§2.2 §2.2 光源光源

一、光源

二、光探测器

三、光纤连接器和固定接头

四、几种常用的光器件

第二章 光纤系统转换器和元件连接 第二章 光纤系统转换器和元件连接

§2.2 §2.2 光源光源

一、光源

二、光探测器

三、光纤连接器和固定接头

四、几种常用光器件

§2.2 §2.2 光源光源

• 输出功率特性• 辐射频谱特性• 电光转换特性• 环境特性

11 、光源的特性、光源的特性

光源

透镜

§2.2 §2.2 光源光源

光纤终端射出的光功率的大小取决于光源的波长和射入光纤的光功率。光源射入光纤内的光功率取决光源的发散角和光纤的数值孔径以及光源发光面和光纤端面的尺寸、形状及两者之间的距离。光源的面积和数值孔径应与光纤纤芯面积和数值孔径匹配，以实现最佳的功率耦合，使光纤的输出光通量达到最大。

（ 1 ）输出功率特性

§2.2 §2.2 光源光源面 LED 光源的输出方向图

coscos, 0IdALI

面发射 LED 近似为朗伯光源：各个方向等亮度 L

半功率光束角度： 2 = 120 度

LdAI 0

cos0I

§2.2 §2.2 光源光源

光源与光纤的耦合一般采用两种方法：直接耦合与透镜耦合。 直接耦合是将光纤端面直接对准光源发光面进行耦合的方法。当光源发光面积大于纤芯面积时，这是一种唯一有效的方法。这种直接耦合的方法结构简单，但耦合效率低。

§2.2 §2.2 光源光源

透镜耦合透镜耦合 当光源发光面积小于纤芯面积时，可在光源与光纤之间放置透镜，使更多的发散光线会聚进入光纤来提高耦合效率。

透镜耦合的作用是：(1) 扩大光源的发射面积，使之与纤芯区域匹

配 (2) 改变光线的入射角，使之容易耦合入纤

§2.2 §2.2 光源光源

50 m

2 m

20 m

0.7 m

¹âÏËÇò¶Ë

Pµç¼«

΢͸¾µ InP͸¾µ

N - InP³Äµ×

(a ) (b ) (c )

面发光二极管与光纤的透镜耦合

(a) 光纤端部做成球透镜 (b) 采用截头透镜 (c)采用集成微透镜

§2.2 §2.2 光源光源

对于发散光束非对称的边发光二极管和半导体激光器可以利用圆柱透镜的方法，如下图 (a)、 (b)所示。单模光纤和半导体激光器的耦合可以采用如下图 (c)所示自聚焦透镜。

¹âÔ´ Öù͸¾µ ¹âÏË

(a)

¹âÔ´ Öù͸¾µ ÇòÃæ͸¾µ ¹âÏË

(b)

¹âÔ´ ×Ô¾Û½¹Í¸¾µ ¹âÏË

(c)

光源与光纤的透镜耦合

§2.2 §2.2 光源光源

§2.2 §2.2 光源光源

§2.2 §2.2 光源光源

§2.2 §2.2 光源光源

• 光源辐射频谱特性应与光纤波导的传输频响特性匹配。• 中心波长选择在光纤的低损耗窗口，使传输损耗最小。• 光纤的传输带宽增宽，必须变窄。

（ 2 ）辐射频谱特性

§2.2 §2.2 光源光源

(3) 电光转换特性施加于光源的电偏置对光输出有直接影响。通常，输出功率值随电激励的增加而增加。但是，器件的温度也随电激励的增加而升高。因此，对于大多数电 - 光变换器来说．非恒温的输出光功率比恒温的稍低，且光频将发生变化。因此，输出强度和频率通常都是电偏置的函数。其它效应也会发生，如过剩噪声的影响与偏置密切有关，尤其是在激光器中，表现得更为明显。

§2.2 §2.2 光源光源

除某些半导体光源外，大多数光源的平均寿命都在几千小时范围内。其输出功率常常随使用时间下降，且与温度密切相关。光源的工作状态对温度变化非常灵敏．所以在给定的温度范围内采用散热装置、防热层和冷却等措施来维持光源的正常工作。尤其是半导体光源，在高温时不仅辐射光少，而且寿命也很短。此外，温度的变化还会引起辐射波长漂移。

