光线传感技术精选PPT.ppt

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1、光线传感技术第1页，此课件共74页哦4.14.1 光源光源 光源器件：光纤通信设备的核心，其作用是将电信号转换成光信号送入光纤。光纤通信中常用的光源器件有半导体激光器和半导体发光二极管两种。半导体激光器（LD）：适用于长距离大容量的光纤通信系统。尤其是单纵模半导体激光器，在高速率、大容量的数字光纤通信系统中得到广泛应用。发光二极管（LED）：适用于短距离、低码速的数字光纤通信系统，或者是模拟光纤通信系统。其制造工艺简单、成本低、可靠性好。第2页，此课件共74页哦1.半导体的能带半导体的能带 o在单个原子中，电子是在原子内部的量子态运动的。当大量原子结合成晶体后，原子间的影响将表现出来。晶体中的

2、电子不再属于个别原子所有，它们一方面围绕每个原子运动，同时又要在原子之间做共有化运动，如图所示。PN结半导体激光器发光机理 第3页，此课件共74页哦第4页，此课件共74页哦半导体的能带半导体的能带o晶体的主要特征是它们的内部原子有规则地、周期性地排列着。做共有化运动电子受到周期性地排列着的原子的作用，它们的势能具有晶格的周期性。如图所示。第5页，此课件共74页哦 半导体的能带o锗、硅和砷化镓GaAs 等一些重要的半导体材料，都是典型的共价晶体。o在共价晶体中，每个原子最外层的电子和邻近原子形成共价键，整个晶体就是通过这些共价键把原子联系起来。如图所示。第6页，此课件共74页哦 图 4.2 半导

3、体的能带和电子分布(a)本征半导体；(b)N型半导体；(c)P型半导体 2.PN结的能带和电子分布结的能带和电子分布 在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带。能量低的能带称为价价带带，能量高的能带称为导导带带，导带底的能量Ec 和价带顶的能量Ev 之间的能量差Ec-Ev=Eg称为禁禁带带宽宽度度或带隙带隙。电子不可能占据禁带。第7页，此课件共74页哦 图4.2示出不同半导体的能带和电子分布图。根据量子统计理论，在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布 式中，k为波兹曼常数，T为热力学温度。Ef 称为费费米米能能级级，用来描述半导体中各能级被电子占

4、据的状态。在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。(4.1)第8页，此课件共74页哦2.PN结的能带oP半导体和N半导体的能带 o主要由空穴导电的半导体称为P型半导体。当重掺杂时，费米能级Ef会进入价带，称为简并型P型半导体，如图(a)所示；主要由电子导电的半导体称为N型半导体。当重掺杂时，费米能级Ef会进入导带，称为简并型N型半导体，如图(b)所示。第9页，此课件共74页哦第10页，此课件共74页哦2.PN结的能带o当P型半导体N型半导体结合时形成结后，N区的费米能级降低，P区的费米能级升高，达到热平衡时，形成了统一的费米能级。如图所示。h fh fEfEpcEpfEpvEncnEnv电

5、子，空穴内部电场外加电场正向偏压下P-N结能带图第11页，此课件共74页哦1.PN结半导体激光器发光机理 oPN结半导体激光器是用结半导体激光器是用PN结作结作激活区激活区，用半导体天，用半导体天然解里面作为反射镜组成然解里面作为反射镜组成光学谐振腔光学谐振腔，外加正向偏压，外加正向偏压作为作为泵浦源泵浦源。o外加正向偏压将外加正向偏压将N区的电子、区的电子、P区的空穴注入到区的空穴注入到PN结，结，实现了粒子数反转分布，即使之成为激活物质（实现了粒子数反转分布，即使之成为激活物质（PN结为结为激活区）。激活区）。o在激活区，电子空穴对复合发射出光。初始的光场来在激活区，电子空穴对复合发射出光

6、。初始的光场来源于导带和价带的自发辐射，方向杂乱无章，其中偏源于导带和价带的自发辐射，方向杂乱无章，其中偏离轴向的光子很快逸出腔外，沿轴向运动的光子就成离轴向的光子很快逸出腔外，沿轴向运动的光子就成为受激辐射的外界因素，为受激辐射的外界因素，使之产生受激辐射而发射使之产生受激辐射而发射全同光子。全同光子。4.1.1 激光器的工作原理第12页，此课件共74页哦 PN结的能带和电子分布 PN结空间电场区P区N区+Ef能量EePEVPEeNEVNP区N区EVPEePEeNEVNEfNEfPhfhf第13页，此课件共74页哦1.PN结半导体激光器发光机理o这些光子通过反射镜往返反射不断通过激活物质，使

