第三章光电子技术ppt课件

1、|1.什么是光电子技术、光电子学什么是光电子技术、光电子学|2.半导体物理学基础半导体物理学基础|3.激光基本原理激光基本原理|4.半导体光源半导体光源|5.半导体光电探测器半导体光电探测器光子与电子光子与电子 特特 征征 电电 子子 光光 子子 静止质量静止质量(m) m0 0 运动质量运动质量(m) me h/c2 传传 播播 特特 性性 不能在自由空间传播不能在自由空间传播 能在自由空间传能在自由空间传播播 传传 播播 速速 度度 小于光速小于光速(c) 等于光速等于光速(c) 时时 间间 特特 性性 具时间不可逆性具时间不可逆性 具一定的类时间可具一定的类时间可逆性逆性 空空 间间 特

2、特 性性 高度的空间局域高度的空间局域 不具空间局域性不具空间局域性 粒粒 子子 特特 性性 费米子费米子 (费米统计费米统计) 玻色子玻色子 (玻色统计玻色统计) 电电 荷荷 - e 0 自自 旋旋 l(h)/2 l(h)光子的优越性光子的优越性1.光子具有极高的信息容量和效率光子具有极高的信息容量和效率2.光子具有极快的响应能力光子具有极快的响应能力 3.光子具有极强的互连能力与并行能光子具有极强的互连能力与并行能力力4.光子具有极大的存储能力光子具有极大的存储能力难点难点控制能力差控制能力差电子技术的发展电子技术的发展半导体电子学的强大生命半导体电子学的强大生命力在于它能够实现集成力在于

3、它能够实现集成化化处理功能和运行速度得到处理功能和运行速度得到大幅度提高，功耗大大大幅度提高，功耗大大降低降低尺寸大大缩小尺寸大大缩小芯片的成品率、可靠性和芯片的成品率、可靠性和性价比极大改善性价比极大改善p但是利用电子作为信息的载体，但是利用电子作为信息的载体，由于路径延迟和电磁串扰效应由于路径延迟和电磁串扰效应的存在，无论从技术局限或是的存在，无论从技术局限或是经济代价以及信息安全的角度经济代价以及信息安全的角度来考虑，电子技术都出现了它来考虑，电子技术都出现了它的阶段局限性。的阶段局限性。 p超高速率、超大容量信息系统超高速率、超大容量信息系统中用光子作为信息的载体是继中用光子作为信息的

4、载体是继电子之后的最佳选择。由此应电子之后的最佳选择。由此应运产生了信息光子学。运产生了信息光子学。 未来的集成系统必然是未来的集成系统必然是光子集成回路与微电子集成电路的共融体光子集成回路与微电子集成电路的共融体 光电子学光电子学光电子学是以光与物质相互作用为研究对象的一光电子学是以光与物质相互作用为研究对象的一门内容极其深广的学术分支。光电子学及其系门内容极其深广的学术分支。光电子学及其系统的发展，依赖于光统的发展，依赖于光-电和电电和电-光转换、光学传光转换、光学传输、加工处理和存储等技术的发展，其关键是输、加工处理和存储等技术的发展，其关键是光电子器件。光电子器件。 光电子技术光电子技

5、术光电子技术是以光电子学为基础，以与光的产生、光电子技术是以光电子学为基础，以与光的产生、控制、传输、光信息处理、转化等有关的器件控制、传输、光信息处理、转化等有关的器件与系统为研究对象的新型综合性技术领域。内与系统为研究对象的新型综合性技术领域。内容包括：容包括：激光技术激光技术导波光电子技术导波光电子技术(光子学、光无源器件光子学、光无源器件)半导体光电子技术半导体光电子技术(LD、LED、APD)其它材料与器件其它材料与器件(电光、磁光、声光、弹光电光、磁光、声光、弹光)。涉及知识：电磁场理论、半导体物理、量子力学涉及知识：电磁场理论、半导体物理、量子力学等等【光有源器件】-需要外加能源

