集成光电子器件lpl(第二章1).ppt

1,2,光发射机的作用：将电信号转变成光信号，并有效的把光信号送入传输光纤。光发射机的核心：光源光纤通信系统对光源的要求：发射波长与使用的传输窗口波长一致；调制容易、线性好、带宽大；输出谱窄、以降低光纤色散的影响；辐射角小、与光纤的耦合效率高；寿命长、体积小、耗电省等。,3,两种半导体光源发光二极管（LED）：输出非相关光，谱宽宽、输出功率小、调制速率低。适用短距离、低速系统。激光二极管(LD):输出相干光，谱宽窄、输出功率大、调制速率高。适用长距离、高速系统。,4,5,1、LED和LD的物理基础1）原子的能级在物质的原子中，电子只能在一些不连续的、分立的轨道上存在，即原子中存在许多能级。最低能级E1称为基态，能量比基态大的能级称为激发态。,6,通常情况下，大多数粒子处于基态，少数粒子被激发至高能级。在热平衡条件下，各能级上的粒子数分布满足玻尔兹曼统计分布。,N1和N2：处于能级E1、E2上的粒子数K：玻尔兹曼常数T：绝对温度,能级越高，处于该能级的粒子数越少。,7,2）光与物质的相互作用光与物质的相互作用是有源器件的基础，主要存在三种基本方式：（1）自发辐射处于高能级E2上的粒子是不稳定的，即使没有外界激发，也会自发地跃迁到低能级E1上与空穴复合，发射光子，这种跃迁称为自发辐射，产生非相干光。,8,（2）受激辐射处在高能级E2上的粒子，在受到频率为f=(E2-E1)/h的光子作用下，受激跃迁到低能级E1上并发出频率为f的光子的过程，称为受激辐射，产生相干光。,9,(3)受激吸收在外来光子的作用下，处在低能级上的粒子，吸收光子的能量跃迁到较高能级上的过程，称为受激吸收。,10,自发发射的同时总伴有受激发射发生；在热平衡情况下，自发发射占绝对优势；当外界给系统提供能量时，如采用光照（即光泵）或电流注入（即电泵），打破热平衡状态，大量粒子处于高能级，即粒子数反转后，在发光束方向上的受激发射比自发发射的强度大几个数量级。,自发发射和受激发射的特点,11,受激辐射和受激吸收,受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在E1和E2两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件，即E2-E1=hf12式中，h=6.62810-34Js，为普朗克常数，f12为吸收或辐射的光子频率。,什么时候发生受激辐射？什么时候发生受激吸收？,12,受激吸收和受激辐射的速率分别正比于N1和N2，且比例系数相等。如果N1N2，受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光强按指数衰减，这种物质称为吸收物质。如果N2N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。N2N1的分布，和正常状态(N1N2)的分布相反，所以称为粒子数反转分布。,13,3)粒子数的反转分布及光放大热平衡条件下，处于低能级的粒子数较高能级的粒子数要多，称为粒子数正常分布。粒子在各能级之间分布符合费米统计规律：,p(E)：是能量为E的能级被粒子占据的几率，称为费米分布函数;Ef：费米能级,14,费米能级（Ef）：代表T=0时完全添满的能级和完全空态的能级的边界。是一个表明粒子占据能级状况的标志，不一定是一个为粒子占据的实际能级。当E0.5，说明这种能级被粒子占据的几率大于50%；当EEf时，p(E)0.5，说明这种能级被粒子占据的几率小于50%。也就是说，低于费米能级的能级被粒子占据的几率大，高于费米能级的能级被粒子占据的几率小。,15,怎么得到粒子数反转分布的状态？,LD工作需要半导体处于粒子数反转分布的状态,16,当外界给系统提供能量时，如采用光照（即光泵）或电流注入（即电泵），打破热平衡状态，大量粒子处于高能级，就实现了粒子数的反转分布。这样，当外界入射光入射时，就会发生受激辐射，产生大量全同光子，实现对入射光的放大作用。我们把处于粒子数反转分布的物质称为激活物质或增益物质。,17,2.pn结半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体。在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带。能量低的能带称为价带，能量高的能带称为导带，导带底的能量Ec和价带顶的能量Ev之间的能量差Ec-Ev=Eg称为带隙。电子不可能占据禁带。,18,本征半导体：无杂质和无晶格缺陷的完善的半导体；N型半导体：本征半导体中掺入施主杂质形成N型半导体，其费米能级就较本征半导体的要高；P型半导体：在本征半导体中掺入受主杂质形成P型半导体，其费米能级就较本征半导体的要低。