光源与光检测器.ppt

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1、第4章 通信用光器件,4.1发光器件的原理与特性,4.2光电检测器件,4.1发光器件的原理及特性,4发光机理一光子光电效应 真空二极管由阳极和阴极组成,在阴极上涂有感光层(锌,银)，G为电流表。这个实验得出结论：当有光照射时，有电流产生，没有光照射时，无电流产生，这种现象称之为光电效应。,发光机理,解释：光照射阴极，感光层中的电子吸收了光的能量，克服了逸出功冲向阳极，最后形成了电流。,光 阳极 阴极 光电实验,发光机理,光电实验 如果用可见光（红-紫）照射，不论光强多大，照射时间多长，均无光电效应产生。但若用紫外光照射，即使时间很短，也可产生光电效应。电磁波的波动理论 光量子学说,发光机理,光

2、量子学说 光的能量是不连续的，光本身是由一粒粒运动的粒子组成，（称之为光子），光可以看成是一种以光速C运动的粒子流。光子是光的最基本单位，它的能量由光的频率决定，并且只能作为一个整体，一次性地被吸收或产生。E=hf 其中E光子能量，h普朗克常数，f光的频率,发光机理,光量子学说解释光电效应当用可见光频率较低或波长较长)照射时,由于光子能量不够故而无法产生出电流.当紫外光照射时,由于其光频较高,光子能量较大,所以阴极中的电子吸收了这一能量后,克服了逸出功,最后形成电流。,二原子的能级,原子是由原子核和绕原子核旋转的核外电子组成，原子中的电子只有在一定的量子态中运动。以硅原子为例，原子中共有14个

3、电子环绕带正电荷的原子核旋转，14个电子运动的轨道是有区别的，各代表不同的量子态。,发光机理,电子按量子态运动所遵循的包里不相容原理,电子在原子中的微观运动状态量子态的一个最根本的特点是量子态的能量只能取某些特定的值，而不能随意的，原子中的电子只能在一定大小的彼此分隔的一系列轨道上运动，原子中能够实现的电子轨道是量子化的，它必须满足下列条件：2r.MV=nh 电子轨道的量子条件,发光机理,三晶体中的能带,制造光源和检测器的材料:共价晶体。（能带结构）共价晶体：每个原子最外层的电子和邻近原子形成共价键，整个晶体通过这些共价键原子联系起来。,发光机理,发光机理,能带-晶体的能谱在原子能级的基础上按

4、共有化运动的不同分裂成若干组，每组能级彼此靠得很近，组成有一定宽度的带。价带-形成化学键的价电子所占据的能带。导带-价带上面邻近的空带（自由电子占据的能带）。禁带-导带和价带之间的能带。原子的电离、以及电子和空穴的复合发光等过程，主要在导带和价带之间。,四价带和导带中能级的跃迁光跃迁,原子中的电子和外界交换能量：热跃迁-电子跃迁中和外界交换的能量是热运动的能量。光跃迁-交换的能量是光能。导带和价带的三种光跃迁过程：自发辐射、受徼辐射和受激吸收。,发光机理,自发辐射 处在导带Ei能级上的电子，按照一定的概率自发地跃迁到价带Ej能级上，并发射一个频率为f、能量为的光子，这个过程称为光的自发辐射过程

5、。,发光机理,发光机理,自发辐射的速率-单位时间里发生的自发辐射数。N2晶体处于导带中的电子数密度，rsp自发辐射概率，与导带被电子占据的概率和价带空着的概率之积成正比特点：自发辐射的光是一种非相干光 各列光波的波长并不完全一致,发光机理,受激辐射,当晶体中有光场存在，且光子能量hf=Ei-Ej（Ei和Ej分别为导带和价带上的能级）时，处于导带Ei能级的电子在光场感应下跃迁到价带Ej能级上，同时发射一个和感应光子一模一样的光子，这个过程称为光的受激辐射。,发光机理,受激辐射,发光机理,受激辐射发生的概率与感应光场的强度成正比p(f)为单位频率上的能量密度，B为比例系数。特点：有激励光场；相干光

