体积小、重量轻、寿命长、光电转换效率高、工作电压电流小等，是（）激光器的优点。

A.体积小

B.使用寿命长

C.调制速率高

D.电注入率速高

E.光谱波长633nm

此题为判断题(对，错)。

A.低

B.没有差别

C.高

  实验目的

  (1)通过实验，了解激光二极管(LD)的发光原理和相关特性；

  (2)掌握激光二极管(LD)的P—I特性与模式参数等的测量方法。

  实验内容

  (1)测试LD的P—I特性；

  (2)测量LD的阈值电流；

  (3)测试LD的模式参数。

  实验设备器材

  (1)1550nm F—P半导体激光器光发射主机

  (2)光谱分析仪

  (3)光功率计

  (4)毫安表与万用表

  (5)光纤连接器

  (6)1550nm F—P半导体激光器等元器件

  实验原理

  1．半导体激光二极管(LD)的工作原理

  LD通过受激辐射发光，是一种阈值器件。LD不仅能产生高功率(≥10mW)辐射，而且输出光发散角窄，与单模光纤的耦合效率高(约30%～50%)，辐射光谱线窄(△λ=0.1～1.0nm)，适用于高比特工作，载流子复合寿命短，能进行高速(＞20GHz)直接调制，非常适合于作高速长距离光纤通信系统的光源。

  使粒子数反转从而产生光增益是激光器稳定工作的必要条件，对于处于泵浦条件下的原子系统，当满足粒子数反转条件时，将会产生占优势的(超过受激吸收)受激辐射。在半导体激光器中，这个条件是通过向P型和N型限制层重掺杂，使费米能级间隔在PN结正向偏置下超过带隙实现的。当有源层载流子浓度超过一定值(称为透明值)，就实现了粒子数反转，由此在有源区产生了光增益，在半导体内传播的输入信号将得到放大。如果将增益介质放入光学谐振腔中提供反馈，就可以得到稳定的激光输出。

  2．LD的P—I特性与阈值电流

  LD的P—I特性曲线如下图所示。LD有一阈值电流I_th，当I＞I_th时才发出激光。在I_th以上，光功率P随I线性增加。

  阈值电流是评定半导体激光器性能的一个主要参数，本实验采用两段直线拟合法对其进行测定。如下图所示，将阈值前与后的两段直线分别延长并相交，其交点所对应的电流即为阈值电流I_th

  3．LD的光谱特性

  激光二极管的发射光谱取决于激光器光腔的特定参数，大多数常规的增益或折射率导引器件具有多个峰的光谱，如下图所示。激光二极管的波长可以定义为它的光谱的统计加权。在规定输出光功率时，光谱内若干发射模式中最大强度的光谱波长被定义为峰值波长λ_P，对诸如DFB、DBR型LD来说，它的λ_P相当明显。一个激光二极管能够维持的光谱线数目取决于光腔的结构和工作电流。

  4．LD的调制特性

  在LD的调制过程中存在以下两种物理机制影响其调制特性：

  (1)增益饱和效应。当注入电流增大，因而光子数P增大时，增益G出现饱和现象，饱和的物理机制源于空间烧孔、谱烧孔、载流子加热和双光子吸收等因素。谱烧孔也称带内增益饱和。这些因素导致P增大时G的减小。

  (2)线性调频效应。当注入电流为时变电流对激光器进行调制时，载流子数、光增益和有源区折射率均随之而变，载流子数的变化导致模折射率五和传播常数的变化，因此产生了相位调制，它导致了与单纵模相关的光(频)谱加宽，又称线宽增强因子。

  5．LD的模式参数

  半导体激光器的模式分为空间模和纵模(轴模)。空间模描述围绕输出光束轴线某处的光强分布，或者是空间几何位置上的光强(或光功率)的分布，也称远场分布；纵模则表示一种频谱，它反映所发射的光束其功率在不同频率(或波长)分量上的分布。二者都可能是单模或者出现多个模式(多模)。边发射半导体激光器具有非圆对称的波导结构，而且在垂直于异质结平面方向(称横向)和平行于结平面方向(称侧向)有不同的波导结构和光场限制情况。横向上都是异质结构成的折射率波导，而在侧向目前多是折射率波导，但也可采取增益波导，因此半导体激光器的空间模式又有横模与侧模之分。下图表示这两种空间模式。

