光电子器件基础与技术lecture403课件

张伟利副教授E-mail:B2091-1.激光原理-2.激光器种类-3.激光技术2激光原理与技术32.4半导体光源A.基础概念B.发光二极管（LED）C.激光二极管（LD）物体分类导

体：导电率为105s.cm-1，量级，如金属绝缘体：导电率为10-22~10-14s.cm-1量级，如：橡胶、云母、塑料等。半导体：

导电能力介于导体和绝缘体之间。如：硅、锗、砷化镓等。5半导体特性6掺杂特性温度特性光照特性掺入杂质则导电率增加几百倍温度增加使导电率大为增加光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势光敏器件光电器件光敏电阻光敏开关激光器7IV族半导体材料

----硅Si，锗GeIII-V族化合物半导体材料

---GaAs,InP，GaAlAs，InGaAsPII-VI族化合物半导体材料

----GdTe,ZnTe,HgGdTe,ZnSeTe半导体材料本征半导体的原子结构和共价键共价键内的电子称为束缚电子价带导带挣脱原子核束缚的电子称为自由电子价带中留下的空位称为空穴禁带EG外电场E自由电子定向移动形成电子流束缚电子填补空穴的定向移动形成空穴流9本征半导体中有两种载流子自由电子和空穴它们是成对出现的在外电场的作用下，产生电流，包括：电子流自由电子作定向运动形成的与外电场方向相反自由电子始终在导带内运动空穴流价电子递补空穴形成的与外电场方向相同始终在价带内运动载流子10价带导带禁带EG半导体能带结构自由电子价电子与空穴费米能级Ef本征半导体Ef是任何温度下能级占据几率为1/2的能级11本征半导体中的载流子密度13五价元素很容易贡献电子，称为施主杂质。施主杂质因提供自电子而带正电荷。自由电子是多子由杂质原子提供；空穴是少子由热激发形成。n型半导体：本征半导体中掺入的五价元素1415施主能级ED略低于导带底，在常温下大多数施主电子热激发到了导带中n型半导体中的载流子浓度17受主能级EA略高于价带顶使价带中产生更多的空穴p型半导体中的载流子浓度PN结的形成P区N区扩散运动载流子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动形成的电流成为扩散电流内电场内电场阻碍多子向对方的扩散即阻碍扩散运动同时促进少子向对方漂移即促进了漂移运动扩散运动=漂移运动时达到动态平衡18内电场阻止多子扩散

因浓度差多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移PN结形成19PN结光电效应21内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。反向偏压－－－－++++PN+外电场—耗尽区内注入电子、空穴—辐射复合—发光_LightPN结电致发光22正向偏压发光二极管RedLEDWhiteLEDLEDfordisplaysBlueLEDLEDfortrafficlightLEDs23为了提高辐射度，发光二极管也采用双异质结构，但没有谐振腔，发光过程中不需要粒子数反转，是自发辐射过程。按光输出位置不同，可分为边发射型和面发射型：LED的结构和分类25双异质结LED由于导带和价带都是包含许多细微能级的能带，复合发光的光子能量有一个较宽的能量范围，使自发发射光谱的谱线较宽LED的输出特性LED的发光光谱谱线宽度：一般为30~50nm，长波长InGaAsP/InP材料的线宽60~120nm26同质结LD能带结构与其他激光器一样，要产生激光必须有增益介质、谐振腔和泵浦源，在一定条件下就可以产生激光。同质结LD对半导体材料的要求是重掺杂而且必须是“直接带隙”的半导体材料29当电流加大到一定值，准费米能级和的能量间隔大于禁带宽度时（伯拉德-杜拉福格条件）时，PN结中出现一个增益区（有源区），在这个区域内，价带主要由空穴占据，而导带则主要由电子占据，即实现了粒子数反转。同质结LD工作原理30电子由导带跃迁至价带，受激辐射将起主导作用，发出的光是激光。由于重掺杂，简并半导体的有源区束缚电子和空穴的能力较弱，需要很大的注入电流密度才能实现粒子数反转，所以难以实现室温下连续工作，只能在低温下工作。为了降低电流密度阈值，人们研究了单异质结和双异质结半导体激光器。同质结LD的特点31异质结激光器能带示意图异质结LD能带结构32异质结是指由两种带隙宽度不同的半导体材料组成的p-n结利用异质结特别是双异质结可以将电子和空穴更好地束缚在有源区的势阱中。

