【正文】 區(qū)產(chǎn)生了光增益，在半導(dǎo)體內(nèi)傳播的輸入信號(hào)將得到放大。如果將增益介質(zhì)放入光學(xué)諧振腔中提供反饋，就可以得到穩(wěn)定的激光輸出。 (1) LED 和 LD 的 PI 特性與發(fā)光效率： 圖 1 是 LED 和 LD 的 PI 特性曲線。 LED 是自發(fā)輻射光，所以 PI 曲線的線性范圍較大。LD 有一閾值電流 Ith，當(dāng) IIth時(shí)才發(fā)出激光。在 Ith 以上，光功率 P 隨 I 線性增加。 圖 1： LD 和 LED 的 PI 特性曲線 (a) LD 的 PI 特性曲線 (b) LED 的 PI 特性曲線 5 閾值電流是評(píng)定半導(dǎo)體激光器性能的一個(gè)主要參數(shù)，本實(shí)驗(yàn)采用兩段直線擬合法對(duì)其進(jìn)行測定。如圖 2 所示，將閾值前與后的兩段直線分別延長并相交，其交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流即為閾值電流 Ith。 圖 2：兩段直線擬合法測量 LD 閾值電流 發(fā)光效率是描述 LED 和 LD 電光能量轉(zhuǎn)換的重要參數(shù)，發(fā)光效率可分為功率效率和量子效率。功率效率定義為發(fā)光功率和輸入電功率之比，以η ω 表示。量子效率分為內(nèi)量子效率和外量子效率 。內(nèi)量子效率定義為單位時(shí)間內(nèi)輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子數(shù)與注入 PN 結(jié)的電子 空穴對(duì)數(shù)之比。外量子效率定義為單位時(shí)間內(nèi)輸出的光子數(shù)與注入到 PN 結(jié)的電子 空穴對(duì)數(shù)之比。 (2) LED 和 LD 的光譜特性： LED 沒有光學(xué)諧振腔選擇波長，它的光譜是以自發(fā)輻射為主的光譜，圖 3為 LED 的典型光譜曲線。發(fā)光光譜曲線上發(fā)光強(qiáng)度最大處所對(duì)應(yīng)的波長為發(fā)光峰值波長λ P，光譜曲線上兩個(gè)半光強(qiáng)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的波長差Δλ為 LED 譜線寬度 (簡稱譜寬 )，其典型值在 3040nm 之間。由圖 3 可以看到，當(dāng)器件工作溫度升高時(shí)，光譜曲線隨之向右移動(dòng)，從λ P的 變化可以求出LED 的波長溫度系數(shù)。 圖 3： LED 光譜特性曲線 激光二極管的發(fā)射光譜取決于激光器光腔的特定參數(shù)，大多數(shù)常規(guī)的增益或折射率導(dǎo)引器件具有多個(gè)峰的光譜，如圖 4 所示。激光二極管的波長可以定義為它的光譜的統(tǒng)計(jì)加權(quán)。在規(guī)定輸出光功率時(shí)，光譜內(nèi)若干發(fā)射模式中最大強(qiáng)度的光譜波長被定義為峰值波長λ P ，對(duì)諸如 DFB、 DBR 型 LD 來說，它的λ P相當(dāng)明顯。一個(gè)激光二極管能夠維持的光譜線數(shù)目取決于光腔的結(jié)構(gòu)和工作電流。 6 圖 4： LD 光譜特性曲線 (3) LED 和 LD 的調(diào)制特性： 當(dāng)在規(guī)定的直流正向工作電流下 ，對(duì) LED 進(jìn)行數(shù)字脈沖或模擬信號(hào)電流調(diào)制，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出光功率的調(diào)制。 LED 有兩種調(diào)制方式，即數(shù)字調(diào)制和模擬調(diào)制，圖 5 示出這兩種調(diào)制方式。