光有源器件：需要外加能源驱动才能工作的光电子 器件 半导体光源(LD,LED,DFB,QW,MQW,VCSEL) 半导体光探测器(PD,PIN,APD） 光纤激光器（OFL:单波长、多波长） 光放大器(SOA,EDFA) 光波长转换器(XGM,XPM,FWM),第四章 光源及光检测器,F-P腔激光二极管(LD) 分布反馈布拉格激光器(DFB) 分布布拉格反射激光器(DBR) 外腔激光器与Q开关激光器 发光二极管(LED) 光纤激光器(OFL) 垂直腔表面发射激光器(VCSEL) 多波长光源与波长可调谐激光器 光电探测器(PIN-PD、APD-PD),半导体激光器、探测器的种类,光器件与电器件的类比,4.1 发光器件的原理与特性,光纤通信系统中，采用的光源及检测器分别为半导体发光二极管(LED)、激光器(LD)和半导体光电探测器(PD)。 一、半导体异质结发光机理 物质原子结构的图象： 半导体固体能带结构 (由多个原子的能级组成)：,c,固体由原子组成，原子具有量子化的能级。由于化学环境及物理的原因，原子的能级要发生变化 每个原子核外电子的能级叠合成彼此相差很小的一组能带：原子内层能级被电子填满，由它们形成的能带也被电子占满，称为满带(价带)；外层能级未被电子填满，它们形成的能带亦未被填满，称为导带。两者间的能量距离g，称为禁带。 下图简略表示出半导体、绝缘体、及金属的能带，这 里仅画出了导带和满带。从能带角度看，半导体和绝缘体的差别仅在于两者的禁带不同，前者较窄，后者很宽，而金属的 g =0 。,固体的能带理论,（1）半导体的禁带很窄，满带中的电子较易进入导带。导带中的电子在外场作用下运动而参与导电。,（3）金属导体没有禁带，可显示很强的导电性。,（2）绝缘体的禁带很宽，满带中的电子很难进入导带， 导电性很差。,外 场,满带,导带,满带,导带,满带,导带,（1）半导体,禁带,禁带,外 场,（2） 绝缘体,（3）金属,（1）本征半导体 纯净的半导体，如硅、锗等。 半导体禁带宽度窄、在外场的作用下, 导带中的电子、满带中的空穴都可参与导电。（本征导电性。见下图）,外 场,满带,导带,半导体的分类,（2）杂质半导体,当四价的元素中 掺入少量五价元素时形成n 型半导体。如：硅中掺入杂质磷后，磷原子在硅中形成局部能级位于导带底附近（称为施主能级）。 一般温度下，杂质的价电子很容易 被激发跃迁至导带，成为导电电子，使导带中的电子浓度大大增加。 n 型半导体以电子导电为主。,* n 型半导体,外场,满带,导带,施主能级,n 型半导体,* P 型半导体,四价的元素中掺入 少量三价元素时形成 P 型半导体，如：在硅中掺入三价的杂质硼，杂质原子的局部能级位于价带顶附近（称为受主能级）。 一般温度下，满带中的电子很容易被激发跃迁至杂质能级上，满带中留下的空穴也将因此而大大增加，而成为多数载流子。P 型半导体以空穴导电为主。,外场,满带,导带,受主能级,P 型半导体,附：几个3、4、5价的元素,P-N结：,正向连接时，P中的空穴和N中的电子都易于通过P-N 结， 形成P N的正向宏观电流。,（2）作用： PN结具有单向导电作用,是制造整流器和集成电路的基本结构。,结果：交界处出现正、负电偶层，阻挡继续扩散达到平衡，形成P-N结。,P型材料中的空穴将向N型材料扩散；N型材料中的电子将向P型材料扩散。,正向连接,反向连接,反向连接时，P中的空穴和N中的电子都难以通过P-N 结。故 P-N结具有单向导电的性能。,（1）形成：P与N密切接触,自发辐射与受激辐射： 导带的电子不稳定，向价带跃迁与空穴复合而放出光子光辐射。如果跃迁是自发的，则光子具有随机的方向、相位及偏振态，称为自发辐射； 如果受到入射光子的激励，辐射的光子与入射光子有相同的方向、相位及偏振态，称为自发辐射。,半导体异质结的发光与吸收,光吸收： 半导体受到外来光子的照射，当外来光子的能量禁带能隙时，半导体价带的电子吸收光子向高能级跃迁，称为光吸收。,半导体光源的基本概念,Einstein关系热平衡时，导带N2与价带N1的粒子数分布： 双异质结构(Double Heterojunction)： 有源层(Active layer) ： P、N层的作用：提高有源层的载流子复合效率。限制光场。,2,1,发光二极管(LED),面(Surface)发光二极管 边(Edge)发光二极管,LED的发光原理与过程,过程： 1, 载流子在正向偏置电压作用下扩散进入有源层； 2, 由于异质结势垒电场的作用，电子和空穴在有源区形成粒子数反转； 3, 电子跃迁与空穴复合，自发辐射光。实现电光转换。,LED的主要特性,光功率与电流(PI)的关系 电流较小时，成线性；无阈值； 电流较小时，光功率逐步饱和； 光功率为mW量级； 温度升高，发光效率降低。原因载流子泄露增大；非辐射复合增加；热运动增加。,光谱特性 带宽大： 短波长LED2540 nm 长波长LED75100 nm 带宽与有源层的掺杂浓度成正比。 异质结温度升高，峰值波长增大。原因：异质结温度升高，载流子可以填充更高能级，能量分布变宽。 LED的带宽大，使得光纤色散加重，限制了传输距离和速率。