第四章通信用光器件 o4.1光器件简介 04.2光检测器 04.3无源光器件
第四章 通信用光器件 4.1 光器件简介 4.2 光检测器 4.3 无源光器件
4.1光器件简介 。在光纤通信系统中，光器件可分为有源光器件和无源光器件 两类，其中有源光器件包括前章介绍的光源器件，还有本章 要介绍的光检测器等器件。 。光检测器，又称光探测器或光检波器，有热器件和光子器件 两大类。前者是吸收光子使器件升温，达到探知入射光能的 大小；后者是将入射光转化为电流或电压，是以光子一电子 的量子转换形式完成光的检测目的，如光电二极管(PIN) 和雪崩光电二极管(APD)。 0由于光纤具有三个低损耗窗口，即850nm、1310nm和 1550nm。相应的，用于850nm波长的称为短波长光检 测器，用于1310nm和1550nm波长的则称为长波长光检 测器。 下一页返回
4.1 光器件简介 在光纤通信系统中，光器件可分为有源光器件和无源光器件 两类，其中有源光器件包括前章介绍的光源器件，还有本章 要介绍的光检测器等器件。 光检测器，又称光探测器或光检波器，有热器件和光子器件 两大类。前者是吸收光子使器件升温，达到探知入射光能的 大小；后者是将入射光转化为电流或电压，是以光子一电子 的量子转换形式完成光的检测目的，如光电二极管（PIN） 和雪崩光电二极管（APD）。 由于光纤具有三个低损耗窗口，即850nm、1310nm和 1550nm。相应的，用于850nm 波长的称为短波长光检 测器，用于1310nm和1550nm波长的则称为长波长光检 测器。 下一页 返回
4.1光器件简介 在光纤通信系统中，一般使用的都是光子类型的光检测器。 光检测器位于光接收机中。 一个完整的光纤通信系统，除光纤、光源和光检测器外，还 需要许多其它光器件，特别是无源器件。这些不用电源的无 源光器件（即无光电能量转换，是能量消耗型光学器件）， 对光纤通信系统的构成、功能的扩展或性能的提高，都是不 可缺少的，是构成光纤传输系统的重要部分。 无源光器件种类繁多，功能各异，是一类实用性很强的器件， 主要产品有光纤连接器、光纤耦合器、光衰减器、光隔离器 与光环形器、光调制器、光开关、光波分复用器、光纤放大 器等。 无源光器件的作用是：连接光路，控制光的传输方向，控制 光功率的分配，实现器件与器件之间、器件与光纤之间的光 耦合、合波及分波。 上一页 返回
4.1 光器件简介 在光纤通信系统中，一般使用的都是光子类型的光检测器。 光检测器位于光接收机中。 一个完整的光纤通信系统，除光纤、光源和光检测器外，还 需要许多其它光器件，特别是无源器件。这些不用电源的无 源光器件（即无光电能量转换，是能量消耗型光学器件）， 对光纤通信系统的构成、功能的扩展或性能的提高，都是不 可缺少的，是构成光纤传输系统的重要部分。 无源光器件种类繁多，功能各异，是一类实用性很强的器件， 主要产品有光纤连接器、光纤耦合器、光衰减器、光隔离器 与光环形器、光调制器、光开关、光波分复用器、光纤放大 器等。 无源光器件的作用是：连接光路，控制光的传输方向，控制 光功率的分配，实现器件与器件之间、器件与光纤之间的光 耦合、合波及分波。 上一页 返回
4.2光检测器 。1.光检测器作用及要求 0(1)作用 。在光纤通信系统中，光检测器的作用是；将光纤输出的光信 号变换为电信号，其性能的好坏将对光接收机的灵敏度产生 重要影响。 。(2)对光检测器的基本要求 。由于从光纤中传过来的光信号一般是非常微弱的，因此对光 检测器提出了非常高的要求。对光检测器的基本要求如下： 下一页 返回
4.2 光检测器 1. 光检测器作用及要求 （1）作用 在光纤通信系统中，光检测器的作用是；将光纤输出的光信 号变换为电信号，其性能的好坏将对光接收机的灵敏度产生 重要影响。 （2）对光检测器的基本要求 由于从光纤中传过来的光信号一般是非常微弱的，因此对光 检测器提出了非常高的要求。对光检测器的基本要求如下： 下一页 返回
4.2光检测器 。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： 。具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统： 。具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响； 。具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真； 。具有较小的体积、较长的工作寿命： 0工作电压尽量低，使用简便。 上一页下一页返回
4.2 光检测器 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； 具有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统； 具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响； 具有良好的线性关系，以保证信号转换过程中的不失真； 具有较小的体积、较长的工作寿命； 工作电压尽量低，使用简便。 上一页 下一页 返回
4.2光检测器 。2.半导体PN结的光电效应 。如图4-1所示，是一个未加电压的半导体PN结。在半导体材 料的PN结区，发生载流子相互扩散的运动，即P型半导体中 的空穴远比N型半导体的多，空穴将从P区扩散到N区；同样 N型半导体中的电子远比P型半导体的多，也要扩散到P区。 这种扩散运动的结果是在PN结内形成了一个内电场，在内 电场的作用下，使电子和空穴产生了与扩散运动方向相反的 漂移运动。当扩散与漂移达到动态平衡时，便在PN结中形 成了一个空间电荷区，即耗尽层。 上一页下一页返回
