通信用光器件

通信用光器件第一页，共四十八页，2022年，8月28日LED的P__I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43210501001500℃25℃70℃电流/mA输出功率/mW第二页，共四十八页，2022年，8月28日式中，f为调制频率，P(f)为对应于调制频率f的输出光功率，τe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=fc=1/(2πτe)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)|=(3.12)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τe和截止频率fc

的关系。对有源区为低掺杂浓度的LED，适当增加工作电流可以缩短载流子寿命，提高截止频率。第三页，共四十八页，2022年，8月28日图3.17发光二极管(LED)的频率响应第四页，共四十八页，2022年，8月28日

3.1.5半导体光源一般性能和应用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通常和多模光纤耦合，用于1.3μm(或0.85μm)波长的小容量短距离系统。因为LED发光面积和光束辐射角较大，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，有利于提高耦合效率，增加入纤功率。

LD通常和G.652或G.653规范的单模光纤耦合，用于1.3μm或1.55μm大容量长距离系统。

分布反馈激光器(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。第五页，共四十八页，2022年，8月28日表3.1半导体激光器(LD)和发光二极管(LED)的一般性能-20×50-20×50-20×50-20×50工作温度/°C寿命t/h30×12030×12020×5020×50辐射角50~15030~100500~2000500~1000调制带宽B/MHz0.1~0.30.1~0.21~31~3入纤功率P/mW1~51~35~105~10输出功率P/mW100~150100~150工作电流I/mA20~3030~60阀值电流Ith/mA50~10060~1201~21~3谱线宽度1.31.551.31.55工作波长LEDLD第六页，共四十八页，2022年，8月28日表3.2分布反馈激光器(DFB-LD)一般性能

20~4015~30输出功率P/mW(连续单纵模,25ºC)

2015外量子效率/%

15~2020~30阀值电流Ith/mA<0.08频谱漂移/(nm/ºC)30~35边模抑制比/dB0.04~0.5(Gb/s,RZ)直接调制单纵模连续波单纵模谱线宽度

1.31.55工作波长第七页，共四十八页，2022年，8月28日光源组件实例第八页，共四十八页，2022年，8月28日3.2光检测器

3.2.1光电二极管工作原理

3.2.2PIN光电二极管

一、工作原理和结构

二、PIN光电二极管主要特性

(1)量子效率和光谱特性

(2)响应时间和频率特性

(3)噪声

3.2.3雪崩光电二极管(APD)

一、工作原理和结构

二、APD特性参数

3.2.4光电二极管一般性能和应用第九页，共四十八页，2022年，8月28日光电检测器的要求-灵敏度高，能检测出入射在其上面的光功率，并完成光/电信号的转换常用的半导体光电检测器：光电二极管和雪崩光电二极管-足够高的响应度，对一定的入射功率能输出足够大的光电流-具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响-具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真-具有较小的体积、较长的工作寿命等第十页，共四十八页，2022年，8月28日第十一页，共四十八页，2022年，8月28日3.2光检测器

在耗尽层形成漂移电流。内部电场的作用，电子向N区运动，空穴向P区运动3.2.1光电二极管工作原理

光电二极管(PD)把光信号转换为电信号的功能，是由半导体PN结的光电效应实现的。电子和空穴的扩散运动PN结界面内部电场漂移运动能带倾斜如果光子的能量大于或等于带隙(hf≥Eg)当入射光作用在PN结时发生受激吸收第十二页，共四十八页，2022年，8月28日在耗尽层两侧是没有电场的中性区，由于热运动，部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层，然后在电场作用下，形成和漂移电流相同方向的扩散电流。漂移电流分量和扩散电流分量的总和即为光生电流。当与P层和N层连接的电路开路时，便在两端产生电动势，这种效应称为光电效应。当连接的电路闭合时，N区过剩的电子通过外部电路流向P区。同样，P区的空穴流向N区，便形成了光生电流。当入射光变化时，光生电流随之作线性变化，从而把光信号转换成电信号。这种由PN结构成，在入射光作用下，由于受激吸收过程产生的电子-空穴对的运动，在闭合电路中形成光生电流的器件，就是简单的光电二极管(PD)。第十三页，共四十八页，2022年，8月28日如图3.19(b)所示，光电二极管通常要施加适当的反向偏压，目的是增加耗尽层的宽度，缩小耗尽层两侧中性区的宽度，从而减小光生电流中的扩散分量。由于载流子扩散运动比漂移运动慢得多，所以减小扩散分量的比例便可显著提高响应速度。但是提高反向偏压，加宽耗尽层，又会增加载流子漂移的渡越时间，使响应速度减慢。为了解决这一矛盾，就需要改进PN结光电二极管的结构。第十四页，共四十八页，2022年，8月28日

