第三章光电子技术-课件

三、光电子器件三、光电子器件11.什么是光电子技术、光电子学2.半导体物理学基础3.激光基本原理4.半导体光源5.半导体光电探测器1.什么是光电子技术、光电子学光子与电子特征电子光子静止质量(m)m00运动质量(m)mehν/c2传播特性不能在自由空间传播能在自由空间传播传播速度小于光速(c)等于光速(c)时间特性具时间不可逆性具一定的类时间可逆性空间特性高度的空间局域不具空间局域性粒子特性费米子(费米统计)玻色子(玻色统计)电荷-e0自旋l(h)/2l(h)1.什么是光电子技术、光电子学光子与电子1.什么是光电子技术、光电子学光子的优越性1.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

3.光子具有极强的互连能力与并行能力4.光子具有极大的存储能力难点控制能力差光子的优越性电子技术的发展半导体电子学的强大生命力在于它能够实现集成化处理功能和运行速度得到大幅度提高，功耗大大降低尺寸大大缩小芯片的成品率、可靠性和性价比极大改善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来考虑，电子技术都出现了它的阶段局限性。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电子之后的最佳选择。由此应运产生了信息光子学。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

电子技术的发展但是利用电子作为信息的载体，由于路径延迟和电磁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-电和电-光转换、光学传输、加工处理和存储等技术的发展，其关键是光电子器件。

光电子技术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、转化等有关的器件与系统为研究对象的新型综合性技术领域。内容包括：激光技术导波光电子技术(光子学、光无源器件)半导体光电子技术(LD、LED、APD…)其它材料与器件(电光、磁光、声光、弹光…)。。。。。。涉及知识：电磁场理论、半导体物理、量子力学等光电子学【光有源器件】-----需要外加能源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【光有源器件】【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【光无源器件】导体绝缘体材料分类按导电性半导体2、半导体物理学基础导体绝缘体材料分类按导电性半导体2、半导体物理学基础半导体：禁带宽度小，满带(价带)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应的电子空位(空穴)，显示出部分导电性。导电性介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。半导体：禁带宽度小，满带(价带)中的少部分电子在室温下可通过半导体掺杂: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.半导体中的杂质可以在禁带中形成电子的束缚态能级,称为杂质能级.若掺杂提供的是带有电子的杂质能级,则称为施主杂质若掺杂提供的是带有空穴的杂质能级,则称为受主杂质根据掺杂类型可对半导体材料进行分类:I型、P型、N型半导体的掺杂和导电类型注意：施主能级和受主能级在禁带中。半导体掺杂:半导体材料的电磁性质可以通过掺入不同类型和浓度施主掺杂及n型半导体PED施主掺杂及n型半导体PED施主能级和施主电离分析施主能级位于禁带之中；施主能级上的电子很容易被激发到导带上去；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。施主能级和分析受主掺杂及p型半导体EA受主掺杂及p型半导体EA分析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能级上去；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。受主能级和受主电离分析受主能级和I型（本征）半导体N型半导体P型半导体

I型半导体（本征型）：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。N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。P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。三类半导体I型（本征）半导体N型半导体P型半导体I型半导体（本征型PN结PN结第三章光电子技术-课件主要的半导体材料(由其化学元素来区分)Ⅳ族材料：Si、Ge及SiGe合金；间接带隙；微电子和光电管。Ⅲ-Ⅴ族化合物材料：GaAlAs/GaAs、InGaAsP/InP、InAlGaN/GaN、InAlGaAs/InP等材料系；直接带隙；微电子和各种光电子器件。Ⅱ-Ⅵ族化合物材料：ZnSeTe、HgGdTe等；直接带隙；可见光和远红外光电子器件。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。主要的半导体材料(由其化学元素来区分)Ⅳ族材料：Si、Ge及第三章光电子技术-课件3、激光基本原理3、激光基本原理第三章光电子技术-课件第三章光电子技术-课件光发射和光吸收T为热力学温度，k=1.381×10-23J/K为玻尔兹曼常数光发射和光吸收T为热力学温度，k=1.381×10-23J/载流子的统计分布在热平衡状态下，粒子占据能量为E的状态的几率服从Fermi-Dirac统计：Ef为体系的Fermi能级，k为Boltzmann常数，T为绝对温度。能量E越大，几率f(E)越小，符合能量最低原理。当T>0K时，f(Ef)=1/2当T=0K时，f(E>Ef)=0,f(E<Ef)=1