,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,19,半导体光源的核心是PN结将P型半导体与N型半导体相接触就形成PN结。,在P型和N型半导体组成的PN结界面上，由于存在多数载流子(电子或空穴)的梯度，因而产生扩散运动，形成内建电场。,20,内建电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到P区和N区的Ef相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜。,也阻止N区带负电的电子进一步向P区扩散。,内建电场阻止P区带正电的空穴进一步向N区扩散；,pn结中的能带图,21,阻挡层势垒被削弱、变窄，有利于空穴向N区运动，电子向P区运动，结果能带倾斜减小，扩散增强。,在PN结上施加正向电压,pn结的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分布，形成增益区。,22,同质结：PN结是由同一种半导体材料构成的，P区和N区具有相同的带隙、接近相同的折射率（掺杂后折射率稍有变化，但很小）。缺点：在同质结中，光发射在结的两边都可以发生。因此，发光不集中，强度低，需要较大的注入电流。器件工作时发热非常严重，必须在低温环境下工作，不可能在室温下连续工作。,同质结和异质结,为了克服同质结的缺点，需要加强结区的光波导作用及对载流子的限定作用，这时可以采用异质结结构。,23,异质结：由带隙及折射率都不同的两种半导体材料构成的PN结。异质结可分为单异质结和双异质结。,利用不同折射率的材料对光波进行限制，利用不同带隙的材料对载流子进行限制。,24,根据能带结构的能量与波矢量关系，半导体材料可以分为光电性质完全不同的两类，即直接带隙材料和间接带隙材料。直接带隙材料：导带中的最低能量状态与价带中的最高能量状态具有相同的波矢量，即位于动量空间中的同一点上。间接带隙材料：导带中的最低能量状态与价带中的最高能量状态处在不同的波矢量位置上，即具有不同的动量。,直接带隙与间接带隙半导体,25,(a)直接带隙半导体和(b)间接带隙半导体的能量-动量图,26,在直接带隙材料中，电子在价带和导带之间跃迁符合动量守恒条件，光子与电子的相互作用不需要在声子的作用下就能完成，因此具有较大的跃迁几率。在间接带隙材料中，电子在价带和导带之间跃迁不符合动量守恒条件，光子与电子的相互作用需要在声子的作用下才能完成，因此跃迁几率非常低。,能带结构的这种差别使得这两类半导体材料的光电性质具有非常大的差异：,所以，间接带隙材料发光效率比较低，不适合于制作光源。,27,目前广泛应用的半导体材料主要有：硅（Si）、锗（Ge）等族半导体材料，属于间接带隙材料，不能用来制作半导体激光器，主要用于集成电路和光电检测器的制作。碲化镉（GdTe）、碲化锌（ZnTe）等族化合物半导体材料，均为直接带隙材料，主要用于可见光和红外光电子器件的制作。砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、砷磷化铟镓（InGaAsP）等绝大多数IIIV族化合物半导体材料，均为直接带隙材料，主要用于集成电路和光纤通信用半导体发光二极管、激光器、光电检测器的制作。,28,I.内量子效率在半导体pn结中，包括辐射复合与无辐射复合两种过程。为了衡量它们的相对大小，定义内量子效率i：,内量子效率可做的很高，但实际光器件的输出光子数远小于有源层中产生的光子数。原因：由于发光区产生的光子，部分被材料吸收；由于半导体材料的高折射率(n=34)，光子在界面处受到高反射，使逸出界面的光子数大为减少。,发光效率,29,即发光器件的总效率，定义为：,II.外量子效率,III.器件效率,即器件的功率转换效率，定义为：,I：为注入电流，V：为工作电压。,半导体光源的仅为百分之几。,30,2.2半导体发光二极管,2.2.1发光二极管的原理,发光二极管利用的是自发发射跃迁。发射的是非相干光。,光纤通信用的LED：GaAs/GaAs或AlGaAs/GaAs的LED，峰值波长在0.80.95m；InGaAsP/InP的LED，峰值波长1.3m和1.55m。多采用异质结结构。,31,2.2.2发光二极管的结构,在光纤通信系统中，发光二极管只用面发光二极管和边发光二极管两种。,发射波长为：,GaAs的.，用它做0.8m波长的红外；InGaAsP的.，用它做1.3m和1.55m波长的。,32,在衬底材料正对有源区的地方腐蚀出一个凹陷的区域，使光纤可以与发射面靠近，同时，在凹陷的区域注入环氧树脂，并在光纤末端放置透镜或形成球透镜，以提高光纤的接收效率。