【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 和激光器相比 ， 發(fā)光二極管輸出光功率較小 ， 譜線寬度較寬 ， 調(diào)制頻率較低 。 但發(fā)光二極管性能穩(wěn)定 ， 壽命長(zhǎng) ， 輸出光功率線性范圍寬 ， 而且制造工藝簡(jiǎn)單 ， 價(jià)格低廉 。 因此 ， 這種器件在小容量短距離系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用 。 發(fā)光二極管具有如下工作特性： (1) 光譜特性 。 發(fā)光二極管發(fā)射的是自發(fā)輻射光 ， 沒(méi)有諧振腔對(duì)波長(zhǎng)的選擇 ， 譜線較寬 ， 如圖 。 一般短波長(zhǎng) GaAlAs GaAs LED譜線寬度為 30~50 nm， 長(zhǎng)波 InGaAsP InP LED譜線寬度為60~120 nm。 隨著溫度升高或驅(qū)動(dòng)電流增大 ， 譜線加寬 ， 且峰值波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng) ， 短波長(zhǎng)和長(zhǎng)波長(zhǎng) LED的移動(dòng)分別~ nm/℃ 和 ~ nm/℃ 。 圖 LED光譜特性 1300 波長(zhǎng) / n m△ ? ＝ 7 0 n m相對(duì)光強(qiáng) (2) 光束的空間分布 。 在垂直于發(fā)光平面上 ， 正面發(fā)光型 LED輻射圖呈朗伯分布 ， 即 P(θ)=P0 cosθ， 半功率點(diǎn)輻射角 θ≈120176。 。 側(cè)面發(fā)光型LED， θ‖≈120176。 ， θ⊥ ≈25176。 ~35176。 。 由于 θ大 ， LED耦合效率一般小于 10 % 。 (3) 輸出光功率特性 。 發(fā)光二極管實(shí)際輸出的光子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于有源區(qū)產(chǎn)生的光子數(shù) ， 一般外微分量子效率 ηd小于 10%。 兩種類(lèi)型發(fā)光二極管的輸出光功率特性示于圖 。 驅(qū)動(dòng)電流 I較小時(shí) ， P I曲線的線性較好； I過(guò)大時(shí) ， 由于 PN結(jié)發(fā)熱產(chǎn)生飽和現(xiàn)象 ， 使 P I 曲線的斜率減小 。 在通常工作條件下 ， LED工作電流為 50~100mA ， 輸出光功率為幾 mW， 由于光束輻射角大 ， 入纖光功率只有幾百 μW。 圖 發(fā)光二極管 (LED)的 P I特性 0 100 200 300 400 500051015正面發(fā)光側(cè)面發(fā)光電流 I / m A發(fā)射功率P / mW (3) 輸出光功率特性 。 發(fā)光二極管實(shí)際輸出的光子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于有源區(qū)產(chǎn)生的光子數(shù) ， 一般外微分量子效率 ηd小于 10%。 兩種類(lèi)型發(fā)光二極管的輸出光功率特性示于圖 。 驅(qū)動(dòng)電流 I較小時(shí) ， P I曲線的線性較好； I過(guò)大時(shí) ， 由于 PN結(jié)發(fā)熱產(chǎn)生飽和現(xiàn)象 ， 使 P I 曲線的斜率減小 。 在通常工作條件下 ， LED工作電流為50~100 mA， 輸出光功率為幾 mW， 由于光束輻射角大 ， 入纖光功率只有幾百 μW。 (4) 頻率特性 。 發(fā)光二極管的頻率響應(yīng)可以表示為 |H(f)|= 2)2(11)0()(efPfp???? 式中 ， f為調(diào)制頻率 ， P(f)為對(duì)應(yīng)于調(diào)制頻率 f的輸出光功率 ， τe為少數(shù)載流子 (電子 )的壽命 。 定義 fc為發(fā)光二極管的截止頻率 ， 當(dāng) f=fc=1/(2πτe)時(shí) ， |H(fc)|= ， 最高調(diào)制頻率應(yīng)低于截止頻率 。 圖 ， 圖中顯示出少數(shù)載流子的壽命 τe和截止頻率 fc的關(guān)系 。 對(duì)有源區(qū)為低摻雜濃度的LED， 適當(dāng)增加工作電流可以縮短載流子壽命 ， 提高截止頻率 。 在一般工作條件下 ， 正面發(fā)光型 LED截止頻率為 20~30 MHz， 側(cè)面發(fā)光型 LED截止頻率為 100~150 MHz。 21 圖 發(fā)光二極管 (LED)的頻率響應(yīng) ?e＝ 1 . 1 n s?e＝ 2 . 1 n s?e ＝ 6 . 4 n s100 1000100 . 110調(diào)制頻率 f / M H z頻率響應(yīng) H( f ) 〖 ST〗 表 (LD)和發(fā)光二極管 (LED)的一般性能 。 LED通常和多模光纖耦合 ， 用于 μm(或 μm)波長(zhǎng)的小容量短距離系統(tǒng) 。 因?yàn)?LED發(fā)光面積和光束輻射角較大 ， 而多模 SIF光纖或 G651規(guī)范的多模 GIF光纖具有較大的芯徑和數(shù)值孔徑 ， 有利于提高耦合效率 ， 增加入纖功率 。 