  由于有源层厚度很薄(约为0.15μm)，都能保证在单横模工作；而在侧向，则其宽度相对较宽，因而视其宽度可能出现多侧模。如果在这两个方向都能以单模(或称基模)工作，则为理想的TEM₀₀模，此时出现光强峰值在光束中心且呈“单瓣”。这种光束的光束发散角最小、亮度最高，能与光纤有效地耦合，也能通过简单的光学系统聚焦到较小的斑点，这对激光器的应用是非常有利的。相反，若有源区宽度较宽，则发光面上的光场(称近场)在侧向表现出多光丝，好似一些并行的发光丝，在远场的侧向则有对应的光强分布，如下图所示。这种多侧模的出现以及它的不稳定性，易使激光器的P—I寺性曲线发生“扭折”(kink)，使P—I线性变坏，这对信号的模拟调制不利；同时多侧模也影响与光纤高效率的耦合，侧模的不稳定性也影响出纤功率的稳定性；不能将这种多侧模的激光束聚焦成小的光斑。

  由于半导体激光器发光区几何尺寸的不对称，其远场呈椭圆状，其长、短轴分别对应于横向与侧向。在许多应用中需用光学系统对这种非圆对称的远场光斑进行圆化处理。

  如果半导体激光器发射的是理想的高斯光束，应有如下的光强分布：

  I(r)=I_maxexp[-2(r/ω)²]  (13-1)

  式中，I(r)是在半径为叫的高斯光束束腰内径向尺寸为r处的光强，I_max为束腰内的最大光强。显然，当r=ω时，该处的光强为I_max的1/e²(即光强峰值的13.5%)，如下图所示。高斯光束峰值光强之半处的发散角全角(FM-HW)为

  θ=4λ/πω=1.27λ/ω (13-2)

  半导体激光器的远场并非严格的高斯分布，有较大的在横向和侧向不对称的光束发散角，由于半导体激光器有源层较薄，因而在横向有较大的发散角θ_⊥，可表示为

  θ_⊥=4.05()d/λ/[1+4.05()(d/λ)²/1.2]  (13-3)

  式中，n₂和d分别为激光器有源层的折射率和厚度；n₁为限制层的折射率；λ为激射波长。显然，当d很小时，可忽略式(13-3)分母中的第二项，则有

  θ_⊥≈4.05()d/λ  (13-4)

  由式(13-4)可见，θ_⊥随d的增加而增加，这可解释为随着d的减少，光场向两侧有源层扩展，等效于加厚了有源层，而使θ_⊥减少。当有源层厚度能与波长相比拟，但仍工作在基横模时，可以忽略式(13-3)分母中的1而近似为

  θ_⊥≈1.2λ/d  (13-5)

  式(13-5)与式(13-2)的一致性，说明在一定的有源厚度范围内，横向光场具有较好的高斯光束特点。在此范围内，θ_⊥随d的增加而减少，可用衍射理论解释。

  在量子阱半导体激光器中，由于有高的微分增益d_g/dN，允许适当放松对有源层与波导模之间耦合的要求而允许模场的适当扩展，因而有比厚有源层半导体激光器小的θ_⊥。

  可以通过外部光学系统来压缩半导体激光器的发散角以实现相对准直的光束，但这是要以一定的光功率损耗为代价的。如果将从半导体激光器发出的激光近似视为有高斯分布的点光源，可以采取下图所示的准直光学系统。

  6．LD光斑的圆化处理

  准直透镜的数值孔径应大于半导体激光器的有效数值孔径，经准直出来的激光束乃至聚焦后的焦斑仍是椭圆。如需得到小而圆的光点，尚需对准直后的光束进行圆化处理。用节距(pitch)为1/4的自聚焦透镜可方便地对半导体激光器出射光进行准直，如下图所示。

