光有源器件需要外加能源驱动才能工作的光电子

1、：需要外加能源驱动才能工作的光电子：需要外加能源驱动才能工作的光电子 器件器件半导体光源半导体光源(LD,LED,DFB,QW,MQW,VCSEL)半导体光探测器半导体光探测器(PD,PIN,APD）光纤激光器（光纤激光器（OFL:单波长、多波长）单波长、多波长）光放大器光放大器(SOA,EDFA)1.光波长转换器光波长转换器(XGM,XPM,FWM)第四章第四章 光源及光检测器光源及光检测器0F-PF-P腔激光二极管腔激光二极管(LD)(LD)0分布反馈布拉格激光器分布反馈布拉格激光器(DFB)(DFB)0分布布拉格反射激光器分布布拉格反射激光器(DBR)(DBR)0外腔激光器与外腔激光器与

2、Q Q开关激光器开关激光器0发光二极管发光二极管(LED)(LED)0光纤激光器光纤激光器(OFL) (OFL) 0垂直腔表面发射激光器垂直腔表面发射激光器(VCSEL) (VCSEL) 0多波长光源与波长可调谐激光器多波长光源与波长可调谐激光器0光电探测器光电探测器(PIN-PD(PIN-PD、APDAPD-PD) )半导体激光器、探测器的种类半导体激光器、探测器的种类4.1 4.1 发光器件的原理与特性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光纤通信系统中，采用的光源及检测器分别为半导体为半导体发光二极管发光二极管(LED)(LED)、激光器、激光器(LD)(LD)和半

3、导体和半导体光电探测器光电探测器(PD)(PD)。一、半导体异质结发光机理一、半导体异质结发光机理物质原子结构的图象：物质原子结构的图象： 半导体固体能带结构半导体固体能带结构( (由多个原子的能级组成由多个原子的能级组成) )：c 固体由原子组成，原子具有量子化的固体由原子组成，原子具有量子化的能级能级。由于化。由于化学环境及物理的原因，原子的能级要发生变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能带：原子内层能级被电子填满，由它们形成的能带也：原子内层能级被电子填满，由它们形成的能带也被电子占

4、满，称为被电子占满，称为满带满带( (价带价带) )；外层能级未被电子填满，；外层能级未被电子填满，它们形成的能带亦未被填满，称为它们形成的能带亦未被填满，称为导带导带。两者间的能量。两者间的能量距离距离g g，称为，称为禁带禁带。 下图简略表示出半导体、绝缘体、及金属的能带，这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。里仅画出了导带和满带。从从能带角度看，半导体和绝缘能带角度看，半导体和绝缘体的差别仅在于两者的体的差别仅在于两者的禁带不同，前者较窄，后者很宽，禁带不同，前者较窄，后者很宽，而金属的而金属的 g g =0 =0 。固体的能带理论固体的能带理论（1 1

5、）半导体的禁带很窄，满带中的电子较易进入导带。导）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。带中的电子在外场作用下运动而参与导电。（3 3）金属）金属导体没有禁带，可显示很强的导电性。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，）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。导电性很差。E外外 场场E E满带满带导带导带满带满带导带导带满带满带导带导带（1 1）半导体）半导体eVEg1 禁带禁带eVEg10 禁带禁带外外 场场（2 2） 绝缘体绝缘体（3 3）金属）金属（1 1）本征半导体）本征半导体纯

6、净的半导体，如硅、锗等。纯净的半导体，如硅、锗等。 半导体禁带宽度窄、在外场的作用下半导体禁带宽度窄、在外场的作用下, , 导带中的导带中的电子电子、满带中的、满带中的空穴空穴都可参与导电。都可参与导电。（本征导电性。见下图）（本征导电性。见下图）外外 场场满带导带E半导体的分类半导体的分类（2 2）杂质半导体）杂质半导体 当四价的元素中当四价的元素中 掺入少量掺入少量五价元素五价元素时形成时形成n n 型半导体。型半导体。如：硅中掺入杂质磷后，磷原如：硅中掺入杂质磷后，磷原子在硅中形成局部能级位于导子在硅中形成局部能级位于导带底附近（称为施主能级）。带底附近（称为施主能级）。 一般温度下，杂