LD通常和 ， 用于 μm或 μm大容量長(zhǎng)距離系統(tǒng) ， 這種系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外都得到最廣泛的應(yīng)用 。 分布反饋激光器 (DFB LD)主要和 或特殊設(shè)計(jì)的單模光纖耦合 ， 用于超大容量的新型光纖系統(tǒng) ， 這是目前光纖通信發(fā)展的主要趨勢(shì) 。 表 (DFB LD)一般性能 在實(shí)際應(yīng)用中 ， 通常把光源做成組件 ， 圖 LD組件構(gòu)成的實(shí)例 。 偏置電流和信號(hào)電流經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路作用于 LD， LD正向發(fā)射的光經(jīng)隔離器和透鏡耦合進(jìn)入光纖 ， 反向發(fā)射的光經(jīng) PIN光電二極管轉(zhuǎn)換進(jìn)入光功率監(jiān)控器 ， 同時(shí)利用熱敏電阻和冷卻元件進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)和自動(dòng)溫度控制 (ATC)。 檢測(cè)器 光電二極管 (PD)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的功能 ， 是由半導(dǎo)體 PN結(jié)的光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的 。 如 ， 在 PN結(jié)界面上 ， 由于電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) ， 形成內(nèi)部電場(chǎng) 。 內(nèi)部電場(chǎng)使電子和空穴產(chǎn)生與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向相反的漂移運(yùn)動(dòng) ， 最終使能帶發(fā)生傾斜 ， 在 PN結(jié)界面附近形成耗盡層如圖 (a)。 當(dāng)入射光作用在 PN結(jié)時(shí) ， 如果光子的能量大于或等于帶隙 (hf≥Eg)， 便發(fā)生受激吸收 ， 即價(jià)帶的電子吸收光子的能量躍遷到導(dǎo)帶形成光生電子 空穴對(duì) 。 在耗盡層 ， 由于內(nèi)部電場(chǎng)的作用 ， 電子向 N區(qū)運(yùn)動(dòng) ， 空穴向 P區(qū)運(yùn)動(dòng) ， 形成漂移電流 。 在耗盡層兩側(cè)是沒(méi)有電場(chǎng)的中性區(qū) ， 由于熱運(yùn)動(dòng) ， 部分光生電子和空穴通過(guò)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)可能進(jìn)入耗盡層 ， 然后在電場(chǎng)作用下 ， 形成和漂移電流相同方向的擴(kuò)散電流 。 漂移電流分量和擴(kuò)散電流分量的總和即為光生電流 。 當(dāng)與 P層和 N層連接的電路開(kāi)路時(shí) ， 便在兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì) ， 這種效應(yīng)稱(chēng)為 光電效應(yīng) 。 當(dāng)連接的電路閉合時(shí) ， N區(qū)過(guò)剩的電子通過(guò)外部電路流向 P區(qū) 。 同樣 ， P區(qū)的空穴流向 N區(qū) ， 便形成了光生電流 。 當(dāng)入射光變化時(shí) ， 光生電流隨之作線性變化 ， 從而把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào) 。 這種由 PN結(jié)構(gòu)成 ， 在入射光作用下 ， 由于受激吸收過(guò)程產(chǎn)生的電子 空穴對(duì)的運(yùn)動(dòng) ， 在閉合電路中形成光生電流的器件 ， 就是簡(jiǎn)單的光電二極管 (PD)。 如圖 (b)所示 ， 光電二極管通常要施加適當(dāng)?shù)姆聪蚱珘?， 目的是增加耗盡層的寬度 ， 縮小耗盡層兩側(cè)中性區(qū)的寬度 ， 從而減小光生電流中的擴(kuò)散分量 。 由于載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)比漂移運(yùn)動(dòng)慢得多 ， 所以減小擴(kuò)散分量的比例便可顯著提高響應(yīng)速度 。 但是提高反向偏壓 ， 加寬耗盡層 ， 又會(huì)增加載流子漂移的渡越時(shí)間 ， 使響應(yīng)速度減慢 。 為了解決這一矛盾 ， 就需要改進(jìn) PN結(jié)光電二極管的結(jié)構(gòu) 。 由于 PN結(jié)耗盡層只有幾微米 ， 大部分入射光被中性區(qū)吸收 ， 因而光電轉(zhuǎn)換效率低 ， 響應(yīng)速度慢 。 為改善器件的特性 ， 在PN結(jié)中間設(shè)置一層摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體 (稱(chēng)為 I)， 這種結(jié)構(gòu)便是常用的 PIN光電二極管 。 