通信用光器件PPT课件

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1.0
£½90£¥
0.8
InGaAs
70£¥
0.6
Si
50£¥
Ge
0.4 30£¥
(¡¤W £-1)
0.பைடு நூலகம் 10£¥
0 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7 m
图3-22 PIN光电二极管响应度、 量子效应率 与波长 的关系
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(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。
光电二极管一般性能和应用 表3.3和表3.4列出半导体光电二极管(PIN 和APD)的一般性能。 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。 灵敏度要求不高的场合，一般采用PIN-PD。
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表3.3 PIN光电二极管一般特性
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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=0.5~0.7。
当式(3.26)和式(3.27)的g=1时，得到的结 果和PIN相同。 第32页/共90页
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PIN光电二极管的工作原理和结构见图 3.20和图3.21。
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光 抗反 射膜
电极
P＋
(n)
N＋ E
电极
图3. 21 PIN光电二极管结构
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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。
耦合比cr是一个指定输出端的光功率输出端的光功率ppococ和全部输出端的光功率总和全部输出端的光功率总和potot的比值用表示ocotoc329由此可定义功率分路损耗lcr330第57页共90页第58页共90页附加损耗l由散射吸收和器件缺陷产生的损耗是全部输入端的光功率总和光功率总和pitpit和全部输出端的光功率总和全部输出端的光功率总和potpot的比值用分贝表示是一个指定输入端的光功率输入端的光功率ppicic和一个指定输出端的光功率输出端的光功率ppococ的比值用分贝表示lg10lg10331ociclg10332第59页共90页方向性dir隔离度是一个输入端的光功率pic和由耦合器反射到其它端的光功率p比值用分贝表示一致性u是丌同输入端得到的耦合比的均匀性或者丌同输出端耦合比的等同性
图3.26示出的N+PΠP+结构被称为拉通型APD。
光
抗反射膜
电极
N＋ P
(P)
P＋
E 电极
图3.26 APD结构图
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对APD特性新引入的参数是倍增因子和 附加噪声指数
1.
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。
g I0 IP
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。
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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
（ 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。
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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。
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连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸(活 动)连接的器件， 主要用于光纤线路与光发 射机输出或光接收机输入之间，或光纤线路 与其他光无源器件之间的连接。
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项目 插入损耗/dB 重复性/dB 互换性/dB 反射损耗/dB
寿命（插拔次数）
工作温度/ºC
表 3.5 光纤连接器一般性能
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。
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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。
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
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() (0) sin(w d / 2) w d / 2
fc
0.4 2
d
0.42 vs w
(3.18) （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。
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ÄÚÁ¿×ÓЧÂÊ
ºÄ¾¡Çø¿í¶È / m
1000 600 400 200 100 60 40 20 10 6 4 1.0
0.9
0.8
Si-PIN
型号或材料
FC型 PC型 不锈钢 陶瓷 不锈钢 陶瓷
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性能 0.2~0.3
0.1 0.1
35~40 40~50
103 104
-20~+70 -40~+80
连接器的分类： 单纤(芯)连接器和多纤(芯)连接器。其特 性主要取决于机构设计、加工精度和所用材 料。 单纤连接器中，精密套管结构设计合理， 效果良好，适于大规模生产，因而得到广泛 的应用。
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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。
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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。
InGaAs-APD 1~1.65 05~0.7 10~20 0.1~0.3 <0.5 40~60 20~30 0.5~0.7
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3.3 光 无 源 器
无源光器件作用：构成光纤通信系统， 扩展功能，提高性能。
无源光器件的要求： 插入损耗小、反射损耗大、工作温度范围 宽、性能稳定、寿命长、 体积小、价格便宜、 便于集成等。
0.7 0.6 0.5 0.4
0.3
0.2 0.1 £½1.06 m
0 10
100
1000
´ø¿í/ MHz
图3.23 内量子效率和带宽的关系
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0.6328
0.80 0.85
0.90 0.95
2 10000
由电路RC时间常数限制的截止频率
fc
1
2Rt cd
(3.20)
式中，Rt为光电二极管的串联电阻和负载
(3.24)
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。
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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
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光纤 套管
插针 粘结剂
图 3.27 精密套管结构连接器简图
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光纤固定在插针的微孔内，两支带光纤 的插针用套管对中实现连接。要求：光纤与 微孔、插针与套管精密结合。
套管和插针的材料一般可以用或者不锈钢。 插针材料用ZrO2陶瓷最理想。因为ZrO2陶瓷 机械性能好、耐磨、热膨胀系数和光纤相近， 使连接器的寿命（插拔次数）和工作温度范 围大大改善。
子被吸收而产生电子 - 空穴对。
如果电压增加到使电场达到200 kV/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。
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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
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（1）均方热噪声电流
4KTB 〈i2T〉= R
(3.23)
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+
4KTB R
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(3.27)
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2.
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 式中， x为附加噪声指数。
(3.26b)
电阻的总和，Cd为结电容Cj和管壳分布电容的
总和。
Cj
A
w
(3.21)
式中，ε为材料介电常数，A为结面积，w 为耗尽层宽度。
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(三) 噪声。
噪声影响光接收机的灵敏度。
噪声包括散粒噪声(Shot Noise)(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)
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)。
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Êä³ö¹âµçÁ÷I0
¹âµçÁ÷
0
·´ÏòÆ «Ñ¹U
暗 电 流
UB
图 3.24 光电二极管输出电流I和反向偏压U的关系
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P
P(N)
N
光
－
＋
I0
图 3.25 APD
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(只画出电子）
(3.25)
APD的响应度比PIN增加了g倍。
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g
1
I (U
0
/
U
B
)n
1 [(U
1 RI0 ) /UB ]n
(3.26)
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
g UB
( UB
1
)2
nRI0 nRIP
波长响应 / μm 响应度 /(A• W1) 暗电流 Id/nA 响应时间 / ns 结电容 Cj/pF 工作电压 /V
Si-PIN 0.4~1.0 0.4(0.85 μm ) 0.1~1
2~10 0.5~1 -5~-15
InGaAs-PIN 1.0~1.6
0.6(1.3 μm ) 2~5 0.2~1 1~2
间 τ=τr=τf=2.2τ0
(3.16)
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，
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fc
1
2 0
0.35
r
（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。
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)。
为了解决这一矛盾， 就需要改进PN结光 电二极管的结构。
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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。
-5~-15
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表3.4 雪崩光电二极管（APD）一般性能
波长响应 / μm 响应度 /(A• W1) 暗电流 Id/nA 响应时间 / ns 结电容 Cj/pF 工作电压 /V 倍增因子 g 附加噪声指数 x
Si-APD 0.4~1.0
0.5 0.1~1 0.2~0.5 1~2 50~100 30~100 0.3~0.4
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PIN光电二极管具有如下主要特性：
(一) 量子效率和光谱特性。
(1) 光电转换效率用量子效率η或响应度 ρ表示。量子效率η的定义为一次光生电子 空穴对和入射光子数的比值
光生电子对 空穴对 入射光子数
IP /e P0 / hf
IP P0
hf e
(3.13)
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响应度的定义为一次光生电流IP和入射光 功率P0的比值
I P e ( A /W )
(3.14)
P0 hf
式中， hf 为光子能量， e为电子电荷。
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（2） 量子效率的光谱特性取决于半导体 材料的吸收光谱α(λ)，对长波长的限制由式 (3.6)确定，即λc= hc /Eg。
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1.3~1.6 μm波段。响应度 一般为0.5~0.6 (A/W)。