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1、光源和光电检测器光源和光电检测器第一页，讲稿共四十页哦4.1 4.1 半导体的能带理论半导体的能带理论o1 1、晶体的能带、晶体的能带o 晶晶体体的的能能谱谱在在原原子子能能级级的的基基础础上上按按共共有有化化运运动动的的不不同同而而分分裂裂成成若若干干组组。每每组组中中能能级级彼彼此此靠靠得得很很近近，组组成成有有一一定定宽宽度度的带，称为能带。的带，称为能带。第二页，讲稿共四十页哦o锗锗、硅硅和和CaAsCaAs等等都都是是共共价价晶晶体体。形形成成共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价价带带下下面面的的能能带带是是被被电电子子占占满满了了，称称为为满
2、带。满带。o价带上面的能带称为导带。价带上面的能带称为导带。o价价带带和和导导带带，价价带带和和满满带带之之间间的的宽宽度度，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。第三页，讲稿共四十页哦o原原子子的的电电离离以以及及电电子子与与空空穴穴的的复复合合发发光光等过程，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。第四页，讲稿共四十页哦2 2、费米狄拉克统计、费米狄拉克统计o电电子子是是费费米米子子(自自旋旋量量子子数数为为1/2)1/2)，符符合合泡泡里里不不相相容容原原理理。电电子子在在各各能能级级中中的的分分布，服从费米狄拉克统计。布，服从费米狄拉克统计。o费费
3、米米能能级级不不是是一一个个可可以以被被电电子子占占据据的的实实在在的的能能级级，它它是是反反映映电电子子在在各各能能级级中中分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。第五页，讲稿共四十页哦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根根据据费费米米分分布布规规律律，可可以以画画出出各各种种半半导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所示所示第六页，讲稿共四十页哦4.2 PN4.2 PN结的能带结构结的能带结构1 1、PNPN结的形成结的形成o当当P P型型半半导导体体和和N N型型半半导导体体形形成成PNPN结结时时，
4、载载流流子子的的浓浓度度差差引引起起扩扩散散运运动动，P P区区的的空空穴穴向向N N区区扩扩散散，剩剩下下带带负负电电的的电电离离受受主主，从从而而在在靠靠近近PNPN结结界界面面的的区区域域形形成成一一个个带带负负电电的的区区域域。同同样样，N N区区的的电电子子向向P P区区扩扩散散，剩剩下下带带正正电电的的电电离离施施主主，从从而而造造成成一一个个带带正正电电的的区区域域。载载流流子子扩扩散散运运动动的的结结果果形形成成了了一一个个空间电荷区，称为空间电荷区，称为PNPN结。结。第七页，讲稿共四十页哦PNPN结具有单向导电性结具有单向导电性o当当PNPN结结加加上上正正向向电电压压时时
5、，外外加加电电压压的的电电场场方方向向消消弱弱了了自自建建场场，P P区区的的空空穴穴通通过过PNPN结结流流向向N N区区，N N区区的的电电子子也也流流向向P P区区，形形成成正正向向电电流流。由由于于P P区区的的空空穴穴和和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结结加加反反向向电电压压时时，外外电电场场的的方方向向和和自自建建场场相相同同，多多数数载载流流子子将将背背离离PNPN结结的的交交界界面面移移动动，使使空空间间电电荷荷区区变变宽宽。空空间间电电荷荷区区内内电电子子和和空空穴穴都都很很少少，它它变成高阻层，因而反
