通信用光器件PPT课件

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1、第第 3 3 章章 通信用光器件通信用光器件通信用光器件通信用光器件可以分为两种类型两种类型：1、有源器件有源器件 2 2、无源器件、无源器件 1 1、有源器件、有源器件 有源器件有源器件包括光源光源、光检测器光检测器和光放光放大器大器，这些器件是光发射机、光接收机和光中继器的关键器件关键器件，和光纤一起决定着决定着基本光纤传输系统基本光纤传输系统的水平水平。2 2、光无源器件、光无源器件 光无源器件光无源器件主要有连接器连接器、耦合耦合器器、光合波器光合波器和光分波器光分波器、光滤波器光滤波器和隔离器隔离器等。这些器件对光纤通信系统的构成、功能的扩展和性能的提高都是不可缺少的。本章重点要求：

2、本章重点要求：1、了解光源光源和光检测器光检测器的概念概念及其在光纤通信系统中作用作用；2、理解激光器激光器的发光机理发光机理；3、掌握发光二极管发光二极管、半导体激光器半导体激光器、光电二极管光电二极管、雪崩光电二极管雪崩光电二极管等的工作原工作原理理及其主要特性主要特性。3.1 3.1 光源光源 光源光源是光发射机的关键器件关键器件，其功能功能是把电信号电流电信号电流转换为光信号功率光信号功率,即实现电电/光转换光转换。目前目前光纤通信广泛使用的光源光源主要有半导体激光二极管半导体激光二极管或称激光器激光器(LD)和发光发光二极管二极管或称发光管发光管(LED)。对光源性能的基本要求对光源

3、性能的基本要求1 1 光源发光波长必须与光纤低损耗窗口相符光源发光波长必须与光纤低损耗窗口相符 石英光纤的损耗特性有三个低损耗窗三个低损耗窗口口，其中心波长分别为 850 nm、1310 nm 和 1550 nm。因此，光源的发光波长光源的发光波长应与三个低损耗窗口相符。2 2 足够的光输出功率足够的光输出功率 在室温下室温下长时间连续工作的光源，必须按光通信系统设计的要求，能提供足够的光输出功率。目前激激光光二二极极管管能提供500微微瓦瓦到到10毫毫瓦瓦的输出光功率；发发光光二二极极管管可提供10微瓦到微瓦到1 1毫瓦毫瓦的输出光功率。3 3 可靠性高、寿命长可靠性高、寿命长 现现在在的激

4、激光光二二极极管管可靠性比较高，寿寿命命长。激激光光二二极极管管寿寿命命105小时，发发光光二二极极管管寿命寿命107小时。4 4 温度稳定性好温度稳定性好 器器件件应能在常常温温下下以连续波方式工作，要求温度稳定性好温度稳定性好。5 5 调制特性好调制特性好 允许的调调制制速速率率要要高高或响响应应速速度度要要快快，以满足系统的大传输容量的要求。6 6 光谱宽度要窄光谱宽度要窄 光光谱谱单单色色性性要要好好，即谱线宽度要窄，以减小光纤色散对带宽的限制。LD 线宽线宽 E1)的粒粒子子数数分别为 N1 和 N2。在热热平平衡衡条件下，各能级上的粒子数分布满足玻尔兹曼玻尔兹曼统计分布。式中，k=

5、1.38110-23 J/K，为波波尔尔兹兹曼曼常常数数，T 为绝对温度绝对温度。由于 (E2-E1)0，T 0，所以在这种状态下，总是 N1 N2。（1 1）吸收物质）吸收物质 我们把这种 N1 N2 分布称为粒粒子子数数正正常常分分布布,如如图图。在热平衡状态下，N1 N2，受受激激吸吸收收大大于于受受激激辐辐射射。当光通过这种物质时，光波总是被吸收，光强按指数衰减，这种物质称为吸收物质吸收物质。（2 2）粒子数反转分布）粒子数反转分布 如果 N2 N1，即受受激激辐辐射射大大于于受受激激吸吸收收，当光通过这种物质时，会产生放放大大作用，这种物质称为 激激活活物物质质。N2 N1的分布，和

