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第四章 光源及光检测器

第四章 光源及光检测器. 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). 半导体激光器、探测器的种类. 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)

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第四章 光源及光检测器

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  1. 第四章 光源及光检测器 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)

  2. 半导体激光器、探测器的种类 • 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)

  3. 光器件与电器件的类比

  4. §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

  5. 固体的能带理论 • 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 。

  6. 外 场 外 场 导带 导带 禁带 禁带 导带 满带 满带 满带 （1）半导体 （2） 绝缘体 （3）金属 （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。 （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。 （3）金属导体没有禁带，可显示很强的导电性。

  7. 半导体的分类 （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 导带 满带

  8. （2）杂质半导体 外场 * n型半导体 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。 导带 施主能级 满带 n型半导体

  9. 附：几个3、4、5价的元素 * P 型半导体 外场 导带 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。 受主能级 满带 P 型半导体

  10. P-N结： （1）形成：P与N密切接触 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。 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。 （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。 正向连接 反向连接 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。 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。

  11. 半导体异质结的发光与吸收 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。

  12. 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。

  13. 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。 1 2

  14. 发光二极管(LED) 面(Surface)发光二极管 边(Edge)发光二极管

  15. 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。

  16. LED的主要特性 • 光功率与电流(P—I)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。

  17. 光谱特性 • 带宽大： • 短波长LED——25~40 nm • 长波长LED——75~100 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。

  18. LD的结构和工作原理 与LED的区别：结构上端面有反射膜；原理上属于受激光辐射。 增益导引激光器 （有源层侧面没有载流子限制及光波限制） 反射率R1等于1；R2小于1。

  19. 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。

  20. （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。

  21. 半导体PN结的受激辐射

  22. LD的主要特性 C • P—I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。 B A O

  23. 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。

  24. 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。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。

  25. 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。

  26. §4.2 光探测器的原理与特性 • 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。 电子 hv 空穴

  27. 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。

  28. 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)

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