7、质的价电一般温度下，杂质的价电子很容易子很容易 被激发跃迁至导带，被激发跃迁至导带，成为导电电子，使导带中的电成为导电电子，使导带中的电子浓度大大增加。子浓度大大增加。 n n 型半导体型半导体以电子导电为主。以电子导电为主。* n 型半导体型半导体E外场外场满带导带施主能级n 型半导体型半导体* P 型半导体型半导体 四价的元素中掺入四价的元素中掺入 少量三价元素时形成少量三价元素时形成 P P 型半导型半导体，如：在硅中掺入三价的杂质体，如：在硅中掺入三价的杂质硼，杂质原子的局部能级位于价硼，杂质原子的局部能级位于价带顶附近（称为受主能级）。带顶附近（称为受主能级）。 一般温度下，满带中的

8、电子一般温度下，满带中的电子很容易被激发跃迁至杂质能级上，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。大增加，而成为多数载流子。P P 型半导体以空穴导电为主。型半导体以空穴导电为主。外场外场E满带导带受主能级P 型半导体型半导体4Si4Ge5P5As5Sb3In3Al3B3Ga附：几个附：几个3、4、5价的元素价的元素P-N结：结：正向连接正向连接时，时，P中的空穴和中的空穴和N中的电子都易于通过中的电子都易于通过P-N 结，结， 形成形成P N的正向宏观电流。的正向宏观电流。 （2）作用：作用： PN结具有单向导电作结具有

9、单向导电作用用,是制造整流器和集成电是制造整流器和集成电路的基本结构。路的基本结构。结果：交界处出现正、负电偶层，阻挡继续扩散达到结果：交界处出现正、负电偶层，阻挡继续扩散达到平衡，形成平衡，形成P-N结。结。P型材料中的空穴将向型材料中的空穴将向N型材料扩散；型材料扩散；N型材型材料中的电子将向料中的电子将向P型材料扩散。型材料扩散。 NP NP 正向连接正向连接反向连接反向连接反向连接反向连接时，时，P中的空穴和中的空穴和N中的电子都难以通过中的电子都难以通过P-N 结。故结。故 P-N结具有单向导电的性能。结具有单向导电的性能。PN （1）形成：形成：P与与N密切接触密切接触自发辐射与受

10、激辐射：自发辐射与受激辐射： 导带的电子不稳定，向导带的电子不稳定，向价带跃迁与空穴复合而放出价带跃迁与空穴复合而放出光子光子光辐射。如果跃迁光辐射。如果跃迁是自发的，则是自发的，则光子具有随机光子具有随机的方向、相位及偏振态，称的方向、相位及偏振态，称为自发辐射为自发辐射； 如果受到入射光子的激如果受到入射光子的激励，励，辐射的光子与入射光子辐射的光子与入射光子有相同的方向、相位及偏振有相同的方向、相位及偏振态，称为自发辐射态，称为自发辐射。半导体异质结的发光与吸收半导体异质结的发光与吸收光吸收：光吸收： 半导体受到外来光子的照射，当外来光子半导体受到外来光子的照射，当外来光子的能量的能量

11、禁带能隙时，禁带能隙时，半导体价带的电子吸收光半导体价带的电子吸收光子向高能级跃迁，称为子向高能级跃迁，称为光吸收。光吸收。半导体光源的基本概念半导体光源的基本概念Einstein关系关系热平热平衡时，导带衡时，导带N2与价带与价带N1的粒子数分布：的粒子数分布：双异质结构双异质结构(Double Heterojunction)：有源层有源层(Active layer) ：P、N层的作用：提高层的作用：提高有源层的载流子复合有源层的载流子复合效率。限制光场。效率。限制光场。)exp(1212TkEENN21发光二极管发光二极管(LED)面面(Surface)(Surface)发光二极管发光二极

12、管 边边(Edge)(Edge)发光二极管发光二极管LED的发光原理与过程的发光原理与过程过程：过程：1, 1, 载流子在正向偏置载流子在正向偏置电压作用下扩散进入电压作用下扩散进入有源层；有源层；2, 2, 由于异质结势垒电由于异质结势垒电场的作用，电子和空场的作用，电子和空穴在有源区形成粒子穴在有源区形成粒子数反转；数反转；3, 3, 电子跃迁与空穴复电子跃迁与空穴复合，自发辐射光。实合，自发辐射光。实现电光转换。现电光转换。LED的主要特性的主要特性光功率与电流光功率与电流(PI)的的关系关系电流较小时，成线性；电流较小时，成线性；无阈值；无阈值；电流较小时，光功率逐电流较小时，光功率逐