6、正常状态(N1 N2 )的分布相反，所以称为粒子数反转分布粒子数反转分布。问题是问题是:如何如何实现粒子数反转分布实现粒子数反转分布的状态呢的状态呢?（1）要在能级间实现粒粒子子数数反反转转分分布布，物质系统中必必须须存存在在3 3个个能能级级或或3 3个个以以上上的的能能级级。理理论论证证明明，在在二二能能级级的的物物质质系系统统中中，能级间能级间不可能形成不可能形成粒子数反转分布的状态。粒子数反转分布的状态。（2）在半半导导体体光光源源器器件件中，通常是利用外外加加适适当当的的正正向向电电压压来实现粒粒子子数数反反转转分布分布的状态的。二二 、PN结的能带和电子分布结的能带和电子分布（一）

7、能带概念（一）能带概念 半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共共价价晶晶体体。在这种晶体中，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带。内层内层电子态之间的交叠小交叠小，原子间的影响弱，分成的能带比较窄能带比较窄；外层外层电子态之间的交叠大交叠大，原子间的影响强，分成的能带比较宽能带比较宽。电子填充能带时，将从最低能带开始向上依次填充各个能带的能级。（1 1）价带价带 原子最外层的价电子所占据的能带称为价带。（价带中的电子不能导电，价带中只有空穴才能导电）；（2 2）导带）导带 价带上面邻近的空带，即自由电子占据的能带称为导带。原子的电子与空穴的复合发光过程，主要发生在导

8、带和价带之间。（3 3）满带）满带 除了最外层外，内内层层所有能带都被电子填满，故称为满带满带。（4 4）禁带）禁带 导导带带底底的能量和价价带带顶顶的能量之间的能量差称为禁禁带带宽宽度度或带带隙隙。电子不可能占据禁带禁带。（二）电子分布（二）电子分布 根据量子统计理论，在热热平平衡衡状状态态下，能能量量为 E 的能级能级被电子电子占据的概率概率为费米分布：式中，k为波波兹兹曼曼常常数数，T为热热力力学学温温度度。Ef 称为费米能级费米能级，它是半半导导体体的一个参数一个参数。当能级 E Ef，p(E时，说明这种能级被电子占据的概概率率小于50%。也就是说，低低于于费费米米能能级级Ef 的能级

9、被电子占据的概概率率大大，高高于于费费米米能能级级Ef 的能级被电子占据的概率概率小。（三）（三）P P型半导体和型半导体和N N型半导体的能带型半导体的能带 （1 1）接触前）接触前P P型、型、N N型半导体的能带图型半导体的能带图 主要由空空穴穴导导电电的半导体称为P型型半半导导体体。当重重掺掺杂杂时，费米能级会进入价带，称为简并型简并型P型半导体；主要由电电子子导导电电的半导体称为N型型半半导导体体。当重重掺掺杂杂时，费米能级会进入导带，称为简并型简并型N型半导体。接触前PN半导体的能带图 （2 2）接触后）接触后P型、型、N型半导体的能带图型半导体的能带图 当P型半导体N型半导体结合

10、时形成PN结后，由于载流子向对方互相扩散的结果，使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统一的费米能级。因此在热热平平衡衡状状态态下，高高能能级级上上电电子子数数少少，低能级上电子数多低能级上电子数多，未能形成粒子数反转分布未能形成粒子数反转分布。接触后PN半导体的能带图 （3 3）外加正向偏压下）外加正向偏压下 PN 结半导体的能带图结半导体的能带图 当PN结加上正向偏压时，破坏了热平衡时统一的费米能级，在P区和N区各自形成了准准费费米米能能级级。这时，导导带带中中费费米米能能级级以以下下充充满满了了电电子子，价价带带中中费费米米能能级级以以上上没没有有电