6、；光波长一样。,发光机理,受激吸收,当晶体中有光场存在时，且光子能量处在价带某能级Ej上的电子在感应光场的作用下，可能吸收一个光子而跃迁到导带某能级Ei，这个过程称为光的受激吸收过程。,发光机理,受激吸收的概率与受激辐射的概率相同，当有光场存在时，受激吸收过程和受激辐射过程同时发生，哪个过程是主要的，取决于导带和价带上电子的分布。导带上电子密度高于价带的电子密度时受激辐射是主要的。,发光机理,激光的特点,激光是一种特殊类型的光，它其有以下特点：能量高度集中频率单纯方向性好相干性好。受激辐射产生出的光子激光,发光机理,一激射条件有源区里产生足够的粒子数反转分布存在光学谐振腔，并在谐振腔里建立越稳

7、定的振荡,4.1.2 半导体激光器的发光原理,有源区里产生足够的粒子数反转分布1）半导体激光器是用直接带隙材料（光跃迁）做成的二极管。2）激光二极管工作在正向偏置下。注入正向电流，导带中的电子密度增加，发生自发辐射，发出光子，形成初始光场，受激辐射和受激吸收过程发生。3）注入电流增加到一定值，使N2N1，受激辐射主导地位。,半导体激光器的发光原理,受激辐射速率Rste=Wst*N2 受激吸收速率Rsta=Wst*N1N2N1，受激辐射主导地位，光场波迅速增强，此时的PN结区成为对光场有放大作用的区域，从而形成激光发射。有源区-受激辐射大于受激吸收后，激光二极管的PN结区成为光放大区。粒子数反转

8、（布居反转）-N2N1的状态（半导体通常状态下总是N1N2）,半导体激光器的发光原理,光学谐振腔,1）有源区里实现粒子数反转受激辐射占主导。2）激光器初始光场来源于导带和价带的自发辐射，频谱较宽，方向杂乱无章。3）为了得到单色性和方向性好的激光输出，必须构成光学谐振腔。天然解理面：在PN结两端，按照晶体的天然晶面切割成相互平行且很光滑的平面。,半导体激光器的发光原理,二PN型半导体激光器的工作原理,高掺杂PN半导体,半导体激光器的发光原理,载流子浓度,自建电场,漂移运动,扩散运动,动态平衡,接触电位差,接触电位差VD p.ev。（Ec）N(Ev)P 电子占据（布居反转）,半导体激光器的发光原理

9、,半导体激光器的发光原理-高掺杂PN结能带图,PN型半导体激光器的工作原理,GaAs高掺杂后可以得到P型和N型半导体，两种半导体结合在一起时，n区的电子扩散到P区，靠近界面剩下了带正电的离子，同时，P区的空穴向n区扩散，在靠近界面剩下带负电荷的离子，这样，在P型和N型半导体界面的两侧，形成了带相反电荷的“空间电荷区”，即“自建电场”，其方向由n区指向p区。,半导体激光器的发光原理,半导体激光器的发光原理,在自建电场的作用下，电子与空穴发生漂移运动，其方向正好与其扩散方向相反，当达到动态平衡时，P-N结空间电荷区的自建电场，便在P型和N型半导体两部分之间形成电位差或电位势垒，称为接触电位差，以V

10、D表示，P区相对于N区的电位差为VD，即P区中所有电子，都具有一个附加的电位能eVD，反映在能带图上，使整个P区的能带升高eVD，如下图（a）。,半导体激光器的发光原理,高掺杂：使空间电荷区的正负电荷很多，所以电位差VD很大，以至于使N型半导体导带底部的能级（Ec）n比P型半导体价带顶部的能级（Ev）p还要低，电子占据的可能性越大。,半导体激光器的发光原理,当外加正向电压时，电压就抵消了一部分电位势垒，使势垒降低，如图，当这个正向电压足够大，保证有足够的电流时，P区中的空穴和N区中的电子便大量地向结区注入，结果，在P-N结的空间电荷区域附近出现了一个“粒子数反转分布”的区域d，称为“有源区”或