这表明导带中的电子大多数位于导带底部，随着E增大，电子占据该状态的几率近似按照指数衰减。

载流子的统计分布在热平衡状态下，粒子占据能量为E的状态的*平衡状态下，半导体材料内具有统一的费米能级，辐射与吸收达到平衡，不可能使产生的光子数不断增多，即不可能产生光增益。*只有通过外部激励产生非平衡载流子，使载流子处于上能态的几率大于处于下能态的几率（粒子数反转分布），才能实现光增益。*外部激励方式：

（1）光辐照；（2）电注入*基于粒子数反转分布，可得光增益产生条件为：光增益产生的条件Efc:非平衡状态下导带的准费米能级；Efv:非平衡状态下价带的准费米能级hv:产生光子的能量；Eg:禁带宽度*平衡状态下，半导体材料内具有统一的费米能级，辐射与吸收达到4、半导体光源4、半导体光源LED的工作原理：4.1发光二极管（LED）LED的工作原理：4.1发光二极管（LED）LED的工作特性（P-I特性）LED的工作特性（P-I特性）LED的工作特性（光谱特性）LED的工作特性（光谱特性）LED的工作特性（频率特性）LED的工作特性（频率特性）LED的优缺点LED的优缺点第三章光电子技术-课件第三章光电子技术-课件室外大LED全彩色屏幕室外大LED全彩色屏幕4.2、半导体激光器4.2、半导体激光器产生激光的条件（1）工作物质处于粒子数反转分布状态的工作物质，称为激活物质或增益物质；能对光场进行放大，它是产生激光的必要条件。&激励源使工作物质产生粒子数反转分布的外界条件，称为激励源或泵浦源。物质在激励源的作用下，使得处于某一高能级的粒子数大于处于某一低能级的粒子数，从而受激辐射大于受激吸收，有光的放大作用。这时的工作物质已被激活。产生激光的条件（1）工作物质&激励源&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。（1）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）（3）使激光具有极好的单色性（选频）&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第三章光电子技术-课件疑问将工作物质、光学谐振腔和泵浦源安置好后，开通电源，一定能得到激光输出吗？激励能源全反射镜部分反射镜激光不一定！

阈值条件：只有当外界泵浦超过一定阈值时，光场在谐振腔内的往返振荡才能形成正反馈，使光场的增益不低于光场的损耗，才能形成持续稳定的光输出疑问激励能源全反射镜部分反射镜激光不一定！ 阈值条件：只有当产生激光的条件（2）产生激光的条件（2）LD的工作特性（P-I特性）LD的工作特性（P-I特性）LD的工作特性（温度特性）LD的工作特性（温度特性）LD的工作特性（调制特性）LD的工作特性（调制特性）低速调制下出现的现象：低速调制下出现的现象：LD的工作特性（模式特性）LD的工作特性（模式特性）第三章光电子技术-课件提高LD性能的方法（1）提高LD性能的方法（1）（2）（2）单纵模（SLM）激光器设计的基本思想使单纵模（SLM）激光器设计的基本思想使几种典型的SLM激光器几种典型的SLM激光器第三章光电子技术-课件第三章光电子技术-课件大功率光纤激光器

包层泵浦技术光纤耦合技术大功率光纤激光器包层泵浦技术光纤耦合技术美国IPGPhotonics公司、德国Jena大学的应用物理所和英国Southampton的ORC研制的单根双包层光纤激光器，连续输出功率分别达到135W、150W、1000W、4000W,20000W大功率光纤激光器

美国IPGPhotonics公司、德国Jena大学的应用物5、半导体光电探测器5、半导体光电探测器5.1PN光电二极管5.1PN光电二极管第三章光电子技术-课件5.2PIN光电二极管5.2PIN光电二极管第三章光电子技术-课件5.3APD光电二极管5.3APD光电二极管第三章光电子技术-课件5.4光电二极管工作特性和参数5.4光电