光电器件基础讲义.docx
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光电器件基础讲义
光电器件基础讲义
1．概述
光电器件分为发光器件和光探测器两大类，发光器件是把电信号变成光信号的器件，在光纤通信中占有重要的地位。
性能好、寿命长、使用方便是保证光纤通信可靠工作的关键。
光纤通信对光源的基本要求有如下几个方面：
首先，光源发光的峰值波长应在光纤的低损耗窗口之内，要求材料色散较小。
其次，光源输出功率必须足够大，入纤功率一般应在10微瓦到数毫瓦之间。
第三，光源具有高度可靠性，工作寿命至少在10万小时以上才能满足光纤通信工程的需要。
第四，光源的输出光谱不能太宽以利于传高速脉冲。
第五，光源应便于调制，调制速率应能适应系统的要求。
第六，电－光转换效率不应太低，否则会导致器件严重发热和缩短寿命。
第七，光源应省电，光源的体积、重量不应太大。
光探测器则是将光信号转换为电信号的光电子器件，作为光通信系统用的光探测器需要满足以下要求：
首先，其响应波长范围要与光纤通信的低衰耗窗口匹配，第二，具有很高的量子效率和响应度，第三，具有很高的响应速度，第四，具有高度的可靠性。
2．光电器件原理
2.1半导体中光的发射和激射原理
2.1-1半导体价带、导带、带隙与发光
半导体单晶材料的原子是按一定规律紧密排列的。
在各个原子之间保持一定的距离，是由于在各原子之间存在着互相作用力的结构，这些结合力就是共价键。
固体物理学告诉我们，单晶中各个原子的最外层轨道是互相重叠的，这样就使分立的能级变成了能带。
与原子的最多层轨道的价电子相对应的能带叫做价带。
价带上面的能带称为导带。
在温度低至绝对零度的情况下，晶体中的电子均在价带之中，而导带是完全空着的。
如果价带中的电子受热或光的激发，则受激发的电子就会跃迁到上面的导带中去。
这样一来，晶体材料就可以导电了。
把导带底的能量记作EC，把价带顶的能量记作EVO在EC和EV之间是不可能有电子的，故称为禁带。
把EC与EV之差记作Eg，称为禁带宽度或带隙。
如果Eg较大，则需要较大的激励能量把价带中的电子激发到导带中去。
对于绝缘体材料，由于禁带宽度Eg很大，价带中的电子很难迁到导带中去，因而它表现出良好的绝缘性能。
导体材料的Eg=0，因此它表现出良好的导电性能。
半导体材料的禁带宽度介于导体和绝缘体之间，因而它的导电能力也介于两者之间。
当价带中一个电子被激发到导带中，在价带中就留下了一个电子的空位。
在电场的作用下，价带中邻近的电子就会填补这个空位，而把它自己的位置空出来，这就好象空位本身在电场的作用下产生移动一样。
空位的作用好象一个带正电的粒子，在半导体物理学上把它叫作空穴。
穴带中的一个电子可以吸收外界能量而跃迁到导带中去，在价带中形成一个空穴。
反之，导带中的一个电子也可以跃迁到价带中去，在价带中填补一个空穴，把这一过程叫做复合。
在复合时，电子把大约等于禁带宽度Eg的能量释放出来。
在辐射跃迁的情况下，释放出一个频率为：
的光子，其中h是普朗克常数（6.625×10-34焦耳·秒）。
不同的半导体单晶材料的Eg值不同，光发波长也不同，因为电子和空穴都是处于能带之中，不同的电子和空穴的能级有所差别，复合发光的波长有所差别，但其频率接近于γ。
2.1-2半导体掺杂、P型半导体和N型半导体
上面说到的都是纯净、完整的理想半导体单晶的情况。
在实际的半导体单晶材料中，往往存在着与组成晶体的基质原子不同的其它元素的原子──杂质原子，以及在晶体形成过程中出现的各种缺陷。
进行材料提纯，就是为了去除有害杂质。
进行各种处理，就是为了消除或减少某些缺陷。
但是，在实际应用中，我们还要有意识地在晶体中掺入一定量的有用杂质，这些杂质原子对半导体起着极为重要的作用。
我们知道，按照掺杂的不同，可以得到电子型半导体和空穴型半导体材料。
所谓本征半导体，是指含杂质和缺陷极少的纯净、完整的半导体。