  半导体激光器存在像散，像散是像差的一种。当用光学系统对半导体激光器解理面上的近场成像时，就会发现，由于像散的存在会在焦线上出现两个像点。半导体激光器在横向都是利用有源层两边折射率差所形成的光波导效应对有源区光子进行限制的，而在侧向有增益波导与折射率波导两种光限制类型。早期的条形激光器是增益波导型的，都有非平面波前。对目前大量采用的侧向折射率波导结构，在垂直于结平面方向的高斯光束的束腰在解理面上，且在束腰处为平面波前，如下图(a)所示。而当侧向的波导机构是由复折射率的虚数部分起主要作用时(即增益波导)，则在该方向的光场分布如图(b)所示，在腔内距腔面为D(称像散量)的地方出现虚腰，这也是外部观察者所能看到的最小近场宽度，真正的束腰在腔中心。因此，从传播方向看去，两个方向的合成波前呈圆柱面，如图(c)所示。这种输出光是像散的。其影响是用球透镜对解理腔面成像时，虚腰的像面与腔面的像面(即横向光场束腰的像面)不对应同一处。其后果是远场分布出现“兔耳”状，在早期的氧化条形激光器中出现这种远场情况。同时，像差的存在使侧向模式增多，光谱线宽加宽。这给应用带来很大困难，除非采取消像差的措施，否则很难用一般的光学系统聚焦到很小的光斑，焦斑上光场分布不均匀，也很难使激光器与单模光纤高效率地耦合。即使是侧向有折射率波导限制的情况，由于载流子侧向分布的影响，也很难使上述表征像散大小的D值为零，一般在2μm以上。

  半导体激光器的激射波长是由禁带宽度E_g决定的，然而这一波长也必须满足谐振腔内的驻波条件，谐振条件决定着激光激射波长的精细结构或纵模模谱。因为不同振荡波长间不存在损耗的差别，而它们的增益差又小，故除了由禁带宽度E_g所决定的波长能在腔内振荡外，在它周围还有一些满足谐振腔驻波条件的波长也可能在有源介质的增益带宽内获得足够的增益而起振。因而有可能存在一系列振荡波长，每一波长构成一个振荡模式，称之为腔模或纵模，并由它构成一个纵模谱，如下图所示。这些纵模之间的间隔△λ和△为：

  △λ=λ²/2n_gL  (13-6)

  △=c/2n_gL (13-7)

  式中，λ为激射波长；c为光速；n_g为有源材料的群折射率。

  一般的半导体激光器其纵模间隔为0.5～1nm，而激光介质的增益谱宽为数十纳米，因而有可能出现多纵模振荡。然而传输速率高(如大于622Mb/s)的光纤通信系统，要求半导体激光器是单纵模的。这一方面是为了避免由于光功率在各个纵模之间随机分配所产生的所谓模分配噪声；另一方面纵模的减少也是得到很窄的光谱线宽所必须的，而窄的线宽有利于减少在高数据传输速率光纤通信系统中光纤色散的影响。即使有些激光器连续工作时是单纵模的，但在高速调制下由于载流子的瞬态效应，而使主模两旁的边模达到阈值增益而出现多纵模振荡，因此必须考虑纵模的控制。为了得到单纵模，应弄清纵模的模谱，影响单纵模存在的因素，才能设法得到所要求的单纵模激光器。

  7．影响LD纵模谱的因素

  半导体激光器的有源区材料特性和器件结构都对纵模谱产生影响，以下就一些主要影响因素进行分析。

  (1)自发发射因子的影响

  自发发射对半导体激光器的主要影响是：

  ①使P—I特性曲线“变软”；

  ②在稳态条件下振荡模的噪声谱和光谱加宽；

  ③阈值以上的边模抑制比下降；

  ④在直接调制下张弛振荡频率降低。

  一般来说，半导体激光器有比气体和固体激光器高约5个数量级的自发发射因子(10^-4)。由下图看出，纵模谱随γ变化很大。当γ=10^-5时，几乎所有的激光功率集中在一个纵模内，即单纵模工作；当γ=10^-4时，只有约80%的光功率集中在主模上，而其余的由旁模所分配；当γ=10^-3时，则有更多的纵模参与功率分配。另一方面，若自发发射因子γ→1(如在微腔情况)，则出现量变到质变的情况，此时每一个自发发射光子引发出一个受激发射光子，却能得到很好的单纵模。

  (2)模谱与电流密度的关系

  若激光器具有标准腔长(250μm)和典型的γ=10^-4，实验发现，在小于阈值的低注入电流时，模谱的包络宛如自发发射谱；当电流增加到阈值以上，模谱包络变窄，各纵模开始竞争，对应于增益谱中心的主模(q=0)的增长速率比邻近纵模快。随电流增加，激光能量向主模转移，而且峰值波长发生红移现象。根据不同结构的半导体激光器，这种红移量约为0.1nm/mA左右。

