向电压或者,APD,的90%击穿电压时，在无入射光情况下器件内部的反向电流。,在理想条件下，当没有光照时，光电检测器应无光电流输出。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，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。,4倍增特性,APD,的雪崩倍增因子用,G,表示,PIN,无倍增效应，所以,G=1。,APD,的倍增因子,G,随反向电压,V,的升高而增大。,APD,可以达到的最大倍增因子用,G,max,表示。,5过剩噪声系数,F(G),在,APD,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,F(G),来表示。,过剩噪声指数,x,越大，则,F(G),越大，所以应选择,APD,的,x,小的管子。,