11、电子子，因此，形形成成了了粒粒子子数数反反转转分分布布，成成为为激激活活区区，称为半导体激光器的有源区有源区。外外加加正正向向偏偏压压将N区区的电子、P区区的空穴注入到PN结结，实现了粒粒子子数数反反转转分分布布，即使之成为激激活活物物质质（PN结为激活区）。在激活区激活区，电子空穴对复合电子空穴对复合发射出光发射出光。在激活区激活区，电子空穴对复合电子空穴对复合发射出光发射出光三三 、激光振荡和光学谐振腔、激光振荡和光学谐振腔 粒子数反转分布粒子数反转分布是产生受激辐射的必必要条件要条件，但还不能产生激光不能产生激光。只有把激活激活物质物质置于光学谐振腔中光学谐振腔中，对光的频率频率和方方向

12、向进行选择，才能获得连续的光放大光放大和激激光振荡输出光振荡输出。1 1、法布里、法布里-珀罗珀罗 (F-P)谐振腔谐振腔 激光器是由反反射射率率为100%（R=1）的全反射镜与反反射射率率为90%95%（R1）的部分反射镜平行放置在工作物质两端以构成光学谐振腔。并被称为法法布布里里-珀珀罗罗(FabryPerot，F-P)谐振腔谐振腔。法布里法布里-珀罗珀罗(F-P)谐振腔谐振腔 由于谐谐振振腔腔内的激激活活物物质质具有粒子数反转分布，可以用它产生的自发辐射光作为入射光。入射光经反射镜反射，沿轴线方向传播的光被放大，在谐振腔中沿非轴线方向的光子很快逸出了腔外，而沿轴线方向的光子往复传输，不断

13、被放大，且方向性、增益不断改善，最后从反射镜输出，即为激光激光。2 2、阈值条件阈值条件及及相位条件相位条件 要产生激激光光振振荡荡还必须满足阈阈值值条件条件及相位条件相位条件。（1 1）、阈值条件）、阈值条件 由于谐振腔内激活物质存在吸收，反射镜存在透射和散射，因此光受到一定损耗。当增益和损耗相当时，在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡，光波在谐振腔内往返一次应保持不变，即式中，th为阈阈值值增增益益系系数数，为谐振腔内激激活活物物质质的的损损耗耗系系数数，L为谐谐振振腔腔的的长长度度，R1，R2 1 为两个反射镜的反射率反射镜的反射率。激光振荡激光振荡需要满足的阈值条件阈值条件为 例：对于Ga

14、As材料的半导体激光器，其非涂覆解里面上R1=R2(也就是32%的辐射光在端面上被反射)，激活物质的损耗系数=1mm-1，谐振腔长L=500m，求阈值增益系数th。由阈值条件得阈值增益系数为（2 2）相位条件）相位条件 激光振荡激光振荡需要满足的需要满足的相位条件相位条件为为可以写成 或式中，为激光波长激光波长，n为激活物质的折射激活物质的折射率率，q=1,2,3 称为纵模纵模模数模数。纵纵 模模 相相位位条条件件是是：谐谐振振腔腔的的长长度度应为半半波波长长的整整数数倍倍。对于给定的激光器，满足相相位位条条件件的波波长长称为激激光光模模式式，有一个波长对应一个模式，它与前面讨论的光光纤纤中中

15、的的模模是不不一一样样的，前者为波波导导模模式式，后者严格地说是空空间间模模式式，为了区别开，可以称为纵模纵模。四、四、PN结半导体激光器产生激光的原理结半导体激光器产生激光的原理 PN结半导体激光器产生激光的原理结半导体激光器产生激光的原理 PN结结半导体激光器是用PN结作激活区，用半导体天然解里面作为反射镜组成光子谐振腔，外加正向偏压作为泵浦源。外外加加正正向向偏偏压压将N区区的电电子子、P区区的空空穴穴注入到PN结，实现了粒粒子子数数反反转转分分布布，即使之成为激激活活物物质质（PN结为激活区）。在激活区，电子空穴对复合发射出光。初初始始的的光光场场来源于导带和价带的自自发发辐辐射射，方

