【文章內容簡介】 定的功率檢測范圍，當入射功率太強時，光電流和光功率將不成正比，從而產生非線性失真。 PIN 光電二極管有非常寬的線性工作區(qū)，當入射光功率低于 mW 量級時，器件不會發(fā)生飽和。 無光照時， PIN 作為一種 PN 結器件，在反向偏壓下也有反向電流流過，這一電流稱為PIN 光電二極管的暗電流。它主要由 PN 結內熱效應產生的電子一空穴對形成。 當偏置電壓增大時，暗電流增大。當反偏壓增大到一定值時，暗電流激增，發(fā)生了反向擊穿 (即為非破壞性的雪崩擊穿，如果此時不能盡快散熱，就會變?yōu)槠茐男缘凝R納擊穿 )。發(fā)生反向擊穿的電壓值稱為反向擊穿電壓。 SiPIN 的典型擊穿電壓值為 100 多伏。 PIN 工作時的反向偏置都遠離擊穿電壓，一般為 10～ 30V。 3. 雪崩光電二極管 雪崩光電二極管 APD— Avalanche Photodiode 是具有內部增益的光檢測器，它可以用來檢測微弱光信號并獲得較大的輸出光電流。 雪崩光電二極管能夠獲得內部增益是基于碰撞電離效應。 當 PN 結上加高的反偏壓時，耗盡層的電場很強，光生載流子經過時就會被電場加速，當電場強度足夠高 (約 3x105V／ cm)時，光生載流子獲得很大的動能，它們在高速運動中與半導體晶格碰撞，使晶體中的原子電離，從而激發(fā)出新的電子一空穴對，這種現(xiàn)象稱為碰撞電離。碰撞電離產生的電子一空穴對在強電場作用下同樣又被加速，重復前一過程，這樣多次碰撞電離的結果使載流子迅速增加，電流也迅速增大，這個物理過程稱為雪崩倍增效應。 圖 4 為 APD 的一種結構。外側與電極接觸的 P 區(qū)和 N 區(qū)都進行了重摻雜，分別以 P+和N+表示；在 I 區(qū)和 N+區(qū)中間 是寬度較窄的另一層 P 區(qū)。 APD 工作在大的反偏壓下，當反偏壓加大到某一值后，耗盡層從 N+P 結區(qū)一直擴展 (或稱拉通 )到 P+區(qū)，包括了中間的 P 層區(qū)和 I區(qū)。圖 4 的結構為拉通型 APD 的結構。從圖中可以看到，電場在 I 區(qū)分布較弱，而在 N+P區(qū)分布較強，碰撞電離區(qū)即雪崩區(qū)就在 N+P 區(qū)。盡管 I 區(qū)的電場比 N+P 區(qū)低得多，但也足 12 夠高 (可達 2x104V／ cm)，可以保證載流子達到飽和漂移速度。當入射光照射時，由于雪崩區(qū)較窄，不能充分吸收光子，相當多的光子進入了 I 區(qū)。 I 區(qū)很寬，可以充分吸收光子，提高光電轉換效率。我們把 I 區(qū)吸 收光子產生的電子 空穴對稱為初級電子 空穴對。在電場的作用下，初級光生電子從 I 區(qū)向雪崩區(qū)漂移，并在雪崩區(qū)產生雪崩倍增；而所有的初級空穴則直接被 P+層吸收。在雪崩區(qū)通過碰撞電離產生的電子 空穴對稱為二次電子 空穴對?？梢?，I 區(qū)仍然作為吸收光信號的區(qū)域并產生初級光生電子 空穴對，此外它還具有分離初級電子和空穴的作用，初級電子在 N+P 區(qū)通過碰撞電離形成更多的電子 空穴對，從而實現(xiàn)對初級光電流的放大作用。 圖 4: APD 的結構及電場分布 碰撞電離產生的雪崩倍增過程本質上是統(tǒng)計性的，即為一個復雜的隨機過程。每 一個初級光生電子 空穴對在什么位置產生，在什么位置發(fā)生碰撞電離，總共碰撞出多少二次電子一空穴對，這些都是隨機的。