(4) 环境特性

§2.2 §2.2 光源光源

22 、典型光源、典型光源

光

源

相干光源气体激光器液体激光器固体激光器半导体激光器 (LD)

非相干光源 白炽光源发光二极管 (LED)

§2.2 §2.2 光源光源

• 半导体光源以半导体材料作为工作物质• 半导体光源是光纤系统中最常用的也是最重要的光源。• 其主要优点是调制频率高、体积小、重量轻、供电电源简单等。它与光纤的特点相容，因此，在光纤传感器和光纤通信中得到广泛应用。

(3) (3) 半导体光源半导体光源

§2.2 §2.2 光源光源

半导体光源又可分为发光二极管 (LED)和半导体激光器 (LD) 。这两种器件结构不同，但却包含相同的物理机理。主要差别：发光二极管输出非相干光；半导体激光器输出相干光。

§2.2 §2.2 光源光源

LED的主要工作原理对应光的自发辐射过程，因而是一种非相干光源。与半导体激光器相比 LED发射光的谱线较宽、方向性较差，响应速度较慢，功率较小。比起半导体激光器，因为 LED不需要热稳定和光稳定电路，所以 LED的驱动电路相对简单，另外其制作成本低、产量高。

发光二极管（发光二极管（ LEDLED ）特点）特点

对于光纤通信系统，如果使用多模光纤且信息比特率在 100 ～ 200Mb/s以下，同时只要求几十微瓦的输入光功率，那么 LED是可选用的最佳光源。

§2.2 §2.2 光源光源

半导体激光器（半导体激光器（ LDLD ）特点：）特点：

LD 的原理对应光的受激发射过程，因而是一种相干光源。半导体激光器方向性好，单色性好，功率大，耦合效率高，响应速度快。在高速、大容量的光纤通信系统中主要采用半导体激光器作光源。

§2.2 §2.2 光源光源

半导体的能带和电子分布

(a) 本征半导体； (b) N 型半导体； (c) P 型半导体

半导体光源原理简介半导体光源原理简介

§2.2 §2.2 光源光源

半导体光源的核心是 PNPN 结结。将 P 型半导体与 N 型半导体相接触就形成 PN结。当 P 型半导体与 N 型半导体相接触形成 PN结时，由于存在电子与空穴的浓度差，电子从 N 区向 P 区扩散，空穴从 P 区向 N 区扩散。当 P 区的空穴扩散到 N 区后，在 P 区留下带负电的离子，形成一个带负电荷区域；当 N 区的电子扩散到 P 区后，在 N 区留下带正电的离子，形成一个带正电荷区域。

半导体光源发光原理半导体光源发光原理

§2.2 §2.2 光源光源

由于这两个正负电荷区域的存在，出现了一个由 N 区指向 P 区的电场，称为内建电场。内建电场将阻止电子继续向 p 区扩散，阻止空穴继续向 n 区扩散，最后使载流子的扩散运动和漂移运动相抵消而达到平衡状态

N P

§2.2 §2.2 光源光源

如果 PN 结外加一个足够大的正向偏压， P 区的空穴和 N区的电子不断地注入 PN 结区，这样使得 PN 结形成了一个增益区，也称为有源区。有源区内导带主要由电子占据，价带主要由空穴占据，从而实现了粒子数反转，半导体激光器的受激辐射就发生在这个增益区即有源区 。

N P

§2.2 §2.2 光源光源

由于这种发光是正向偏置把电子注入到结区的，又称为电致发光电致发光。这就是发光二极管的工作原理。它是直接把电能转换成光能的器件，没有热转换的过程，辐射波长在可见光或红外光区。发光面积很小，故可视为点光源。发光二极管有同质结或双异质结，有表面发光二极管，也有侧边发光的二极管。如图所示。

§2.2 §2.2 光源光源

§2.2 §2.2 光源光源SLED 的结构面发光二极管输出的功率较大，一般注入 100mA电流时，就可达几个毫瓦，但光发散角大，水平和垂直发散角都可达到 120°，与光纤的耦合效率低。

半功率点辐射角θ≈120°

§2.2 §2.2 光源光源

Coupling light from LEDs Electrode SiO2

§2.2 §2.2 光源光源

ELED 的结构

侧边发光二极管的发光面积小，亮度可以达到 1000 w/(sr.cm2)