調(diào)制頻率或調(diào)制帶寬是光通信用 LED 的重要參數(shù)之一，它關(guān)系到 LED 在光通信中的傳輸速度大小， LED 因受到有源區(qū)內(nèi)少數(shù)載流子壽命的限制，其調(diào)制的最高頻率通常只有幾十兆赫茲，從而限制了 LED 在高比特速率系統(tǒng)中的應(yīng)用，但是，通過合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)電路， LED 也有可能用于高速光纖通信系統(tǒng)。調(diào)制帶寬是衡量 LED 的調(diào)制能力，其定義是在保證調(diào)制度不變的情況下，當(dāng) LED 輸出的交流光功率下 降到某一低頻參考頻率值的一半時(shí)(3dB)的頻率就是 LED 的調(diào)制帶寬。 圖 5： LED 調(diào)制特性 在 LD 的調(diào)制過程中存在以下兩種物理機(jī)制影響其調(diào)制特性： (1) 增益飽和效應(yīng)。當(dāng)注入電流增大，因而光子數(shù) P 增大時(shí)，增益 G 出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，飽和的物理機(jī)制源于空間燒孔、譜燒孔、載流子加熱和雙光子吸收等因素。譜燒孔也稱帶內(nèi)增益飽和。這些因素導(dǎo)致 P 增大時(shí) G 的減小。 (2) 線性調(diào)頻效應(yīng)。當(dāng)注入電流為時(shí)變電流對(duì)激光器進(jìn)行調(diào)制時(shí)，載流子數(shù)、光增益和有源區(qū)折射率均隨之而變，載流子數(shù)的變化導(dǎo)致模折射率五和傳播常數(shù)的變化，因 7 此產(chǎn)生了 相位調(diào)制，它導(dǎo)致了與單縱模相關(guān)的光 (頻 )譜加寬，又稱線寬增強(qiáng)因子。 2． PIN 光電二極管和 APD 光電二極管： 光電探測器的作用是完成光電轉(zhuǎn)換。光纖通信所用的光電探測器是半導(dǎo)體光電二極管。它們利用半導(dǎo)體物質(zhì)吸收光子后形成的電子一空穴對(duì)把光功率轉(zhuǎn)換成光電流。常用的有 PIN光電二極管和 APD 光電二極管，后者有放大作用。在短波長采用硅材料，在長波長采用鍺材料或 InGaAsP 材料。 三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟： 1. 1550nm FP 半導(dǎo)體激光器 PI 特性曲線測量 a. 將 1550nm 半導(dǎo)體激光器 控制端口連接至主機(jī) LD1，光輸出 連接至主機(jī) OPM 端口 ，檢查無誤后打開電源 b. 設(shè)置 OPM 工作模式為 OPM/mW 模式，量程 (RTO)切換至 1mW c. 設(shè)置 LD1 工作模式 (MOD)為恒流驅(qū)動(dòng) (ACC)， 1550nm 激光器為恒定電流工作模式，驅(qū)動(dòng)電流 (Ic)置為 0 d. 緩慢增加激光器驅(qū)動(dòng)電流， 0 至 30mA 每隔 測一個(gè)點(diǎn)，作 P～ I 曲線 2. 求 1550nm FP 半導(dǎo)體激光器閾值電流 四 、注意事項(xiàng) ： 1. 系統(tǒng)上電后禁止將光纖連接器對(duì)準(zhǔn)人眼，以免灼傷。 2. 光纖連接器陶瓷插芯表面光潔度要求極高，除專用清潔布外禁止用手觸摸或接觸硬物。空置的光纖連接器端子必須插上護(hù)套 。 3. 所有光纖均不可過于彎曲，除特殊測試外其曲率半徑應(yīng)大于 30mm。 8 實(shí)驗(yàn)二 半導(dǎo)體光電檢測器參數(shù)測量 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? 