【正文】 光生載流子的擴(kuò)散時(shí)間、光生載流子通過(guò)耗盡區(qū)的渡越時(shí)間及其結(jié)電容 的影響。 光器件基礎(chǔ)知識(shí) ? 結(jié)電容對(duì)響應(yīng)時(shí)間的影響 ： 光電二極管可視作一個(gè)電流源，它的等效電路如 右 圖所示。其中 Cd為光電二極管的結(jié)電容，它可以看作為一個(gè)平板電容，與耗盡區(qū)寬度 W和結(jié)區(qū)面積A有關(guān)，有： IsCdRpRsR L式中： ε 為耗盡區(qū)中半導(dǎo)體材料的介電常數(shù)； Rs為光電二極管的串聯(lián)電阻，一般很小可忽略； Rp為光電二極管的跨接電阻，其阻值很大，它的影響也可忽略； RL為負(fù)載電阻。 因此，結(jié)電容對(duì)光電二極管響應(yīng)速度的影響主要由電容 Cd和負(fù)載電阻 RL決定。 78 光器件基礎(chǔ)知識(shí) ? 載流子渡越時(shí)間對(duì)響應(yīng)時(shí)間的影響： 由于渡越時(shí)間 τ tr的存在，對(duì)信號(hào)的高頻成分產(chǎn)生了兩方面的不良影響：一是有較大的 相位滯后 ；二是 信號(hào)幅度受到較大削弱 ?？梢?， τ tr引起了高頻失真，限制了器件的帶寬。 減小 τ tr的方法是 減小耗盡區(qū)的寬度和加大反偏壓 ，加大反偏壓是為了提高載流子的平均漂移速度。但是這兩種方法并不能無(wú)限制地增大漂移速度，因?yàn)樵诎雽?dǎo)體晶格中，載流子有一定的飽和速度。 ? 載流子擴(kuò)散時(shí)間對(duì)響應(yīng)時(shí)間的影響： 在耗盡區(qū)外產(chǎn)生的光生載流子只有離耗盡區(qū)為平均擴(kuò)散長(zhǎng)度以內(nèi)的那部分才能擴(kuò)散進(jìn)耗盡區(qū)，并最后形成光電流。這部分載流子擴(kuò)散時(shí)間比較長(zhǎng)，與擴(kuò)散長(zhǎng)度的平方成正比。因此對(duì) PIN光電二極管來(lái)說(shuō)，擴(kuò)散時(shí)間可通過(guò)減薄受光面到耗盡區(qū)之間的厚度及適當(dāng)選取耗盡區(qū)厚度而減至最小，所以對(duì)實(shí)際器件，擴(kuò)散時(shí)間對(duì)響應(yīng)速度影響很小。 79 光器件基礎(chǔ)知識(shí) 響應(yīng)速度的測(cè)試原理如下： 光電二極管在給定的反向偏壓下，接收一個(gè)給定波長(zhǎng)的矩形光脈沖信號(hào)，光電二極管響應(yīng)輸出一個(gè)電脈沖信號(hào)。其電脈沖信號(hào)的前沿幅度從 10％上升到 90％所需的時(shí)間為上升時(shí)間 tr， 電脈沖信號(hào)的后沿幅度從 90％下降至 10％所需的時(shí)間為下降時(shí)間tf。 右圖示出了理想的入射光脈沖信號(hào)和光電二極管響應(yīng)輸出的電脈沖信號(hào)曲線。 相對(duì)光強(qiáng)時(shí)間（ 理想的入射光脈沖信號(hào)（ 光電二極管響應(yīng)輸出電脈沖信號(hào)時(shí)間相對(duì)光強(qiáng)10 %90 %80 4） 線性飽和： 光電二極管的線性飽和指的是它有一定的功率檢測(cè)范圍，當(dāng)入射光功率太強(qiáng)時(shí)，光電流和光功率將不成正比，從而產(chǎn)生非線性失真。 如下圖所示，隨著入射光功率 Pin增加，光電流 Ip增大，負(fù)載 RL上的壓降增大，使得光電二極管上的實(shí)際壓降減小，內(nèi)建電場(chǎng)變?nèi)酢＿@樣，使光生載流子的漂移速度減慢，使單位光功率產(chǎn)生的光電流變小，則 Ip和 Pin不成正比，Ip/Pin減小，即響應(yīng)度減小。 光器件基礎(chǔ)知識(shí) P inI P當(dāng)入射光功率達(dá)到一定值時(shí)，光電二極管上的壓降降為 0，偏壓 UB全部降在 RL上，此時(shí)光電流達(dá)到最大值： 則相應(yīng)的光功率為： 則此功率為飽和光功率。 