11、“作用区”。,半导体激光器的发光原理,在有源区内，由于粒子数的反转分布，便会在自发辐射的激光下使受激辐射大于受激吸收，一个光子会不断地激发出更多的相同光子，产生了光的放大作用，另一方面，由于谐振腔的存在，被放大了的光便会被进一步放大，并产生振荡，向外散出激光。自建电场作用，电子空穴漂移与扩散方向相反动态平衡接触电位差VDp.ev。（Ec）N(Ev)P电子占据,三发射波长,半导体材料的禁带宽度决定了激光器的发射波长，即发射的光子：,短波长：GaAlAs和GaAs材料构成异质结构.长波长：GaAlAs和GaAs材料构成激光器.,四半导体激光器的结构与分类,垂直于PN结 按垂直于PN结方向的结构不同

12、，半导体激光器可分为同质结激光器、单异质结激光器、双异质结激光器和量子激光器。,单异质结（SH）激光器 是同质结构和双异质结构之间的过渡形式。双异质结（DH）激光器 GaAlAs/GaAs双异质激光器 窄带隙的有源区（GaAs）材料被夹在宽带隙的GaAlAs之间。,双异质结（DH）激光器：1）带隙差形成的势垒对载流子有限制作用，阻止有源区的载流子逃离出去。2）双异质结构中的折射率差由带隙差决定，基本上不受掺杂的影响。有源区里粒子数反转的条件靠注入电流来实现，带隙差所决定的折射率差较大（可达到5%左右），使光场能很好地限制在有源区里。载流子的限制作用和光子的限制作用，使激光器的阀值电流密度大大下

13、降，从而实现了室温下连续工作。目前光纤通信中使用的激光器，多是双异质结构的。,量子（QW）激光器 与普通的双异质结激光器的结构基本相同，只是有源区的厚度很薄，通常DH激光器的有源区一般为10002000埃，而量子井激光器的源区仅几百埃，这样，窄带隙的有源区为导带中的电子和价带的空穴创造了一个势能井，使激光器阀值电流很低，输出功率相当高。,按平行于PN结方向的结构分类 按平行于PN结方向的结构的不同，半导体激光器可分为下面几类：,413半导体激光器的性能,基本性质模式性质瞬态特性（调制特性）,413半导体激光器的性能,一基本性质阀值电流（Ith）半导体激光器发射激光所需的最小注入电流。Ith：当

14、注入电流增至某一值，P急剧增加且发光特性也会发生很大的变化，产生激光振荡。,只有I Ith 时，才有激光输出。目前的激光器Ith 一般为十几个mA，最大输出功率可大于2mw。PI特性也称出光特性。,外微分量的效率（d）（内量子效率，外量子效率，外微分量子效率）定义在阀值点以上，单位时间发射的光子数变化量与注入的电子空穴对数变化量之比。,温度特性 半导体激光器的二项重要参数对温度敏感，特别是Ith。(1)外微分量子效率d T，dGaAlAs-LD 绝对温度 77(-196oc)d=0.5 300(+270)d=0.3,(2)阀值电流Ith T，Ith（按指数规律）：绝对温度，0：特征温度，I0：

15、常数LD 注入电功率 光功率 结区热能结温 影响Ith、d,P（mw）200C 400C,500C,Ith 50 100 I（mA）LD的温度特性示意图,伏安特性 P V LD伏安特性 半导体激光的伏安特性与一般二极管相似，但它有一个导通电压（1V左右）。实用中要求激光器在阀值附近的正向电压小于2V，串联电阻可小于5，则可确保激光器安全使用和良好的输出特性。,光谱特性中心波长光谱范围内辐射强度最大值所对应的波长。谱线宽度光谱范围内辐射强度最大值下降50%处所对应的波长的宽度。,c 光谱特性示意,寿命 GaAlAs-LD 数百万小时 InGaAsP-LD 数十万小时,二模式性质,模式指电磁场的分