1. 了解半導(dǎo)體光電檢測器件的物理基礎(chǔ)； 2. 了解 PIN 光電二極管和雪崩光電二極管 (APD)的工作原理和相關(guān)特性； 3. 掌握半導(dǎo)體光電檢測器件 特性參數(shù)的測量方法； 二、實(shí)驗(yàn)原理： 光檢測器的作用是把接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)。由于從光纖中傳過來的光信號(hào)一般是非常微弱的，因此對(duì)光檢測器提出了非常高的要求：第一，在系統(tǒng)的工作波長上要有足夠高的響應(yīng)度，即對(duì)一定的入射光功率，光檢測器能輸出盡可能大的 光電流；第二，響應(yīng)速度快，頻帶寬；第三，噪聲??；第四，線性好，保真度高；第五，體積小，使用壽命長。 滿足上述要求、適合于光纖通信系統(tǒng)使用的光檢測器主要有半導(dǎo)體 PIN 光電二極管、雪崩光電二極管、光電晶體管等。 1. 半導(dǎo)體 PN 結(jié)的光電效應(yīng) 半導(dǎo)體光檢測器的核心是 PN 結(jié)的光電效應(yīng)， PN 結(jié)光電二極管是最簡單的半導(dǎo)體光檢測器。 圖 1： PN 結(jié)光電二極管 (a) PN 結(jié) (b) 能帶圖 (c) PN 結(jié)外電路構(gòu)成回路 圖 1(a)所示是一個(gè)未加電壓的 PN 結(jié)，它是一個(gè)由不可移動(dòng)的帶正、負(fù)電荷的離子組成的耗盡層，或稱作勢壘區(qū)。當(dāng)以適當(dāng)波長的光照射 PN 結(jié)時(shí)， P 型和 N 型半導(dǎo)體材料將吸收光能。如果光子能量 hf≥ Ke 時(shí)，則光子將被吸收，使價(jià)帶中的電子受激躍遷到導(dǎo)帶中，而在價(jià)帶中留下空穴，如圖 1(b)所示。這一過程稱為光吸收。因光照射而在導(dǎo)帶和價(jià)帶中產(chǎn)生的電子和空穴稱為光生載流子。 9 產(chǎn)生在耗盡層的光生載流子在內(nèi)建場的作用下作漂移運(yùn)動(dòng)：空穴向 P 區(qū)方向運(yùn)動(dòng)；電子向 N 區(qū)方向運(yùn)動(dòng)，它們在 PN 結(jié)的邊緣被收集。另外，耗盡層外的光生少數(shù)載流子會(huì)發(fā)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)： P 區(qū)中的光生電子向 N 區(qū)擴(kuò)散； N 區(qū)中的光生空穴向 P 區(qū)擴(kuò)散。在擴(kuò)散的同時(shí)，一部分光生少數(shù)載流子將被多數(shù)載流子復(fù)合掉。由于這些區(qū)域的電場很小，甚至可以稱為無場區(qū)，光生少數(shù)載流子在這些區(qū)域擴(kuò)散速率較慢，只有小部分能擴(kuò)散到耗盡層，繼而在內(nèi)建場的作用下分別快速漂移到對(duì)方區(qū)域。這樣，在 P 區(qū)就出現(xiàn)了過?？昭ǖ姆e累， N 區(qū)出現(xiàn)了過剩電子的積累，于是在耗盡層的兩側(cè)就產(chǎn)生了一個(gè)極性如圖 1(c)所示的光生電動(dòng)勢。這一現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。產(chǎn)生于耗盡層的電子和空穴也要產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)?；谶@一效應(yīng)，如果將 PN 結(jié)的外電路構(gòu)成回路，則外電路中會(huì)出現(xiàn)信號(hào)電流。這種由光照射激發(fā)的電流稱為光電流。 