81 光器件基礎(chǔ)知識(shí) 5）擊穿電壓及暗電流： 下圖為反向偏置的光電二極管的伏安特性曲線。無(wú)光照時(shí)， PIN作為一種 PN結(jié)器件，在反向偏壓下也有反向電流流過(guò)，這一電流稱為 PIN光電二極管的暗電流 。它主要 由PN結(jié)內(nèi)熱效應(yīng)產(chǎn)生的電子－空穴對(duì)形成。當(dāng)偏置電壓增大時(shí)，暗電流增大。當(dāng)反偏壓增大到一定值時(shí)，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(shí)不能盡快散熱，就會(huì)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 ，以 VB表示。 Si－ PIN的典型擊穿電壓值為 100多伏。 PIN工作時(shí)的反向偏置都遠(yuǎn)離擊穿電壓，一般為 10～ 30V。 VI有光照無(wú)光照V B082 光器件基礎(chǔ)知識(shí) 擊穿電壓及暗電流的測(cè)試方法為： 給無(wú)光照時(shí)的被測(cè) PIN管芯加反向偏壓；調(diào)整反向偏壓至電流表讀數(shù)達(dá)到測(cè)試規(guī)定的電流值；電壓表讀數(shù)即為反向擊穿電壓（ VBR）； 降低反向偏壓至規(guī)定值時(shí)讀電流表讀數(shù)即為暗電流（ Id） 值。 （在 PIN光電二極管中，除了暗電流外，還有表面漏電流。表面漏電流是由于器件表面物理特性不完善，如表面缺陷、不清潔以及表面積大小和加有偏置電壓而引起的。與暗電流一樣，漏電流也是在有偏壓的條件下產(chǎn)生的。它需要通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，良好的結(jié)構(gòu)和嚴(yán)格的工藝來(lái)降低。） 暗電流的大小與光電二極管的結(jié)面積成正比，暗電流還隨器件溫度的增加而增加，從室溫到 70℃ ，暗電流增大了一個(gè)數(shù)量級(jí)。 83 光器件基礎(chǔ)知識(shí) 6） 噪聲特性： 光電二極管的噪聲包括量子噪聲、暗電流噪聲、漏電流噪聲以及負(fù)載電阻的熱噪聲，除負(fù)載電阻的熱噪聲以外，其它都稱為散彈噪聲。散彈噪聲是由于帶電粒子產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性而引起的，如電流是由帶電粒子（如電子）的運(yùn)動(dòng)形成的。如果帶電粒子的產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)是隨機(jī)的，則電流就會(huì)有波動(dòng)，這就給信號(hào)帶來(lái)了散彈噪聲。散彈噪聲是一種具有均勻頻譜的白噪聲。光接收組件的噪聲將影響信噪比（ S/N）和通信質(zhì)量。光接收組件的噪聲主要來(lái)自兩個(gè)方面：光電探測(cè)器的噪聲和前置放大器的噪聲。 以 PIN/FET光接收組件為例，其載噪比有如下表示： 式中： m是調(diào)制系數(shù)； R是接收靈敏度； P0是 PIN接收平均光功率； B是頻帶寬度； Id是 PIN的暗電流； F是前置放大器噪聲系數(shù)； r0是前置放大器等效輸入阻抗； e是電子電荷； k是玻爾茲曼常數(shù)； T是接收機(jī)溫度。 84 光器件基礎(chǔ)知識(shí) 可見：要想提高載噪比，必須選用靈敏度高、暗電流小的 PIN光電二極管。同時(shí)，前置放大器的噪聲系數(shù)和等效輸入阻抗 r0直接影響載噪比，因此必須選用高的等效輸入阻抗和低噪聲的放大器作前置放大器。然而，由于 PIN與前置放大器連接時(shí)，由分布電容 C0和 r0組成的時(shí)間常數(shù)（ τ ＝ C0r0） 也就大，影響頻帶寬度，因此頻帶寬度和載噪比必須統(tǒng)籌兼顧，一般選 r0＝ 500～ 1000Ω 。 通常， PIN與前置放大器的連接方式有三種： 低阻抗連接、高阻抗連接和互阻抗連接 ，下圖示出了這些連接方式： V +(a) 低阻抗連接 (b) 高阻抗連接V + V + V +（c) 互阻抗連接R f低阻抗連接：光探測(cè)器直接與放大器連接，具有寬帶和動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)，但因放大器的等效輸入阻抗低，使載噪比受到影響。 