6、驱动工作的光电子器件半导体光源(LD,LED,DFB,DBR,QW,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)光调制器光开关/路由器【光无源器件】-不需要外加能源驱动工作的光电子器件光纤连接器固定、活动,FC/PC,FC/APC）光纤定向耦合器/分支器光分插复用器OADM)光波分/密集波分复用器WDM/DWDM)光衰减器固定、连续）光滤波器带通、带阻）光纤隔离器与环行器偏振有关、无关）光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅导体导体绝缘体绝缘体材料分类材料分类按导电性按导电性半导体半导体2

7、2、半导体物理学基础、半导体物理学基础半导体：禁带宽度小，满带半导体：禁带宽度小，满带(价带价带)中的少部分电子在中的少部分电子在室温下可通过热激发进入导带，同时在满带中留下相室温下可通过热激发进入导带，同时在满带中留下相应的电子空位应的电子空位(空穴空穴)，显示出部分导电性。导电性介，显示出部分导电性。导电性介于导体和绝缘体之间。于导体和绝缘体之间。载流子：导带子的电子和价带中的空穴总称。载流子：导带子的电子和价带中的空穴总称。半导体掺杂半导体掺杂: 半导体材料的电磁性质可以半导体材料的电磁性质可以通过掺入不同类型和浓度的杂质而改变通过掺入不同类型和浓度的杂质而改变.半导体中的杂质可以在禁带

8、中形成电子的半导体中的杂质可以在禁带中形成电子的束缚态能级束缚态能级,称为杂质能级称为杂质能级.若掺杂提供的是带有电子的杂质能级若掺杂提供的是带有电子的杂质能级,则则称为施主杂质称为施主杂质若掺杂提供的是带有空穴的杂质能级若掺杂提供的是带有空穴的杂质能级,则则称为受主杂质称为受主杂质根据掺杂类型可对半导体材料进行分类根据掺杂类型可对半导体材料进行分类: I型、型、P型、型、N型型注意：施主能级和受主能级在禁带中。注意：施主能级和受主能级在禁带中。施主掺杂及施主掺杂及n型半导体型半导体PED施主能级和施主能级和施主电离施主电离分析分析施主能级位于禁带之中；施主能级位于禁带之中；施主能级上的电子很

9、容易被激发到施主能级上的电子很容易被激发到导带上去；导带上去；导带的电子浓度远大于价带的空穴导带的电子浓度远大于价带的空穴浓度，导电性主要依赖电子。浓度，导电性主要依赖电子。受主掺杂及受主掺杂及p型半导体型半导体EA分析分析受主能级位于禁带之中；受主能级位于禁带之中；价带中的电子很容易被激发到受主价带中的电子很容易被激发到受主能级上去；能级上去；价带的空穴浓度远大于导带的电子价带的空穴浓度远大于导带的电子浓度，导电性主要依赖空穴。浓度，导电性主要依赖空穴。受主能级和受主能级和受主电离受主电离I型本征半导体N型半导体P型半导体 I I 型半导体本征型）：无杂质或杂质浓度很低的半型半导体本征型）：

10、无杂质或杂质浓度很低的半导体，电子与空穴浓度基本相同。导体，电子与空穴浓度基本相同。N N型半导体：掺有施主杂质的半导体，其电子浓度远大型半导体：掺有施主杂质的半导体，其电子浓度远大于空穴浓度。于空穴浓度。P P型半导体：掺有受主杂质的半导体，其电子浓度远小型半导体：掺有受主杂质的半导体，其电子浓度远小于空穴浓度。于空穴浓度。三类半导体三类半导体主要的半导体材料主要的半导体材料(由其化学元素来区分由其化学元素来区分)p族材料：族材料：SiSi、GeGe及及SiGeSiGe合金；间接带隙；微电子和光电管。合金；间接带隙；微电子和光电管。p-族化合物材料：族化合物材料：GaAlAs/GaAsGaA

