光子学与信息时代第三讲

光子学与信息时代

WuhanUniversityofTechnology第三讲光子学器件及其物理基础（Ⅱ）光子学技术－信息化时代的支持技术本章内容

一、粒子系统的光跃迁－－－光源二、光在介质中的传输－－－光波导三、半导体的光吸收－－－光子探测器四、光子功能器件1、半导体的光吸收光吸收是介质固有的物理属性，在宏观上表现为：由于入射传输光被吸收，在传输路径上就表现出光强度沿途的不断衰减，通常用吸收系数α表征光吸收程度的强弱。吸收系数α即表示入射光在介质中传输单位距离后光强衰减量的相对值。半导体对光的吸收机理有：本征吸收、杂质吸收、激子吸收、自由载流子吸收和晶格振动吸收。（1）本征吸收

EvEchν在不考虑热激发和杂质的作用时，半导体中的电子基本上处于价带中，导带中的电子很少。当光入射到半导体表面时，原子外层价电子吸收足够的光子能量，越过禁带，进入导带，成为可以自由运动的自由电子。同时，在价带中留下一个自由空穴，产生电子-空穴对。半导体价带电子吸收光子能量跃迁入导带，产生电子空穴对的现象称为本征吸收。显然，发生本征吸收的条件是光子能量必须大于半导体的禁带宽度Eg，才能使价带EV上的电子吸收足够的能量跃入到导带底能级EC之上，即由此，可以得到发生本征吸收的光波长波限

陡峭截止边吸收带（2）杂质吸收

EvEcN型半导体中，杂质能级（施主能级）上未电离的杂质原子（施主原子）吸收能量hv大于等于施主电离能，杂质原子的外层电子将从跃入导带，成为自由电子。EvEcP型半导体中，价带上的电子吸收了能量hv大于受主电离能的光子后，价电子跃入受主能级，价带上留下空穴。相当于受主能级上的空穴吸收光子能量跃入价带。ΔEDΔEA2、光电效应及其光子探测器本征吸收和杂质吸收能够直接产生非平衡载流子，引起光电效应。内光电效应是被光激发所产生的载流子（自由电子或空穴）仍在物质内部运动，使物质的电导率发生变化或产生光生伏特的现象。外光电效应是被光激发产生的电子逸出物质表面，形成真空中的电子的现象。（1）光电导效应－－－光敏电阻

光电导效应可分为本征光电导效应与杂质光电导效应两种，本征半导体或杂质半导体价带中的电子吸收光子能量跃入导带产生本征吸收，导带中产生光生自由电子，价带中产生光生自由空穴。光生电子与空穴使半导体的电导率发生变化。这种在光的作用下由本征吸收引起的半导体电导率的变化现象称为本征光电导效应。

光敏电阻具有体积小，坚固耐用，价格低廉，光谱响应范围宽等优点。广泛应用于微弱辐射信号的探测领域。光控开关硫化镉(CdS)光敏电阻照相机电子快门控制硫化镉(CdS)光敏电阻火焰探测报警器PbS光敏电阻（2）光生伏特效应

光生伏特效应是基于半导体PN结基础上的一种将光能转换成电能的效应。当入射辐射作用在半导体PN结上产生本征吸收时，价带中的光生空穴与导带中的光生电子在PN结内建电场的作用下分开，形成光生伏特电压或光生电流的现象。（a）PIN光电二极管用于光纤通信的1.3－1.6um波段的高速探测器，InGaAsPIN光电二极管是较理想的一种。（b）雪崩光电二极管

（AvalanchePhotodiode，APD）HighSpeedDetector（c）光电池太阳能光电池主要用作向负载提供电源，可直接将太阳能转换成电能。测量光电池的主要功能是作为光电探测，即在不加偏置的情况下将光信号转换成电信号。BIPV并网光伏系统日本AriaKa摄影工作室外的光伏系统BIPV并网光伏系统瑞士学生公寓上的玻璃幕墙德国旭格国际集团安装的一个建筑屋顶项目日本sanyo1MW的屋顶Hondadream,thewinningcarinthe1996WorldSolarChallenge.本章内容

一、粒子系统的光跃迁－－－光源二、光在介质中的传输－－－光波导三、半导体的光吸收－－－光子探测器四、光子功能器件四、光子功能器件光传输系统，除了光子发射源和光子接收器外，尚需要一些光波导和光器件。1、光调制器2、光开关3、光环形器和光隔离器1、光调制器（Modulator

）光的调制是光子（或光波）载体载入信息的物理过程。光调制器：实现从电信号到光信号的转换光调制的分类：从光源调制角度看，有两种方法实现光调制，其一，将调制信号直接注入激光器（调制激光器驱动电流），而实现激光输出光强度等参数的调制--内调制或直接调制（简单、经济、引入较大的啁啾）；其二，将调制信号控制激光器后接的外调制器，利用调制器的电光、声光等物理效应使其输出光的强度等参数随信号而变--外调制（调制信号啁啾小）。按被调制光波的参数分：强度调制、相位调制、偏振调制等。直接调制和外调制Laser