θ ≈120°⊥

θ ‖ ≈25°~35°

§2.2 §2.2 光源光源

Coupling light from LEDs

§2.2 §2.2 光源光源

发光二极管的 P―I 特性是指输出的光功率随注入电流的变化关系。当注入电流较小时，线性度非常好；但当注入电流比较大时，由于 PN结的发热，发光效率降低，出现了饱和现象。

发光二极管的 P－ I 特性

在同样的注入电流下，面发光二极管的输出功率要比边发光二极管大 2.5~3倍，这是由于边发光二极管受到更多的吸收和界面复合的影响。

§2.2 §2.2 光源光源

在通常应用条件下，发光二极管的工作电流为 50~150mA ，输出功率为几个毫瓦，但因其与光纤的耦合效率很低，进入光纤功率要小得多。 温度对发光二极管的 P―I 特性也有影响，当温度升高时，同一电流下的发射功率要降低。与 LD 相比较 , 发光二极管的温度特性相对较好，在实际应用中，一般可以不加温度控制。

§2.2 §2.2 光源光源

LD 形成激光需要具备两个基本条件：一是有源区里产生足够的粒子数反转分布，二是存在光学谐振腔机制，并在有源区里建立起稳定的振荡。

施加正向偏压后，注入到有源层的电子和空穴被限制在有源层内形成粒子数反转分布。

利用半导体材料晶体的天然解理面构造光学谐振腔，提供光反馈，当电流密度达到阈值电流以上时，光放大补偿了各种损耗后，就会有稳定的激光输出。

半导体激光器半导体激光器 (LD)(LD) 原理简介原理简介

§2.2 §2.2 光源光源

F-PF-P 腔半导体激光器结构腔半导体激光器结构F-P腔半导体激光器的光学谐振腔是利用与 p-n 结平面相垂直的自然解理面构成（又称为法布里珀罗谐振腔），它有 35 ％的反射率，已足以引起激光振荡。若需增加反射率可在晶面上镀一层二氧化硅，再镀一层金属银膜，可获得 95 ％以上的反射率。

§2.2 §2.2 光源光源光在法布里珀罗 (F-P) 振腔中的干涉

光波在两块平行的镜面间反射，导致这些波在空腔内相长和相消干涉 , 在空腔内产生了一列稳定不变的电磁波，我们称它为驻波。

§2.2 §2.2 光源光源

由于在谐振腔中，光波是在两块反射镜之间往复传输的，腔内要形成的稳定的驻波模式，必须满足驻波条件，这个条件就是相长干涉条件，即往返一次相位变化为 2 的整数倍：

22

2qLn

q0

nL

cqvq 2

—— 谐振条件， vq 为谐振频率。

L

n

nLq

2

11

§2.2 §2.2 光源光源

可见激光腔中，沿轴线方向 ( 即纵向 ) 形成驻波，通常把由整数 q 所表征的腔内纵向的稳定场分布称为激光的纵模 ( 或轴模 )， q 称为纵摸的序数 ( 即驻波在腔的轴线上零场强度的数目 ) 。不同的纵模相应不同的 q 值，对应不同的频率。

nL

cqvq 2

§2.2 §2.2 光源光源

F-P 腔半导体激光器

发光机理和 LED 相同，但有 FP腔，一般为多模（即多个波长）。

P peak半导体激光器的发光光谱

§2.2 §2.2 光源光源

1 ） P-I特性

图 2－ 6

阈值电流

只有当正向激励电流大于阈值电流时，输出光功率才开始线性上升。阈值是所有激光器的属性。它标志着激光器的增益与损耗的平衡点，即阈值以后激光器才开始出现净增益。

半导体激光器的主要特性半导体激光器的主要特性

§2.2 §2.2 光源光源

图 2－ 6

阈值电流

半导体激光器的主要特性半导体激光器的主要特性

LD 是一个阈值器件，在实际使用时必须对之进行予偏置。对 LD 进行予偏置有一个好处，可以提高 LD 的调制速率。

§2.2 §2.2 光源光源

从图上可以看出，半导体激光器存在阈值电流 Ith 。当注入电流小于阈值电流时，器件发出微弱的自发辐射光，类似于发光二极管的发光情况。当注入电流超过阈值，器件进入受激辐射状态时，光功率输出迅速增加，输出功率与注入电流基本保持线性关系。

