集成光电子器件及设计-4集成光有源器件

第四章

集成光有源器件集成光电子器件及设计2Outline

电光转换——激光器

F‐P,

DFB,

DBR.

QW,

SQW.

Tunable.

VECSEL.

光光转换——放大器

光电转换——探测器

PIN

MSM

Schottky‐barrier

PDLarge

scale

photonic

integrationIBM’s

concept

for

super‐computer

Intel’s

50Gbps

transmission

with

silicon

chips

for

optical

interconnects.Laser,

modulator,

photodetectors.

344.1

Laser1991‐2000

1971‐1980

1931‐1940

1941‐1950

1921‐1930

1901‐1910

1911‐1920

1951‐1960

1981‐1990

1961‐1970

2001‐2010

Laser

and

Nobel

Prize

There

are

many

significant

breakthroughs

after

laser

was

invented

in

1960’s.

510

8

6

4

2

01234567891011total

nubmeroptics

&

photonics6

激光简史1917年Einstein的理论预言：光子和原子相互作用包含三种过程:自发辐射、受激吸收和受激辐射（按此模型推导出和实验完全符合的黑体辐射Planck公式），提出在物质与辐射场的相互作用中，构成物质的原子或分子可以在光子的激励下产生光子的受激发射或吸收，预示了有可能利用受激发射实现光放大（Light

Amplification

by

Stimulated

Emission

of

Radiation—LASER

）。理论工作指出：受激辐射光波与激励光波同相位、同方向、同频率、同偏振。1954年汤斯(Townes)、巴索夫(Basov)、普洛霍洛夫(Prokhorov)

利用原子、分子的受激辐射来放大电磁波的新概念，实现氨分子微波量子振荡器(Maser)‐‐量子电子学。71958年汤斯、肖洛(Schawlow)—尺度远大于波长的开放式光谐振腔（Fabry‐Perot）布隆伯根（Bloembergen）利用光泵浦三能级原子系统实现粒子数反转分布1960年梅曼（Maiman）世界上第一台红宝石激光器1961年：He‐Ne激光器、第一台调Q激光器、钕玻璃激光器1962年：砷化镓（GaAs）半导体激光器1963年：激光器的半经典理论1964年：氩离子（

Ar+）激光器、二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）激光器1965年：铌酸锂光参量振荡器1966年：固体锁模激光器、染料激光器1970年：准分子激光器1977年：红外波段的自由电子激光器。。。素氘（质量数２）和氚（质量数３），解决了核聚变的一个关键困难。8激光技术50年发展时间表(1960~2010)1917年：爱因斯坦提出“受激发射”理论，一个光子使得受激原子发出一个相同的光子。1953年：美国物理学家Charles

Townes用微波实现了激光器的前身：微波受激发射放大（maser）1957年：Townes的博士生Gordon

Gould创造了“laser”这个词，指出可用光激发原子，产生一束相干光。1960年：美国加州Hughes

实验室的Theodore

Maiman实现了第一束激光。1961年：

激光首次在外科手术中用于杀灭视网膜肿瘤。1962年：发明半导体二极管激光器，这是今天小型商用激光器的支柱。1969年：激光用于遥感勘测，激光被射向阿波罗11号放在月球表面的反射器。1971年：

激光进入艺术世界，用于舞台光影效果以及激光全息摄像。英国籍匈牙利裔物理学家Dennis

Gabor凭借对全息摄像的研究获得诺贝尔奖。1974年：

第一个超市条形码扫描器出现。1975年：

IBM投放第一台商用机光打印机。1978年：

飞利浦制造出第一台LD播放机，不过价格很高。1982年：

第一台CD播放机出现，第一部CD盘是美国歌手Billy

Joel在1978年的专辑52nd

Street。1983年

：里根总统发表了“星球大战”的演讲，描绘了基于太空的激光武器。1988年：

北美和欧洲间架设了第一根光纤，用光脉冲来传输数据。1990年：激光用于制造业，包括集成电路和汽车制造。1991年：第一次用激光治疗近视，海湾战争中第一次用激光制导导弹。1996年：东芝推出数字多用途光盘（DVD）播放器。2008年：法国神经外科学家使用广导纤维激光和微创手术技术治疗了脑瘤。2010年：美国国家核安全管理局(NNSA)表示，通过使用192束激光来束缚核聚变的反应原料、氢的同位9