  (3)器件结构对模谱的影响

  侧向有折射率波导的激光器比增益波导结构的激光器表现出更好的纵模特性。下图表示的是波长为780nm的两种侧向波导结构的纵模谱。这说明对有源区内载流子限制能力越强，腔内的微分增益越高，不但横模(包括侧模)特性得到改善，纵模特性同样向单纵模方向转化。

  在一般的法布里一珀罗(FP)谐振腔中，各个纵模分量在腔内得到反馈的量是相同的。在分布反馈(DFB)、分布布拉格反射(DBR)和有外部光栅谐振腔的结构中，谐振腔具有对某一波长选择反馈的作用，因而有好的纵模特性。下图比较的是在1300nm波长、侧向折射率波导的FP腔和DFB腔的纵模特性。若谐振腔长很短，则纵模间隔很大。其3dB增益带宽内允许振荡的纵模数减少。当主模两边的次模随着腔长的缩短而移出3dB增益带宽之外，则可出现单纵模振荡。

  (4)温度对纵模谱的影响

  由于有源层材料的禁带宽度E_g随温度增加而变窄，使激射波长发生红移，其红移量约为0.2～0.3nm/℃，与器件的结构和有源区材料有关。借此特性，可以用适当的温度控制来微调激光的峰值激射波长，以满足对波长要求严格的一些应用。和稳定输出功率一样，如需要有稳定的工作波长，对半导体激光器需进行恒温控制。下图表示温度对峰值波长的影响。

A、谱线宽度窄

B、与光纤耦合效率高

C、阈值器件

D、温度特性好

A. 二氧化碳激光器

B. B.氩离子激光器

C. C.钕离子激光器

D. D.掺钕钇铝石榴石激光器

PIN与APD光电二极管特性测试

  由于PIN光电二极管响应速度快，频带宽；噪声小；线性好，保真度高；因而适合于光纤通信系统使用。而雪崩光电二极管是一种具有内部雪崩增益的光电二极管，在系统应用中前置放大器的噪声就不会成为影响接收系统性能的主要噪声源。尤其在激光器作光源的光电检测系统中，由于激光器具有很窄的光谱范围，接收时可采用窄带光谱滤光片抑制信号光以外光谱范围的背景辐射，使雪崩光电二极管所组成的接收系统有可能达到背景限。因此，它也已广泛应用于光纤通信，脉冲激光测距等系统中。所以，这里专门开设对此二管的特性测试实验。

  实验目的

  (1)验证和掌握PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)的工作原理和相关特性；

  (2)掌握PIN和APD光电检测器件的特性参数的测量方法及使用方法；

  (3)学会使用雪崩光电二极管的一般方法，确定最佳偏置电压。

  实验内容

  (1)测量PIN的暗电流、响应度及其线性范围，画出光电特性曲线；

  (2)测量PIN的击穿电压，画出伏安特性曲线；

  (3)确定在某温度下APD的最佳工作电压与击穿电压；

  (4)测量APD输出背景噪声与外加偏压的关系。

  实验基本原理

  1．PIN光电二极管

  由于材料的吸收等原因使照射到半导体材料上的光，随着深入材料的深度的增加而逐渐减弱。半导体内部距入射表面d处的光功率为

  P(d)=P(0)exp(-αd)  (4-1)

  式中：P(0)为照射到材料表面的平均光功率；α为半导体材料的光吸收系数，α决定了入射光深入材料内部的深度，如果α很大，则光子只能进入半导体表面的薄层中。

  吸收入射光子并产生光生载流子的区域称为光吸收区；耗尽层及其两侧宽度为载流子扩散长度的区域称为作用区。在吸收区产生的光生少数载流子只有一部分进入作用区，这一部分光生载流子以较慢的速度扩散至耗尽层，进入耗尽层后在内建电场作用下作快速漂移运动，从而产生光生伏特效应。由于在作用区内，光生少数载流子的扩散速度较慢，从而影响了产生光生伏特效应的速度，导致PN结对光信号响应速度减慢。如果输入的光信号为光脉冲；则输出的光电脉冲会产生较长的拖尾。