其特点是，在半导体材料中，导带电子和数目和价带空穴的数目相等。
通常把本征半导体叫做I型半导体。
所谓电子型半导体就是通过故意掺杂使用导带的电子数目比价带空穴的数目大得多的半导体。
例如，在纯净的III－V族化合物GaAs中掺入不量的VI族元素Te，Te原子取代晶体中的As原子，这样就得到了电子型半导体。
Te原子的外层有六个价电子，As原子的外导有五个价电子，在形成共价键时每个Te原子向晶体提供一个电子，因而导带内就有许多电子，这种电子型半导体亦称为N型半导体。
所谓空穴型半导体，就是通过故意掺杂使价带空穴的数目比导带电子数目大得多的半导体。
例如，在纯净的III－V族化合物GaAs中掺入少量的II族元素Zn。
Zn原子取代晶体中的Ga原子，这样就得到了空穴型半导体。
Zn原子的外层有两个价电子，Ga原子的外层有三个价电子，在形成共价键时每个Zn原子向晶体索取一个电子，即向晶体提供一个空穴，因而价带内就有许多空穴，这种空穴型半导体也叫做P型半导体。
理论分析和实验结果表明，半导体的物理性质在很大程度上取决于所含杂质的种类和数量。
更重要的是，把不同类型的半导体结合起来，就可以制作成各种各样的半导体器件，当然也包括这里要讲的激光二极管和发光二极管。
请注意，这里所说的“结合”，并不是简单的机械的接触，而是在同一块半导体单晶内形成不同类型的两个或两个以上的区域。
2.1-3半导体p-n结和p-n结光源
P型半导体与N型半导体结合的界面称为p-n结，许多半导体器件（包括半导体激光器）的核心就是这个p-n结。
前面提到，在P型半导体内有多余空穴，在N型半导体内有多余电子，当这两种半导体结合在一起时，P区内的空穴向N区扩散，在靠近界面的地方剩下了带负电的离子，N区内的电子向P区扩散，在靠近界面的地方剩下了带正电的离子。
这样一来，在界面两侧就形成了带相反电荷的区域，叫做空间电荷区。
由这些相反电荷形成一个自建电场，其方向是由N区指向P区。
由于自建电场的存在，在界面的两侧产生了一个电势差VD，这个电势差阻碍空穴和电子的进一步扩建，使之最后达到平衡状态。
因此，我们把VD叫做阻碍空穴和电子扩散的势垒。
如图2.1所示的p-n结及能带，显然，P区的能量比N区的提高了eVD，其中e是电子的电荷量。
如图中所示：
对于轻掺杂的p-n结，eVDEg。
理论分析表明，可以利用一个能级EF（称为费米能级）来描述电子和空穴分布的规律。
对于EF以下的能级，电子占据的可能性大于1/2，空穴占据的可能性大于1/2。
在平衡状态下，P区和N区有统一的费米能级。
对于P区，因为晶体内有许多空穴，所以价带顶在费米能级附近。
对于N区，因为晶体内有许多电子，所以导带底在费米能级附近。
这样一来就画出了图2.1（a）所示的能带图。
半导体p-n结光源包括半导体发光二极管与半导发光二极管与半导体激光器，它们都是正向工作器件。
当把正向电压V加在p-n结上时，抵销了一部分势垒，势垒高度只剩下了（VD－V）的数值，如图2.1（b）所示。
外加的正向电压破坏了原来的平衡状态，P区和N区的费米能级分离开来。
这时，可以用两个所谓的准费米能级来描述电子和空穴分布的规律。
把N区的准费米能级记作（EF）N，对于（EF）N以下的能极，电子占据的可能性大于1/2。
把P区的准费米能级记作（EF）P，对于（EF）P以上的能级，空穴占据的可能性大于1/2。
当把足够大的正向电压加在p-n结上时，P区内的空穴大量地注入N区，N区内的电子大量地注入P区。
这样一来，在P区和N区靠近界面的地方就产生了复合发光。
在激光物理学中，材料的光子吸收、自发发射和受激发射可以由图2.2的两能级图来表示。
图中E1是
图2.1p-n结能带图
基态能量，E2是激发态能量。
按照普朗克定律，这两个能态之间的跃迁涉及到发射或吸收一个能量为hγ12＝E2－E1的光子。
一般情况下系统处于基态。