半导体激光器的 P―I 特性对温度很敏感，下图给出了不同温度下 P―I 特性的变化情况。

半导体激光器的工作特性半导体激光器的工作特性

§2.2 §2.2 光源光源

半导体激光器 P―I曲线随温度的变化

图 2-7 砷化镓器件正向激励电流与输出功率之间的关系

曲线族说明输出功率与温度有关，温度越低，转换效率越高 ,阈值电流越小。

§2.2 §2.2 光源光源

为解决半导体激光器温度敏感的问题，可以在驱动电路中进行温度补偿，或是采用制冷器来保持器件的温度稳定。

通常将半导体激光器与热敏电阻、半导体制冷器等封装在一起，构成组件。热敏电阻用来检测器件温度，控制制冷器，实现闭环负反馈自动恒温。

半导体激光器的主要特性半导体激光器的主要特性

§2.2 §2.2 光源光源

激光器以发发散角小而区别于其它光源，但半导体激光器的方向性比普通气体或固体激光器要差得多。图2—8 所示为半导体激光束发散角的分布图。垂直方向发散角的宽度约为 300 ，水平方向约为 100 ，这些特点是由 P—N 结的结构造成的。垂直于结方向

22 ）光束的空间分布）光束的空间分布

的激活层厚度狭窄，衍射作用强；与结平行的方向，激活层宽度较大，衍射作用较小．从而形成图中所示的辐射光斑图。

半导体激光器的主要特性半导体激光器的主要特性

§2.2 §2.2 光源光源

LD 横模特性决定光场的空间特性

近场图案

远场光斑

S

W

30o

10o

§2.2 §2.2 光源光源

半导体激光器的发射光谱随温度变化

33 ）温度特性）温度特性

半导体激光器的发射波长随结区温度而变化。当结温升高时，半导体材料的禁区带宽变窄，因而使激光器发射光谱的峰值波长移向长波长。

§2.2 §2.2 光源光源

峰值波长随温度变化峰值波长随温度变化当结温升高时，半导体材料当结温升高时，半导体材料的禁区带宽变窄，因而使激的禁区带宽变窄，因而使激光器发射光谱的峰值波长移光器发射光谱的峰值波长移向长波长。向长波长。

InGaAsP/InPInGaAsP/InP 激光器的发射激光器的发射波长随注入电流漂移的情况，波长随注入电流漂移的情况，此激光器没加温度控制，由此激光器没加温度控制，由于电流的热效应，使结温度于电流的热效应，使结温度升高，从而使发射波长漂移。升高，从而使发射波长漂移。

33 ）温度特性）温度特性

§2.2 §2.2 光源光源

4 ）调制特性

根据 P―I 特性可以看出，改变半导体激光器的注入电流就可以改变其输出光功率如下图。

把这种直接改变光源注入电流实现调制的方式称为直接调制或内调制。

§2.2 §2.2 光源光源

随着高速率光纤通信系统的发展和新型光纤通信系统例如波分复用系统的出现，都对激光器提出更高的要求。 要求研制谱线宽度更窄的半导体激光器；发射光波长更加稳定，并能实现调谐；阈值电流更低， 而输出光功率更大。具有这些特性的动态单纵模激光器有多种类型，其中性能优良并得到广泛应用的是分布反馈 (Distributed Feed Back, DFB)激光器。

分布反馈激光器 (DFB)

§2.2 §2.2 光源光源分布反馈激光器 (DFB)

DFB 激光器是单纵模 (SLM) LD ，即频谱特性只有一个纵模谱线的 LD 。SLM LD 与法布里 - 珀罗 LD 相比，它的谐振腔损耗与模式有关，即对不同的纵模具有不同的损耗。这是通过改进结构设计，使 DFB LD 内部具有一个对波长有选择性的衍射光栅，从而使只有满足布拉格波长条件的光波才能建立起振荡。

P

N

光栅波导区

有源区

光输出

B (nm)