,LD的结构和工作原理,增益导引激光器 （有源层侧面没有载流子限制及光波限制）,与LED的区别：结构上端面有反射膜；原理上属于受激光辐射。,反射率R1 等于1；R2小于1。,产生激光的条件,粒子的正常玻尔兹曼分布：,要得到激光，必须实现粒子数反转，使受激辐射占优势，为保证实现粒子数反转必须有:,（1）激励能源（泵浦）电、光、气体放电、化学、核能等。,（2）工作物质（激活物质），实现粒子数反转。,（3）谐振腔,腔内受激发射的光子，沿轴来回反射、强度增大，凡传播方向偏离轴方向的逸出而淘汰。,反射镜镀有多层膜，适当选择其厚度，使所需波长得到“相长干涉” 后，反射加强，光强度得到放大。,精心设计腔长，使所需频率的波形成驻波(两端为波)， 形成稳定的振荡得到加强。,两端装有布儒斯特窗，得到所需的偏振态。,谐振腔的作用：产生与维持光的振荡加强；使激光有极好的方向性、单色性。即对光放大实行 选择、控制、增强 的作用。,半导体PN结的受激辐射,LD的主要特性,PI关系曲线 经历了自发辐射(OA)、受激辐射(AB)、逐步饱和(BC)的过程。 光谱较窄。 温度升高，发光效率降低。,A,O,B,C,单纵模LD,沿着谐振腔前后的轴线方向，形成的驻波。条件为： L=m(/2n) M:模的级次；n: 折射率；:波长。 性能评价：边模抑制比(MSR): MSR=Pmm/Psm Pmm主模的功率， Psm最大边模的功率。,单纵模LD的设计原则：基于纵模的损耗差，即损耗小的模先达到阈值条件而成为振荡主模。,LD的工作组件,LD工作时的光电转换效率只有10%左右，发热严重。必须有散热部件和恒温控制。,4.2 光探测器的原理与特性,hv,P-I-N型PD 原理过程： 入射光除了被吸收以外，还激发电子空穴对，在耗尽层空间电荷场的作用下，分别向N区、P区运动； 外加反向偏压，加快载流子的漂移速度；若外电路连通，则形成电流。,空穴,电子,雪崩型探测器的原理过程 (Avalanche Photo Detector),入射光除了被吸收外，还在pn结内激发电子空穴对。载流子被强电场加速，发生碰撞电离产生新的载流子；又被加速碰撞电离产生新的电子空穴对如此不断进行碰撞电离，形成雪崩倍增效应。,PD工作特性与参数,响应度： R=Ip/Pin (单位：A/W) 量子效率： =电子产生速率/光子注入速率=(Ip/q)/(Pin/hv) 有：R= (q/hv) /1.24 （:m） 吸收系数： Ptr=Pinexp(- W) (Ptr:通过吸收区的功率) 所以： =1-exp(- W),1、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。20.8.1720.8.17Monday, August 17, 2020 2、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。15:11:4215:11:4215:118/17/2020 3:11:42 PM 3、越是没有本领的就越加自命不凡。20.8.1715:11:4215:11Aug-2017-Aug-20 4、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。15:11:4215:11:4215:11Monday, August 17, 2020 5、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。20.8.1720.8.1715:11:4215:11:42August 17, 2020 6、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。2020年8月17日星期一下午3时11分42秒15:11:4220.8.17 7、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。2020年8月下午3时11分20.8.1715:11August 17, 2020 8、业余生活要有意义，不要越轨。2020年8月17日星期一3时11分42秒15:11:4217 August 2020 9、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。下午3时11分42秒下午3时11分15:11:4220.8.17 10、你要做多大的事情，就该承受多大的压力。8/17/2020 3:11:42 PM15:11:422020/8/17 11、自己要先看得起自己，别人才会看得起你。8/17/2020 3:11 PM8/17/2020 3:11 PM20.8.1720.8.17 12、这一秒不放弃，下一秒就会有希望。17-Aug-2017 August 202020.8.17 13、无论才能知识多么卓著，如果缺乏热情，则无异纸上画饼充饥，无补于事。Monday, August 17, 202017-Aug-2020.8.17 14、我只是自己不放过自己而已，现在我不会再逼自己眷恋了。20.8.1715:11:4217 August 202015:11,谢谢大家,