当能量为的hγ12光子射入，能态E1中的某个电子能够吸收光子能量，并激发到能态E2，如图7.2所示。
由于E2能态是一种不稳定的状态，电子很快就返回到
图2.2光子吸收的三种形式
基态，从而发射出一个能量为的hγ12光子。
这个过程是在无外部激励的情况下发生的，因此称为自发发射。
这种发射是各向同性的，并且其相位是随机的，表现为非相干光输出。
另外一种情况是，暂时停留在E2上的电子，由于外部了激励向下跃迁到基态，如图2.2（c）所示。
当有一个能量为hγ12的光入射到系统时，电子会立即受到激励向往下跃迁到基态，同时释放出一个能量为hγ12的光子。
发射出来的这个光子与入射光子是同相位的，这种情况称为受激发射。
在热平衡状态下，受到激发的电子的密度非常小，入射于系统的大多数光子都会被吸收，受激发射可以忽略，材料对光能量来说是消耗性的。
仅当激发态中的电子数大于基态中的电子数时，受激发射才会超过吸收。
这个条件在激光物理学中称为粒子数反转。
粒子数反转状态并不是一种平衡状态，必须利用各种“泵浦”方法来使材料达到这种状态。
对于图2.1所示的p-n结，正向通电注入电子填满那些较低能态，即能实现粒子数反转，该材料原来对光是吸收的进而变为对光具有放大作用了。
半导体激光器中，在电泵浦使用下能够对光有放大作用的区域称为有源区，其实就在图2.1所示的p-n结附近。
我们知道，高频电子LC振荡器就是利用电子放大器和正反馈结合而产生的。
半导体激光器的激光振荡也是由光放大与正反馈结合而产生。
招图2.3所示，处于粒子反转状态的有源区对某波长光有放大作用。
设有微弱的光由左向右传输，在光放大作用下逐渐增强，到达右镜面立刻反射到左传输又再逐渐增强，到达左镜面反射而形成正反馈过程。
显然，只有在传播方向与镜面垂直的一部分光才能够在镜面的帮助下实现放大－反馈，当这个放大－反馈环路的光增益足以抵消一切光损耗时，就在谐振腔内建立了等相面与反射镜面平等的驻波，这就是说产生了激光振荡了。
如图2.1所示的p-n结，当未注入电流时，其材料对光呈现吸收性，当注入电流较小时，p-n结开始发光，电流继续增加，光放大增强，放大－反馈环路的增益一旦超过损耗，就产生振荡，半导体激光器就由自发发射状态转入激射状态，此时的注入电流称阀值电流。
图2.3平面谐振腔
2.2光电探测器原理
2.2-1p-n结的光电效应
当P型半导体和N型半导体结合时（不是机械结合，而是分子间结合），能构成一个p-n结。
在P、N型半导体的交界面将发生载流子相互扩散的运动：
P型中的空穴远比N型材料多，空穴将从P区扩散到N区；同样N型材料中的电子远比P型材料的多，也要扩散到P区。
达到平衡时，这些向对方扩的载流子将积聚在P区、N区交界面的附近，形成空间电荷区，称为结区，如图2.4所示。
空间电荷区内，因多数载流子（指P区中的空穴，N区中的电子）几乎已消耗尽了，故又称它为耗尽区。
耗尽区内形成了内建电场Ei,以入接触电势或势垒Vd。
Ei或Vd的存在阻止多数载流子继续对方扩散，达到平衡状态。
如果p-n结接收相当能量的光波照射，进入耗尽区的光子就会产生电子－空穴对，并且受内电场Ei的加速，空穴顺Ei方向漂向P区，电子则逆Ei方向漂向N区。
光照的结果打破了原有结区的平衡状态。
光生载流子的运动，同样要在结区形成电场Ep和电压Vp,而Ep和Vp的方向或极性正好与Ei和Vd相反，起到削弱Ei和Vd的作用。
电压Vp称为光生伏特。
当外界光照是稳定的，将p-n结两端用导线连接，串入电流计就能读出光电流Ip。
图2.5光照下的p-n结
2.2-2反向偏置的p-n结
p-n结中的光电流是靠耗尽区中的内电场形成的。
当以适当能量的光照射p-n结，且光强很大，能使光生电场Ep=Ei，合成电场E=Ei-Ep=0，即Ei已被削减为零，耗尽区也不存在了。
这时发生载流子虽仍可在p-n区中产生，但无电场导引和加速，在杂乱的扩散过程中，大部分光生空穴和光生电子相继复合而消失，不能形成外部电流。
