第四章 光 源主要内容半导体物理简介发光二极管 (LED)半导体激光器 (LD)4.1 光源的物理基础光源的物理基础半导体物理原子的能级、能带以及电子跃迁自发辐射与受激辐射半导体本征材料和非本征材料原子核电子高能级低能级孤立原子的能级围绕原子核旋转的电子能量不能任意取值，只能取特定的离散值(离散轨道)，这种现象称为电子能量的量子化。电子优先抢占低能级N个原子构成晶体时的能级分裂N = 4N = 9当 N 很大时能级分裂成近似连续的能带满带：满带：各个能级都被电子填满的能带禁带：禁带：两个能带之间的区域其宽度直接决定导电性能带的分类空带：空带：所有能级都没有电子填充的能带 价带：价带：由最外层价电子能级分裂后形成的能带 未被电子占满的价带称为导带导带禁带的宽度称为带隙导体、绝缘体和半导体导体：(导)价带电子绝缘体：无价带电子禁带太宽半导体：价带充满电子禁带较窄外界能量激励满带电子激励成为导带电子满带留下空穴光作用下的跃迁和辐射E2 - E1 = hvE1E2(a) 受激跃迁hvE1E2(b) 自发辐射：非相干光hvE1E2(c) 受激辐射：相干光hvhvhvN1：处于低能级的粒子数量 (价带电子数)N2：处于高能级的粒子数量 (导带电子数/价带空穴数)(1) N1 N2，正常粒子数分布，光吸收大于光辐射。当光通过这种半导体时，光强按指数衰减。(2) N2 N1，粒子数反转状态，光辐射大于光吸收。当光通过这种半导体时，会产生放大作用。半导体粒子分布状态问题: 如何得到粒子数反转分布的状态? 硅的晶格结构硅的晶格结构 (平面图)本征半导体材料 Si电子和空穴是成对出现的Si电子受到激励跃迁到导带，导致电子和空穴成对出现E此时外加电场，发生电子/空穴移动导电导带 EC价带 EV电子跃迁带隙 Eg = 1.1 eV电子态数量空穴态数量电子浓度分布空穴浓度分布空穴电子本征半导体的能带图电子向导带跃迁空穴向价带反向跃迁电子或空隙的浓度为:其中 为材料的特征常数kB 为玻耳兹曼常数me 电子的有效质量mh 空穴的有效质量本征载流子浓度例：在300 K时，GaAs的电子静止质量为m = 9.1110-31 kg， me = 0.068m = 6.1910-32 kg mh = 0.56m = 5.110-31 kg Eg = 1.42 eV 可根据上式得到本征载流子浓度为 2.621012 m-3As+4As+5非本征半导体材料：n型掺入第V族元素(如磷P, 砷As, 锑Sb)后，某些电子受到很弱的束缚，只要很少的能量DED (0.040.05eV)就能让它成为自由电子。这个电离过程称为杂质电离。施主杂质施主能级被施主杂质束缚住的多余电子所处的能级称为施主能级施主能级位于离导带很近的禁带施主能级上的电子吸收少量的能量DED后可以跃迁到导带施主能级电子能量电子浓度分布空穴浓度分布施主杂质电离使导带 电子浓度增加 非本征半导体材料：p型掺入第III族元素(如铟In,镓Ga,铝Al)，晶体只需要很少的能量DEA 漂移Un型p型耗尽层耗尽层电致发光正向偏压使pn节形成一个增益区：-导带主要是电子，价带主要是空穴，实现了粒子数反转-大量的导带电子和价带的空穴复合，产生自发辐射光pn外加正偏压 注入载流子 粒子数反转 载流子复合发光hv直接带隙：直接带隙：导带的最低位置位于价带最高位置的正上方；电子空隙复合伴随光子的发射。III-V族元素的合金，典型的如GaAs等。间接带隙：间接带隙：导带的最低位置不位于价带最高位置的正上方；电子空隙复合需要声子的参与，声子振动导致热能，降低了发光量子效率。发光材料的选择例子：光源硅集成还在探索中Luxtera 410-Gb/s光收发器照片主要内容半导体物理简介发光二极管 (LED)半导体激光器 (LD)4.2 发光二极管发光二极管 (LED)原理：外加电场实现粒子数反转，大量电子-空穴对的自发复合导致发光为什么要使用LED：1. 驱动电路简单2. 不需要温控电路3. 成本低、产量高缺点：4. 输出功率不高：几个毫瓦5. 谱宽很宽：几十个纳米到上百纳米应用场合：短距离传输同质pn结存在的问题：1.增益区太厚(110 mm)，很难把载流子约束在相对小的区域，无法形成较高的载流子密度2.