6、向电流非常小。变成高阻层，因而反向电流非常小。第八页，讲稿共四十页哦2 2PNPN结的能带结的能带第九页，讲稿共四十页哦3 3增益区的形成增益区的形成o对对于于兼兼并并型型P P型型半半导导体体和和兼兼并并型型N N型型半半导导体体形形成成的的PNPN结结，当当注注入入电电流流(或或正正向向电电压压)加加大大到到某某一一值值后后，准准费费米米能能级级E EfCfC和和E EfVfV的的能能量量间间隔隔大大于于禁禁带带宽宽度度，PNPN结结里里出现一个增益区出现一个增益区(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 ghh
7、e e0 0V V 的的光光子子有有光光放放大大作作用用。半半导导体体激激光光器的辐射就发生在这个区域。器的辐射就发生在这个区域。第十页，讲稿共四十页哦4.3同质结和异质结同质结和异质结o早早期期研研制制的的半半导导体体激激光光器器和和发发生生二二极极管管一一般般采采用用同同质质结结构构。同同质质结结就就是是在在PNPN结结的两边使用相同的半导体材料。的两边使用相同的半导体材料。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第十一页，讲稿共四十页哦o为了降
8、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双双异异质质结结(DH)(DH)是是窄窄带带隙隙有有源源区区(GaAs)(GaAs)材材料料被被夹夹在在宽宽带带隙隙的的材材料料(GaAlAs)(GaAlAs)之之间间构成。构成。第十二页，讲稿共四十页哦o由于双异质结激光器在有源区两侧，既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。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。第十三页，讲稿共四十页哦4.4发
9、光二极管的工作原理发光二极管的工作原理o发发光光二二极极管管(LED)(LED)是是低低速速、短短距距离离光光通通信信系系统统中中常常用用光光源源。目目前前广广泛泛采采用用PNPN异异质质结结制制造造。LEDLED的的原原理理是是在在LEDLED注注入入正正向向电电流流时时，注注入入的的非非平平衡衡载载流流子子在在扩扩散散过过程程中发光。中发光。oLEDLED是是非非相相干干光光源源，它它的的发发光光过过程程是是自自发发辐辐射射过过程程，发发出出的的是是荧荧光光，它它没没有有光光学学谐振腔，是无阈值器件。谐振腔，是无阈值器件。第十四页，讲稿共四十页哦LEDLED有如下工作特性：有如下工作特性：
10、(1)LED(1)LED的光谱特性的光谱特性 它它的的谱谱线线宽宽度度较较宽宽，对对高高速速率率调调制制是不利的。是不利的。(2)LED(2)LED的电光转换特性的电光转换特性 光光输输出出功功率率P P与与注注入入电电流流I I的的关关系系，一一般般称称为为P-IP-I曲曲线线，LEDLED的的P-IP-I曲曲线线线线性性范范围围较较大大。在在进进行行调调制制时时，动动态态范范围围大大，信号失真小。信号失真小。第十五页，讲稿共四十页哦4.5半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理1 1、光光纤纤通通信信对对半半导导体体激激光光器器的的主主要要要要求求 半半导导体体激激光光器器(LD)(L
11、D)是是光光纤纤通通信信最最主主要要的的光光源源，对对它它的的基基本本要要求求有有以以下下几几点点：光光源源应应在在光光纤纤的的三三个个低低损损耗耗窗窗口口工工作作，即即 发发 光光 波波 长长 为为 0.85m0.85m、1.31m1.31m或或1.55m1.55m。第十六页，讲稿共四十页哦 光光源源的的谱谱线线宽宽度度较较窄窄，=0.1=0.11.0nm1.0nm。能能提提供供足足够够的的输输出出功功率率，可可达达到到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。因因此此，LDLD非非常常适
12、适合合于于高高码码速速率率长长距距离离的的光纤通信系统。光纤通信系统。第十七页，讲稿共四十页哦2 2、LDLD的工作原理的工作原理半半导导体体激激光光器器产产生生激激光光输输出出应应满满足足三三个个基基本条件：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第十八页，讲稿共四十页哦3 3LDLD的结构的结构o普普通通的的半半导导体体激激光光器器一一般般采采用用条条形形结结构构双双异异质质结结半半导导体体激激光光器器(BH(BH LD)LD)，光光学学谐谐振振腔腔为为法法布布里里珀珀罗罗腔腔(F(FP)P)，它它可可以以分分为为两两类类，即即增增益益波波