PIN光電二極管的工作原理和結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 。 中間的 I層是 N型摻雜濃度很低的本征半導(dǎo)體 ， 用 Π(N)表示；兩側(cè)是摻雜濃度很高的 P型和 N型半導(dǎo)體 ， 用 P+和 N+表示 。 I層很厚 ， 吸收系數(shù)很小 ， 入射光很容易進(jìn)入材料內(nèi)部被充分吸收而產(chǎn)生大量電子 空穴對(duì) ， 因而大幅度提高了光電轉(zhuǎn)換效率 。 兩側(cè) P+層和 N+層很薄 ， 吸收入射光的比例很小 ， I層幾乎占據(jù)整個(gè)耗盡層 ， 因而光生電流中漂移分量占支配地位 ， 從而大大提高了響應(yīng)速度 。 另外 ， 可通過(guò)控制耗盡層的寬度 w， 來(lái)改變器件的響應(yīng)速度 。 圖 3. 21 PIN光電二極管結(jié)構(gòu) 抗反射膜光電極? ( n )P＋N＋E電極 PIN光電二極管具有如下主要特性： (1) 量子效率和光譜特性 。 光電轉(zhuǎn)換效率用量子效率 η或響應(yīng)度 ρ表示 。 量子效率 η的定義為一次光生電子 空穴對(duì)和入射光子數(shù)的比值 響應(yīng)度的定義為一次光生電流 IP和入射光功率 P0的比值 式中 ， hf為光子能量 ， e為電子電荷 。 量子效率和響應(yīng)度取決于材料的特性和器件的結(jié)構(gòu) 。 假設(shè)器件表面反射率為零 ， P層和 N層對(duì)量子效率的貢獻(xiàn)可以忽略 ， 在工作電壓下 ，I層全部耗盡 ， 那么 PIN光電二極管的量子效率可以近似表示為 ehfPIhfPeI pp00??? hfePI p ?? ??0 圖 ρ、 量子效率 與波長(zhǎng) λ的關(guān)系式中 ， α(λ)和 w分別為 I層的吸收系數(shù)和厚度 。 由式 ()可以看到 ， 當(dāng) α(λ)w1時(shí) ， η→ 1， 所以為提高量子效率 η， I層的厚度 w要足夠大 。 量子效率的光譜特性取決于半導(dǎo)體材料的吸收光譜 α(λ)， 對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)的限制由式 ()確定 ， 即λc=hc/Eg。 圖 η和響應(yīng)度 ρ的光譜特性 ， 由圖可見(jiàn) ， Si適用于 ~ ， Ge和 InGaAs適用于~ μm波段 。 響應(yīng)度一般為 ~ (A/W)。 圖 322 PIN光電二極管相硬度、 量子效應(yīng)率 與波長(zhǎng) 的關(guān)系 ??? 10 ％30 ％50 ％70 ％? ＝ 90 ％GeI n G a A s0 . 7 0 . 9 1 . 1 1 . 3 1 . 5 1 . 700 . 20 . 40 . 60 . 81 . 0? ???? m??? (?W－1)Si (2) 響應(yīng)時(shí)間和頻率特性 。 光電二極管對(duì)高速調(diào)制光信號(hào)的響應(yīng)能力用脈沖響應(yīng)時(shí)間τ或截止頻率 fc(帶寬 B)表示 。 對(duì)于數(shù)字脈沖調(diào)制信號(hào) ， 把光生電流脈沖前沿由最大幅度的 10%上升到 90%， 或后沿由 90%下降到 10%的時(shí)間 ， 分別定義為脈沖上升時(shí)間 τr和脈沖下降時(shí)間τf。 當(dāng)光電二極管具有單一時(shí)間常數(shù) τ0時(shí) ， 其脈沖前沿和脈沖后沿相同 ， 且接近指數(shù)函數(shù) exp(t/τ0)和 exp(t/τ0)， 由此得到脈沖響應(yīng)時(shí)間 τ=τr=τf= () 對(duì)于幅度一定 ， 頻率為 ω=2πf的正弦調(diào)制信號(hào) ， 用光生電流 I(ω)下降 3dB的頻率定義為截止頻率 fc。 當(dāng)光電二極管具有單一時(shí)間常數(shù) τ0時(shí) ， fc= () PIN光電二極管響應(yīng)時(shí)間或頻率特性主要由光生載流子在耗盡層的渡越時(shí)間 τd和包括光電二極管在內(nèi)的檢測(cè)電路 RC常數(shù)所確定 。 當(dāng)調(diào)制頻率 ω與渡越時(shí)間 τd的倒數(shù)可以相比時(shí) ， 耗盡層 (I層 )對(duì)量子效率 η(ω)的貢獻(xiàn)可以表示為 η(ω)= () 由 η(ω)/η(0)= 得到由渡越時(shí)間 τd限制的截止頻率 r???210?2/)2/sin()0(ddww??? ?21fc= wv 0?? 式中 ， 渡越時(shí)間 τd=w/vs， w為耗盡層寬度 ， vs為載流子渡越速度 ， 比例于電場(chǎng)強(qiáng)度 。 由式 ()和式 ()可以看出 ， 減小耗盡層寬度 w， 可以減小渡越時(shí)間 τd， 從而提高截止頻率fc， 但是同時(shí)要降低量子效率 η。 圖 SiPIN光電二極管的量子效率 η與由渡越時(shí)間限制的截止頻率 fc(帶寬 )和耗盡層寬度 w的關(guān)系 。 由電