7、受激辐射过程这些光子通过反射镜往返反射不断通过激活物质，使受激辐射过程如雪崩般地加剧，从而使光得到放大。在反射系数小于如雪崩般地加剧，从而使光得到放大。在反射系数小于1的反射镜的反射镜中输出，这就是经受激辐射放大的光中输出，这就是经受激辐射放大的光。即。即PN结半导体激光器产生激结半导体激光器产生激光输出的工作原理。光输出的工作原理。4.1.1 激光器的工作原理 图 4.4 激光器的构成和工作原理 (a)激光振荡；(b)光反馈 第14页，此课件共74页哦4.1.2 4.1.2 半导体激光器半导体激光器 用半导体材料作为工作物质的激光器，称为半导体激光器（LD），对LD的要求如下。光源的发光波长

8、应符合目前光纤的三个低损耗窗口（即0.85m、1.31m和1.55m）。能够在室温下长时间连续工作，并能提供足够的光输出功率。目前LD的尾纤输出功率可达500W2mW；LED的尾纤输出功率可达10W左右。与光纤耦合效率高。光源的谱线宽度要窄。较好的LD的谱线宽度可达到0.1nm。寿命长，工作稳定。第15页，此课件共74页哦4.1.2 4.1.2 半导体激光器半导体激光器 1半导体激光器的基本结构和工作原理有两种方式构成的激光器：F-P腔激光器和分布反馈型（DFB）激光器。F-P腔激光器从结构上可分为3种，如图所示。半导体激光器的结构示意图第16页，此课件共74页哦4.1.2 4.1.2 半导体

9、激光器半导体激光器 （1）同质结半导体激光器。其核心部分是一个P-N结，由结区发出激光。缺点是阈值电流高，且不能在室温下连续工作，不能实用。（2）异质半导体激光器 异质半导体激光器包括单异质和双异质半导体激光器两种。异质半导体激光器的“结”是由不同的半导体材料制成的，目的是降低阈值电流，提高效率。特点是对电子和光子产生限制作用，减少了注入电流，增加了发光强度。目前，光纤通信用的激光器大多采用如图4-5所示的铟镓砷磷（InGaAsP）双异质结条形激光器。第17页，此课件共74页哦4.1.2 4.1.2 半导体激光器半导体激光器图4-5 InGaAsP双异质结条形激光器的基本结构 nInGaAsP

10、是发光的作用区，其上、下两层称为限制层，它们和作用区构成光学谐振腔。限制层和作用层之间形成异质结。最下面一层nInP是衬底，顶层P+InGaAsP是接触层，其作用是为了改善和金属电极的接触。第18页，此课件共74页哦4.1.2 4.1.2 半导体激光器半导体激光器 （3）工作原理 用半导体材料做成的激光器，当激光器的P-N结上外加的正向偏压足够大时，将使得P-N结的结区出现了高能级粒子多、低能级粒子少的分布状态，这即是粒子数反转分布状态，这种状态将出现受激辐射大于受激吸收的情况，可产生光的放大作用。被放大的光在由P-N结构成的F-P光学谐振腔（谐振腔的两个反射镜是由半导体材料的天然解理面形成的

11、）中来回反射，不断增强，当满足阈值条件后，即可发出激光。第19页，此课件共74页哦4.1.2 4.1.2 半导体激光器半导体激光器 2半导体激光器的工作特性 （1）发射波长 半导体激光器的发射波长取决于导带的电子跃迁到价带时所释放出的能量，这个能量近似等于禁带宽度Eg(eV)，由式（4-1）得 hf=Eg （4-5）式中，f(Hz)和(m)分别为发射光的频率和波长，c=3108m/s，h=6.6251034 Js，leV=1.601019 J为电子伏特，代入式（4-5）得 (m)（4-6）由于能隙与半导体材料的成分及其含量有关，因此根据这个原理可以制成不同发射波长的激光器。第20页，此课件共7

