通信用光器件05

城市轨道交通专用通信设备维护课程城市轨道交通专业教学资源库通信用光器件3本章内容光源：半导体激光器和发光二极管。光电检测器：PIN和APD光电二极管。无源光器件：光连接器、光衰减器、光耦合器和光开关等。本章重点激光器的工作原理。光源和光电检测器工作原理及其工作特性。无源光器件的功能及主要性能。本章难点发光机理。通信用光器件学习本章目的和要求4了解半导体激光器的物理基础。掌握半导体激光器和发光二极管工作原理及其工作特性。熟悉光源的驱动电路工作原理。掌握光电检测器的工作原理及特性。掌握无源光器件的功能及主要性能。通信用光器件光电检测器5

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：①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；②具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统；③具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响；④具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真；⑤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。光电检测器的工作原理6能级、导带，价带，禁带示意图：/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=528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1（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

（3-9）

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λc=。即只有波长λ＜λc的入射光，才能使这种材料产生光生载流子，故λc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。光电检测器的工作原理7图1半导体材料的光电效应n-p能带图：/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=517PIN光电二极管8

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2（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2（b）所示。图2PIN光电二极管PIN光电二极管PIN光电二极管的结构：/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=584PIN光电二极管的电光转换原理:/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=5839雪崩光电二极管10

雪崩光电二极管，又称APD（AvalanchePhotoDiode）。它不但具有光/电转换作用，而且具有内部放大作用，其放大作用是靠管子内部的雪崩倍增效应完成的。1．APD的结构目前APD结构型式，有保护环型和拉通（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3所示。图3（a）所示的是纵向剖面的结构示意图。图3（b）所示的是将纵向剖面顺时针转90°的示意图。图3（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。

雪崩光电二极管11图3RAPD的结构图和能带示意图APD结构：/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=582APD场分布/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=581雪崩光电二极管122．APD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。雪崩倍增效应示意图：/2008/gqtxjs/article_content.asp?id=588光电检测器的特性13

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。

1．PIN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。①响应度响应度定义（A/W） （3-10）

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。

光电检测器的特性14

②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 （3-11）其中，e为电子电荷，，hf为一个光子的能量，（3-12）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为硅APD雪崩管的量子效率与波长的关系。··

光电检测器的特性15图4为硅APD雪崩管的量子效率与波长的关系。光电检测器的特性16

（2）响应时间响应速度是指半导体光电二极管产生的光电流跟随入射光信号变化快慢的状态。一般用响应时间（上升时间和下降时间）来表示。显然响应时间越短越好。（3）暗电流在理想条件下，当没有光照时，光电检测器应无光电流输出。但是实际上由于热激励等，在无光情况下，光电检测器仍有电流输出，这种电流称为暗电流。严格地说，暗电流还应包括器件表面的漏电流。暗电流会引起接收机噪声增大。因此，器件的暗电流越小越好。光电检测器的特性17

2．APD的特性

APD除了PIN的特性之外还包括雪崩倍增特性、温度特性等。（1）倍增因子倍增因子g实际上是电流增益系数。在忽略暗电流影响的条件下，它定义为

g=I0/Ip

（3