16、布形式。一种分布对应于一种模式。半导体激光器的模式分成纵模和横模。,模式性质,纵横一沿轴向的分布状态（垂直于PN结）由半导体激光器的结构可知，它是由一个谐振腔组成（中间为激光物质）。激光物质,驻波,谐振腔,腔长为L，激光光波要形成一个稳定的振荡，必须要满足阀值条件和相位条件，相位条件就是满足驻波振荡，使腔长正好是半波长的整数倍，即 k=1,2,3.激光特质内的光谱波长 若C为物质的光速，C为真空中的光速，n为物质的折射率，f为光波频率，则有:（K=1，2，.）即L定f定，其余频率的光波不行频率选择的作用。,输出光谱与相位有关，也取决于激光物质的发光光谱：,(a),(b),(c)理想,(d)实际

17、,激光光谱图,a）相位条件决定了一群等间隔的纵模谐振频率b）激光物质的发光光谱决定了该激光器可能发出的光谱范围c）真正激光器的输出由两个因素共同决定，所以只有落在激光物质范围内并满足相位条件的那些频率才有可能形成激光。如果得出的激光光谱内含有多个模式，则称该激光器为多模激光器。若只含1个模式，则称为单模激光器，实际的输出是具有一定宽度的模式。,横模沿横向的分布状态（平行于PN结）激光器的横模表示谐振腔中垂直于腔方向上的光场分布，它决定了激光束的空间分布，直接影响到器件和光纤的耦合效率。条形LD，有源区构成一个非均匀的光波导（介电常数随位置而变化）描写波动方程,三瞬态性质,电光延时现象和张驰振荡

18、现象 下图常见的激光器的响应波形。电脉冲 光脉冲 光电瞬态响应波形,电光延迟时间：当电流脉冲注入激光器时，激光输出 与注入电脉冲之间存在一个时间延迟。张驰振荡现象：激射后，输出光脉冲表现出衰减式的振荡。电光延迟时间一般为ns的量级，张驰振荡的频率一般为几百mHz在2GHz的量级。,电光延迟和张驰振荡是激光器内部电光相互作用就表现出来的固有特性，当电流脉冲注入时，对导带低部的能级进行电子填充，便有源区里电子密度增加，当电子密度增加到阀值时，激光器开始激射，便光子密度迅速增加而电子密度却减少，电子密度的减少又会影响受激辐射的速度，上述的瞬态现象，就是电和光相互作用的结果。下图所示的瞬态过程可以进一

19、步说明电光延迟和张驰振荡发生的原因。,I(注入电流）t（a）n（电子密度）nth t（b）s（光子密度）s 0 td t1 t2 t3 t（c）激光器瞬态过程,a）0 td，有I，n，无S，当t=td时，n=nth，有光。当阶跃电流I（I Ith）注入激光器时，有源区自由电子密度n，开始了有源区里导带电子的填充，由于有源区电子密度n的增加与时间呈指数关系，而当n小于阀值电子密度nth 时，激光器并不激射，从而使输出光功率存在一段初始的延迟时间，电光延迟时间用td 表示。,瞬态性质,瞬态性质,b）td t1，n，s，t=t1时，nmax。s有源区里的电子密度达到阀值以后，激光器开始激射，但是光子

20、密度的增加也有一个时间过程，只要光子密度还没有达到它的稳态值，电子密度将继续增加，造成导带中电子的超量填充，当t=t1时，光子密度达到稳态值s，电子密度达到最大值。,瞬态性质,c）t1 t2，n，s，在t=t2，n=nth，smax。由于导带中有超量存储的电子，有源区里的光场也已经建立起来，结果使受激过程迅速增加，光子密度迅速上升，同时使电子密度开始下降，当t=t2时，光子密度达到峰值，而电子密度下降到阀值的浓度。,瞬态性质,d）t2 t3，n，s，在t=t3，n=nmin，光子逸出腔外需要一定的时间（光子寿命Tph），在t t2后有源区里的过量复合过程仍然持续一段时间，使电子密度继续下降到之

21、下，从而使光子密度也开始迅速下降，当t=t3 时，电子密度下降到最低点，激射可能停止或减弱。,瞬态性质,于是重新开始了导带底电子的填充过程，只是由于电子的存储效应，这一次电子的填充时间比上次短，电子密度和光子密度的过冲也比上次小，这种衰减的振荡过程重复进行直到输出光功率达到稳定值。,电光延迟过程发生在阀值以下，此时受激辐射过程可以忽略，只考虑自发辐射，可得电光延迟时间的表达式为：sp自发复合寿命j注入电流密度jth阀值电流密度jo预偏置电流密度,瞬态性质,减小电光延迟时间的途径应是设法加大注入电流，具体的方法就是对激光器加直流预偏置电流，使在脉冲到来之前已将有源区里的电子密度提高到一定的程度，