13、导导LDLD和和折折射射率率波波导导LDLD。第十九页，讲稿共四十页哦 4 4动态单纵模激光器的原理动态单纵模激光器的原理o所所谓谓动动态态单单纵纵模模激激光光器器(SLM(SLM LD)LD)，就就是是指指在在高高速速调调制制下下仍仍能能单单纵纵模模工工作作的的半半导导体激光器。体激光器。o目目前前，比比较较成成熟熟的的单单纵纵模模激激光光器器有有分分布布反馈激光器及耦合腔激光器反馈激光器及耦合腔激光器。第二十页，讲稿共四十页哦o分布反馈激光器的原理：分布反馈激光器的原理：o分分布布反反馈馈半半导导体体激激光光器器(Distributed-(Distributed-Feedback Feed
14、back Semiconductor Semiconductor Laser Laser DFB DFB Laser)Laser)，它它是是在在异异质质结结激激光光器器具具有有光光放放大大作作用用的的有有源源层层附附近近，刻刻上上波波绞绞状状的的周周期期的的光光栅栅来来构构成成的的。光光子子在在每每一一条条光光栅栅上上的的反反射射形形成成一一个个激激光光器器所所需需要要的的光光反反馈。馈。第二十一页，讲稿共四十页哦o由由于于这这种种波波纹纹状状周周期期结结构构对对光光的的反反射射作作用用，使使得得在在一一个个方方向向上上传传播播的的光光波波不不断断地地被被反反馈馈回回相相对对的的方方向向，使使
15、得得前前向向和和反反向向波波之之间间产产生生耦耦合合，这这种种结结构构可可以以理理解解为为形形成成了了一一个个对对光光波波波波长长“敏敏感感”的的光光学谐振腔。学谐振腔。o由由布布喇喇格格条条件件:2n=m:2n=m，分分布布反反馈馈激激光光器器具具有有极极强强的的波波长长选选择择性性，从从而而实实现现动动态单纵模工作。态单纵模工作。第二十二页，讲稿共四十页哦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夹夹于于宽宽带带隙隙半半导导体体(如如Ga1-xAlxAs)Ga1-xAlxAs)中中间间的的窄窄带带隙隙半半导导体体(如如GaAs)GaAs)起起着着载载流流子子(电电子和空穴子和空穴
16、)陷阱的作用。陷阱的作用。o材材料料的的电电性性质质和和光光学学性性质质产产生生剧剧烈烈的的变变化化，垂垂直直于于有有源源层层方方向向上上运运动动的的载载流流子子动动能能可可量量子子化化成成分分立立的的能能级级，这这类类似似于于一一维维势势阱阱的的量量子子力力学学问问题题，因因而而这这类类激激光器叫做量子阱激光器。光器叫做量子阱激光器。第二十三页，讲稿共四十页哦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示所出示所出第二十四页，讲稿共四十页哦o在在量量子子阱阱结结构构中中，只只要要简简单单地地改改变变阱阱宽宽LzLz，就就可可改改变变发发射射光光子子的的能能量量。阱阱宽宽
17、愈愈小小，激激光光发发射射向向高高能能量量方方向向移移动动。同同时时，可可以以导导致致量量子子阱阱激激光光器器的的高高速速度度和窄带宽。和窄带宽。o有有多多个个有有源源层层，即即多多个个量量子子阱阱的的激激光光器器称称为为多多量量子子阱阱激激光光器器(MQW-LD)(MQW-LD)，它它可可以以获获得得更更低低的的阈阈值值电电流流，输输出出功功率率很很大大，可可达达几几百百毫毫瓦瓦以以上上，线线宽宽很很宽宽，可可达达25kHz25kHz。第二十五页，讲稿共四十页哦4.6LD的工作特性的工作特性oLDLD的的工工作作特特性性可可以以用用一一些些特特性性曲曲线线和和特特性性参参量量来来描述：描述：