12、4页哦4.1.2 4.1.2 半导体激光器半导体激光器 （2）阈值特性 对于LD，当外加正向电流达到某一数值时，输出光功率急剧增加，这时将产生激光振荡，这个电流称为阈值电流，用Ith 表示。如图4-6所示。阈值电流越小越好。图4-6 典型半导体激光器的输出特性曲线 第21页，此课件共74页哦4.1.2 4.1.2 半导体激光器半导体激光器 （3）光谱特性LD的光谱随着激励电流的变化而变化。当IIth时，发出的是荧光，光谱很宽，如图4-7（a）所示。当I Ith后，发射光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增加，表明发出激光，如图4-7（b）所示。图4-7 GaAlAs-GaAs激光器的光谱第22页，此

13、课件共74页哦4.1.2 4.1.2 半导体激光器半导体激光器 随着驱动电流的增加，纵模模数逐渐减少，谱线宽度变窄。当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，这种激光器称为静态单纵模激光器。普通激光器工作在直流或低码速情况下，它具有良好的单纵模谱线，所对应的光谱只有一根谱线，如图4-8（a）所示。而在高码速调制情况下，其线谱呈现多纵模谱线。如图4-8（b）所示。一般，用F-P谐振腔可以得到的是直流驱动的静态单纵模激光器，要得到高速数字调制的动态单纵模激光器，必须改变激光器的结构，例如分布反馈半导体激光器（DFB-LD）。第23页，此课件共74页哦4.1.2 4.1.2 半导体激光器半导体激光器图4

14、-8 GaAlAs-GaAs激光器的输出光谱第24页，此课件共74页哦4.1.2 4.1.2 半导体激光器半导体激光器 （4）转换效率 半导体激光器的电光功率转换效率常用微分量子效率d表示，其定义为激光器达到阈值后，输出光子数的增量与注入电子数的增量之比，其表达式为 （4-7）由此得 （4-8）式中，P为激光器的输出光功率；I为激光器的输出驱动电流，Pth为激光器的阈值功率；Ith为激光器的阈值电流；hf 为光子能量；e为电子电荷。第25页，此课件共74页哦4.1.2 4.1.2 半导体激光器半导体激光器 （5）温度特性 激光器的阈值电流和输出光功率随温度变化的特性为温度特性。阈值电流随温度的

15、升高而加大，其变化情况如图4-9所示。图4-9 激光器阈值电流随温度变化的曲线第26页，此课件共74页哦（6）光束发散）光束发散o半导体激光器的有源区是一个类似于矩形平面的介质波导，有源区的宽度为W，厚度为d，它的出射光束具有椭圆形状。o发散特性可由发散角来描述，发散角定义为光功率密度下降为最大辐射方向功率密度的一半的两个方向之间的夹角。垂直发散角和水平发散角分别为和，可以表示为o发散角越小方向性越好，和光纤的耦合效率越高。4.1.2 4.1.2 半导体激光器半导体激光器第27页，此课件共74页哦图 4.8 GaAlAs-DH条形激光器的近场和远场图样 近场近场是指激光器输出反射镜面上的光强分

16、布；远场远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。第28页，此课件共74页哦(7).频率特性频率特性 在直接光强调制下，激光器输出光功率光功率P和调制频率调制频率f 的关系为 P(f)=(4.9a)(4.9b)式中，和分别称为弛弛豫豫频频率率和阻阻尼尼因因子子，Ith 和I0分别为阈值电流和偏置电流；I是零增益电流，高掺杂浓度的LD，I=0，低掺杂浓度的LD,I=(0.70.8)Ith；sp为有源区内的电子寿命，ph为谐振腔内的光子寿命。第29页，此课件共74页哦图 4.11 半导体激光器的直接调制频率特性 图4.11示出半导体激光器的直接调制频率特性。弛豫频率fr 是调制频率的上限，一般激光器

17、的fr 为12 GHz。在接近fr 处，数字调制要产生弛豫振荡，模拟调制要产生非线性失真。第30页，此课件共74页哦4.1.2 4.1.2 半导体激光器半导体激光器 3分布反馈半导体激光器（DFB-LD）DFB-LD结构上的特点是：激光振荡不是由反射镜面来提供，而是由折射率周期性变化的波纹结构（波纹光栅）来提供，即在有源区的一侧刻有波纹光栅，如图4-10所示。图 4.10 分布反馈(DFB)激光器 (a)结构；(b)光反馈 第31页，此课件共74页哦4.1.2 4.1.2 半导体激光器半导体激光器o分布反馈半导体激光器（DFB-LD）优点是 谱线窄，其线宽大约为普通型激光器线宽的1/10左右，