  由此知，光在耗尽层外被吸收使得光电转换效率降低、光电响应速度变慢。为此，必须设法加宽耗尽层，使照射光子尽可能被耗尽层吸收。显然，给PN结加负偏压有助于加宽耗尽层。但除加负偏压的方法外，还可以通过减小P区和N区的厚度来减小载流子的扩散时间、减少在P区和N区被吸收的光能以及降低半导体的掺杂浓度来加宽耗尽层的方法来提高器件的响应速度。这种结构就是常用的PIN光电二极管。

  下图是PIN光电二极管的结构和它在反向偏压下的电场分布。在高掺杂P型和N型半导体之间生长一层本征半导体材料或低掺杂半导体材料，称为I层。在半导体PN结中，掺杂浓度和耗尽层宽度有如下关系：

  L_P/L_N=D_N/D_P  (4—2)

   （4-2）式中，D_P和D_N分别为P区和N区的掺杂浓度；L_P和L_N分别为P区和N区的耗尽层的宽度。在PIN中，如对于P层和I层(低掺杂N型半导体)形成的PN结，由于I层近于本征半导体，有D_N<<D_P，L_P<<L_N，即在I层中形成很宽的耗尽层。由于I层有较高的电阻，因此电压基本上降落在该区，使得耗尽层宽度w可以得到加宽，并且可以通过控制I层的厚度来改变。对于高掺杂的N型薄层，产生于其中的光生载流子将很快被复合掉，因此这一层仅是为了减少接触电阻而加的附加层。

  要使入射光功率有效地转换成光电流，首先必须使入射光能在耗尽层内被吸收，这要求耗尽层宽度W足够宽。但是随着W的增大，在耗尽层的载流子渡越时间τ_cr也会增大，τ_cr与W的关系为

  τ_cr=W/v  (4-3)

  式中：v为载流子的平均漂移速度。由于τ_cr增大，PIN的响应速度将会下降。因此耗尽层宽度W需在响应速度和量子效率之间进行优化。

  如采用类似于半导体激光器中的双异质结构，则PIN的性能可以大为改善。在这种设计中，P区、N区和I区的带隙能量的选择，使得光吸收只发生在I区，完全消除了扩散电流的影响。在光纤通信系统的应用中，常采用InGaAs材料制成I区和InP材料制成P区及N区的PIN光电二极管，下图为它的结构。InP材料的带隙为1.35eV，大于InGaAs的带隙，对于波长在1.3～1.6μm范围的光是透明的，而InGaAs的I区对1.3～1.6μm的光表现为较强的吸收，几微米的宽度就可以获得较高响应度。在器件的受光面一般要镀增透膜以减弱光在端面上的反射。InGaAs的光探测器一般用于1.3μm和1.55μm的光纤通信系统中。

   PIN光电二极管的主要特性包括波长响应范围、响应度、量子效率、响应速度、线性饱和、击穿电压和暗电流等。

  对于不同的半导体材料，均存在着相应的下限频率f_c或上限波长λ_c，λ_c亦称为光电二极管的截止波长。只有入射光的波长小于λ_c时，光电二极管才能产生光电效应。Si-PIN的截止波长为1.1μm，故可用于0.85μm的短波长光检测；Ge-PIN和InGaAs-PIN的截止波长为1.7μm，所以它们可用于1.3μm、1.55μm的长波长光检测。

  当入射光波长远远小于截止波长时，光电转换效率会大大下降。因此，PIN光电二极管是对一定波长范围内的入射光进行光电转换，这一波长范围就是PIN光电二极管的波长响应范围。

  响应度和量子效率表征了二极管的光电转换效率。响应度R定义为

  R=I_P/P_in  (4-4)

  式中，P_in为入射到光电二极管上的光功率；I_P为在该入射功率下光电二极管产生的光电流；R的单位为A/W。

  响应速度是光电二极管的一个重要参数。响应速度通常用响应时间来表示。响应时间为光电二极管对矩形光脉冲的响应——电脉冲的上升或下降时间。响应速度主要受光生载流子的扩散时间、光生载流子通过耗尽层的渡越时间及其结电容的影响。

  光电二极管的线性饱和指的是它有一定的功率检测范围，当入射功率太强时，光电流和光功率将不成正比，从而产生非线性失真。PIN光电二极管有非常宽的线性工作区，当入射光功率低于mW量级时，器件不会发生饱和。