22、从而使脉冲到来时，有源区的电子密度很快便达到阀值，从而大大减少电光延迟时间，而且使张驰振荡也得到一定程度的抑制。,jm脉冲调制电流密度 j0预偏置电流密度 如果j0jth（j0=jth），由上式知电光延迟时间td将为零。,码型效应,定义：指激光器在传输一系列脉冲信息时，后一个光脉冲幅度大于前一个光脉冲幅度。解释：两个连“1”脉冲调制激光器时出现的现象 当第一个电流脉冲过后，存储在有源区里的电子以指数形式（esp-t/）衰减，使电子密度回到初始状态有一个与sp 相应的时间过程。如果调制速度很高，脉冲间隔小于sp，会使第二个电流脉冲到来时前一个电流脉冲注入的电子并没有完全复合消失，这些存储的电子起

23、到直流预偏置的作用，使有源区里的电子密度高于脉冲到来前的值，于是第二个光脉冲延迟时间减小，输出光脉冲的幅度和宽度增加。,特点：脉冲序列中较长的连“0”后出现“1”码，光脉冲的幅度明显下降，连“0”数越长，这种现象就越突出；调制速率越高码型效应越明显。消除码型效应的方法很多，最简单易行的方法是增加直流偏置电流，当激光器偏置在阀值附近时，脉冲接续时和脉冲过后有源区里电子密度变化不大，从而使电子的存储时间大大减小。,自脉动现象 定义：当注入电流达到某一值时，（通常是在P-I曲线发生扭折的区域内）输出光出现持续的等幅振荡的现象。作为变频干扰现象，不希望发生。这种现象是因为激光器内部的非均匀性所引起的，

24、或者是不均匀光增益，或者是因为不均匀吸收所致，从激光器外特性上看，自脉动往往与激光器P-I曲线的非线性有关，发生在P-I曲线的扭折区。,P I Ith 自脉动振荡的区域,414 半导体发光二极管（LED）,一工作原理1.发光二极管是非相干光源;2.发射过程主要是对应光的自发辐射过程;3.在发光二极管的结构中，不存在谐振腔，在发光过程中PN结也不一定需要实现粒子数反转；4.发光过程中依靠正向偏压降低PN结处势垒，P区和N区的载流子各向对方扩散，在结区和扩散区的非平衡载流子将复合发光。5.发光二极管不是阀值器件，它的输出功率基本上与注入电流成正比，,二结构 发光二极管常采用双异质结构，按光输出的位

25、置可分：边发射型：（侧面）它的输出方向与P-N结平行 面发射型：输出的光方向与P-N结垂直,三基本性质发射谱线和发射角1.发光二极管没有谐振腔，发射光谱是自发辐射谱线，由于导带和价带都包含有许多能级，使复合发光的光子能量有一个较宽的能力范围，造成自发辐射谱线较宽。2.自发辐射光的方向杂乱无章，所以LED输出光束的发散角大。,发射角:在平行于PN结的方向，发光二极管的发散角为1200。谱宽:材料 发射谱线宽度 GaAlAs 300500A0，InGaAsP 6001200A0 1.发射谱线宽，光在光纤中传输时材料色散和波导色散较严重;2.发射角大，LED和光纤的耦合效率低。,LED,响应速度 发

26、光二极管的响应速度，受载流子自发复合寿命时间所限制，为减少载流子的寿命时间，复合区往往采用高掺杂，或使LED工作在高注入电流密度下，这样，LED的响应速度还是比激光器低得多。,LED,热特性 发光二极管的输出功率，随温度的升高而减小，但由于它不是阀值器件，所以输出功率不会象激光器那样随温度发生很大的变化。在实际使用中也可以不进行温度控制，以短波长GaAlAs发光二极管为例，其输出功率随温度的变化率约为-0.01/0c。,42 光电检测器件,问题：光电材料和半导体材料发生光电效应的区别之处PD、PIN、PAD的工作原理光电二极管截止波长，只要C，入射光的波长是否越短越好？或者说为什么光电二极管对

