《光源与光检测器》PPT课件

第4章通信用光器件,4.1发光器件的原理与特性,4.2光电检测器件,4.1发光器件的原理及特性,4发光机理一光子光电效应真空二极管由阳极和阴极组成,在阴极上涂有感光层(锌,银)，G为电流表。这个实验得出结论：当有光照射时，有电流产生，没有光照射时，无电流产生，这种现象称之为光电效应。,发光机理,解释：光照射阴极，感光层中的电子吸收了光的能量，克服了逸出功冲向阳极，最后形成了电流。,光阳极阴极光电实验,发光机理,光电实验如果用可见光（红-紫）照射，不论光强多大，照射时间多长，均无光电效应产生。但若用紫外光照射，即使时间很短，也可产生光电效应。电磁波的波动理论光量子学说,发光机理,光量子学说光的能量是不连续的，光本身是由一粒粒运动的粒子组成，（称之为光子），光可以看成是一种以光速C运动的粒子流。光子是光的最基本单位，它的能量由光的频率决定，并且只能作为一个整体，一次性地被吸收或产生。E=hf其中E光子能量，h普朗克常数，f光的频率,发光机理,光量子学说解释光电效应当用可见光频率较低或波长较长)照射时,由于光子能量不够故而无法产生出电流.当紫外光照射时,由于其光频较高,光子能量较大,所以阴极中的电子吸收了这一能量后,克服了逸出功,最后形成电流。,二原子的能级,原子是由原子核和绕原子核旋转的核外电子组成，原子中的电子只有在一定的量子态中运动。以硅原子为例，原子中共有14个电子环绕带正电荷的原子核旋转，14个电子运动的轨道是有区别的，各代表不同的量子态。,发光机理,电子按量子态运动所遵循的包里不相容原理,电子在原子中的微观运动状态量子态的一个最根本的特点是量子态的能量只能取某些特定的值，而不能随意的，原子中的电子只能在一定大小的彼此分隔的一系列轨道上运动，原子中能够实现的电子轨道是量子化的，它必须满足下列条件：2r.MV=nh电子轨道的量子条件,发光机理,三晶体中的能带,制造光源和检测器的材料:共价晶体。（能带结构）共价晶体：每个原子最外层的电子和邻近原子形成共价键，整个晶体通过这些共价键原子联系起来。,发光机理,发光机理,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分裂成若干组，每组能级彼此靠得很近，组成有一定宽度的带。价带-形成化学键的价电子所占据的能带。导带-价带上面邻近的空带（自由电子占据的能带）。禁带-导带和价带之间的能带。原子的电离、以及电子和空穴的复合发光等过程，主要在导带和价带之间。,四价带和导带中能级的跃迁光跃迁,原子中的电子和外界交换能量：热跃迁-电子跃迁中和外界交换的能量是热运动的能量。光跃迁-交换的能量是光能。导带和价带的三种光跃迁过程：自发辐射、受徼辐射和受激吸收。,发光机理,自发辐射处在导带Ei能级上的电子，按照一定的概率自发地跃迁到价带Ej能级上，并发射一个频率为f、能量为的光子，这个过程称为光的自发辐射过程。,发光机理,发光机理,自发辐射的速率-单位时间里发生的自发辐射数。N2晶体处于导带中的电子数密度，rsp自发辐射概率，与导带被电子占据的概率和价带空着的概率之积成正比特点：自发辐射的光是一种非相干光各列光波的波长并不完全一致,发光机理,受激辐射,当晶体中有光场存在，且光子能量hf=Ei-Ej（Ei和Ej分别为导带和价带上的能级）时，处于导带Ei能级的电子在光场感应下跃迁到价带Ej能级上，同时发射一个和感应光子一模一样的光子，这个过程称为光的受激辐射。,发光机理,受激辐射,发光机理,受激辐射发生的概率与感应光场的强度成正比p(f)为单位频率上的能量密度，B为比例系数。特点：有激励光场；相干光；光波长一样。,发光机理,受激吸收,当晶体中有光场存在时，且光子能量处在价带某能级Ej上的电子在感应光场的作用下，可能吸收一个光子而跃迁到导带某能级Ei，这个过程称为光的受激吸收过程。,发光机理,受激吸收的概率与受激辐射的概率相同，当有光场存在时，受激吸收过程和受激辐射过程同时发生，哪个过程是主要的，取决于导带和价带上电子的分布。导带上电子密度高于价带的电子密度时受激辐射是主要的。,发光机理,激光的特点,激光是一种特殊类型的光，它其有以下特点：能量高度集中频率单纯方向性好相干性好。受激辐射产生出的光子激光,发光机理,一激射条件有源区里产生足够的粒子数反转分布存在光学谐振腔，并在谐振腔里建立越稳定的振荡,4.1.2半导体激光器的发光原理,有源区里产生足够的粒子数反转分布1）半导体激光器是用直接带隙材料（光跃迁）做成的二极管。2）激光二极管工作在正向偏置下。注入正向电流，导带中的电子密度增加，发生自发辐射，发出光子，形成初始光场，受激辐射和受激吸收过程发生。