因此與 PIN 光電二極管相比， APD 的特性較為復雜。 與 PIN 光電二極管相比， APD 的主要特性也包括：波長響應范圍、響應度、量子效率、響應速度等，除此之外，由于 APD 管中雪崩倍增的存在， APD 的特性還包括了雪崩倍增特性、噪聲特性、溫度特性等等。 APD 的雪崩倍增因子 M 定義為 M=IP/IP0 式中： IP 是 APD 的輸出平均電流； IP0 是平均初級光生電流。從定義可見，倍增因子是APD 的電流增益系數(shù) 。由于雪崩倍增過程是一個隨機過程，因而倍增因子是在一個平均之上隨機起伏的量，雪崩倍增因子 M 的定義應理解為統(tǒng)計平均倍增因子。 M 隨反偏壓的增大而增大，隨 W 的增加按指數(shù)增長。 APD 的噪聲包括量子噪聲、暗電流噪聲、漏電流噪聲、熱噪聲和附加的倍增噪聲。倍增噪聲是 APD 中的主要噪聲。 倍增噪聲的產生主要與兩個過程有關，即光子被吸收產生初級電子 空穴對的隨機性和在增益區(qū)產生二次電子 空穴對的隨機性。這兩個過程都是不能準確測定的，因此 APD 倍增因子只能是一個統(tǒng)計平均的概念，表示為 M，它是一個復雜的隨機函數(shù)。 13 由于 APD 具有電流增益，所以 APD 的響度比 PIN 的響應度大大提高，有 R0=M(IP/P)=M(η q／ hf) 量子效率只與初級光生載流子數(shù)目有關，不涉及倍增問題，故量子效率值總是小于 1。 APD 的線性工作范圍沒有 PIN 寬，它適宜于檢測微弱光信號。當光功率達到幾 uw 以上時，輸出電流和入射光功率之間的線性關系變壞，能夠達到的最大倍增增益也降低了，即產生了飽和現(xiàn)象。 、 APD 的這種非線性轉換的原因與 PIN 類似，主要是器件上的偏壓不能保持恒定。由于偏壓降低，使得雪崩區(qū)變窄，倍增因子隨之下降，這種影響 比 PIN 的情況更明顯。它使得數(shù)字信號脈沖幅度產生壓縮，或使模擬信號產生波形畸變，因而應設法避免。 在低偏壓下 APD 沒有倍增效應。當偏壓升高時，產生倍增效應，輸出信號電流增大。當反偏壓接近某一電壓 VB時，電流倍增最大，此時稱 APD 被擊穿，電壓 VB稱作擊穿電壓。如果反偏壓進一步提高，則雪崩擊穿電流使器件對光生載流子變的越來越不敏感。因此 APD的偏置電壓接近擊穿電壓，一般在數(shù)十伏到數(shù)百伏。須注意的是擊穿電壓并非是 APD 的破壞電壓，撤去該電壓后 APD 仍能正常工作。 APD 的暗電流有初級暗電流和倍增后的暗電流之分 ，它隨倍增因子的增加而增加；此外還有漏電流，漏電流沒有經過倍增。 APD 的響應速度主要取決于載流子完成倍增過程所需要的時間，載流子越過耗盡層所需的渡越時間以及二極管結電容和負載電阻的 RC 時間常數(shù)等因素。而渡越時間的影響相對比較大，其余因素可通過改進結構設計使影響減至很小。 三、實驗內容及步驟： 1. PIN 光電二極管反向擊穿電壓測量 a. 連接 InGaAs PIN 光電二極管 、高壓電源 HVS 和 主機 PD 輸入， 屏蔽 掉 PIN 管 光輸入。 b. OPMMOD 置 PD/AM 檔， OPMRTO 置 100nW 檔。 c. 由 0V 開始慢慢增加 HVS 輸出 電壓， 每隔 2V 測一個點， 至 56V 結束， 作 Ir～ Vr 曲線，求 PIN 光電二極管反向擊穿電壓。 