无法对产生的光进行有效约束同质pn结：两边采用相同的半导体材料进行不同的掺杂构成的pn结特点：- 同质结两边具有相同的带隙结构和光学性能- pn结区的完全由载流子的扩散形成pn双异质结构异质结0.3 mm不连续的带隙结构加强对载流子的束缚不连续分布的折射率加强对产生光子的约束面发光二极管优点：LED到光纤的耦合效率高P(q) = P0cosq载流子注入25 mm5 mm边发光二极管优点：与面发光LED比，光出射方向性好缺点：需要较大的驱动电流、发光功率低载流子注入5070 mm100150 mm30120化合半导体材料 - 直接带隙材料 - 用于做光源 - 如III-V族化合物(由Al、Ga、In和P、As、Sb构成的化合物)LED光源的材料和工作波长单质半导体材料 - 间接带隙材料 - 不适合做光源LED基本材料：- Ga1-xAlxAs (砷化镓掺铝)：800850 nm短波长光源- In1-xGaxAsyP1-y (磷化铟掺砷化镓)：10001700 nm长波长光源x和y的值决定了材料的带隙，也就决定了发光波长合金比率与发光波长的关系LED的输出光谱特点：1. 自发辐射光 - LED谱线较宽2. 面发光二极管的谱线要比边发光二极管的宽3. 长波长光源谱宽比短光源宽 - 短波长GaAlAs/GaAs 谱宽3050 nm - 长波长InGaAsP/InP 谱宽60120 nmLED的内部量子效率和内部功率内量子效率 hint那么LED的内部发光功率为：例一双异质结InGaAsP材料的LED，其峰值波长为1310 nm，辐射性复合时间和非辐射型复合时间分别为30 ns和100 ns，驱动电流为40 mA。可以得到：可以得到LED的内部发光功率为：其中T(f) 为菲涅尔透射系数。假定外界介质为空气 (n2 = 1)，外量子效率为：例：LED典型的折射率为3.5，那么其外量子效率为1.41%，即光功率仅有很小的一部份能够从LED中发射出去。和LED的外部量子效率和外部功率LED的P-I特性1.驱动电流较小 - LED P-I特性线性度好2.驱动电流较大 - pn结发热产生饱和现象 - 曲线斜率减小通常，LED工作电流为50100mA，输出光功率为几毫瓦LED的频率响应可以用下式求解式中w为调制频率，P(w)为输出光功率，e为注入载流子寿命。当wc = 1/e时，P(wc) = 0.707P(0)。在接收机中，检测电流正比于光功率。光功率下降到 0.707 时，接收电功率下降到0.7072 = 0.5倍，即下降了3 dB。因此wc定义为截止频率。LED的调制特性适当增加工作电流载流子寿命缩短调制带宽增加一般地：f面 = 2030 MHzf边 = 100150 MHz不同载流子寿命下的LED调制曲线光电检测器平方检波机制导致了所谓的光调制系统电和光3-dB带宽定义的区别：光调制系统的电和光3-dB带宽的区别前面所提及的wc应为电3-dB带宽从电的角度看，光电检测器输出电功率变为原来一半，即系统输出光电流变为0.707时所对应的频率定义为3-dB带宽，即电3-dB带宽光调制系统的电3-dB带宽从光的角度看，LED输出光功率变为原来的一半时所对应的频率定义为光3-dB带宽，此时光电检测器输出的光电流相应地减小为1/2光调制系统的光3-dB带宽输出光功率线性范围宽 (P-I特性)性能稳定寿命长制造工艺简单、价格低廉输出光功率较小谱线宽度较宽调制频率较低这种器件在小容量、短距离系统中发挥了重要作用 关于LED的小结主要内容半导体物理简介发光二极管 (LED)半导体激光器 (LD)半导体激光器的原理和结构半导体激光器的种类激光器的外量子效率*半导体激光器的调制温度特性4.3 半导体激光器半导体激光器 (LD)LD的原理和结构激光，英文LASER是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (受激辐射的光放大)的缩写。激光器产生激光的条件是：1.粒子数反转LED也具备 产生大量的受激辐射2.光反馈 光放大 (增益 损耗)3.相位条件 波长选择光反馈：光学谐振腔1. 将工作物质置于光学谐振腔 (F-P腔)2. 光的产生及方向选择 1) 少数载流子的自发辐射产生光子 2) 偏离轴向的光子产生后穿出有源区，得不到放大 3) 轴向传播的光子引发受激辐射，产生大量相干光子3. 通过来回反射，特定波长的光最终得到放大，并被输出法布里珀罗 (F-P) 谐振腔100%90%法布里-珀罗 (F-P) 激光器立体图同质结和 (双) 异质结双异质结优点：限制载流子和光子，降低对阈值电流的要求阈值条件光在谐振腔内传播，包括：1. 增益介质的光放大2. 损耗： A) 工作物质的吸收 B) 介质不均匀引起的散射 C) 端面反射镜的透射及散射幅度条件：增益能克服损耗相位条件：光经反射回到初始位置时与原来相位一致g()为增益系数， 为材料损耗系数。