高阻抗連接：放大器的等效輸入阻抗高，具有載噪比高、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，但其帶寬和動(dòng)態(tài)范圍受到影響，需要附加均衡電路以改善頻率響應(yīng)。 互阻抗連接：具有載噪比高、靈敏度高和頻帶較寬等優(yōu)點(diǎn)，但放大器設(shè)計(jì)較復(fù)雜，且負(fù)反饋?zhàn)柚迪拗屏朔糯笃鞯脑鲆妗? 85 光器件基礎(chǔ)知識(shí) 對(duì)模擬（如 CATV） 傳輸系統(tǒng)，要達(dá)到 5級(jí)圖像質(zhì)量時(shí)， S/N必須大于 40dB。 對(duì)數(shù)字通信系統(tǒng)，常用誤碼率來(lái)衡量通信質(zhì)量，誤碼率的表達(dá)式為： 7） 光接收組件的靈敏度： 靈敏度是任何接收機(jī)（包括電接收機(jī)和光接收機(jī)）的一個(gè)十分重要的指標(biāo)。 靈敏度是指在保證一定通信質(zhì)量條件下所需接收的最小信號(hào)功率（ Ps）。 靈敏度的數(shù)值越小，表示接收機(jī)的品質(zhì)越高，但由于接收系統(tǒng)本身的噪聲性能的限制，使接收機(jī)的靈敏度不可能無(wú)限小，對(duì)不同的系統(tǒng)，或者不同的要求（質(zhì)量等級(jí)），其數(shù)值是不一樣的。 由于模擬和數(shù)字光接收組件的靈敏度在計(jì)算時(shí)所考慮的因素不同，所以計(jì)算方法也有所不同。 在模擬光接收機(jī)中，它的靈敏度是從信噪比出發(fā)求得最小可探測(cè)功率 。而在數(shù)字光接收機(jī)中，它的靈敏度存在一個(gè) “ 1” 和 “ 0” 判決問(wèn)題，故在計(jì)算靈敏度時(shí)必須考慮判決的閾值 D。 86 影響光接收組件的靈敏度的因素很多，主要有： ?暗電流和直流電路產(chǎn)生的直流光； ?放大器的噪聲； ?接收組件的總電容 C；（ 電容越大，靈敏度越低） ?比特速率對(duì)靈敏度影響 （ 比特速率越大，靈敏度下降越多 ） ?輸入脈沖波形對(duì)靈敏度影響 （ 輸入脈沖波形越寬，靈敏度下降越大 ） 光器件基礎(chǔ)知識(shí) 8） 光接收組件的回波損耗 （ RL） ： 光學(xué)元器件的回波損耗定義為入射光功率 Pin和反射光功率 Pback的比值，用 dB作為回波損耗單位時(shí)，有如下表達(dá)式： 87 光器件基礎(chǔ)知識(shí) 第五章 光電子器件和組件操作注意事項(xiàng)和預(yù)防措施 激光安全及預(yù)防措施 光纖通信用激光二極管發(fā)射出對(duì)人眼有害的、肉眼看不見的紅外電磁輻射，如果在接近范圍內(nèi)觀看，這種輻射可能有足夠強(qiáng)度引起人眼視網(wǎng)膜瞬間的損傷。因此，在觀察激光束時(shí)，千萬(wàn)不要用肉眼直接觀察，而應(yīng)使用紅外－可見光變換器或帶有圖像管的 TV攝像機(jī)觀看激光輸出。 在激光二極管的表面貼上描述激光輻射和方向的 “ 警告標(biāo)記 ” 和 “ 窗口標(biāo)記 ” ，如下圖示。 88 光器件基礎(chǔ)知識(shí) 激光器件 操作預(yù)防措施 1. 嚴(yán)格注意器件極限值 2. 熱的預(yù)防措施： 光電器件（組件）是一種高功率密度的熱功耗器件，使用時(shí)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離熱源，不得在高于規(guī)定的最高工作溫度下使用，否則會(huì)造成其性能和壽命的快速退化。器件管角的焊接時(shí)間有嚴(yán)格限制（一般不得超過(guò) 10秒鐘） ，焊接溫度也必須嚴(yán)格控制在 260℃ 以內(nèi) 。 3. 力的預(yù)防措施： 光電組件及其附加光纖都十分脆弱，無(wú)論在安裝或操作時(shí)都必須盡量避免過(guò)大的扭絞力、牽引力和扭矩。