  无光照时，PIN作为一种PN结器件，在反向偏压下也有反向电流流过，这一电流称为PIN光电二极管的暗电流。它主要由PN结内热效应产生的电子一空穴对形成。当偏置电压增大时，暗电流增大。当反偏压增大到一定值时，暗电流激增，发生了反向击穿(即为非破坏性的雪崩击穿，如果此时不能尽快散热，就会变为破坏性的齐纳击穿)。发生反向击穿的电压值称为反向击穿电压。Si-PIN的典型击穿电压值为100多伏。PIN工作时的反向偏置都远离击穿电压，一般为10～30V。

  2．雪崩光电二极管APD

  雪崩光电二极管APD(Avalalache Photodiode)是具有内部增益的光电检测器件，它可以用来检测微弱光信号并获得较大的输出光电流。雪崩光电二极管能够获得内部增益是基于碰撞电离效应。当PN结上加高的反偏压时，耗尽层的电场很强，光生载流子经过时就会被电场加速，当电场强度足够高(约3×10⁵V/cm)时，光生载流子获得很大的动能，它们在高速运动中与半导体品格碰撞，使晶体中的原子电离，从而激发出新的电子—空穴对，这种现象称为碰撞电离。碰撞电离产生的电子—空穴对，在强电场作用下同样又被加速，重复前一过程，这样多次碰撞电离的结果，使载流子迅速增加，电流也迅速增大，这个物理过程称为雪崩倍增效应。

  下图为APD的一种结构。外侧与电极接触的P区和N区都进行了重掺杂，分别以P⁺和N⁺表示；在I区和N⁺区中间是宽度较窄的另一层P区。APD工作在大的反偏压下，当反偏压加大到某一值后，耗尽层从N⁺—P结区一直扩展(或称拉通)到P⁺区，包括了中间的P层区和I区。图中的结构为拉通型APD的结构。从图中可以看到，电场在I区分布较弱，而在N⁺—P区分布较强，碰撞电离区即雪崩区就在N⁺—P区。尽管I区的电场比N⁺—P区低得多，但也足够高(可达2×10⁴V/cm)，可以保证载流子达到饱和漂移速度。当入射光照射时，由于雪崩区较窄，不能充分吸收光子，相当多的光子进入了I区。I区很宽，可以充分吸收光子，提高光电转换效率。我们把I区吸收光子产生的电子—空穴对称为初级电子—空穴对。在电场的作用下，初级光生电子从I区向雪崩区漂移，并在雪崩区产生雪崩倍增；而所有的初级空穴则直接被P⁺层吸收。在雪崩区通过碰撞电离产生的电子—空穴对，称为二次电子—空穴对。可见，I区仍然作为吸收光信号的区域并产生初级光生电子—空穴对，此外它还具有分离初级电子和空穴的作用，初级电子在N⁺—P区通过碰撞电离形成更多的电子—空穴对，从而实现对初级光电流的放大作用。

   碰撞电离产生的雪崩倍增过程本质上是统计性的，即为一个复杂的随机过程。每一个初级光生电子一空穴对在什么位置产生，在什么位置发生碰撞电离，总共碰撞出多少二次电子一空穴对，这些都是随机的。因此与PIN光电二极管相比，APD的特性较为复杂。与PIN光电二极管相比，APD的主要特性也包括：波长响应范围、响应度、量子效率、响应速度等，除此之外，由于APD管中雪崩倍增的存在，APD的特性还包括了雪崩倍增特性、噪声特性、温度特性等。

  APD的雪崩倍增因子M定义为

  M=I_P/I_P0  (4-5)

  式中，I_P是APD的输出平均电流；I_P0是平均初级光生电流。从定义可见，倍增因子是APD的电流增益系数。由于雪崩倍增过程是一个随机过程，因而倍增因子是在一个平均值之上随机起伏的量，雪崩倍增因子M的定义应理解为统计平均倍增因子。M随反偏压的增大而增大，随W的增加按指数增长。

  APD的噪声包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声、热噪声和附加的倍增噪声。倍增噪声是APD中的主要噪声。

  倍增噪声的产生主要与两个过程有关，即光子被吸收产生初级电子—空穴对的随机性和在增益区产生二次电子—空穴对的随机性。这两个过程都是不能准确测定的，因此APD倍增因子只能是一个统计平均的概念，是一个复杂的随机函数。