27、光波长的响应有一定的范围？,421光电效应,真空光电管中的光电效应：阴极感光层涂敷，当能量为hf的光子照射其阴极，感光材料中的电子吸收光子的能量，克服逸出功发射出来到阳极，此时负载中有电流流过，电流为光生电流。光电材料的光电效应：当光电材料受到波长足够短（频率足够高）的光照射时发出电子的现象。半导体材料也能产生光电效应。,PD管的工作原理 1.电子空穴扩散运动 2.自建电场+外加反向电场，P-N结间电位势垒加强3.有光子射到PN结上，并且光子的能量大于禁带宽度，那么价带的电子可以吸收光子能量而跃过到导带上去，结果在导带和价带之间就产生光生的电子空穴时，4.电子向N区漂移，空穴向P区漂移，形成光

28、生电流，从而把光信号转换成电信号。,外加反向电场 自建电场 P 光生空穴 光生电子 光子+导带+N 禁带Eg+价带 扩散区 耗尽区 扩散区 吸收区（a）P-N结的光电效应,当PN结上加有反向偏压时，反向漏电流很小，当有光束入射到PN结上并且光子能量hf大于半导体材料的禁带宽度，那么价带上的电子可以吸收一个光子而跃迁到导带上，结果产生电子一空穴对，也就是发生受激吸收过程。,由于PN结上加有反向电压，受激吸收过程中生成的电子一空穴对在电场的作用下，电子将向N区漂移，而空穴将向P区漂移，从而形成光生电流，光入射功率变化时光生电流也随之线性变化，从而把光信号转换成电流信号（称为光生电流）,光电二极管的

29、响应波长,光电效应的发生是有一定的条件，入射光子的能量小于半导体材料的禁带宽度Eg，那么无论入射光多么强，光电效应也不会发生，也就是说，光电效应必须足条件hf Eg或,光电二极管的响应波长,光电二极管入射光波长太短时，光变电的转换效率也会大大下降，这是因为材料对光的吸收系数是波长的函数，当入射波长很短时，材料对光的吸收系数变得很大，使大量的入射光子在光电二极管的表面层里被吸收，而反向偏压主要是加在PN结的结区附近的耗尽层里，光电二极管的表面层往往存在着一个零电场的区域，在零电场区域里产生的电子空穴对不能有效地转换成光电流，从而使光电转换效率降低。,在吸收光子过程中，入射光功率按指数规律衰减,深

30、入PN结x距离后的光功率吸收系数，不同的半导体材料，其吸收系数不一样，波长越短，吸收系数越大。P0入射的光功率,某种材料制作的光电二极管，对光波长的响应有一定的范围，Si光电二极管的波长响应范围从大约0.51.0，适用于短波长波段。Ge和InGaAs光电二极管的波长的响应范围1.11.6，适用于长波长波段。,光电二极管的响应波长,422 PIN,光电效应PN结光生电流主要由耗尽区电子空穴对在外加电场与自建电场作用下的漂移运动形成的。耗尽区(有源区)：漂移运动，快极值，电场大；扩散区：扩散运动，慢，电场为零；,快的响应速度和高的效率,避免光生电子一空穴对在零电场区里产生,减小零电场P区和n区厚度

31、，增加耗尽区厚度,掺杂很轻的n层称作本征I层，在I层的两端做成重掺杂的P层和n层（窄、薄），PIN比PD具有更高的光生电流效率和更高的响应速度。,423雪崩光电二极管APD,PIN存在的问题1。耗尽区加长，反向偏压不能加很高，使载流子的漂移时间长 响应速度慢2。光生电流小，引入放大器的噪声 接收机信噪比低。,APD工作原理,雪崩光电二极管在结构设计上已考虑能承受高反向偏压，在PN结内部形成一个高电场区，光生的电子空穴对经过高电场区时被加速而获得足够的能量，它们在高速运动中与晶体上的原子碰撞，使晶体中的原子电离，从而产生新的电子空穴对，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加，反向电流迅速加大，