18、如图所示，从而使色散的影响大为降低，可以实现速率为Gb/s的超高速传输。由有源层有源层发射的光，一部分在光栅波纹峰光栅波纹峰反射(如光线a)，另一部分继续向前传播，在邻近的光栅波纹峰光栅波纹峰反射(如光线b)。光栅周期=m ne 为材料有效折射率，B为布喇格波长，m为衍射级数。在普通光栅的DFB激光器中，发生激激光光振振荡荡的有两个阈阈值值最低、增益相同的纵模纵模，其波长为 第32页，此课件共74页哦4.1.2 4.1.2 半导体激光器半导体激光器 4量子阱半导体激光器 量子阱半导体激光器与一般双异质激光器类似，只是有源区的厚度很薄（几十埃），如图4-11所示。当有源区的厚度非常小时，在有源区

19、的异质结将产生一个势能阱，因此将产生这种量子效应的激光器称为量子阱半导体激光器。图4-11 量子阱半导体激光器第33页，此课件共74页哦4.1.3 4.1.3 发光二极管发光二极管 1LED的工作原理 发光二极管（LED）是非相干光源，是无阈值器件，它的基本工作原理是自发辐射。发光二极管与半导体激光器差别是：发光二极管没有光学谐振腔，不能形成激光。仅限于自发辐射，所发出的是荧光，是非相干光。半导体激光器是受激辐射，发出的是相干光。oLED三种主要结构：o面发射（Surface emitter)LEDo边发射（Edge emitter)LEDo超辐射（Superluminescent）LED第3

20、4页，此课件共74页哦4-9 SLED典型结构 第35页，此课件共74页哦4.4.2 ELED典型结构ELED的结构图如图4-10所示。这种结构的目的是为了降低有源层中的光吸收并使光束有更好的方向性，光从有源层的端面输出。第36页，此课件共74页哦4.4.3 超辐射LEDo这种器件输出功率大，发射波束宽度窄，线度窄，特别适合与单模光纤耦合；有源区具有光放大作用，调制带宽大于前两种LED。o光输出强度与二极管电流不是呈线性关系，且输出光功率随结温升高而急剧下降。第37页，此课件共74页哦4.1.3 4.1.3 发光二极管发光二极管 2LED的结构 LED也多采用双异质结芯片，不同的是LED没有解

21、理面，即没有光学谐振腔。由于不是激光振荡，所以没有阈值。LED分为两大类：一类是面发光型LED，另一类是边发光型LED，其结构示意图如图4-12所示。图4-12 常用的两类发光二极管（LED）第38页，此课件共74页哦4.1.3 4.1.3 发光二极管发光二极管 3LED的工作特性 （1）光谱特性 LED谱线宽度比激光器宽得多。图4-13是InGaAsP LED的输出光谱。图4-13 InGaAsP LED的发光光谱 第39页，此课件共74页哦4.1.3 4.1.3 发光二极管发光二极管 （2）输出光功率特性 两种类型的LED输出光功率特性如图4-14所示。驱动电流I 较小时，P I 曲线的线

22、性较好；当I 过大时，由于P-N结发热而产生饱和现象，使P I 曲线的斜率减小。图4-14 发光二极管（LED）的P I 特性第40页，此课件共74页哦4.1.3 4.1.3 发光二极管发光二极管 （3）温度特性 由于LED是无阈值器件，因此温度特性较好。（4）耦合效率 由于LED发射出的光束的发散角较大，因此与光纤的耦合效率较低。一般只适于短距离传输。（5）调制特性 调制频率较低。在一般工作条件下，面发光型LED截止频率为20MHz30MHz，边发光型LED截止频率为100MHz150MHz。比较：LED与LD相比，LED输出光功率较小，谱线宽度较宽，调制频率较低。但LED性能稳定，寿命长，

23、使用简单，输出光功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉。第41页，此课件共74页哦 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)|=(4.12)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42页，此课

24、件共74页哦图 4.17 发光二极管(LED)的频率响应 第43页，此课件共74页哦面发射LED与光纤的耦合方法o面发光LED与光纤直接耦合，耦合效率很低o将光纤端面做成球形，提高光纤的数值孔径，从而提高耦合效率，一般可提高26倍o在LED与光纤之间放置一个削顶圆球透镜，耦合效率可比直接耦合提高20倍左右o直接在LED上制做一个低吸收透镜结构，耦合效率最高第44页，此课件共74页哦表表4.1 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 -2050-2050 -2050工作温度工作温度 /C寿命寿命 t/h30120 30120 2050 2