  由于APD具有电流增益，所以APD的响度比PIN的响应度大大提高。而量子效率只与初级光生载流子数目有关，不涉及倍增问题，故APD的量子效率值总是小于1。

  APD的线性工作范围没有PIN宽，它适宜于检测微弱光信号。当光功率达到几μW以上时，输出电流和入射光功率之间的线性关系变坏，能够达到的最大倍增增益也降低了，即产生了饱和现象。

  APD的这种非线性转换的原因与PIN类似，主要是器件上的偏压不能保持恒定。由于偏压降低，使得雪崩区变窄，倍增因子随之下降，这种影响比PIN的情况更明显。它使得数字信号脉冲幅度产生压缩，或使模拟信号产生波形畸变，因而应设法避免。

  在低偏压下APD没有倍增效应。当偏压升高时，产生倍增效应，输出信号电流增大。当反偏压接近某一电压V_B时，电流倍增最大，此时称APD被击穿，电压V_B称作击穿电压。如果反偏压进一步提高，则雪崩击穿电流使器件对光生载流子变的越来越不敏感。因此APD的偏置电压接近击穿电压，一般在数十伏到数百伏。提出注意的是，击穿电压并非是APD的破坏电压，撤去该电压后APD仍能正常工作。

  APD的暗电流有初级暗电流和倍增后的暗电流之分，它随倍增因子的增加而增加；此外还有漏电流，漏电流没有经过倍增。

  APD的响应速度主要取决于载流子完成倍增过程所需要的时间，载流子越过耗尽层所需的渡越时间以及二极管结电容和负载电阻的RC时间常数等因素。而渡越时间的影响相对比较大，其余因素可通过改进结构设计使影响减至很小。

实验装置与设备

  1．PIN实验线路与设备器材

  PIN光电二极管的实验线路也可如下图(b)所示那样简单连接。所用设备器材有：

   ①照度计  一台

  ②钨丝灯光源  一座

  ③直流稳压电源  一台

  ④万用表或数字电压表 一台

  ⑤微安表  一个

  ⑥InGaAs PIN光电二极管与510Ω电阻各一个。

  2．APD的实验装置

  APD的实验装置与设备布置如下图所示。

   本实验采用带有前置放大器(跟随器)的雪崩光电二极管，如下图中虚线所示。实验电路中外接负载电阻R_L=50Ω，后接自制放大器(放大倍数40倍，带宽10MHz)。雪崩光电二极管的击穿电压在350～500V之间，电流不超过50μA。实验时用0～500V直流稳压电源供电，串接μA表(100μA)测量APD的电流。

   用高频毫伏表测量信号和噪声均方根电压；用示波器观察波形；用自制脉冲光源(3kHz)作信号光源。

A、激光

B、荧光

C、射线

D、紫外线

一 单项选择题（每题7分） 1.霍尔式传感器属于( ) A.能量转换型传感器 B.电容型传感器 C.电阻型传感器 D.有源型传感器 2.下列测力传感器中，属于小位移传感器的是( ) A.压电式传感器 B.感应同步式传感器 C.电容式传感器 D.光栅式传感器 3下列传感器中，属于大位移传感器的是( ) A.自感式传感器 B.压电式传感器 C.电容式传感器 D.磁栅式传感器 4.下面哪种传感器不属于参量型测力传感器( ) A.电阻式 B.电容式 C.电感式 D.霍尔式 5.电容式压力计不包括( ) A.电感式 B.激光式 C.压电式 D.霍尔式 6 ( )陀螺式角速度传感器具有无机械传动部件、无需预热时间、对加速度不敏感、动态范围体积灵敏度高等优点。 A.转子 B.压电 C.激光 D.光纤 7 .红外光导摄像管中，红外图像所产生的温度分布可以把靶面上感应出相应电压分布图像的物理基础是( ) A.霍尔效应 B.电磁感应 C.光电效应 D.热电效应 8．压电式传感器使用( )放大器时,输出电压几乎不受联接电缆长度变化的影响。 A.调制放大器 B.电荷放大器 C.电压放大器 D 运算放大器 9. 压电式传感器是个高内阻传感器,因此要求前置放大器的输入阻抗( )。 A.很低 B.很高 C.较低 D.较高 10. 在压电传感器中，若各压电元件采取并联接法时，传感器输出信号是（ ） A．电压 B.电流 C.电功率 D 电容