3.2.2PIN光电二极管

PIN光电二极管的产生

由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收，因而光电转换效率低，响应速度慢。为改善器件的特性，在PN结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导体(称为I)，这种结构便是常用的PIN光电二极管。第十五页，共四十八页，2022年，8月28日PIN光电二极管的工作原理和结构见图3.20和图3.21。中间的I层是N型掺杂浓度很低的本征半导体，用Π(N)表示；两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体，用P+和N+表示。

I层很厚，吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量电子-空穴对，因而大幅度提高了光电转换效率。两侧P+层和N+层很薄，吸收入射光的比例很小，I层几乎占据整个耗尽层，因而光生电流中漂移分量占支配地位，从而大大提高了响应速度。另外，可通过控制耗尽层的宽度w，来改变器件的响应速度。第十六页，共四十八页，2022年，8月28日第十七页，共四十八页，2022年，8月28日图3.21PIN光电二极管结构第十八页，共四十八页，2022年，8月28日P(x)xpin在半导体材料中光功率的吸收呈指数规律：其中as(l)为材料对波长l的吸收系数，P0是入射光功率，P(x)是光在耗尽区中经过距离x后被吸收的功率pin的光吸收光损耗第十九页，共四十八页，2022年，8月28日不同材料吸收系数as(l)与波长的关系截止波长lc由其带隙能量Eg决定：lc=hc/Eg(1)l入射

>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

<<l截止材料吸收强烈(as很大)光的透射力变得很弱第二十页，共四十八页，2022年，8月28日有一个GaAs光电二极管，在300k时其带隙能量为1.43eV，其截止波长为：因此，检测器不能用于波长范围大于869nm的系统中。例第二十一页，共四十八页，2022年，8月28日如果耗尽区宽度为w，在距离w内吸收光功率为：如果二极管的入射表面反射系数为Rf，初级光电流为：其中e是电子电荷。量子效率定义为产生的电子-空隙对与入射光子数之比：量子效率只与波长有关，而与Pin无关pin的量子效率第二十二页，共四十八页，2022年，8月28日有一个InGaAs光电二极管，在100ns内共入射了波长为1300nm的光子6×106个，产生了5.4×106个电子空隙对，则其量子效率可以等于：例第二十三页，共四十八页，2022年，8月28日光电二极管的性能常使用响应度来表征：例：能量为1.53×10-19J的光子入射到光电二极管上，此二极管的响应度为0.65A/W，如果入射光功率为10mW，则产生的光电流为：pin的响应度在1550nm处典型响应度为0.7A/W第二十四页，共四十八页，2022年，8月28日实际检测器的量子效率一般在30%-95%之间。增加量子效率的办法是增加耗尽区的厚度，使大部分的入射光子可以被吸收。但是耗尽区越宽，pin的响应速度会变慢。因此二者构成一对折衷式中，α(λ)和w分别为I层的吸收系数和厚度。由式(3.15)可以看到，当α(λ)w>>1时，η→1，所以为提高量子效率η，I层的厚度w要足够大第二十五页，共四十八页，2022年，8月28日图3-22PIN光电二极管响应度、量子效应率与波长的关系第二十六页，共四十八页，2022年，8月28日图3.22示出量子效率η和响应度ρ的光谱特性，由图可见，Si适用于0.8~0.9μm波段，Ge和InGaAs适用于1.3~1.6μm波段。响应度一般为0.5~0.6(A/W)。

第二十七页，共四十八页，2022年，8月28日如上图所示，波长范围为1300nm-1600nm的InGaAspin，量子效率约为90%，因此响应度为：当波长为1300nm时：当波长大于1600nm时，光子能量不足以激发出一个电子。当波长<1100nm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。例第二十八页，共四十八页，2022年，8月28日