3）注入电流增加到一定值，使N2N1，受激辐射主导地位。,半导体激光器的发光原理,受激辐射速率Rste=Wst*N2受激吸收速率Rsta=Wst*N1N2N1，受激辐射主导地位，光场波迅速增强，此时的PN结区成为对光场有放大作用的区域，从而形成激光发射。有源区-受激辐射大于受激吸收后，激光二极管的PN结区成为光放大区。粒子数反转（布居反转）-N2N1的状态（半导体通常状态下总是N1N2）,半导体激光器的发光原理,光学谐振腔,1）有源区里实现粒子数反转受激辐射占主导。2）激光器初始光场来源于导带和价带的自发辐射，频谱较宽，方向杂乱无章。3）为了得到单色性和方向性好的激光输出，必须构成光学谐振腔。天然解理面：在PN结两端，按照晶体的天然晶面切割成相互平行且很光滑的平面。,半导体激光器的发光原理,二PN型半导体激光器的工作原理,高掺杂PN半导体,半导体激光器的发光原理,载流子浓度,自建电场,漂移运动,扩散运动,动态平衡,接触电位差,接触电位差VDp.ev。（Ec）Nt2后有源区里的过量复合过程仍然持续一段时间，使电子密度继续下降到之下，从而使光子密度也开始迅速下降，当t=t3时，电子密度下降到最低点，激射可能停止或减弱。,瞬态性质,于是重新开始了导带底电子的填充过程，只是由于电子的存储效应，这一次电子的填充时间比上次短，电子密度和光子密度的过冲也比上次小，这种衰减的振荡过程重复进行直到输出光功率达到稳定值。,电光延迟过程发生在阀值以下，此时受激辐射过程可以忽略，只考虑自发辐射，可得电光延迟时间的表达式为：sp自发复合寿命j注入电流密度jth阀值电流密度jo预偏置电流密度,瞬态性质,减小电光延迟时间的途径应是设法加大注入电流，具体的方法就是对激光器加直流预偏置电流，使在脉冲到来之前已将有源区里的电子密度提高到一定的程度，从而使脉冲到来时，有源区的电子密度很快便达到阀值，从而大大减少电光延迟时间，而且使张驰振荡也得到一定程度的抑制。,jm脉冲调制电流密度j0预偏置电流密度如果j0jth（j0=jth），由上式知电光延迟时间td将为零。,码型效应,定义：指激光器在传输一系列脉冲信息时，后一个光脉冲幅度大于前一个光脉冲幅度。解释：两个连“1”脉冲调制激光器时出现的现象当第一个电流脉冲过后，存储在有源区里的电子以指数形式（esp-t/）衰减，使电子密度回到初始状态有一个与sp相应的时间过程。如果调制速度很高，脉冲间隔小于sp，会使第二个电流脉冲到来时前一个电流脉冲注入的电子并没有完全复合消失，这些存储的电子起到直流预偏置的作用，使有源区里的电子密度高于脉冲到来前的值，于是第二个光脉冲延迟时间减小，输出光脉冲的幅度和宽度增加。,特点：脉冲序列中较长的连“0”后出现“1”码，光脉冲的幅度明显下降，连“0”数越长，这种现象就越突出；调制速率越高码型效应越明显。消除码型效应的方法很多，最简单易行的方法是增加直流偏置电流，当激光器偏置在阀值附近时，脉冲接续时和脉冲过后有源区里电子密度变化不大，从而使电子的存储时间大大减小。,自脉动现象定义：当注入电流达到某一值时，（通常是在P-I曲线发生扭折的区域内）输出光出现持续的等幅振荡的现象。作为变频干扰现象，不希望发生。这种现象是因为激光器内部的非均匀性所引起的，或者是不均匀光增益，或者是因为不均匀吸收所致，从激光器外特性上看，自脉动往往与激光器P-I曲线的非线性有关，发生在P-I曲线的扭折区。,PIIth自脉动振荡的区域,414半导体发光二极管（LED）,一工作原理1.发光二极管是非相干光源;2.发射过程主要是对应光的自发辐射过程;3.在发光二极管的结构中，不存在谐振腔，在发光过程中PN结也不一定需要实现粒子数反转；4.发光过程中依靠正向偏压降低PN结处势垒，P区和N区的载流子各向对方扩散，在结区和扩散区的非平衡载流子将复合发光。5.发光二极管不是阀值器件，它的输出功率基本上与注入电流成正比，,二结构发光二极管常采用双异质结构，按光输出的位置可分：边发射型：（侧面）它的输出方向与P-N结平行面发射型：输出的光方向与P-N结垂直,三基本性质发射谱线和发射角1.发光二极管没有谐振腔，发射光谱是自发辐射谱线，由于导带和价带都包含有许多能级，使复合发光的光子能量有一个较宽的能力范围，造成自发辐射谱线较宽。2.自发辐射光的方向杂乱无章，所以LED输出光束的发散角大。,发射角:在平行于PN结的方向，发光二极管的发散角为1200。谱宽:材料发射谱线宽度GaAlAs300500A0，InGaAsP6001200A01.发射谱线宽，光在光纤中传输时材料色散和波导色散较严重;2.发射角大，LED和光纤的耦合效率低。