16、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为受激辐射的外界因素，使之产生受激辐射而发射全同光子。这些光子通过反反射射镜镜往返反射不断通过激激活活物物质质，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1的反射镜中输出，这就是经受激辐射放大的光。即PN结结半半导导体体激激光光器器产产生生激激光输出的工作原理光输出的工作原理。五、异质结半导体激光器五、异质结半导体激光器 PN结结是由同一种半导体材料构成的，P区、N区具有相相同同的的带带隙隙、接近相同的折射率（掺杂后折射率稍有变化，但很小），这种PN结称为同质结同质结。同质结导波作用很弱，光波在PN结两侧渗透较

17、深，从而致使损耗增大，发光区域较宽。因此，同同质质结结构成的光源有很大的缺点：发光不集中，强度低，需要较大的注入电流。器件工作时发热非常严重，必须在低温环境下工作，不不可可能能在在室室温温下下连连续续工作工作。为了克服同质结的缺点，需要加强结区的光波导作用及对载流子的限定作用，这时可以采用异异质质结结结构。所所谓谓异异质质结结，就是由带带隙隙及折折射射率率都不不同同的两种半导体材料构成的PN结。异质结半导体激光器与同质结半导体激光器不同。它是利利用用不不同同折折射射率率的的材材料料来来对对光光波波进进行行限限制制，利利用用不不同同带带隙隙的材料对载流子进行限制的材料对载流子进行限制。图给出了双

18、双异异质质结结（DH）半导体激光器加正向偏压时，能带的分布。如图如图。这样，注入到有源层的电子和空穴被限限制制在厚0.10.3 m的有源层内形成粒子数反转分布，这时只要很小的外加电流，就可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制在有源区内，因而电/光转换效率很高，输出激光的阈值电流很低，很小的散热体就可以在室温连续工作可以在室温连续工作。半导体激光器的主要特性半导体激光器的主要特性一、一、发射波长和光谱特性发射波长和光谱特性 半导体激光器的发发射射波波长长取决于导带的电子跃迁到价带时所释放的能量，这个能量近似等于禁带宽度禁带宽度 Eg(eV)，即将

19、将 f=c/，f 和分别为发射光的频率频率和波长波长，c=3108 m/s为光速光速，h=6.62810-34JS为普朗克常数普朗克常数，1 eV=1.610-19 J。代入上式得到代入上式得到:得得发射波长发射波长为为：不同半导体材料不同半导体材料有不同的禁带宽度禁带宽度Eg，因而有不同的发射波长不同的发射波长。镓铝砷-镓砷(GaAlAs-GaAs)材料禁带宽度Eg=1.47 eV，其发射波长发射波长为为：适用于0.85 m波段。m铟镓砷磷-铟磷(InGaAsP-InP)材料禁带宽度Eg=0.800.96 eV。适用于波段。二二 、光谱特性、光谱特性 因为导带导带和价带价带都是由许多连续能级

20、组成的有一定宽度的能带，两个能带中不同能级之间电子的跃迁会产生连续波长的辐射光，所以激光器发射光谱就有一定的谱线宽度谱线宽度。如图。光光源源的的谱谱线线宽宽度度是衡衡量量光源单单色色性性好好坏坏的一个物物理理量量。激光器发射光谱的宽度取决于激发的纵模数目，对于存在若干个纵模的光谱性刻画出包络线。把光光强强下下降降一一半半时的两两点点间间波波长长范范围围定定义义为输出谱谱线线宽宽度度（半功率点全宽FWHP），用 表示。半导体光源的典型性半导体光源的典型性 器器 件件LDLEDDFB工作波长工作波长1.31m1.55m1.31m1.55m1.31m1.55m谱线宽度谱线宽度12 nm13 nm50