这是不加偏置的p-n结可能出现的问题。
零偏置有两大弊病：
（1）器件的响应率很差，且很易饱和；
（2）依靠扩散运动形成的光电流响应速度很慢。
若在p-n结上加反向偏置电压（见图8.3），则势垒高度增加到Vd+V；耗尽区W加宽了，响应率和响应速度都可以得到提高。
图2.6反偏下光照的p-n
3．光电器件类型
3.1半导体发光器件
半导体发光器件有三大类：
发光管、FP激光器、DFB激光器，下面分别介绍三类器件的特点：
发光管（LED）
未经谐振输出，发非相干光的半导体发光器件称为发光管。
发光管的特点：
输出光功率低、发散角大、光谱宽、调制速率低、价格低廉，适合于短距离通信。
FP激光器
FP激光器是以FP腔为谐振腔，发出多纵模相干光的半导体发光器件。
这类器件的特点；输出光功率大、发散角较小、光谱较窄、调制速率高，适合于较长距离通信。
DFB激光器
DFB激光器是在FP激光器的基础上采用光栅虑光器件使器件只有一个纵模输出，此类器件的特点：
输出光功率大、发散角较小、光谱极窄、调制速率高，适合于长距离通信。
3.2光电检测器件
光电检测器是将光信号转变为电信号的器件，光纤通信系统中使用2类光电检测器，即光电二极（PIN）管和雪崩光电二极管（APD）。
PIN探测器
PIN探测器是在普通光电二极管的基础上加入一层耗尽层的器件，它具有量子效率高、暗电流低、响应速度高、工作偏压低、不具有倍增效应的特点。
APD探测器
雪崩光电二极管是一种利用较高的偏压加速光子激发出的电子空穴对，碰撞出二次电子空穴对，形成光电流倍增的器件。
它具有较高的量子效率、较高的响应、有倍增效应。
4.光电器件的参数指标
4.1半导体发光器件
4.1-1发光管（LED）
发光管有以下性能参数：
工作波长、－3dB光谱宽度、输出光功率、最高调制速率。
工作波长是指LED发出光谱的中心波长；-3dB光谱宽度是LED发射光谱的最高点降低－3dB时所对应的光谱宽度；输出光功率是器件输出端口输出的光功率；最高调制速率为LED所能调制的最高速率。
表4.1是某公司LED器件的性能参数，其典型光谱如图4.1所示
表4.1LED性能参数
性能参数
参数
符号
单位
测试条件
最小
典型
最大
工作波长
p
nm
I=80mA
1280
1310
1330
1520
1550
1570
－3dB光谱宽度
nm
I=80mA
60
尾纤输出光功率
P0
W
I＝80mA,1310nm
10
100
I=80mA,1550nm
10
50
正向电压
Vf
V
I＝80mA
2.0
图4.1
4.1-2FP激光器
FP激光器有以下性能参数：
工作波长：
激光器发出光谱的中心波长。
光谱宽度：
多纵模激光器的均方根谱宽。
阈值电流：
当器件的工作电流超过阈值电流时激光器发出相干性很好的激光。
输出光功率：
激光器输出端口发出的光功率。
典型参数见表4.2，其典型光谱图为图4.2
表4.2FP激光器性能参数
性能指标
参数
符号
单位
测试条件
最小
典型
最大
工作波长
p
nm
IW=Ith+20mA
1290
1310
1330
1530
1550
1570
光谱宽度
nm
IW=Ith+20mA
3
5
阈值电流
Ith
mA
5
20
输出光功率
P0
mW
IW,1310nm
0.3
2.5
IW,1550nm
0.3
2.0
正向电压
Vf
V
IW=Ith+20mA
1.1
1.5
图4.2
4.1-3DFB激光器
DFB激光器有以下性能参数：
工作波长：
激光器发出光谱的中心波长。
边模抑制比：
激光器工作主模与最大边模的功率比。
-20dB光谱宽度：
由激光器输出光谱的最高点降低20dB处光谱宽度。
阈值电流：
当器件的工作电流超过阈值电流时激光器发出相干性很好的激光。
输出光功率：
激光器输出端口发出的光功率。
典型参数见表4.3，其典型光谱图为图4.3
表4.3DFB激光器典型参数
性能指标
参数