18、1 1、P-IP-I曲线曲线第二十六页，讲稿共四十页哦 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。第二十七页，讲稿共四十页哦 3 3、温度特性、温度特性o（1 1）阈阈值值电电流流 I It t随随温温度度的的升升高高而而加加大大，为为了了使使光光纤纤通通信信系系统统稳稳定定、可可靠靠地地工工作作，一一般般都都要要采采用用自自动动温温度度控控制制电电路路，来来稳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)激激光光二二级级管管的的中中心心波波长长随随温温度度升升高而增加。高而增加
19、。第二十八页，讲稿共四十页哦4.7光电检测器的工作原理和主光电检测器的工作原理和主要要求要要求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半半导导体体材材料料的的光光电电效效应应是是指指：光光照照射射到到半半导导体体的的P-P-N N结结上上，若若光光子子能能量量足足够够大大，则则半半导导体体材材料料中中价价带带的的电电子子吸吸收收光光子子的的能能量量从从价价带带越越过过禁禁带带到到达达导导带带，在在导导带带中中出出现现光光电电子子，在在价价带带中中出出现现光光空空穴穴，它们总起来称作光生载流子。它们总起来称作光生载
20、流子。o光光生生载载流流子子在在外外加加负负偏偏压压和和内内建建电电场场的的作作用用下下，在外电路中出现光电流。在外电路中出现光电流。第二十九页，讲稿共四十页哦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(1)(1)在工作波长上光电转换效率高在工作波长上光电转换效率高 ；(2)(2)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)高高可可靠靠性性，长长寿寿命命，尺尺寸寸与与光光纤纤直直径径相相配配，工工作作电电压低等。压低等。在在光光纤纤通通信信中中，满满足足上上述述要
21、要求求的的光光电电检检测测器器有有两两种种半半导导体体光光电电二二极极管管：PINPIN光光电电二二极极管管和和雪雪崩崩光光电电二二极极管管(APD)(APD)。第三十页，讲稿共四十页哦4.8PIN和和APD的工作原理的工作原理1 1、PINPIN光电二极管的原理光电二极管的原理o利利用用光光电电效效应应可可以以制制造造出出简简单单的的PNPN结结构构光光电电二二极极管管，但但是是这这样样的的光光电电二二极极管管的的响响应应速速度度低低，光光电电转转换换效效率低。率低。o为为了了改改善善光光电电检检测测器器的的响响应应速速度度和和转转换换效效率率，在在P P型型材材料料和和N N型型材材料料之
22、之间间加加一一层层轻轻掺掺杂杂的的N N型型材材料料，I I层层，由由于于掺掺杂杂浓浓度度较较轻轻，电电子子浓浓度度很很低低，经经扩扩散散可可以以形成一个很宽的耗尽层。形成一个很宽的耗尽层。第三十一页，讲稿共四十页哦oPINPIN光电二级管：光电二级管：oSi-PINSi-PIN工工作作波波长长小小于于1.09m1.09m，用用于于光光通通信可以在信可以在0.85m0.85m附近工作。附近工作。o在在长长波波长长波波段段，有有Ge-PINGe-PIN光光电电二二级级管管，但但其其暗暗电电流流大大(20(20时时100nA100nA，4040时时增增大到大到1A)1A)，限制了它的应用。，限制了
23、它的应用。o但但用用族族半半导导体体合合金金制制造造的的长长波波长长光光电电二二极极管管有有较较满满意意的的性性能能，例例如如晶晶格格匹匹配配的的In0.53Ga In0.53Ga 0.47As/InP0.47As/InP系系的的检检测测波波长达长达1.67m1.67m。第三十二页，讲稿共四十页哦2 2雪崩光电二极管的原理雪崩光电二极管的原理oAPDAPD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雪雪崩崩光光电电二二极极管管的的雪雪崩崩倍倍增增效效应应，是是在在二二极极管管的的P-NP-N结结上上加加高高反反向向电电压压(一一般般为为几几十十伏伏或或几几百百