偏壓不可以大于 56V，否則 PIN 管及易燒毀。 2. PIN 光電二極管響應度測量 a. 將 1550nm 半導體激光器控制電纜連接至 LD1 控制器 b. 清潔光纖連接器接頭 ,連接 1550nm 半導體激光器和光功率計 OPM c. 調節(jié) LD1 控制器，設置激光器為恒流輸出功率模式 ACC，激光器輸出功率調至。 d. 將 1550nm 半導體激光器輸出改接至被測 PIN 光電二極管，記錄 PIN 檢測器輸出電流 IP e. 計算 PIN 光電二極管響應度 四 、注意事項 ： 1. 系統(tǒng)上電 后禁止將光纖連接器對準人眼，以免灼傷。 14 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大于 30mm。 15 實驗三 光纖 無源器件 參數(shù)測量 一、實驗目的： 1. 了解光纖無源器件的工作原理及相關特性； 2. 掌握光纖無 源器件特性參數(shù)的測量方法； 二、實驗原理： 光無源器件有很多種類，主要有光纖連接器、光纖耦合器、光濾波器、光隔離器、波分復用解復用器、光開關、光衰減器、光環(huán)形器、偏振選擇與控制器等。 1． 光纖連接器： 光纖 (光纜 )連接器是使一根光纖與另一根光纖相連接的器件，實現(xiàn)光信號的平滑無損或低損連接。光纖連接器會引入一定的功率損耗，稱為插入損耗，它是衡量光纖連接器質量的主要技術指標之一。 2． 光纖耦合器： 光纖耦合器是實現(xiàn)光信號分路／合路的功能器件，一般是對同一波長的光功率進行分路或合路。光纖耦合器的耦合機理基于光纖的消逝場耦合的模式理論。多模與單模光纖均可做成耦合器，通常有兩種結構型式，一種是拼接式，另一種是熔融拉錐式。拼接式結構是將光纖埋人玻璃塊中的弧形槽中，在光纖側面進行研磨拋光，然后 將經研磨的兩根光纖拼接在一起，靠透過纖芯一包層界面的消逝場產生耦合。熔融拉錐式結構是將兩根或多根光纖扭絞在一起，用微火炬對耦合部分加熱，在熔融過程中拉伸光纖，形成雙錐形耦合區(qū)。 光耦合器是一種光無源器件，該領域內的一般技術術語對它也適用，同時，它還另有一些體現(xiàn)自身特點的參數(shù)。 1)．插入損耗 (Insertion Loss) 就光耦合器而言，插入損耗定義為指定輸出端口的光功率相對全部輸入光功率的減少值。該值通常以分貝 (dB)表示，數(shù)學表達式為 : ILi=1Olg(POi/Pi) 其中， ILi是第 i 個輸出端 口的插入損耗； POi 是第 i 個輸出端口測到的光功率值； Pi 是輸入端的光功率值。 2)．附加損耗 (Excess Loss) 附加損耗定義為所有輸出端口的光功率總和相對于全部輸入光功率的減小值。該值以分貝 (dB)表示的數(shù)學表達式為 : EL=1Olg(Σ PO/Pi) 對于光纖耦合器，附加損耗是體現(xiàn)器件制造工藝質量的指標，反映的是器件制作過程帶來的固有損耗；而插入損耗則表示的是各個輸出端口的輸出功率狀況，不僅有固有損耗的因素，更考慮了分光比的影響。因此不同種類的光纖耦合器之間，插入損耗的差異，并不能反映器件制作 質量的優(yōu)劣，這是與其他無源器件不同的地方。 3)．分光比 (Coupling Ratio) 分光比是光耦合器所特有的技術術語，它定義為耦合器各輸出端口的輸出功率的比值，在具體應用中常常用相對輸出總功率的百分比來表示 : CR=POi/Σ POi x 100％ 例如對于標準 X 形耦合器， 1:1 或 50： 50 代表了同樣的分光比，即輸出為均分的器件。