当光经反射镜R1和R2反射在腔内往返传播2L回到原点之后，电场分量为：能量为hn的光子的辐射强度E()在腔内随传播距离z变化：谐振腔的光传播要能在腔内产生稳定的振荡，需要满足下列关系：在空间中传播的光电场分布可以表示为：和(b2L=2mp)光幅度放大光相长放大传播五周的相位5p/3传播五周的相位5p/3传播四周的相位4p/3传播四周的相位4p/3传播三周的相位p传播三周的相位p传播两周的相位2p/3传播一周的相位p/3传播两周的相位2p/3传播一周的相位p/3e-jb2L 1 或 b2L 2kp 假设相位变化 b2L = p/3，对于空间某点： 初始时刻的相位0初始时刻的相位0因此有幅度条件和相位条件幅度条件和相位条件上式表明，激光器只能产生一些离散的波长。每个波长称为激光器的一个纵模。相邻两波长(纵模)之间的波长之差约为：增益与波长的关系：其中l0为中心波长输出光谱：多纵模如果需要激光器工作在单纵模状态就需要模式选择技术LED与LD的光谱比较LEDF-P腔滤波器F-P的谐振波长Dl为谐振峰的间隔：F-P自由谱宽频域采样横模每个纵模都存在多个横模：基模亮度高、光斑小1) 与谐振腔轴有微小夹角的光束经多次反射仍满足阈值条件2) 工作物质的色散、散射效应及腔内光束的衍射效应等等抑制横模的数量 - 增加输出光的亮度、减小发散角(N)InGaAsP：发光的作用区，其上下两层称为限制层根据对横模限制机制的不同进一步可分为：增益引导型 和 折射率引导型铟镓砷磷(InGaAsP)双异质结条形激光器：波长13001600 nm常用激光器的基本结构横向约束的双异质结构：增益引导型机制：从顶层一个窄的条形欧姆接触区进行载流子注入，改变有源区的折射率，从而对光子形成横向的约束，能有效抑制横模特点：1) 辐射功率高，但有2)散光性，且3)工作不稳定In(I)15 mm光强-20 020机制：1) 在横向引入一个折射率分布实现对光模式的限制2) 在横向将电流严格地限制在有源区，使得 60% 的注 入电流用于发光特点：输出光束具有很好的准直性、能工作在基横模横向约束的双异质结构：折射率引导型光强-10 010单纵模激光器式子和光谱图表明： 实现单模输出的一条途径是减少谐振腔长，增加模式之间 的波长间隔，使Dl大于增益线宽 (即增加滤波器自由谱宽)Dl增益线宽垂直腔表面发射激光器 (VCSEL)1990年：阈值电流低(100 mA) ，输出功率大，激光纯度高； 发光面大、易于耦合； 体积小、易于集成，可应用于WDM多波长系统中分布反馈式 (DFB) 激光器内置布拉格光栅FBG： 只有符合反射条件的 光会得到强烈反射经 历放大过程输出的波长为：m是纵模的阶数DFB激光器微观结构- L相当于F-P激光器的腔长L，每一个L形成一个微型谐振腔- 很小使得m阶和(m+1)阶模之间的波长间隔比F-P大得多- 多个微型腔级联易实现选模的同时保证光束能获得足够增益DFB激光器照片分布布拉格反射 (DFR) 激光器- DBR激光器是将光栅刻在有源区两端- DBR激光器的特点和工作特性与DFB激光器类似，但其阈值 电流要比DFB激光器的阈值电流高内量子效率一般很难准确确定，长期的测试经验表明，在室温条件下，内量子效率一般为hint 0.60.7。于是外量子效率可以通过下面的式子来定义：在实际的实验中，外量子效率一般通过P-I曲线的直线部分来估算，即：标准的半导体激光器，外量子效率典型值为15%20%。激光器的量子效率*内调制：信息流直接控制激光器的驱动电流 ( 改变LD驱动电流 - 谐振腔内载流子浓度发生变化 - 谐振腔折射率发生变化 - 谐振腔相位条件选频特性发生改变 - LD输出光的中心波长发生漂移 - 信号啁啾啁啾的直接后果是导致系统色散性能的恶化内调制技术：失真1. 激射区线性度不高，将对信号带 来谐波失真和互调失真。2. 调制深度过大，使得DI IB 将会 部分切除信号的下半部，这将引 起严重的失真。式中：P(0)是频率为0时LD输出的光功率值；fr为LD的类共振频率，是LD的阻尼因子。LD的内调制特性LD的频率响应函数：LD的外调制技术：马赫-曾德调制器00p p0外调制得到的NRZ信号0p0NRZ input温度升高：- 阈值电流呈指数增长- 输出功率则明显下降，当达到一定温度时LD不激射LD的温度特性温控对LD的正常使用至关重要LD的温控设备LED输出光功率较小，谱线宽度较宽，调制频率较低但性能稳定，寿命长，使用简单，输出光功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉LED通常和多模光纤耦合，用于1310 nm或850 nm波长的小容量、短距离的光通信系统LD通常和单模光纤耦合，用于1310 nm或1550 nm大容量、长距离光通信系统，已成为目前光纤通信发展的主要趋势LED与LD的比较作业4.8推导多纵模激光器的频率间隔为