25、050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45页，此课件共74页哦表表 4.2 分布反馈激光器分布反馈激光器(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

26、15外量子效率外量子效率 /%1520 2030阀值电流阀值电流 Ith/mA0.08频谱漂移频谱漂移/(nm/C)3035边模抑制比边模抑制比/dB0.040.5(Gb/s,RZ)直接调制单纵模直接调制单纵模连续波单纵模连续波单纵模谱线宽度谱线宽度 1.3 1.55工作波长工作波长第46页，此课件共74页哦光源组件实例第47页，此课件共74页哦4.1.4 4.1.4 半导体光源的应用半导体光源的应用 LED通常和多模光纤耦合，用于1.31m或0.85m波长的小容量、短距离的光通信系统。LD通常和单模光纤耦合，用于1.31m或1.55m大容量、长距离光通信系统。分布反馈半导体激光器（DFB-L

27、D）主要也和单模光纤或特殊设计的单模光纤耦合，用于1.55m超大容量的新型光纤系统，这是目前光纤通信发展的主要趋势。第48页，此课件共74页哦4.2 4.2 光电检测器光电检测器 光电检测器完成光/电信号的转换。对光检测器的基本要求是：在系统的工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，能够输出尽可能大的光电流；具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统；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。目前常用的半导体光电检测器有两种，PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管。第49页，此课件共74页

28、哦4.2.1 4.2.1 光电检测器的工作原理光电检测器的工作原理 光电检测器是利用半导体材料的光电效应实现光电转换的。光电效应如图4-15（a）和（b）所示。当入射光子能量hf 小于禁带宽度Eg时，不论入射光有多强，光电效应也不会发生，即产生光电效应必须满足以下条件 hf Eg （4-9）即光频fc 的入射光是不能产生光电效应的，将fc 转换为波长，则 c=。即只有波长 c 的入射光，才能使这种材料产生光生载流子，故c 为产生光电效应的入射光的最大波长，又称为截至波长，相应的fc 称为截至频率。第50页，此课件共74页哦4.2.1 4.2.1 光电检测器的工作原理光电检测器的工作原理图4-1

29、5 半导体材料的光电效应第51页，此课件共74页哦4.2.2 PIN4.2.2 PIN光电二极管光电二极管 PIN光电二极管是在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间，加一层轻掺杂的N型材料，称为I（Intrinsic，本征的）层。由于是轻掺杂，电子浓度很低，经扩散后形成一个很宽的耗尽层，如图4-16（a）所示。这样可以提高其响应速度和转换效率。结构示意图如图4-16（b）所示。图4-16 PIN光电二极管第52页，此课件共74页哦4.2.3 4.2.3 雪崩光电二极管雪崩光电二极管 雪崩光电二极管，又称APD（Avalanche Photo Diode）。它不但具有光/电转换作用，而且具有内部放

30、大作用，其放大作用是靠管子内部的雪崩倍增效应完成的。1APD的雪崩效应 APD的雪崩倍增效应，是在二极管的P-N结上加高反向电压，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，使价带的电子得到了能量；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，形成雪崩效应，使光电流在管子内部获得了倍增。APD就是利用雪崩效应使光电流得到倍增的高灵敏度的检测器。第53页，此课件共74页哦4.2.3 4.2.3 雪崩光电二极管雪崩光电二极管 2APD的结构 目前APD结构型式，有保护环型和拉

31、通（又称通达）型。保护环型在制作时淀积一层环形N型材料，以防止在高反压时使P-N结边缘产生雪崩击穿。拉通型雪崩光电二极管（RAPD）的结构示意图和电场分布如图4-17所示。图4-17（a）所示的是纵向剖面的结构示意图。图4-17（b）所示的是将纵向剖面顺时针转90的示意图。图4-17（c）所示的是它的电场强度随位置变化的分布图。APD随使用的材料不同有几种：Si-APD（工作在短波长区）；Ge-APD和InGaAs-APD（工作在长波长区）等。第54页，此课件共74页哦4.2.3 4.2.3 雪崩光电二极管雪崩光电二极管图4-17 RAPD的结构图和能带示意图第55页，此课件共74页哦第56页