,LED,响应速度发光二极管的响应速度，受载流子自发复合寿命时间所限制，为减少载流子的寿命时间，复合区往往采用高掺杂，或使LED工作在高注入电流密度下，这样，LED的响应速度还是比激光器低得多。,LED,热特性发光二极管的输出功率，随温度的升高而减小，但由于它不是阀值器件，所以输出功率不会象激光器那样随温度发生很大的变化。在实际使用中也可以不进行温度控制，以短波长GaAlAs发光二极管为例，其输出功率随温度的变化率约为-0.01/0c。,42光电检测器件,问题：光电材料和半导体材料发生光电效应的区别之处PD、PIN、PAD的工作原理光电二极管截止波长，只要Eg或,光电二极管的响应波长,光电二极管入射光波长太短时，光变电的转换效率也会大大下降，这是因为材料对光的吸收系数是波长的函数，当入射波长很短时，材料对光的吸收系数变得很大，使大量的入射光子在光电二极管的表面层里被吸收，而反向偏压主要是加在PN结的结区附近的耗尽层里，光电二极管的表面层往往存在着一个零电场的区域，在零电场区域里产生的电子空穴对不能有效地转换成光电流，从而使光电转换效率降低。,在吸收光子过程中，入射光功率按指数规律衰减,深入PN结x距离后的光功率吸收系数，不同的半导体材料，其吸收系数不一样，波长越短，吸收系数越大。P0入射的光功率,某种材料制作的光电二极管，对光波长的响应有一定的范围，Si光电二极管的波长响应范围从大约0.51.0，适用于短波长波段。Ge和InGaAs光电二极管的波长的响应范围1.11.6，适用于长波长波段。,光电二极管的响应波长,422PIN,光电效应PN结光生电流主要由耗尽区电子空穴对在外加电场与自建电场作用下的漂移运动形成的。耗尽区(有源区)：漂移运动，快极值，电场大；扩散区：扩散运动，慢，电场为零；,快的响应速度和高的效率,避免光生电子一空穴对在零电场区里产生,减小零电场P区和n区厚度，增加耗尽区厚度,掺杂很轻的n层称作本征I层，在I层的两端做成重掺杂的P层和n层（窄、薄），PIN比PD具有更高的光生电流效率和更高的响应速度。,423雪崩光电二极管APD,PIN存在的问题1。耗尽区加长，反向偏压不能加很高，使载流子的漂移时间长响应速度慢2。光生电流小，引入放大器的噪声接收机信噪比低。,APD工作原理,雪崩光电二极管在结构设计上已考虑能承受高反向偏压，在PN结内部形成一个高电场区，光生的电子空穴对经过高电场区时被加速而获得足够的能量，它们在高速运动中与晶体上的原子碰撞，使晶体中的原子电离，从而产生新的电子空穴对，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加，反向电流迅速加大，形成雪崩倍增效应，APD就是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度的检测器。,424光电检测器的主要技术指标,响应度R定义一光电检测器的平均输出电流IP与其平均入射光功率P0之比。=是表征光电转换效率高低的一个物理量,光生电流,e电子电荷h普朗克常数f光频-吸收系数w耗尽区的宽度r光纤入射端面的反射系数（越小越好）,量子效率（）,定义检测器中产生的电子一空穴对数与入射的光子数之比量子效率与响应度的关系为：RO=光电转换效率高。,响应时间或响应速度（输入光输出光生电流）,定义表示对光信号的反应能力，常用对光脉冲响应的上升或下降沿表示，从接收到光子起到它能够有光生电流输出的这段时间。光电响应时间，由以下三个因素：（1）耗尽区内光生载流子的漂移时间电场较低，V与E成正比，当ES=106V/m，速度达到极限值，不再变化，要使载流子能以极限漂移速度渡越耗尽区，必须使反向偏压达到VESW,2）耗尽区以外即扩散区以内，载流子的扩散时间扩散运动速度比漂移运动的速度慢得多，未产生光生电流零电场下扩散区表面产生的电子一空穴对（a）复合光电效率低（b）被电路吸收先扩散到耗尽区，这部分载流子作扩散运动的附加时延会使光电检测器输出的电脉冲的下降沿的拖尾加长，影响了光电二极管的响应速度。,光电二极管Cd结电容A结区面积介电常数w耗尽区厚度Rs串联电阻，可忽略Cd和负载电路的时间常数限制了器件的响应速度。,暗电流Id,表示无光照射时出现的反向电流。主要是由热激发而产生的载流子引起的，因此，暗电流与温度有关，温度越高，暗电流越大，暗电流随温度变化形成了噪声。影响接收机性能好坏的重要参数信噪比，其噪声源（1）光电检测（2）前置放大器,平均雪崩增益（倍增因子G）,电流增益系数G=IG倍增后的总输出电流的平均值IP初始的光生电流RAPD的内阻IAPD的输出电流VBAPD的击穿电压n某一指数（常数）与APD的材料、掺杂分布和工作波长等因素有关，一般为36,结电容,影响光电