0.1nm

光功率

L

§2.2 §2.2 光源光源

分布反馈激光器 DFB LD

DFB 激光器用靠近有源层沿长度方向制作的周期性结构 ( 波纹状 ) 衍射光栅实现光反馈。这种衍射光栅的折射率周期性变化 ,使光沿有源层分布式反馈 .

e

B

nm

2

光栅周期 Λ由下式确定

式中， ne 为材料有效折射率， λB 为布喇格波长，m 为衍射级数。

§2.2 §2.2 光源光源

分布反馈式（ DFB ）半导体激光器

采用 DFB 结构，可以实现单模输出，是目前密集波分复用系统中的主流光源。单模输出有利于实现长距离和高速率的传输 P peak

SMSR

§2.2 §2.2 光源光源

①谱线窄， 波长稳定性好由于 DFB 激光器有对波长有选择性的衍射光栅，只有满足布拉格波长条件的光波才能建立起振荡，使得谐振波长的选择性大大提高， 谱线明显变窄，可以窄到零点几个纳米。由于光栅的作用有助于使发射波长锁定在谐振波长上，因而波长的稳定性得以改善。 ② 线性好DFB 激光器的线性非常好， 因此广泛用于模拟调制的有线电视光纤传输系统中。

DFB 激光器与 FP 激光器相比， 具有以下优点：

§2.2 §2.2 光源光源

LED 典型特性参数

有源层

材料

类型发射

波长 (nm)

频谱宽

(nm)

进入光纤的

功率( W)

偏置

电流(mA)

上升时间/下

降时（ns）

SLED 660 20 190~1350 20 13/10AlGaAs

ELED 850 35~65 10~80 60~100 2/(2~6.5)

SLED 850 40 80~140 100GaAs

ELED 850 35 10~32 100 6.5/6.5

SLED 1 300 110 10~50 100 3/3

ELED 1 300 25 10~150 30~100 1.5/2.5InGaAsP

ELED 1 550 40~70 1 000~7 500 200~500 0.4/(0.4~12)

§2.2 §2.2 光源光源 LD和 LED 一般性能

LD LED 工作波长 λ/μm 1.3 1.55 1.3 1.55

谱线宽度△ λ/nm 1~2 1~3 50~100 60~120

阈值电流 Ith/mA 20~30 30~60

工作电流 I/mA 100~150 100~150

输出功率 P/mW 5~10 5~10 1~5 1~3

入纤功率 P/mW 1~3 1~3 0.1~0.3 0.1~0.2

调制带宽 B/MHz 500~2000 500~1000 50~150 30~100

辐射角 θ/(o) 20×50 20×50 30×120 30×120

寿命 t/h 106~107 105~106 108 107

工作温度 /℃ -20~50 -20~50 -20~50 -20~50

§2.2 §2.2 光源光源

LD及DFB 特性参数

类型

发射波长(nm)

C25o

边模

抑制

比(dB)

谱(线)宽(FWHM)

额定光

纤输出

功率(dBm)

阈值

电流(mA)

C25o

上升时间/下降时

间（ns）(10~90)%

波长

温漂(nm/0C)

多模LD 1283~1320 6 nm 0 50~40 1 5.0

2.5 Gb/s

DFB模块

1280~1335 30 0.3nm 1~+2 25 0.15 +0.1

DFB模块 15501 40 10MHz 2 25

VCSEL 840 0.5nm 1 3.5 0.1 0.06

内含EA的10 Gb/s DFB

1530~1570 35 10MHz 0~2 17 0.03

§2.2 §2.2 光源光源

半导体激光器和发光二极管的比较

相同点：都是以半导体材料作为工作物质，采取的激励方式都是电注入方式； 主要差别：这两种器件结构不同，半导体激光器有谐振腔，因此输出相干光，而发光二极管输出非相干光；半导体激光器有阈值电流，而发光二极管没有阈值电流。

§2.2 §2.2 光源光源

P-I 特性

半导体激光器和发光二极管的比较

LD 是一个阈值器件LED 线性度比 LD好。

LED

LD

§2.2 §2.2 光源光源

由于 LED 的发光机理是自发幅射发光，它所发出的光是非相干光而是莹光，所以其谱线较宽，一般在 30～ 100nm 范围，故难以用于大容量的光纤通信之中。由于在谐振腔内因振荡而激射出来的光子，具有接近的频率，因此 LD 所发出的光之谱线十分窄，仅有1～ 5nm 。从而大大降低了光纤的色散，增大了光纤的传输带宽。故 LD 能适用于大容量的光纤通信。