24、伏伏)形形成成的的，此此时时在在结结区区形形成成一一个个强强电电场场，在在高高场场区区内内光光生生载载流流子子被被强强电电场场加加速速，获获得得高高的的动动能能，与与晶晶格格的的原原子子发发生生碰碰撞撞，使使价价带带的的电电子子得得到到能能量量，越越过过禁禁带带到到导导带带，产产生生了了新新的的电电子子空空穴穴对对，新新产产生生的的电电子子空空穴穴对对在在强强电电场场中中又又被被加加速速，再再次次碰碰撞撞，又又激激发发出出新新的的电电子子空空穴穴对对如如此此循循环环下下去去，像像雪雪崩崩一一样样的的发发展展，从从而而使使光光电电流流在在管管子子内内部部即即获获得得了了倍倍增。增。第三十三页，讲
25、稿共四十页哦o目目前前光光纤纤通通信信系系统统中中使使用用的的雪雪崩崩光光电电二二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4-8-34-8-3第三十四页，讲稿共四十页哦o雪雪崩崩光光电电二二极极管管随随使使用用的的材材料料不不同同有有：Si-APD(Si-APD(工工 作作 在在 短短 波波 长长 区区)；Ge-APDGe-APD，InGaAs-APDInGaAs-APD等等(工作在长波长区工作在长波长区)。oSi-APDSi-APD性性能能较较好好，它它工工作作在在0.85m0.85m附附近近，倍倍增增增增益益高高达达
26、10010010001000，暗暗电电流流很很小小。oGe-APDGe-APD工工作作在在长长波波长长区区，它它的的倍倍增增增增益益一一般般不不超超过过1515，过过剩剩噪噪声声大大，暗暗电电流流也也很大，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。第三十五页，讲稿共四十页哦4.9光电检测器的工作特性光电检测器的工作特性1 1、响应度和量子效率、响应度和量子效率o响响应应度度和和量量子子效效率率都都是是描描述述这这种种器器件件光光电转换能力的物理量电转换能力的物理量第三十六页，讲稿共四十页哦2 2、响应时间、响应时间o表表征征光光检检测测器器对对光光信信号号变变化化响响应应速
27、速度度快快慢慢的的是是它它的的响响应应时时间间，通通过过用用光光检检测测器器受受阶阶跃跃光光脉脉冲冲照照射射时时，输输出出脉脉冲冲前前沿沿的的10%10%点点到到90%90%点点之之间间的的时时间间间间隔隔(即即上上升升时间时间)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第三十七页，讲稿共四十页哦o3 3暗电流暗电流I Id do暗暗电电流流是是指指在在PINPIN规规定定的的反反向向电电压压或或者者APDAPD的的90%90%击击穿穿电压时，在无入
28、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在在理理想想条条件件下下，当当没没有有光光照照时时，光光电电检检测测器器应应无无光光电电流流输输出出。但但是是，实实际际上上由由于于热热激激励励、宇宇宙宙射射线线或或放放射射性性物物质质的的激激励励，在在无无光光情情况况下下，光光电电检检测测器器仍仍有有电电流流输输出出，这这种种电电流流称称为为暗暗电电流流。严严格格说说暗暗电电流流还还包包括括器器件件表表面面的的漏漏电电流流。据据理理论论研研究究，暗暗电电流流将将引引起起光光接接收收机机噪噪声声增增大大。因因此此，人人们们总总是希望器件的暗电流越小越好。是希望器件的暗
29、电流越小越好。第三十八页，讲稿共四十页哦4 4倍增特性倍增特性oAPDAPD的雪崩倍增因子用的雪崩倍增因子用G G表示表示oPINPIN无倍增效应，所以无倍增效应，所以G=1G=1。oAPDAPD的的倍倍增增因因子子G G随随反反向向电电压压V V的的升升高高而而增增大大。APDAPD可可以以达达到到的的最最大大倍倍增增因因子子用用G Gmaxmax表示。表示。第三十九页，讲稿共四十页哦5 5过剩噪声系数过剩噪声系数F(G)F(G)o在在APDAPD中中，每每个个光光生生载载流流子子不不会会经经历历相相同同的的倍倍增增过过程程，这这将将导导致致倍倍增增增增益益产产生生波波动动。这这种种波波动动是是额额外外的的倍倍增增噪噪声声的的主主要要根源。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过过剩剩噪噪声声指指数数x x越越大大，则则F(G)F(G)越越大大，所所以以应选择应选择APDAPD的的x x小的管子。小的管子。第四十页，讲稿共四十页哦