照射到半導(dǎo)體材料 上的光，由于材料的吸收等原因使光隨著深入材料的深度的增加而逐漸減弱。半導(dǎo)體內(nèi)部距入射表面 d 處的光功率為 P(d)=P(0)exp(α d) 式中： P(0)為照射到材料表面的平均光功率；α為半導(dǎo)體材料的光吸收系數(shù)，α決定了入射光深入材料內(nèi)部的深度，如果α很大，則光子只能進(jìn)入半導(dǎo)體表面的薄層中。吸收入射光子并產(chǎn)生光生載流子的區(qū)域稱為光吸收區(qū)；耗盡層及其兩側(cè)寬度為載流子擴(kuò)散長度的區(qū)域稱為作用區(qū)。在吸收區(qū)產(chǎn)生的光生少數(shù)載流子只有一部分進(jìn)入作用區(qū)，這一部分光生載流子以較慢的速度擴(kuò)散至耗盡層，進(jìn)入耗盡層后在內(nèi)建電場作用 下作快速漂移運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)。由于在作用區(qū)內(nèi)，光生少數(shù)載流子的擴(kuò)散速度較慢，從而影響了產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)的速度，導(dǎo)致 PN 結(jié)對(duì)光信號(hào)響應(yīng)速度減慢。如果輸入的光信號(hào)為光脈沖；則輸出的光電脈沖會(huì)產(chǎn)生較長的拖尾。 由上述分析可見，光在耗盡層外被吸收使得光電轉(zhuǎn)換效率降低、光電響應(yīng)速度變慢。為此，必須設(shè)法加寬耗盡層，使照射光子盡可能被耗盡層吸收。給 PN 結(jié)加負(fù)偏壓有助于加寬耗盡層。負(fù)偏壓在勢壘區(qū)產(chǎn)生的電場與內(nèi)建場方向一致，使勢壘區(qū)電場增強(qiáng)，加強(qiáng)了漂移運(yùn)動(dòng)，而且 N 區(qū)的電子向正電極運(yùn)動(dòng)并被中和， P 區(qū)的空穴向負(fù)電極運(yùn)動(dòng) 并被中和，這樣耗盡層被加寬。 除了加負(fù)偏壓的方法外，還可以通過減小 P 區(qū)和 N 區(qū)的厚度來減小載流子的擴(kuò)散時(shí)間、減少在 P區(qū)和 N區(qū)被吸收的光能以及降低半導(dǎo)體的摻雜濃度來加寬耗盡層的方法來提高器件的響應(yīng)速度。這種結(jié)構(gòu)就是常用的 PIN 光電二極管。 2. PIN 光電二極管 圖 2： PIN 光電二極管的結(jié)構(gòu)和它在反向偏壓下的電場分布 圖 2 是 PIN 光電二極管的結(jié)構(gòu)和它在反向偏壓下的電場分布。在高摻雜 P 型和 N 型半導(dǎo)體之間生長一層本征半導(dǎo)體材料或低摻雜半導(dǎo)體材料，稱為 I 層。在半導(dǎo)體 PN 結(jié)中，摻雜濃度和耗盡層寬度有如下關(guān)系： 10 LP/LN=DN/DP 其中： DP和 DN 分別為 P 區(qū)和 N 區(qū)的摻雜濃度； LP和 LN分別為 P 區(qū)和 N 區(qū)的耗盡層的寬度。在 PIN 中，如對(duì)于 P 層和 I 層 (低摻雜 N 型半導(dǎo)體 )形成的 PN 結(jié)，由于 I 層近于本征半導(dǎo)體，有 DNDP LPLN 即在 I 層中形成很寬的耗盡層。由于 I 層有較高的電阻，因此電壓基本上降落在該區(qū)，使得耗盡層寬度 W 可以得到加寬，并且可以通過控制 I 層的厚度來改變。對(duì)于高摻雜的 N 型薄層，產(chǎn)生于其中的光生載流子將很快被復(fù)合掉，因此這一層僅是為了減少接觸電阻而加的附加層。 要使入射光功率有效地轉(zhuǎn)換成光電流，首先 必須使入射光能在耗盡層內(nèi)被吸收，這要求耗盡層寬度 W 足夠?qū)?。