DirectModulationofLaserDiodeBias+DATA

Issues--ComplexDynamicsYield

ExternalModulationofLaserDiodeLaserModulator

BiasBias+DATAIssues--AdditionalComponent光源的外调制技术调制信号不直接施加在LD上，而是施加在光调制器上。外调制技术分类：电光调制

ElectroopticEffects电致吸收

Electro-AbsorptionEffects磁光调制MagnetoopticEffects声光调制AcousticModulators其中电光调制和电致吸收最为常用。电光效应光调制器电光效应：电压施加于某些电光晶体(如LiNbO3)

，导致晶体折射率发生变化，引起通过该晶体的光波特性发生变化。折射率变化

n与外加电场E有着复杂的关系，可近似地认为

n与(r

E

+R

E

2)成正比。电光调制器主要利用普科尔(Pocket)效应.普科尔(Pocket)效应：晶体折射率与外加电场幅度成线形变化克尔(Kerr)效应：晶体折射率与外加电场幅度的平方成比例变化晶体折射率随外加电场而变化。具有非常好的消啁啾特性，适合于高速系统的超长距离传输。但调制器的插入损耗大，需要较高的驱动电压(典型值为4V)，难以与光源集成，而且对偏振敏感。40Gb/sLiNbO3Modulator电致吸收光调制器是一种损耗器件，利用Franz-Keldysh效应和量子限制Stark效应，工作在调制器材料吸收边界波长处。Franz-Keldysh效应：1958年提出，是指在电场作用下半导体材料的吸收边红移的理论。原理：改变调制器上的偏压，使多量子阱(MQW)的吸收边界波长发生变化，进而改变光束的通断，实现调制。当调制器无偏压时，光束处于通状态，输出功率最大；随着调制器上偏压的增加，MQW的吸收边移向长波长，原光束波长处吸收系数增大，调制器为断状态，输出功率最小。使用材料：III-V族半导体材料特点：易与激光器集成、体积小、驱动电压低（~2V）、啁啾大于LN调制器（2.5Gb/s--640km;10Gb/s--80km)、调制码（40Gb/s）、消光比低于LN调制器（~10dB）40Gb/sEAModulatorIntensityModulatorPhaseModulator2、光开关（Switches）实现光通道的通断和转换。光网络中的关键器件。开关时间是光开关的主要指标。不同的应用场合,对光开关的开关时间要求不同。应用开关时间需求光路的交换及管理(OADM、OXC)1~10ms保护开关1~10ms光包交换1ns外调制10ps机械光开关热光开关电光开关微光机电系统（MOEMS）光开关的分类机械式光开关特点：低插损、低PDL、低串话(隔离度高)、性能稳定、低价格，但速度慢(~ms)只能用在OXC和OADM节点中。是目前最为成熟，应用最广的光开关活动光纤光纤光纤固定装置热光效应光开关基本结构：MZ干涉仪，通过改变某一干涉臂的材料温度，而改变其相位差，进而实现光信号的通断特点：可以集成、开关速度优于机械式（ms）3dB耦合器波导臂薄膜加热器相位移动电光效应光开关LiNbO3波导型电光开关：等同于外调制器特点：速度快（10ps~1ns）、偏振敏感、价格昂贵半导体光放大器SOA光开关：改变SOA驱动电流来实现特点：速度快（~ns）、无损开关，但引入ASE噪声和可能导致信号畸变、价格昂贵Photoswitch

新型光开关——MOEMS微光机电系统(MOEMS)光开关是微机电系统技术(MEMS)与传统光技术相结合的新型机械式光开关。MEMS技术是基于半导体微细加工技术而成长起来的制作工艺技术，利用这种技术可以制作出微小而活动的机械系统。采用集成电路(IC)标准工艺在Si衬底上制作出集成的微反射镜阵列，反射镜尺寸非常小，仅300微米左右，比头发丝还细。I/OFibersImagingLensesReflectorMEMS2-axisTiltMirrorsMEMS光开关阵列优点：可实现超大规模交叉连接可利用IC工艺，批量生产

MirrorDetailedViewofMode-EclipsingOpticalSwitch--Lucent.

1NMEMSSwitch

3、光隔离器与环行器Isolators&Circulators用途：放置于激光器及光放大器前面，防止系统中的反射光对器件性能的影响甚至损伤，即只允许光单向传输。原理：一般由起偏器、检偏器和旋光器组成。与输入偏振态有关的光隔离器的工作原理Polarizer

Polarizer

Faradayrotator

Blocked

Reflectlight

SOPLightout

Lightin

起偏器与检偏器的透光轴成450角，旋光器使通过的光发生450旋转。当垂直偏振光入射时，全部通过起偏器。经旋光器后，光轴旋转450，恰与检偏器透光轴一致而获得低损耗传输