LED和 LD 的光谱特性

§2.2 §2.2 光源光源

LED和 LD 的光谱特性

波长 /nm

-40 -20 40200

0.6

0.2

0

0.4

0.8

1.0

相对光强

波长 /nm

-0.4 -0.2 0.40.20

0.6

0.2

0

0.4

0.8

1.0

相对光强

0.02nm(2~5)nm

波长 /nm

-40 -20

0.6

0.2

0

0.4

0.8

1.0

40200-60 60

相对光强

0

GaAlAs: (30~50)nmInGaAsP: (60~120)nm

1/2

0

0

(a) LED 的光谱特性

(b) 多模 LD 的光谱特性

(c) 单模 LD 的光谱特性

半导体激光器和发光二极管的比较

§2.2 §2.2 光源光源半导体激光器和发光二极管的比较

光束的空间分布特性

LED 的发散角大，和光纤的耦合效率比较低，一般仅有 1％～ 2％，最多不超过 10% 。由于从谐振腔反射镜输出的光，其出光方向一致性好，发散角小，所以 LD 与光纤的耦合效率较高，一般用直接耦合方式就可达 20％以上。如果采用适当的耦合措施可达 90％。由于耦合效率高，所以入纤光功率就比较大，故 LD适用于长距离的光纤通信。

§2.2 §2.2 光源光源

由于 LED 的谱线较宽，与光纤的耦合效率较低，所以它难以用于大容量、长距离的光纤通信系统。但因为其使用简单、价格低廉，工作寿命长等优点，所以它广泛地应用在较小容量，较短距离的光纤通信之中；而且由于其线性度甚佳，所以也常常用于对线性变要求较高的模拟光纤通信之中。

LED 应用上的特点

§2.2 §2.2 光源光源

由于 LD 具有发光谱线狭窄，功率大，与光纤的耦合效率高等显著优点，所以它被广泛应用在大容量、长距离的数字光纤通信之中。尽管 LD 也有一些不足，如线性度与温度特性欠佳。但数字光纤通信对光源器件的线性度并没有很严格的要求；而温度特性欠佳可以通过一些有效的措施来补偿，因此 LD 成为数字光纤通信最重要的光源器件。

LD 应用上的特点

§2.2 §2.2 光源光源

在实际应用中，通常把光源做成组件，同时利用热敏电阻和冷却元件进行温度监测和自动温度控制 (ATC) 。

§2.2 §2.2 光源光源

LD 外形图

§2.2 §2.2 光源光源

一、光源

二、光探测器

三、光纤连接器和固定接头

四、光纤定向耦合器

§2.3 §2.3 光探测器光探测器

§2.2 §2.2 光源光源

一．光探测器的特性参数

二．光电探测器的原理

三．半导体光电探测器

§2.3 §2.3 光探测器光探测器

§2.2 §2.2 光源光源

一、光探测器的特性参数一、光探测器的特性参数

1 ．量子效率2. 响应度（响应率、灵敏度）3. 光谱响应度 ( 光谱灵敏度）4. 噪声等效功率 NEP

5. 探测率 D 、比探测率 D*

6. 响应时间（上升时间）7. 频率响应

§2.3 §2.3 光探测器光探测器

§2.2 §2.2 光源光源

光纤系统常用的探测器

在光纤系统中所用探测器主要有：

PIN光电二极管

雪崩光电二极管 (APD)

§2.3 §2.3 光探测器光探测器

§2.2 §2.2 光源光源

N P

由于载流子扩散，出现了一个由 N 区指向 P 区的内建电场。内建电场将阻止载流子继续扩散，使载流子的扩散运动和漂移运动相抵消而达到平衡状态

PN 光电二极管原理

§2.2 §2.2 光源光源

当反偏加压，空间电荷区加宽。

N P

PN 光电二极原理

E

§2.2 §2.2 光源光源当光入射到探测器时，如果光子能量足够大，在结区、 P 区和 N 区均能激发出电子—空穴对。这些光生载流子靠扩散进入结区，并在结区电场的作用下，电子向 n 区、空穴向 p 区漂移运动，在外回路中形成光电流。光电流在负载电阻 RL 上产生与入射光通量相关的信号输出。