4.2 光检测器 2. 半导体PN结的光电效应 如图4-1所示，是一个未加电压的半导体PN结。在半导体材 料的PN结区，发生载流子相互扩散的运动，即P型半导体中 的空穴远比N型半导体的多，空穴将从P区扩散到N区；同样 N型半导体中的电子远比P型半导体的多，也要扩散到P区。 这种扩散运动的结果是在PN结内形成了一个内电场，在内 电场的作用下，使电子和空穴产生了与扩散运动方向相反的 漂移运动。当扩散与漂移达到动态平衡时，便在PN结中形 成了一个空间电荷区，即耗尽层。 上一页 下一页 返回
4.2光检测器 Q如果PN结接收到相当能量的光照射，进入耗尽层的光子就 会产生电子--空穴对，在内电场的加速下，空穴向P区漂移， 电子则向N区漂移。很显然，光照的结果打破了原有结区的 平衡状态。这种光生载流子的运动，在一定条件下，就会产 生光电流。这就是半导体PN的光电效应。 o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，因此产生光电效应的条件是 hf≥Eg (4-1) 。式(4-1)表明，只有波长入≤入的入射光，才能产生光生载 流子，这里的入就是截止波长，相应的f就是截止频率。 上一页下一页返回
4.2 光检测器 如果PN结接收到相当能量的光照射，进入耗尽层的光子就 会产生电子--空穴对，在内电场的加速下，空穴向P区漂移， 电子则向N区漂移。很显然，光照的结果打破了原有结区的 平衡状态。这种光生载流子的运动，在一定条件下，就会产 生光电流。这就是半导体PN的光电效应。 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，因此产生光电效应的条件是 式（4-1）表明，只有波长λ≤λc的入射光，才能产生光生载 流子，这里的λc就是截止波长，相应的fc就是截止频率。 上一页 下一页 返回 hf Eg （4-1）
4.2光检测器 o3.光电二极管(PIN) o(1)PIN的结构及其原理 oPIN的结构。PIN的结构如图4-2所示，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 层（本征层）。工层很厚，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。两侧的P和N型半导体很薄，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，来改变器件的响应速度。 上一页下一页返回
4.2 光检测器 3. 光电二极管（PIN） （1）PIN的结构及其原理 PIN的结构。PIN的结构如图4-2所示，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 层（本征层）。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。两侧的P和N型半导体很薄，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，来改变器件的响应速度。 上一页 下一页 返回
4.2光检测器 oPIN的工作原理。当PN结加上反向电压后（如图4-3所 示)，入射光主要在耗尽区被吸收，在耗尽区产生光生载流 子（电子-一空穴对）。在耗尽区电场作用下，电子向N区漂移， 空穴向P区漂移，产生光生电动势。在远离PN结的地方，因 没有电场的作用，电子空穴作扩散运动，产生扩散电流。因工 层宽，又加了反偏压，空间电荷区（耗尽层）加宽，绝大多 数光生载流子在耗尽层内进行高效、高速漂移，产生漂移电 流。这个漂移电流远远大干扩散电流，所以PIN光电二极管 的灵敏度高。在回路的负载上出现电流，就将光信号转变为 了电信号。 上一页下一页返回
4.2 光检测器 PIN的工作原理。当PN结加上反向电压后（如图4-3所 示），入射光主要在耗尽区被吸收，在耗尽区产生光生载流 子(电子--空穴对)。在耗尽区电场作用下，电子向N区漂移， 空穴向P区漂移，产生光生电动势。在远离PN结的地方，因 没有电场的作用，电子空穴作扩散运动，产生扩散电流。因I 层宽，又加了反偏压，空间电荷区（耗尽层）加宽，绝大多 数光生载流子在耗尽层内进行高效、高速漂移，产生漂移电 流。这个漂移电流远远大干扩散电流，所以PIN光电二极管 的灵敏度高。在回路的负载上出现电流，就将光信号转变为 了电信号。 上一页 下一页 返回
4.2光检测器 o（2)PIN的特性参数 。①截止波长入。-一截止波长与材料的禁带宽度Eg有关，它决 定了PIN工作波长的上限。截止波长入可用下式计算 飞124 （m) (4-2) Eg 。②量子效率~量子效率n是指单位时间内输出电子数与输 入光子数之比，即 生成光电流的电子一一空穴对数 7= 输入的光子数 输出的电子数 (4-3) 输入的光子数 上一页下一页返回
4.2 光检测器 （2）PIN的特性参数 ① 截止波长λc --截止波长与材料的禁带宽度Eg有关，它决 定了PIN工作波长的上限。截止波长λc可用下式计算 ② 量子效率η-- 量子效率η是指单位时间内输出电子数与输 入光子数之比，即 上一页 下一页 返回 ( ) 1.24 m Eg c = 输入的光子数 输出的电子数 输入的光子数 生成光电流的电子 空穴对数 = − − = （4-2） （4-3）