CH3-2 通信用光器件 - 副本.pptVIP

第三章 通信用光器件 第二讲 内容提要 分布反馈式激光器（DFB） 光电二极管 主要内容回顾 1.分布反馈式激光器（DFB） 产生的背景 工作原理 DFB产生的背景 随着技术的进步，高速率的光纤通信系统不断投入使用，对光源提出了更高的要求： （1）光源的谱线更窄； （2）高速调制下，能保持动态单纵模特性； （3）发射波长更稳定，且能够实现调谐； （4）阈值电流更低，输出功率更大。 满足上述特性的激光器就是分布反馈式（Distributed Feedback）激光器 工作原理 普通的F-P谐振腔两端的反射镜对激活物质发出的辐射光进行反馈，而DFB激光器用靠近有源层沿长度方向制作的周期性（波纹状）衍射光栅实现光的反馈。 因此，把这种利用衍射光栅的折射率周期性变化，使光沿整个有源层的分布进行反馈的结构，称为分布反馈式结构。 DFB激光器的优点 单纵模激光器： FP激光器的发射光谱由增益谱和激光器的纵模特性共同决定。由于其谐振腔的长度较长，导致纵模间隔小，相邻纵模的增益差别小。因此，要得到单纵模振荡就很困难。 DFB激光器的发射光谱主要由光栅周期决定。光栅周期相当于FP激光器的腔长L，每一个光栅的周期都形成一个微型谐振腔。由于光栅周期很小，所以m阶和m+1阶模之间的波长比FP腔大很多，加上多个微型谐振腔的选模作用，就很容易设计成只有一个模式能够获得足够增益。于是，DFB激光器容易制成单纵模激光器。 DFB激光器的优点 谱线窄，波长稳定性好 由于DFB激光器的每一个光栅周期相当于一个FP腔，所以光栅形成的布拉格反射可以看作多级调谐，使得谐振波长的选择性大大提高，谱线明显变窄。此外，由于光栅的作用有助于使发射波长锁定在谐振波长上，使得波长稳定性极好。 DFB激光器的优点 动态谱线好 由于DFB激光器能够在高速调制时也能保持单模特性，因此，高速调制时的动态谱线特性比FP激光器能够改善一个数量级。 DFB激光器的优点 线性好 DFB的线性非常好，广泛用于模拟调制的有线电视光纤传输系统。 2.光检测器 光电二极管的工作原理 PIN光电二极管的工作原理 APD光电二极管的工作原理 2.1 光电二极管的工作原理 光电二极管（PD）的功能：光信号转换为电（流）信号。 光电二极管的工作的物理基础：光的吸收（光电效应） 光（生）电流=漂移电流+扩散电流 入射光照射到光电二极管上时，不仅PN结会产生光电效应，而且P区或者N区也会产生光电效应。 光电二极管工作于反向偏置状态。 漂移电流的产生 当入射光作用在PN结上，如果光子的能量大于或者等于带隙能量时，便发生光的吸收，价带的电子吸收光子的能量跃迁到导带，形成光生电子空穴对。 在耗尽层，由于内部电场的作用，电子向N区运动，空穴向P区运动，形成漂移电流。 扩散电流的产生 当入射光照射在P区或者N区时，由于该区域没有内电场（中性区）。所以，生成的光生电子空穴对在热运动的作用下，向PN结结区扩散进入耗尽层。接着，在耗尽层内电场的作用下，电子和空穴分别向N区和P区运动（运动方向与漂移电流运动方向相同）形成扩散电流。 光电二极管工作于反向偏置状态 目的：提高响应速度！ 光电二极管通常工作于反向偏置状态。其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电流。 由于载流子的扩散速度比漂移速度慢得多，所以，减小扩散电流，可以显著提高光电二极管的响应速度。 但是，如果反向偏置电压升高，会导致耗尽层增宽，增加了漂移运动的时间，进而使得响应速度减慢。为了解决这个矛盾，必须改进PN结光电二极管的结构，于是就出现了PIN光电二极管。 2.2 PIN光电二极管 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。 PIN光电二极管的结构和工作原理 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。 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。 PIN光电二极管的工作特性 量子效率和光谱特性 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： PIN光电二极管的工作特性 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。主要由载流子在耗尽层的