實 16 際工程應用中，往往需要各種不同分光比的器件，這可以通過控制制作過程的停機點來得到。 4)．方向性 (Directivity) 方向性也是光耦合器所特有的一個技術術語，它是衡量 器件定向傳輸特性的參數(shù)。以標準 X 形耦合器為例，方向性定義為在耦合器正常工作時，輸入一側非注入光的一端的輸出光功率與全部注入光功率的比較值，以分貝 (dB)為單位的數(shù)學表達式為 : DL=1Olg(Pi2/Pi1) 其中， Pi1代表注入光功率， Pi2代表輸入一側非注入光的一端的輸出光功率。 5)．均勻性 (Uniformity) 對于要求均勻分光的光耦合器 (主要是樹形和星形器件 )，實際制作時，因為工藝的局限，往往不可能做到絕對的均分。均勻性就是用來衡量均分器件的“不均勻程度”的參數(shù)。它定義為在器件的工作帶寬范圍內 ，各輸出端口輸出光功率的最大變化量。其數(shù)學表達式為 : FL=1Olg(Min(PO)/ Max(PO)) 6)．偏振相關損耗 (Polarization Dependent Loss) 偏振相關損耗是衡量器件性能對于傳輸光信號的偏振態(tài)的敏感程度的參量，俗稱偏振靈敏度。它是指當傳輸光信號的偏振態(tài)發(fā)生 360176。變化時，器件各輸出端口輸出光功率的最大變化量 : PDLi=1Olg(Min(POi)/ Max(POi)) 在實際應用中，光信號偏振態(tài)的變化是經常發(fā)生的，因此，往往要求器件有足夠小的偏振相關損耗，否則將直 接影響器件的使用效果。 7)．隔離度 (Isolation) 隔離度是指光纖耦合器件的某一光路對其他光路中的光信號的隔離能力。隔離度高，也就意味著線路之間的“串話 (crosstalk)小。對于光纖耦合器來說，隔離度更有意義的是用于反映 WDM 器件對不同波長信號的分離能力。其數(shù)學表達式是 : I=1Olg(Pt/Pi) 式中： Pt是某一光路輸出端測到的其他光路信號的功率值； Pi是被檢測光信號的輸入功率值。 從上述定義可知，隔離度對于分波耦合器的意義更為重大，要求也就相應地要高些，實際工程中往往需要隔離度達到 40dB 以上的器件；而一般來說，合波耦合器對隔離度的要求并不苛刻， 20dB 左右將不會給實際應用帶來明顯不利的影響。 3． 波分復用／解復用器與光濾波器： 波分復用／解復用器是一種特殊的耦合器，是構成波分復用多信道光波系統(tǒng)的關鍵器件，其功能是將若干路不同波長的信號復合后送入同一根光纖中傳送，或將在同一根光纖中傳送的多波長光信號分解后分送給不同的接收機，對利用光纖頻帶資源，擴展通信系統(tǒng)容量具有重要意義。 WDM 器件有多種類型，如熔錐型、光柵型、干涉濾波器型和集成光波導型。 4． 光隔離器： 在光纖與半導體激光器 的耦合系統(tǒng)中，某些不連續(xù)處的反射將影響激光器工作的穩(wěn)定性。這在高碼速光纖通信系統(tǒng)，相干光纖通信系統(tǒng)，頻分復用光纖通信系統(tǒng)，光纖 CATV 傳輸系統(tǒng)以及精密光學測量系統(tǒng)中將帶來有害的影響。為了消除這些影響，需要在激光器與光纖之間加光隔離器。光隔離器是一種只允許光線沿光路正向傳輸?shù)姆腔ヒ仔栽?，其工作原理主要是利用磁光晶體的法拉第效應，它由兩個