13、步饱和；步饱和；光功率为光功率为mW量级；量级；温度升高，发光效率降温度升高，发光效率降低。原因载流子泄露增低。原因载流子泄露增大；非辐射复合增加；大；非辐射复合增加；热运动增加。热运动增加。光谱特性光谱特性带宽大：带宽大： 短波长短波长LED2540 nm 长波长长波长LED75100 nm带宽与有源层的掺杂浓度成正比。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。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。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，的带宽大，使得光纤色散加重，限制

14、了传输距离和速率。限制了传输距离和速率。LD的结构和工作原理的结构和工作原理增益导引激光器增益导引激光器（有源层侧面没有载流子限（有源层侧面没有载流子限制及光波限制）制及光波限制）与与LED的区别：结构上端面有的区别：结构上端面有反射膜反射膜；原理上属于；原理上属于受激光辐射受激光辐射。反射率反射率R1 等于等于1；R2小于小于1。产生激光的条件产生激光的条件 粒子的正常玻尔兹曼分布：粒子的正常玻尔兹曼分布： KTEAeN 要得到激光，必须实现粒子数反转，使要得到激光，必须实现粒子数反转，使受激辐受激辐射射占优势，占优势，为保证实现粒子数反转必须有为保证实现粒子数反转必须有:（1）激励能源（泵

15、浦）激励能源（泵浦）电、光、气体放电、化学、电、光、气体放电、化学、核能等。核能等。（2）工作物质（激活物质），工作物质（激活物质），实现粒子数反转。实现粒子数反转。),( NE（3）谐振腔）谐振腔 腔内受激发射的光子，沿轴来回反射、强度增大，凡传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。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，使反射镜镀有多层膜，适当选择其厚度，使所需波长所需波长得到得到“相长干涉相长干涉” 后，反射后，反射加强，光强度得到放大加强，光强度得到放大。 精心设计腔长，使所需频率的波形成驻波精心设计腔长，使所需频率的波

16、形成驻波(两端为波两端为波)， 形成稳定的振荡得到加强。形成稳定的振荡得到加强。 两端装有布儒斯特窗，得到所需的两端装有布儒斯特窗，得到所需的偏振态。偏振态。 谐振腔的作用：产生与维持光的振荡加强；谐振腔的作用：产生与维持光的振荡加强；使激使激光有极好的方向性、光有极好的方向性、单色性单色性。即对光放大实行即对光放大实行 选择、选择、控制、增强控制、增强 的作用。的作用。半导体半导体PN结的受激辐射结的受激辐射LD的主要特性的主要特性 PI关系曲线关系曲线 经历了自发辐经历了自发辐射射(OA)、受激辐、受激辐射射(AB)、逐步饱、逐步饱和和(BC)的过程。的过程。 光谱较窄。光谱较窄。 温度升

17、高，发温度升高，发光效率降低。光效率降低。AOBC)/(00TTpxeJJht单纵模单纵模LD 沿着谐振腔前后的轴线方沿着谐振腔前后的轴线方向，形成的驻波。向，形成的驻波。条件为：条件为： L=m( /2n)M:模的级次；模的级次；n: 折射率；折射率； :波长。波长。性能评价：边模抑制比性能评价：边模抑制比(MSR): MSR=Pmm/PsmPmm主模的功率，主模的功率， Psm最大边最大边模的功率。模的功率。 单纵模单纵模LD的设计原则：的设计原则：基于纵模的损基于纵模的损耗差，即损耗小的模先达到阈值条件而成耗差，即损耗小的模先达到阈值条件而成为振荡主模。为振荡主模。LD的工作组件的工作组

18、件 LD工作时的光电转换工作时的光电转换效率只有效率只有10%左右，发热左右，发热严重。必须有散热部件和严重。必须有散热部件和恒温控制。恒温控制。4.2 光探测器的原理与特性光探测器的原理与特性hvP-I-N型型PD原理过程：原理过程： 入射光入射光除了被吸收以外，除了被吸收以外，还还激发电子激发电子空穴对空穴对，在耗尽层空间电荷场的作在耗尽层空间电荷场的作用下，分别向用下，分别向N区、区、P区区运动；运动； 外加反向偏压外加反向偏压，加快载，加快载流子的漂移速度；若外电流子的漂移速度；若外电路连通，则形成电流。路连通，则形成电流。空穴空穴电子电子雪崩型探测器的原理过程雪崩型探测器的原理过程(Avalanche Photo Detector)入射光除了被吸收外，还在入射光除了被吸收外，还在pn结内激发电子结内激发电子空穴空穴对。对。载流子被强电场加速，发生碰撞电离产生新的载流