21、100 nm 60120 nm0.1nm 左右左右 1 1、静态单纵模激光器静态单纵模激光器 随着驱动电流的增加，纵模模数逐渐减少，谱线宽度变窄。这种变化是由于谐振腔对光波频率和方向的选择，使边模消失、主模增益增加而产生的。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静态单纵模激光器。2 2、动态单纵模激光器、动态单纵模激光器 由图可见，在高速数字调制下，随着调制电流增大，纵模模数增多，谱线宽度变宽。用 F-P谐谐振振腔腔 可以得到的是直流驱动的静静态态单单纵纵模模激激光光器器，但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，例如采用分分布布反反馈馈激激光

22、光器器就可达到目的。三三 、转换效率和输出光功率特性、转换效率和输出光功率特性 1 1、转换效率、转换效率 激光器的电/光转换效率用外微分量子效率d eta 表示，其定义是在阈值电流以上，激光器输出光子数的增量与注入电子数的增量之比，表达式为 2 2、输出光功率特性、输出光功率特性 由上式此得到激光器的光功率激光器的光功率 P 为 式中，P 和 I 分别为激光器的输输出出光光功功率率和驱驱动动电电流流，Pth 和 I th 分别为相应的阈值，hf 和 e 分别为光子能量光子能量和和电子电荷电子电荷。激光器的光功率特性通常用 PI 曲线表示，图是典型激光器的光功率特性曲线。当I Ith 时，激光

23、器发出的是受受激激辐辐射射光光，光功率随驱动电流的增加而增加。四、频率特性四、频率特性 在直接光强调制下，激光器输出光功率 P 和调制频率 f 的关系为 式中，和 ksi分别称为弛弛豫豫频频率率和阻阻尼尼因因子子。激光器调调制制频频率率特特性性在 处有谐振峰，调制频率大于 时，输出光功率急剧下降。所以，可以把弛豫频率作为调制速率的上限。图为半导体激光器的直接调制频率特性。弛豫频率 fT 是调制频率的上限，一般激光器的 fT 为12 GHz。在接近 fT 处，数字调制要产生弛豫振荡，模拟调制要产生非线性失真。五五、温度特性温度特性 激光器输出光功率随温度而变化有两两个个原原因因：一是激光器的阈阈

24、值值电电流流 Ith 随温度升高而增大，二是外微分量量子子效效率率d随温度升高而减小。温度升高时，Ith增大，d 减小，输出光功率明显下降，达到一定温度时，激光器就不激射了当以直流电流驱动激光器时，阈值电流随温度的变化更加严重。当对激光器进行脉冲调制时，阈值电流随温度呈指数变化，在一定温度范围内，可以表示为式中，I0为常数，T为结区的热热力力学学温温度度，T0为激光器材料的特征温度特征温度。P-I 曲线随温度的变化如图所示。光光源源是光发射机的关关键键器器件件，其功功能能是把电电信信号号电电流流转换为光光信信号号功功率率,即实现电电/光转换光转换。3.1.3 分布反馈激光器分布反馈激光器 如果

25、激光器同时有多个模式振荡,就称为多模激光器。前面讨论的 F-P 腔腔激激光光器器就是多多模模激激光器光器。半导体激光器的光谱特性主要由其纵模决定。：为单模光纤色散系数。：为光源的谱线宽宽。单模光纤的色散为：单模光纤的色散为：由于光纤中存在色散，谱宽很宽对高速光通信系统是很不利的，因此光源的谱宽应尽可能地窄，即希望激光器仅仅工作在单纵模状态，这样的激光器称为单单纵纵模模激光器激光器。要求新型半导体激光器的谱线宽度更窄，并在高速率脉冲调制下保持动态单单纵纵模模特特性性；发射光波长更加稳定，并能实现调谐；阈值电流更低，而输出光功率更大。具有这些特性的动动态态单单纵纵模模激激光光器器有多种类型，其中性