,1）面发光二极管,其发射面积限定在一个小区域内，横向尺寸与光纤尺寸相近。,33,SLED的光辐射分布,面发光二极管输出的功率较大，注入电流100mA时，可输出几毫瓦；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。,34,利用SiO2掩模技术，在P面形成垂直于端面的条形接触电极（约4050m），从而限定了有源区的宽度；有源区一端镀高反射膜，另一端镀增透膜，以实现单向出光。在垂直于结平面方向，发散角约为30，具有比面发光二极管高的输出耦合效率。,2）边发光二极管,35,ELED的结构,36,2.2.发光二极管的工作特性1）PI特性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。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2.53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。,37,在通常应用条件下，I=50150mA，P为几个毫瓦，入纤功率要小得多。当温度升高时，同一电流下的发射功率要降低。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。,LED的输出特性,38,2）光谱特性光源的线宽（）：光强下降一半的波长变化为输出谱线宽度。发光二极管发光谱线较宽，对GaAlAs/GaAs发光二极管，=2540nm，对InGaAsP/InP发光二极管，=75100nm。,光源线宽,39,LED的谱线宽度与掺杂浓度的关系：线宽随有源区掺杂浓度的增加而增加。面发光二极管一般是重掺杂，而边发光二极管为轻掺杂，因此面发光二极管的线宽就较宽。重掺杂时，发射波长还向长波长方向移动。,LED的谱线特性,40,LED的谱线宽度与温度的关系：,LED的谱线特性,温度的升高会使线宽加宽。,41,3）调制特性根据PI特性可以看出，改变发光二极管的注入电流就可以改变其输出光功率，从而实现光调制。,LED的(a)数字调制及(b)模拟调制,42,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。需要注意的是，在模拟调制中，首先要给发光二极管直流偏置，以防止当信号为负时，可能会因反偏而造成损坏。显然，对于模拟调制PI关系的非线性会使调制信号产生失真，在需要的情况下，可以利用线性补偿电路来进行改善。,43,光源非线性谐波的产生,44,调制带宽是LED调制特性的一个重要参量。设LED受频率的信号调制，输出功率为：,其中：P(0)为直流(=0)时的光输出，为LED及驱动电路的时间常数。当1/时，P()=0.707P(0)。在接收机中，检测电流正比与光功率，光功率下降到0.707（-1.5dB)时，接收电功率下降到(0.707)2=0.5,即-3dB。,45,因此，1/就是LED的3dB调制带宽或3dB电带宽。,当1/时，P()=0.707P(0)。在接收机中，检测电流正比与光功率，光功率下降到0.707（即-1.5dB)时，接收电功率下降到(0.707)2=0.5,即-3dB。,46,2.2.3高速发光二极管,LED：缺点:输出非相关光，谱宽宽、输出功率小、调制速率低、入纤功率低，适用短距离、低速系统。优点:成本低、工作温度范围宽、噪声低和控制电路简单。,对于光纤通信系统来说，要求LED有高的输出光功率和宽的调制带宽。对于高速通信系统而言，宽的调制带宽又是第一需要。,47,LED的频率响应取决于注入有源区的载流子的复合过程以及器件的寄生参数。LED的频响函数：,本征频响函数,寄生频响函数,要提高LED的调制带宽，必须同时提高它的本征频响能力和寄生频响能力。,48,本征频响函数：,为载流子辐射复合寿命，可表示为：,要提高LED的本征频响能力，应该：减小有源层厚度d；增大有源区掺杂P0；提高有源区的有效注入电流。,49,提高LED的寄生频响能力，采用高速LED驱动电路。,高速LED驱动电路由一个GaAs场效应晶体管放大器和一个均衡电路组成。,采用合理的LED结构和最佳有源区掺杂，并使用最佳参数的均衡电路驱动，可获得1Gb/s以上的调制速率。,50,2.2.4超辐射发光二极管,超辐射二极管（SLD)是一种介于激光器和发光二极管之间的半导体光源。即要有高功率输出，又要有宽的光谱宽度。是光纤陀螺和光纤传感器的理想光源。,SLD是一种自发辐射的单程光放大器件。在正向电流注入下，有源区内反转分布的电子由导带跃迁到价带或杂质能级时，与空穴复合而释放出光子。光在所给定的腔体内传播时经受了受激增益在后端面处存在一定的反射，但不提供反馈，理想输出端面的反射串Ro，此时输出的