1.半导体的能带理论半导体晶体：电子共有化，电子运动非局域化同一能级上的电子的共有化运动使得产生许多共有化量子能级，能级间分布密集而至准连续分布，成为能带。能量最高被电子填满的能带为价带，价带以上未被填满的能带为导带，导带与价带之间的间隙为禁带。金属材料导带中部分能级被电子占据，半导体和绝缘体的差别在于禁带宽度的不同。102.载流子与掺杂ECEDEV导带

EA

价带*载流子：可以自由运动的导带中的电子与价带中的空穴*平衡载流子：本征半导体与掺杂半导体中热平衡状态下的载流子。*非平衡载流子：对于平衡态下的半导体施加外界某种能量，可以进一步将价带中的电子激发到导带中，出现非平衡载流子。外界能量包括：光激发，高能电子束激发，高场激发，PN结载流子注入等。f(E)

=E−EF11Fermi

level

EF

1

exp(

)+1

KT半导体电子占据能量为E的能级的几率Fermi‐Dirac分布12本征半导体：费米能级位于禁带中心，此时导带中的电子几乎是空的，价带几乎全部被占满。13电子跃迁和光辐射

自发光发射跃迁：导带中的电子以一定的概率随机地与价带中的空穴复合并

以光子的形式放出复合所产生的能量；

受激光吸收：一个具有适当能量的光子被半导体吸收时，

可以把能量传递

给价带中的一个电子，

使其跃迁到导带，

同时在价带产生了一个空穴，

从

而在半导体中产生了一个电子空穴对——光探测器的作用机理。

受激发射：在具有适当能量的光子的激励下，

导带中的电子跃迁回价带，

同时发射出一个与激励光子有同样特征的光子，

即导带中的电子在入射光

子激励之下与价带中的空穴复合，

发射另一个同样特征光子。受激发射的

光子具有与入射光相同的频率、相位和偏振等特征——半导体光放大器和半

导体激光器的作用机理。14

+动量守恒直接带隙材料：导带极小值与价带最大值在k空间位于相同的k值GaN,

InN,

InP,

GaAs,

InAs,

GaSb,

InSb所有II‐VI族半导体间接带隙材料：导带极小值与价带最大值在k空间位于不同的k值，跃迁需要改变动量，声子参与，所以跃迁几率很小Ge,

SiBP,

AlP,

GaP,

Bas,

AlAs,

AlSb

能量守恒

EFn

−

EFp

=

Ec

−

Ev=

Egpi

+

pphot

=

pfor

ki

+

2π/λphotu

=

kfp

=

mc

u=h/λ0u15Melting

Point(K)

4300

3070

1685

1231

2013

1920

1750

1510

980

1330

1215

798

2250

1920

1790

2020

1530

1370Energy

Gap(eV)

5.4

2.3

1.11

0.67

2.1

3.37

2.25

2.25

0.70

1.35

0.35

0.17

3.2

3.6

2.58

2.42

1.74

1.45Material

C(diamond)

SiC

Si

Ge

AlAs

GaN

GaP

GaAs

GaSb

InP

InAs

InSb

ZnO

ZnS

ZnSe

CdS

CdSe

CdTe16半导体光放大器&半导体激光器

热平衡状态的半导体介质对光辐射只有吸收而没有放大的作用。为了使半导体介质对

光辐射具有放大的作用，

必须通过某种“泵浦”