附加光纖不要扭絞，牽引力不得超過(guò) 500克 ?力（ 5牛頓） ，其彎曲半徑不得小于 20mm。 4. 電的預(yù)防措施： 包括 靜電放電（ ESD） 防護(hù) 和 電流浪涌防護(hù) 以及對(duì)于激光二極管， 禁止施加反向電壓 。 89 a. 靜電放電（ ESD） 防護(hù)： 為防止使用期間的靜電損傷，必須采用相應(yīng)的防靜電措施，例如操作人員佩帶防靜電手腕 （ 1MΩ ） ， 接地良好的工作臺(tái)和工具 （ 1MΩ ） ， 工作室采用防靜電地板以及器件管殼接地等。 b. 電流浪涌防護(hù)： 瞬間電壓和短路脈沖的正向或反向的電流浪涌可能引起激光器的損傷，甚至擊穿，下表列出了電流浪涌擊穿時(shí)器件特性變化及故障模式。 光器件基礎(chǔ)知識(shí) 90 為防止浪涌擊穿，下表列出了相應(yīng)的措施。 光器件基礎(chǔ)知識(shí) 項(xiàng)目 檢查內(nèi)容或措施 備注1 . 工作人員是否正確進(jìn)行接地 通過(guò) 1 M Ω 的電阻纏在手腕上（防靜電手腕）2 . 測(cè)試儀表、檢驗(yàn)裝置及工作臺(tái)的接地是否為通用接地 使用屏蔽室采取通用接地3 . 是否注意接地電平 10 Ω1 . 由電源至個(gè)別測(cè)試儀表之間通過(guò)噪聲濾波器布線2 . 常使電源本身處于接通狀態(tài)，接通與斷路由外部進(jìn)行3 . 停電時(shí)的電源斷開以程控進(jìn)行4 . 繼電器的振蕩現(xiàn)象1 . 電燈、同一房間內(nèi)（同一線路）電源線的接通、斷開時(shí)，暫時(shí)中斷操作 應(yīng)加緩慢啟動(dòng)自動(dòng)電流（功率）控制電路2 . 進(jìn)行包裝測(cè)試工作時(shí)，進(jìn)行離子吹風(fēng)或在弱離子氣氛中進(jìn)行（大批移動(dòng)產(chǎn)品時(shí)也如此）3 . 釬焊烙鐵 蓄電池式釬焊烙鐵，外殼接地（防靜電烙鐵）1 . 運(yùn)載夾具包裝箱的導(dǎo)電化（尤其個(gè)別貨箱）2 . 工作地點(diǎn)鋪以導(dǎo)電墊子 300Ω3 . 房間內(nèi)氣氛的溫度與管理4 . 將產(chǎn)品電極之間加以短路5 . 量程旋鈕接觸不良 定期更換量程旋鈕6 . 電源脈動(dòng) 蓄電池電源7 . 工作人員應(yīng)穿防靜電工作服人體接地電源工作方面夾具與其他91 光器件基礎(chǔ)知識(shí) 5. 器件貯存防護(hù) 器件在貯存過(guò)程中也必須對(duì)器件加以防護(hù)，要嚴(yán)格遵照器件允許的貯存條件，并采取防靜電措施。 器件的最佳貯存溫度范圍為 5～ 30℃ ，相對(duì)濕度為 40％。在貯存中應(yīng)防止溫度的陡降而產(chǎn)生的冷凝現(xiàn)象，若貯存溫度低于－ 40℃ ，最好貯存在干氮環(huán)境中。 6. 光電器件（組件）的氣密性封裝防護(hù) 氣密封裝是保證產(chǎn)品性能和可靠性的關(guān)鍵。用戶應(yīng)避免損傷器件的氣密封裝。操作中應(yīng)注意： a) 器件的封裝外殼決不允許有任何方式的損傷； b) 決不能對(duì)管殼 /光纖結(jié)合處施加過(guò)度外力； c) 光電器件引腳不能重復(fù)使其變形，不要施加過(guò)度外力。 92 參考書籍： 《光纖通信用光電子器件和組件》，北京郵電大學(xué)出版社，黃章勇編著 《光纖通信基礎(chǔ)》，國(guó)防工業(yè)出版社，李玲、黃永清編著 《光纖通信系統(tǒng)原理與實(shí)驗(yàn)教程》，電子工業(yè)出版社，張寶富、譚笑、蔣慧娟編著 《光纖通信 —— 通信用光纖、器件和系統(tǒng)》，人民郵電出版社， Michael bass編著 《普通物理學(xué)》，高等教育出版社，程守洙、江之永編著 《光纖通信原理和新技術(shù)》，華中理工大學(xué)出版社，董天臨、談新權(quán)、陳京文編著 《通信電子電路基礎(chǔ)》，人民郵電出版社，方建邦、寧帆、高立編著 《光纖通信基礎(chǔ)》，人民郵電出版社，李玲等編著，葉培大審 光器件基礎(chǔ)知識(shí) 93 謝謝！