(二)响应时间和频率特性。光电二极管对高速调制光信号的响应能力用脉冲响应时间τ或截止频率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，分别定义为脉冲上升时间τr和脉冲下降时间τf。当光电二极管具有单一时间常数τ0时，其脉冲前沿和脉冲后沿相同，且接近指数函数exp(t/τ0)和exp(-t/τ0)，由此得到脉冲响应时间τ=τr=τf=2.2τ0

(3.16)第二十九页，共四十八页，2022年，8月28日对于幅度一定，频率为ω=2πf的正弦调制信号，用光生电流I(ω)下降3dB的频率定义为截止频率fc。当光电二极管具有单一时间常数τ0时，（3.17）

PIN光电二极管响应时间或频率特性主要由光生载流子在耗尽层的渡越时间τd和包括光电二极管在内的检测电路RC常数所确定。第三十页，共四十八页，2022年，8月28日当调制频率ω与渡越时间τd的倒数可以相比时，耗尽层(I层)对量子效率η(ω)的贡献可以表示为(3.18)

由η(ω)/η(0)=得到由渡越时间τd限制的截止频率（3.19）式中，渡越时间τd=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，减小耗尽层宽度w，可以减小渡越时间τd，从而提高截止频率fc，但是同时要降低量子效率η。第三十一页，共四十八页，2022年，8月28日图3.23内量子效率和带宽的关系第三十二页，共四十八页，2022年，8月28日

由电路RC时间常数限制的截止频率式中，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，ε为材料介电常数，A为结面积，w为耗尽层宽度。(3.20)(3.21)第三十三页，共四十八页，2022年，8月28日(三)噪声。

噪声影响光接收机的灵敏度。

噪声包括散粒噪声(ShotNoise)(由信号电流和暗电流产生)热噪声(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〈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。

2eIPB

称为量子噪声(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)

2eIdB是暗电流产生的噪声。

暗电流是器件在反偏压条件下，没有入射光时产生的反向直流电流。第三十四页，共四十八页，2022年，8月28日（1）均方热噪声电流式中，k=1.38×10-23J/K为波尔兹曼常数，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为〈i2〉=2e(IP+Id)B+(3.24)(3.23)〈i2T〉=第三十五页，共四十八页，2022年，8月28日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第三十六页，共四十八页，2022年，8月28日雪崩二极管(APD)照片第三十七页，共四十八页，2022年，8月28日

3.2.3雪崩光电二极管(APD)

光电二极管输出电流

I和反偏压U的关系示于图3.24。随着反向偏压的增加，开始光电流基本保持不变。当反向偏压增加到一定数值时，光电流急剧增加，最后器件被击穿，这个电压称为击穿电压UB。

APD就是根据这种特性设计的器件。根据光电效应，当光入射到PN结时，光子被吸收而产生电子-空穴对。

第三十八页，共四十八页，2022年，8月28日如果电压增加到使电场达到200kV/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-空穴对。新产生的二次电子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增，见图3.25。

所以这种器件就称为雪崩光电二极管(APD)。第三十九页，共四十八页，2022年，8月28日图3.24光电二极管输出电流I和反向偏压U的关系

第四十页，共四十八页，2022年，8月28日图3.25APD载流子雪崩式倍增示意图(只画出电子）第四十一页，共四十八页，2022年，8月28日图3.26APD结构图图3.26示出的N+PΠP+结构被称为拉通型APD。第四十二页，共四十八页，2022年，8月28日

APD的响应度比PIN增加了g倍。

U为反向偏压，UB为击穿电压，n为与材料特性和入射光波长有关的常数，R为体电阻。当U≈UB时，RIo/UB<<1，上式可简化为对APD特性新引入的参数是倍增因子和附加噪声指数倍增因子

倍增因子g(一次光生电流产生的平均增益的倍数)定义为APD输出光电流Io和一次光生电流IP的比值。(3.25)(3.26)(3.27)第四十三页，共四十八页，2022年，8月28日

2.过剩噪声因子

APD的均方量子噪声电流为〈i2q〉=2eIPBg2(3.26a)

引入新的噪声成分，并表示为附加噪声因子F。

F(>1)是雪崩效应的随机性引起噪声增加的倍数，设F=gx，APD的均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，APD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x与器件所用材料和制造工艺有关

Si-APD的x=0.3~0.5，Ge-APD的x=0.8~1.0，InGaAs-APD的x=0