过程，

破坏热平衡，

使导带某高能态

中的电子数大于价带中相应低能态的电子数，

我们称这种状态为粒子数反转（也称分

布反转）

。只要使半导体导带、价带内的电子处于粒子数反转的状态，

受激光发射的

几率就大于受激光吸收的几率，

从而得到净的受激光发射。相应频率的光束入射到半

导体物质，

光强就会放大，

这就是半导体光放大器的作用机理。

如果半导体物质处于某种提供光反馈的谐振腔中，

即使没有入射光，

由于自发发射以

及普遍存在的电磁辐射干扰如宇宙线的作用，

总会有适当频率的光子存在，

通过正反

馈产生振荡，

迅速产生大量相同光子态的光子，即形成激光，

这就是半导体激光器的

作用机理。17

形成激光三个条件：①

通过泵浦过程形成粒子数反转，使受激辐射占优势，具有

光增益作用（必要条件）；②

需要有共振腔（谐振腔），以实现光的反馈和模式选择；③

泵浦能量要足够强，使增益超过损耗，即达到和超过阈值

增益条件，以维持稳定的激光振荡（充分条件）。形成粒子数反转——施加正偏压

半导体处于平衡态，

p

区和n

区

的费密能级相等。在热平衡状

态，

半导体中具有统一的费密能

级EF

，即半导体中电子和空穴浓

度

保持动态平衡。

加正偏压后，势垒高度降低，平

衡态被破坏，

使多数载流子分别

流入对方：电子从n

区导带注入

向p

区，

空穴从p

区价带注入向n

区。于是，

p

区和n

区少数载流

子比原来平衡态时增加了。这些增多的少数载流子称为“非平衡载流子”

。电子从导带跃迁到价带而复合时

光子

1819谐振腔——实现光子反馈

Fabry–Pérot

cavityRing

resonator

(cavity)20

法布里-珀罗双异质结激光器最初实现激射的半导体激光器是同质结激光器，

其阈值电流较大，不适合在室温下连续工作。异质结结构改善了这些缺陷，

现代半导体激光器一般都采用双异质结结构。有源层(窄带隙)

+

包覆层(宽带隙):有源层与包覆层之间的带隙差形成势垒，注入的载流子在该势垒中被俘获。窄带隙有源层折射率较大

光场被限制在有源层内；端解理面

F-P腔。半导体激光器的增益频谱较宽，不适合单模运行。

双异质结:

double

hetero

junction211.重掺杂n型GaAs衬底上三层波导结构，有源层位于p‐n结的p侧，其成分的设计有利于出射波长的选择以及折射率、带隙的调控。2.有源层厚度小于1微米，便于在整个厚度范围达到粒子数反转。3.NA≈2×1019cm‐3(p+),

NA≈1×1016cm‐3(有源层),

ND≈1×1017cm‐3(n‐GaAlAs),

NA≈2×1018cm‐3(衬底),

H.C.Casey：Heterostructure

Laser,

Part

B,

(Academic

Press,

New

York

1978),

109-132典型的DH激光器结构22性，实现振荡模的选模，可实现单波长激光器

分布反馈式半导体激光器

DFB:

Distributed

Feedback

折射率耦合分布反馈：有源区折射率在

谐振腔内周期变化(折射率光栅）

增益耦合分布反馈：有源区增益（或损

耗）在谐振腔内周期变化（有源层的周

期性微结构）。通常将增益耦合分布反

馈的有源层做成厚度周期性变化的结

构，使得激光器的纵向光场受到一个周

期性的调制，

这等效为光场模式的净增

益沿纵向受到周期性调制，

从而将增益

耦合机理引入激光器结构中。利

用耦合模理论，有限长度周期波导内的前向波与后向波耦合，具有

波长选择23

DBR半导体激光器

具有波长选择性的反射镜面，

将位于

光栅的最大反射率附近的一定波长的

纵模分离出来。

分布布拉格反射器式激光器的一个重

要的优点是可以改变波长，

多段分布

布拉格反射器式激光器及纵向双波导

分布布拉格反射器式激光器可作为波

长可调谐激光器，

而且兼有连续可调

与调谐范围大的优点，

因此得到研究

人员的广泛关注。DBR:

distributed

Bragg

reflector波长可调谐的半导体激光器

现代光通讯技术要求集成光源能够达到多波长选择，在较宽的范

围内波长调节可控、灵活、动态，所以波长可调谐(tunable)的半

导体激光器有着广泛的应用前景。

可调谐半导体激光器主要包含：

一个具有有源增益区和谐振腔的激光二极管

光增益和振荡

一个用于改变和选择波长的可调谐系统

调谐功能一套稳定输出波长的装置单模选择调谐：通过温度、电流、机械甚至微机电系统来实现。对于半导体激光器，

可通过改变载流子浓度的方式。稳定波长是通过某种锁定波长的装置或用反馈环控制的标准具来实现。

2425例1.布拉格反射光栅型LD

调谐：改变光栅反射区的折射率

布拉格波长~。其最大调谐范围受限

于光栅折射率的最大变化范围。对于半导体材料：改变载流子浓度以调

谐，

在1.5μm

波段调谐范围可达15nm.