32、形成雪崩倍增效应，APD就是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度的检测器。,424 光电检测器的主要技术指标,响应度R 定义一光电检测器的平均输出电流IP与其平均入射光功率P0之比。=是表征光电转换效率高低的一个物理量,光生电流,e 电子电荷 h 普朗克常数 f 光频-吸收系数 w 耗尽区的宽度 r 光纤入射端面的反射系数（越小越好）,量子效率（）,定义检测器中产生的电子一空穴对数与入射的光子数之比量子效率与响应度的关系为：RO=光电转换效率高。,响应时间或响应速度（输入光 输出光生电流）,定义表示对光信号的反应能力，常用对光脉冲响应的上升或下降沿表示，从接收到光子起到它能够有光生电流输

33、出的这段时间。光电响应时间，由以下三个因素：（1）耗尽区内光生载流子的漂移时间 电场较低，V与E成正比，当ES=106V/m，速度达到极限值，不再变化，要使载流子能以极限漂移速度渡越耗尽区，必须使反向偏压达到VESW,2）耗尽区以外即扩散区以内，载流子的扩散时间扩散运动速度比漂移运动的速度慢得多，未产生光生电流零电场下扩散区表面产生的电子一空穴对（a）复合 光电效率低（b）被电路吸收先扩散到耗尽区，这部分载流子作扩散运动的附加时延会使光电检测器输出的电脉冲的下降沿的拖尾加长，影响了光电二极管的响应速度。,光电二极管Cd 结电容A结区面积 介电常数 w耗尽区厚度 Rs 串联电阻，可忽略Cd 和负

34、载电路的时间常数限制了器件的响应速度。,暗电流Id,表示无光照射时出现的反向电流。主要是由热激发而产生的载流子引起的，因此，暗电流与温度有关，温度越高，暗电流越大，暗电流随温度变化形成了噪声。影响接收机性能好坏的重要参数信噪比，其噪声源（1）光电检测（2）前置放大器,平均雪崩增益（倍增因子G）,电流增益系数 G=IG 倍增后的总输出电流的平均值IP 初始的光生电流 R APD的内阻 I APD的输出电流VB APD的击穿电压 n 某一指数（常数）与APD的材料、掺杂分布和工作波长等因素有关，一般为36,结电容,影响光电检测器响应时间的第三个因素是光电二极管和它的负载电路的时间常数RC，其中，C

35、包含二极管PN结的结电容Cd A结区面积 介电常数 w耗尽区厚度,过剩噪声系数F（G）,指一次电子空穴对和二次电子一空穴对的随机性造成的附加噪声（入射在光电检波器光敏面上的光子产生一次电子一空穴对的随机性，指每个一次电子一空穴对产生二次电子一空穴对数是不能准确测定的）。倍增噪声，互不相关。,过剩噪声系数F（G）,1.g为一次和二次电子空穴对数，g是随机变量又称为随机增益，2.随机增益g的统计平均值等于平均雪崩增益G，=G，3.g的均方值并不等于平均雪崩增益G的平方=F（G）G 平均雪崩增益Ke 空穴电子碰撞游离概率比Ke,过剩噪声指数X,将上式F（G）简化，常采用近似公式：g2G2+xg2+X

36、 GX或者gX也可称为过剩噪声系数 APD的制作工艺和使用的材料 x：Si APD x在0.30.5 Ge APD 0.81.0 InGaAsPAPD 0.50.7,不同材料制作的APD 和PIN的性能,检测器 暗电流(n A)量子效率 过剩噪声指数X 上升时间Si APD 几个n A(0.9VB时)60%左右 0.30.4（G=100时）约300PS Ge APD 1800n A(0.9VB时)70%左右 0.91.0（G=10时）约500PS1nGaAs-APD 50nA(0.9VB时)45%左右 0.50.6（G=10）1001000PS Ge PIN 300n A（-10V偏压）80%左右 约500PS1nGaAs PIN 几个n A（-5V偏压）70%左右 约100PS,