26、能优良并得到广泛应用的是分分布布反反馈馈(Distributed Feed Back,DFB)激光器激光器。1、结构特点、结构特点 DFB激激光光器器结构上的特点是：激激光光器器不是由反射镜面来提供，而是由折射率周期性变化的波波纹纹结结构构（波波纹纹光光栅栅）来提供，即在有源层的一侧制作波纹光栅波纹光栅。2、工作原理、工作原理 DFB 激激光光器器的基本工工作作原原理理，可以用布布喇喇格格反射来说明。波波纹纹光光栅栅是由于材料折射率周期性变化而形成，它为受激辐射产生的光子提供周期性的反射点，在一定的条件下，所有的反射光同相叠加，形成某方向光的主极强。布喇格反射原理布喇格反射原理 分布反馈(DF

27、B)激光器 (a)结构；(b)光反馈 如图所示，由有源层发射的光，从一个方向向另一个方向传播时，一部分在光栅波纹峰反射(如光线a)，另一部分继续向前传播，在邻近的光栅波纹峰反射(如光线b)。如果光线a和b匹配，相互叠加，则产生更强的反馈，而其他波长的光将相互抵消。虽然每个波纹峰反射的光不大，但整个光栅有成百上千个波纹峰，反馈光的总量足以产生激光振荡。光栅周期由下式布喇格反射条件布喇格反射条件确定：式中，为波纹光栅的周期长度，也称栅距；ne为材料有效折射率；B为布喇格波长；m为整数，称为衍射级数。当波纹光栅的周期长度为时，只有满足布布喇喇格格反反射射条条件件波长为B的光波，才能产生激光震荡，使激

28、光器得到蛋品输出。由于分布反馈激光器是由光栅选择单纵模，因而在高速调制下仍维持单纵模输出。DFB激光器与F-P激光器相比，具有以下优点：单纵模激光器。DFB激光器的发射光谱主要由光栅周期决定。相当于F-P激光器的腔长L，每一个形成一个微型谐振腔。于是DFB激光器容易设计成单纵模振荡。谱线窄，波长稳定性好。由于DFB激光器的每一个栅距相当于一个F-P腔，所以布喇格反射可以看作多级调谐，使得谐振波长的选择性大大提高，谱线明显变窄，可以窄到 0.1 nm 左右。由于光栅的作用有助于使发射波长锁定在谐振波长上，因而波长的稳定性得以改善 动态谱线好。DFB激光器在高速调制时也能保持单模特性，这是F-P激

29、光器无法比拟的。尽管DFB激光器谱线有一定展宽，但比F-P激光器的动态谱线的展宽要改善一个数量级左右。线性好。DFB激光器的线性非常好，因此广泛用于模拟调制的有线电视光纤传输系统中。3.1.4 发光二极管发光二极管1、工作原理、工作原理 发光二极管(LED)的工作原理与激光器(LD)有所不同，LD发射的是受受激激辐辐射射光光-激光激光，LED发射的是自发辐射光自发辐射光-荧光荧光。2、LED的结构的结构 LED的结构和LD相似，大多是采用双异质结(DH)芯片，把有源层夹在P型和N型限制层中间，不同的是LED不需要光学谐振腔，没有阈值。LD的结构LED的结构 和激光器相比，发光二极管输出光功率较

30、小，谱线宽度较宽，调制频率较低。但发光二极管性能稳定，寿命长，输出光功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉。因此，这种器件在小容量短距离系统中发挥了重要作用。LD和 LED一性能 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 LED通常和多模光纤耦合，用于1.3 m(或0.85m)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通常和或规范的单模光纤耦合，用于1.3 m或1.55 m大容量长距离系统，这种系统在国内外都得到最广泛的应用。分布反馈激光器(DFB-LD)主要和或规范的单模光纤或