32、，此课件共74页哦4.2.4 4.2.4 光电检测器的特性光电检测器的特性 PIN管特性包括响应度、量子效率、响应时间和暗电流。APD管除有上述特性外，还有雪崩倍增特性、温度特性等。1PIN光电二极管的特性 （1）响应度和量子效率 响应度和量子效率表征了光电二极管的光电转换效率。响应度 响应度定义 （A/W）（4-10）其中，Ip为光电检测器的平均输出电流，Pin为入射到光电二极管上的平均光功率。第57页，此课件共74页哦4.2.4 4.2.4 光电检测器的特性光电检测器的特性 量子效率 量子效率表示入射光子转换为光电子的效率。它定义为单位时间内产生的光电子数与入射光子数之比，即 （4-11）

33、其中，e为电子电荷，hf 为一个光子的能量，（4-12）式中 m/s为光速，s为普朗克常数。也就是说，光电二极管的响应度和量子效率与入射光频率（波长）有关。图4-18为硅APD雪崩管的量子效率与波长的关系。第58页，此课件共74页哦4.2.4 4.2.4 光电检测器的特性光电检测器的特性图4-18 PIN光电二极管响应度、量子效应率 与波长 的关系第59页，此课件共74页哦4.2.4 光电检测器的特性（3）响应时间）响应时间 表征检测器对光信号响应速度快慢的参量。响应时间可以用光检测器的输出脉冲的上升时间和下降时间来表示：上升时间是输出脉冲前沿的10到90之间的时间间隔，下降时间是输出脉冲后沿

34、的90到10的时间间隔。响应时间越小越好。影响光电二极管的响应时间的主要因素有：影响光电二极管的响应时间的主要因素有：a.耗尽区光生载流子的漂移时间（耗尽区的电场很高，载流子能达到饱和速度）b.耗尽区以外产生载流子的扩散时间（慢，制约响应时间）c.光电二极管与其相关电路的RC时间常数第60页，此课件共74页哦 (3)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率频率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，分别定义为脉脉冲冲上上升升时时

35、间间r和脉脉冲冲下降时间下降时间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 (4.13)第61页，此课件共74页哦 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f fc c。当光电二极管具有单一时间常数0时，（4.14）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渡越时间越时间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62页，此课件共74页哦 当

36、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(4.15)由()/(0)=得到由渡越时间d限制的截止频率（4.16）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，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63页，此课件共74页哦图4.23 内量子效率和带宽的关系第64页，此课件共74页哦4.2.4 光电检测器的特性c.光电二极管与其相关电路的RC时间常数 光检测器在实际应用中，必须与骈枝电

37、路和前置放大器连接，等效电路如图：Rs为光检测器的串连电阻，Cd为结电容，Rl为负载电阻，Ra和Ca为前置放大器的等效输入电阻和电容。光电二极管的结电容可以写为：W增加可以增加光吸收，提高量子效率，同时也可以降低结电容，提高响应速度；但他也增加了载流子的漂移时间，所以要折中选择W的宽度。第65页，此课件共74页哦4.2.4 4.2.4 光电检测器的特性光电检测器的特性 (3)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(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

38、声电流均方散粒噪声电流 i2sh=2e(IP+Id)B (4.17)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66页，此课件共74页哦（1）均方热噪声电流均方热噪声电流 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

39、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+(4.19)(4.18)i2T=第67页，此课件共74页哦 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 (4.24b)式中，x为附加噪声指数。同理，APDAPD暗电流暗电流暗电流暗

40、电流产生的均方噪声电流应为 i2d=2eIdBg2+x (4.25)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-APD的 x=0.81.0，InGaAs-APD的x=0.50.7。当式(4.26)和式(4.27)的g=1时，得到的结果和PIN相同。第69页，此课件共74页哦 图 4.24 光电二极管输出电流I和反向偏压U的关系 第70页，此课件共74页哦 图 4.25 APD载流子雪崩式倍增示意图(只画出电子）第71页，此课件共74页哦图4.26 APD结构图 图4.26示出的N+PP+结构被称为拉通型拉通型APD

41、。第72页，此课件共74页哦-5-15-5-15工作电压工作电压 /V120.51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4.3 PIN光电二极管一般特性光电二极管一般特性第73页，此课件共74页哦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4.4 雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（APD）一般性能）一般性能第74页，此课件共74页哦