但是隨著 W 的增大，在耗盡層的載流子渡越時(shí)間σ cr也會(huì)增大，σ cr與 W 的關(guān)系為 σ cr=W/v 式中： v 為載流子的平均漂移速度。由于σ cr 增大， PIN 的響應(yīng)速度將會(huì)下降。因此耗盡層寬度 W 需在響應(yīng)速度和量子效率之間進(jìn)行優(yōu)化。 如采用類似于半導(dǎo)體激光器中的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，則 PIN 的性能可以大為改善。在這種設(shè)計(jì)中， P 區(qū)、 N 區(qū)和 I 區(qū)的帶隙能量的選擇，使得光吸收只發(fā)生在 I 區(qū)，完全消除了擴(kuò)散電流的影響。在光纖通信系統(tǒng)的應(yīng)用中，常采用 InGaAs 材料制成 I 區(qū)和 InP 材 料制成 P 區(qū)及 N區(qū)的 PIN 光電二極管，圖 3 為它的結(jié)構(gòu)。 InP 材料的帶隙為 ，大于 InGaAs 的帶隙，對(duì)于波長在 ～ 范圍的光是透明的，而 InGaAs的 I 區(qū)對(duì) ～ 的光表現(xiàn)為較強(qiáng)的吸收，幾微米的寬度就可以獲得較高響應(yīng)度。在器件的受光面一般要鍍增透膜以減弱光在端面上的反射。 InGaAs 的光探測器一般用于 和 的光纖通信系統(tǒng)中。 圖 3： InGaAs PIN 光電二極管的結(jié)構(gòu) PIN 光電二極管的主要特性包括波長響應(yīng)范圍、響應(yīng)度、量子效率、響應(yīng)速度、線性飽和、擊穿 電壓和暗電流等。 從光電二極管的工作原理可以知道，只有當(dāng)光子能量 hf 大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度 Eg才能產(chǎn)生光電效應(yīng)，即 hfEg 因此對(duì)于不同的半導(dǎo)體材料，均存在著相應(yīng)的下限頻率 fc或上限波長λ c，λ c亦稱為光電二極管的截止波長。只有入射光的波長小于λ c時(shí)，光電二極管才能產(chǎn)生光電效應(yīng)。 SiPIN的截止波長為 ，故可用于 的短波長光檢測； GePIN和 InGaAsPIN 的截止波長為 ，所以它們可用于 、 的長波長光檢測。 11 當(dāng)入射光波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于截止波長時(shí)，光電 轉(zhuǎn)換效率會(huì)大大下降。因此， PIN 光電二極管是對(duì)一定波長范圍內(nèi)的入射光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，這一波長范圍就是 PIN 光電二極管的波長響應(yīng)范圍。 響應(yīng)度和量子效率表征了二極管的光電轉(zhuǎn)換效率。響應(yīng)度 R 定義為 R=IP/Pin 其中： Pin 為入射到光電二極管上的光功率； IP 為在該入射功率下光電二極管產(chǎn)生的光電流。R 的單位為 A／ W。 量子效率η定義為 η =光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的有效電子 空穴對(duì)數(shù) /入射光子數(shù) =(IP/q)/(Pin/hf) = R(hf/q) 響應(yīng)速度是光電二極管的一個(gè)重要參數(shù)。響應(yīng)速度通常用響應(yīng)時(shí)間來 表示。響應(yīng)時(shí)間為光電二極管對(duì)矩形光脈沖的響應(yīng) —— 電脈沖的上升或下降時(shí)間。響應(yīng)速度主要受光生載流子的擴(kuò)散時(shí)間、光生載流子通過耗盡層的渡越時(shí)間及其結(jié)電容的影響。 光電二極管的線性飽和指的是它有一