N P

E

§2.2 §2.2 光源光源PN 光电二极管原理

§2.2 §2.2 光源光源

由于 PN 结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收， 因而光电转换效率低，响应速度慢。为改善器件的特性，在 PN 结中间设置一层本征半导体 ( 称为 I) ，这种结构便是常用的 PIN 光电二极管。

PIN 光电二极管原理

P-Si

N-Si

I-Si

PIN 管结构PN 管结构

§2.2 §2.2 光源光源

PIN 管结构示意图

PIN管的结构：在 P 型半导体和 N 型半导体之间夹着一层本征半导体。因为本征层相对于 P 区和 N 区是高阻区这样， PN结的内电场就基本上全集中于 I 层中。

PIN 光电二极管原理

P-Si

N-Si

I-Si

§2.2 §2.2 光源光源

I 层很厚，吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量电子 - 空穴对，因而提高了光电转换效率，从而提高了灵敏度。两侧 P 层和 N层很薄，吸收入射光的比例很小， I 层几乎占据整个耗尽层， 因而光生电流中漂移分量占支配地位，从而大大提高了响应速度。

P-Si

N-Si

I-Si

PIN 光电二极管原理

§2.2 §2.2 光源光源

频带宽（可达 10GHz ） 灵敏度高 线性输出范围宽 噪声低

PINPIN 光电二极管的特点光电二极管的特点

§2.2 §2.2 光源光源

雪崩光电二极管是利用 PN 结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。

根据光电效应，当光入射到 PN 结时， 光子被吸收而产生电子 --空穴对。如果增加电压 , 使电场达到 200 kV/cm 以上，光电子（一次电子）在高电场区获得足够能量而加速运动。高速运动的电子和晶格原子相碰撞， 使晶格原子电离，产生新的电子 - 空穴对。新产生的二次电子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增。

雪崩光电二极管雪崩光电二极管 (APD)(APD)

§2.2 §2.2 光源光源

APD 载流子雪崩式倍增示意图

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NP P(N)

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高速运动的电子和晶格原子相碰撞， 使晶格原子电离，产生新的电子 - 空穴对。新产生的二次电子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增。所以这种器件就称为雪崩光电二极管 (APD) 。

雪崩光电二极管雪崩光电二极管 (APD)(APD)

§2.2 §2.2 光源光源

APD 管子工作电压很高，约 100～ 200V ，接近于反向击穿电压。 APD 的结构有多种类型，下图示出的是 N+PIP+ 结构的 APD 。

I

雪崩光电二极管雪崩光电二极管 (APD)(APD)

§2.2 §2.2 光源光源

雪崩光电二极管特点雪崩光电二极管特点 灵敏度很高：内增益高，可达到几百。当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达 106 。 响应速度特别快：带宽可达 100GHz ，是目前响应速度最快的一种光电二极管。 噪声大：是这种管子目前的一个主要缺点。由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无法使用。

雪崩光电二极管雪崩光电二极管 (APD)(APD)

§2.2 §2.2 光源光源

参数 符号 单位 Si Ge InGaAs

波长范围 nm 400~1100 800~1650 1100~1700

响应度 R A/W 0.4~0.6 0.4~0.5 0.75~0.95

暗电流 ID nA 1~10 50~500 0.5~2.0

上升时间 r ns 0.5~1.0 0.1~0.5 0.05~0.5

带宽 B GHz 0.3~0.7 0.5~3.0 1.0~2.0

偏置电压 VB V 5 5~10 5

Si、 Ge、 InGaAs pin 光电二极管的通用工作特性参数

PIN 光电二极管性能

§2.2 §2.2 光源光源

参数 符号 单位 Si Ge InGaAs

波长范围 nm 400~1100 800~1650 1100~1700

雪崩增益 M —— 20~400 50~200 10~40

暗电流 ID nA 0.1~1 50~500 10~50@M=10

上升时间 r ns 0.1~2 0.5~0.8 0.1~0.5

增益带宽积 M•B GHz 100~400 2~10 20~250

偏置电压 VB V 150~400 20~40 20~30

Si、 Ge、 InGaAs 雪崩光电二极管的通用工作特性参数

APD 光电二极管性能