符号
单位
测试条件
最小
典型
最大
工作波长
p
nm
IW=Ith+20mA
1310
1550
-20dB光谱宽度
nm
IW=Ith+20mA
0.3
0.5
阈值电流
Ith
mA
15
20
输出光功率
P0
mW
IW,1310nm
0.3
2.5
IW,1550nm
0.3
2.0
正向电压
Vf
V
IW=Ith+20mA
－
－
－
图4.3
4.2光电检测器件
4.2-1PIN光电二极管
PIN光电二极管性能参数如下：
响应光谱范围：
光电二极管能检测到的光谱范围。
暗电流：
光电二极管在没有光输入时产生的漏电流。
响应度：
即光电转换的效率，是光电流与输入的光功率之比。
表4.4PIN光电二极管的典型参数
性能指标
参数
符号
单位
测试条件
最小
典型
最大
光谱响应
nm
1100
1310
1600
暗电流
Id
nA
Vr=-5V
-
0.1
5
响应度@1310nm
R
A/W
Vr=-5V
0.8
0.85
-
饱和光功率
P
mV
Vr=-5V
1.5
响应时间
tr/tf
ns
-
0.1
-
电容
C
pf
Vr=-5V
0.75
光敏面直径
m
75
4.2-2APD光电探测器
APD探测器性能主要参数:
工作波长：
APD探测器能检测的波长范围。
量子效率：
激发出的一次电子数与输入的光子数之比。
暗电流：
APD探测器在没有输入光功率时的漏电流。
倍增因子：
光电子的倍增倍数。
过剩噪声指数：
反映噪声的大小。
表4.5APD光电探测器参数
种类
G-APD
工作波长
1000～1600nm
量子效率
50%
过剩噪声指数
0.8
暗电流
200A
倍增因子
15
结电容
2pF
上升时间
150ps
光敏面积
>200m
击穿电压
>60V
5．各种光电器件的应用场合
5.1FP激光器的应用
由于受1310nm通信窗口的光缆衰耗和1550nm通信窗口的光缆色散限制，此类激光器用于传输距离小于50km的场合。
主要是1310nm的工作波长。
5.2DFB激光器的应用
这类激光器具有光谱窄特性，在1550nm低衰耗特性窗口受色散限制的距离为70～120km，由于目前激光器制造工艺正在不断发展，此类激光器的受色散限制的距离有可能达到170～200km。
此类激光器与光放大器配合使用目前能实现120km以内的无中继传输。
5.3EA－DFB激光器应用
EA－DFB激光器不直接对激光器进行调制，使激光器的啁秋效应大大降低，此类激光器受色散限制的距离为300～1000km。
此类激光器与光放大器结合使用，能实现200km无中继传输，300～1000km无电中继传输。
5.4PIN探测器
PIN探测器由于没有倍增效应，其响应度较小，主要用于155/622Mb/s系统。
5.5APD探测器
APD探测器具有倍增效应和较高的效应速度，用于2.5Gb/s设备上。
6.使用中需要注意的问题
6.1防静电
目前光纤通信设备中的光电器件均为异质结器件，其反向击穿电压都很低，极易被人体静电击穿或击伤，造成器件立即损耗或寿命减少。
因此在使用过程一定要十分注意防静电。
6.2注意避免折断尾纤
设备中使用的光电器件多数是带尾纤输出的类型，器件尾纤是采用0.9mm直径的套塑光纤，十分脆弱。
在使用过程中如果不小心很容易将尾纤折断，造成器件完全无法使用。
6.3注意清洁光纤连接器
光电器件的光纤连接器是器件与外界的光接口。
如果光纤连接器被污染，则会明显增加连接衰耗，造成发光器件的输出光功率明显低于器件额定值，接收器件灵敏度明显降低，使设备的光口指标变坏，严重影响设备的整体性能。
长途光通信系统
功率放大器
光纤线路
中继放大器
光纤线路光纤线路
预放大器
光纤线路
功放中继中继前放
波分复用系统
1
2
2
1
3
4
4
3
广电网系统
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