11、lAs/GaAs、InGaAsP/InPInGaAsP/InP、InAlGaN/GaNInAlGaN/GaN、InAlGaAs/InPInAlGaAs/InP等材料系；直接带隙；微电子和等材料系；直接带隙；微电子和各种光电子器件。各种光电子器件。p-族化合物材料：族化合物材料：ZnSeTeZnSeTe、HgGdTeHgGdTe等；直接带隙；可见等；直接带隙；可见光和远红外光电子器件。光和远红外光电子器件。p半导体掺杂材料的选择原则半导体掺杂材料的选择原则: : 如果掺入的杂质原子代替半导如果掺入的杂质原子代替半导体晶格中的原子后存在多余的价电子，该杂质为施主杂质；如体晶格中的原子后存在多余的价

12、电子，该杂质为施主杂质；如果掺入的杂质原子代替半导体晶格中的原子后尚缺乏成键所需果掺入的杂质原子代替半导体晶格中的原子后尚缺乏成键所需要的电子，即存在电子空位，该杂质为受主杂质。要的电子，即存在电子空位，该杂质为受主杂质。3 3、激光基本原理、激光基本原理光发射和光吸收光发射和光吸收T T为热力学温度，为热力学温度，k=1.381k=1.38110-23J/K10-23J/K为玻尔兹曼常数为玻尔兹曼常数)(exp11)(kTEEEff在热平衡状态下，粒子占据能量为在热平衡状态下，粒子占据能量为 E 的状态的几率服从的状态的几率服从Fermi-Dirac统计：统计：Ef Ef 为体系的为体系的F

13、ermiFermi能级，能级，k k 为为BoltzmannBoltzmann常数，常数，T T 为绝对温度。为绝对温度。能量能量E E越大，几率越大，几率f(E)f(E)越小，符合能量最低原理。越小，符合能量最低原理。当T 0K时， f(Ef) = 1/2当T = 0K时， f(EEf) = 0 ,f(EEf) = 1 这表明导带中的电子大多数位于导带底部，随着这表明导带中的电子大多数位于导带底部，随着E增大，电增大，电子占据该状态的几率近似按照指数衰减。子占据该状态的几率近似按照指数衰减。 光增益产生的条件光增益产生的条件fcfvgEEhE4 4、半导体光源、半导体光源|工作物质工作物质|

14、处于粒子数反转处于粒子数反转分布状态的工作分布状态的工作物质，称为激活物质，称为激活物质或增益物质；物质或增益物质；|能对光场进行放能对光场进行放大，它是产生激大，它是产生激光的必要条件。光的必要条件。& 激励源激励源使工作物质产生粒子数反转使工作物质产生粒子数反转分布的外界条件，称为激分布的外界条件，称为激励源或泵浦源。励源或泵浦源。 物质在激励源的作用下，使物质在激励源的作用下，使得处于某一高能级的粒子得处于某一高能级的粒子数大于处于某一低能级的数大于处于某一低能级的粒子数，从而受激辐射大粒子数，从而受激辐射大于受激吸收，有光的放大于受激吸收，有光的放大作用。这时的工作物质已作用。

15、这时的工作物质已被激活。被激活。& 光学谐振腔光学谐振腔|激活物质只能使光放大，只有把激活物质置于光学谐振激活物质只能使光放大，只有把激活物质置于光学谐振腔中，以提供必要的反馈及对光的频率和方向进行选择，腔中，以提供必要的反馈及对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。才能获得连续的光放大和激光振荡输出。（1使激光具有极好的方向性沿轴线）使激光具有极好的方向性沿轴线）（2增强光放大作用相当于延长了工作物质）增强光放大作用相当于延长了工作物质）（3使激光具有极好的单色性选频）使激光具有极好的单色性选频）疑问疑问将工作物质、光将工作物质、光学谐振腔和泵学谐振腔和泵浦源安置好后，浦源安置好后，开通电源，一开通电源，一定能得到激光定能得到激光输出吗？输出吗？激励能源激励能源全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜激光激光不一定！不一定！低速调制下出现的现象：低速调制下出现的现象：（1 1）（2 2）使使|包层泵浦技术包层泵浦技术|光纤耦合技术光纤耦合技术美国美国IPG Photonics公司、德国公司、德国Jena大学的应用物理所和英国大学的应用物理所和英国S