31、特殊设计的单模光纤耦合，用于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。3.2 光光-检测器检测器 光光检检测测器器的作用是通过光光电电效效应应，将接收的光光信信号号转换为电电信信号号。目前的光接收机绝大多数都是用光电二极管直接进行光电转换，其性能的好坏直接影着接收机的性能指标。3.2 光光-检测器检测器 光光电电二二极极管管的种类很多，在光纤通信系统中，主要采用半半导导体体PIN光光电电二二极极管管和雪崩光电二极管雪崩光电二极管（APD)。光光-检测器检测器 3.2.1 光电二极管工作原理光电二极管工作原理 光电二极管把光信号转换为电信号的功能，是由半导体PN结的光光电电效效应应

32、实现的。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结结中间设置一层掺杂浓度很低的本本征征半半导导体体(称为 I)，这种结构便是常用的PIN光电二极管光电二极管。3.2.2 PIN 光电二极管光电二极管1、PIN光电二极管结构光电二极管结构基于异质结的PIN光电二极管2、PIN 光电二极管工作原理光电二极管工作原理PIN 光电二极管工作原理光电二极管工作原理 当光从P区一侧入射，则光能量在被吸收的同时仍继续向 N区一侧延伸吸收，在经过耗尽层时，由于吸收光子能量，电子从价带被激励到导带而产生电子空穴对（即光生载流子），并且在耗尽层

33、空间电场作用下，分别向N型区和P型区相互逆方向作漂移运动，并在外部电路形成光电流。PIN 光电二极管工作原理光电二极管工作原理 然而，在耗尽层以外的区域因为没有电场作用，所以由光电效应产生的电子空穴对，在扩散运动中相遇发生复合，从而消失。由于扩散运动与漂移运动相比是一慢过程，因而由扩散运动产生的光电流不能快速响应输入光强的变化，减少了光电二极管的频率响应。3.2.3 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)雪崩光电二极管(APD)的的结构与PIN不同表现在增加了一个附加层，以实现碰撞电离产生二次电子空穴对，在反向时夹在I 层和N层间的P层中存在高电场，该层称为倍增区或增益区雪崩区),耗尽层仍为I

34、层，起产生一次电子-空穴对的作用。1 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)的的结构的的结构 目前光纤通信系统中，更多的是采用吸收区与雪崩倍增区相互分离的APD管，这种APD管称为SAM-APD。SAM-APD管有四层结构：1、高掺杂的N+型半导体，为接接触触层层；2、型半导体，为倍倍增增层层（或称雪崩区）；3、轻掺杂半导体I层，为漂漂移移区区（光吸收区）；4、高掺杂的P+型半导体，为接触层接触层。吸收区与雪崩倍增区相互分离的APD管的四层结构2 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)的工作原理的工作原理 当外加的反向偏压(约100V-150V)比PIN情况下高得多时，这个电压几乎都降到PN结

35、上。特别是在高阻的PN结附近，电场强度可高达，已经高出碰撞电离的电场。SAM-APD管在外加的反向偏压(约50V-150V)下的场分布如图所示。2 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)的工作原理的工作原理 此时若光从 区照射，则和PIN一样，大部分光子将在较厚的I层被吸收，因而产生电子、空穴对。入射光功率产生的电子空穴对经过高场区时不断被加速而获得很高的能量，这些高能量的电子或空穴在运动过程中与价带中的束缚电子碰撞，使晶格中的原子电离，产生新的电子-空穴对。新的电子空穴对受到同样加速运动，又与原子碰撞电离，产生电子空穴对，称为二次电子空穴对。如此重复，使强电场区域中的电子和空穴成倍的增加，载流子和反向光生电流迅速增大，产生雪崩现象,这个物理过程称为雪崩倍增效应。雪崩过程倍增了一次光生电流，因此，在雪崩光电二极管内部就产生了放大作用。雪崩光电二极管就是这样既既可可以以检检测测光光信信号号，又又能能放放大光信号电流大光信号电流。3.2.4 光电二极管的应用光电二极管的应用 APD是有增益的光电二极管，在光接收机灵敏度要求较高的场合，采用APD有利于延长系统的传输距离。但是采用APD要求有较高的偏置电压和复杂的温度补偿电路，结果增加了成本。因此在灵敏度要求不高的场合，一般采用PIN光电二极管。