不同半导体材料的带隙差也使有源区的折射率高于邻近的介质，这样使光子也限制在有源区内，载流子和光子的束缚使得激光器的阈值电流密度大幅度下降，从而实现了室温连续工作。异质结LD特点33半导体激光器的基本结构是双异质结(DH)平面条形结构.双异质结平面条形LD的基本结构F-P腔LD的结构34很难将光导引到光纤增益导引半导体激光器：沿激光长度方向放置一个窄的条形电极，将注入电流限制在一个窄条里。缺点：光功率增大时，光斑尺寸不稳定，模式稳定性亦不高。折射率导引半导体激光器，引入折射率差。结构简单，制造工艺不太复杂，辐射光空间分布稳定性高，被大多数光波系统使用。35激光发射中心波长可由得到

F-P谐振腔内要使光建立稳定的振荡，必须满足一定的相位条件和振幅条件。*相位条件使发射光谱波长得到选择*振幅条件决定了半导体激光器的电流阈值

F-P腔LD的工作条件36相位条件是：

所以满足相位条件的波长为式中，n是有源区介质的折射率；q=1,2,3,4,…是纵模模数。37振幅条件是：

式中，gth

为增益系数阈值；a为有源区的损耗系数；R1,R2

是两个镜面的反射率。由此可知增益阈值为增益系数大致与注入电流密度成正比，因此半导体激光器是阈值器件。38发射波长和光谱特性只有符合相位条件且净增益大于0的模式的光能够稳定输出。39分布反馈半导体激光器(DFBLD)

DFB半导体激光器的结构40

DFB工作原理可以用Bragg反射来说明，对于周期性波导，当I1、I2、I3

满足同向相干加强的条时式中，为周期波导的结构周期，n

是材料的折射率，是传输光的波长。当=/2

时，2n

=p，这就是激光器稳定振荡的相位条件。41DFB激光器较F-P型激光器具有以下优点：(2)谱线窄，波长稳定性好。(3)动态谱线性好，在高速调制时仍然保持单模特性。(4)线性度好(1)可以实现单纵模振荡，F-P型激光器的发射光谱，单纵模振荡非常困难。DFB激光器的发射光谱则主要由光栅周期决定，比L小得多，p

阶和p+1

阶模之间波长间隔很大，容易设计成单纵模振荡。42DBRLD的周期性沟槽不在有源波导表面上，而是在有源层波导两外侧的无源波导层上，这两个无源的光栅波导充当Bragg反射镜的作用,只有在Bragg频率附近的光波才能满足振荡条件，从而发射出激光。GaAs/AlGaAsDBR激光二极管43分布Bragg反射型激光器DBRLD特点：低阈值电流高输出功率窄线宽频率啁啾改善调制速率高由源区厚度薄1~10nm（F-P腔100~200nm）周期结构，将窄带隙的很薄的有源区夹在宽带隙的半导体材料之间，形成势能阱多个势能阱--多量子阱（MQW），单个势能阱--单量子阱（SQW）。44量子阱激光器QWLD45-Lightemissionisverticaltotheactivelayer-Smalldimension-Easytomade2Dlaserarrays垂直腔面发射激光器(VCSEL)等离子体半导体激光器46利用表面等离子体极化激元的产生，克服衍射极限，将光限制在极小区域，实现纳米量级的激光器-ProfZhanxiang’sLabatUCBerkeley-Theirpublications47等离子激光器随机激光器-增益介质是无序结构，不需要光学谐振腔

-散射形成的闭合回路充当谐振腔-通常输出时间相干、空间不相干激光484949结构简单、材料广泛、制作成本低、任意形状、发射角广、相对强度高光成像光显示光传感标签识别随机激光特点及应用器50随机激光器-SnO2

纳米线随机激光器Ref:DrH.Y.Yang51光纤激光器随机激光器无传统F-P腔随机分布反馈光纤激光器RDF-FL或RFLRaman放大瑞利散射“afibrelaserwithamirrorlessopencavitythatoperatesviaRayleighscattering,amplifiedthroughtheRamaneffect.Random

Distributed

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Fibre

Laser随机光纤激光器（RFL）SergeiK.Turitsyn,etal.,NaturePhotonics,4,231(2010)“Thisisthefirst