调谐范围较小。26或分段连续的。SSG:

super

structure

grating;

DBR:

distributed

Bragg

grating

SSG‐DBR

tunable

LD

~100nm

的宽范围的不连续性波长调谐；两个超结构光栅反射器有周期性的反射谱。其相邻的反射峰之间的波长间隔，与取样光栅的间隔长度成反比。两个反射器的反射谱需要稍微不同的周期。当两个反射器同时在某一个波长达到峰值，并且仅在此波长达到峰值时，就在此波长发生激射光。通过注入电流调节两个反射器的反射谱，就可以调节激光输出波长。这种调谐方式的波长调谐是不连续的调谐范围还受有源区增益谱宽的限制！27

量子阱(Quantum

Well)激光器与体双异质结结构对比：

有源区依然是窄带隙材料，

周围是宽带隙材料

形成载

流子的陷阱；

有源层厚度显著减薄（体异

质结100nm～，量子阱5‐

10nm）；

量子阱激光器：F‐P型、DFB

式、DBR式、VCSEL式等。

益

处：

达到降低振荡阈值电流、扩大振荡波长区域、扩大调制带宽、降低噪声和增高频谱纯度等多种显著效果。28单量子阱(Single

Quantum

Well)激光器

常规SQW

laser中，很薄的有源层对非平衡载流子的收集能力也会减弱，

这

些因素都会使达到阈值条件所需的光增益变大，

从而使阈值电流增加。

GRIN‐SCH

量子阱激光器:

具有波导效应，能够限制光场，

明显降低阈值电流，充分发挥了量子阱结构在低注入电流下具有高增益的优点，已可获得0.95mA的阈值电流；

SQW

laser研究时间不长，

但发展很快，早在1987年就已实现商业化。

GRIN‐SCH:

graded‐index

separate‐confinement

heterostructure,

梯度折射率分限异质结构291.2.3.4.量子阱、量子线和量子点激光器

载流子的量子限制

增加参与跃迁的载流

子数目

降低阈值电流

(1μA)，提高增益

阈值电流受温度影响

程度随着量子限制的

增加而减弱30垂直腔面发射激光器(VCSEL)

半导体激光器的出射激光与衬底面相垂直，称为

面发射激光器。

垂直腔Vertical

cavity

surface

emitting

laser,

VCSEL

指的是激光腔的光束放大与反馈方向垂直于衬底

与有源层。

有源区：体异质结或量子阱结构（单量子阱或多

量子阱），提供光增益。

垂直腔：位于有源层的上下，高低折射率交替的

介质层或半导体层膜堆构成DBR，半导体薄膜构

成的DBR利用成分差异构建折射率差，可以外

延，与衬底结合好。

可以是底发射（透明衬底），也可以是顶发射

（环形金属电极）等输出方式。31多波长VCSEL阵列

VECSEL结构由于光的输出垂直于衬底方

向，非常适合于该类器件的二维集成阵

列。

多波长VECSEL激光器阵列适合应用于

DWDM技术。

用VECSEL阵列可以提供多至上百个独立

波长，波长间隔小于1nm的二维光源阵

列。

关键在于精确控制阵列中每个单元器件

的发射波长：波长与谐振腔长度呈线性

关系，控制薄膜外延层的厚度，将不同

波长的VECSEL集成到一个芯片上。32What’s

on‐going

for

laser?

Single

photon

laser;

Silicon

laser;

Ultra‐high

power

laser;

Tunable

laser;

Ultra‐fast

laser;

Etc.

世界上第一个混合型Si‐InP激光器(2006年UCSB

&

intel)334.2.

半导体光放大器34

背景介绍

功能：用于光通讯系统中对于光信号的光‐

光直接放大。

EDFA(掺Er3+光纤放大器)：已经实用化。

SOA：较宽的带宽，适合于1.3μm与

1.5μm波段。体积小，适合于全光集成。

激光二极管内有源层在注入电流的作用下

增益超过损耗后，即超过阈值电流以后，

二极管出现放大作用。

器件端面镀有抗反射膜，避免内部光反

馈，不能建立激光振荡，只是对于输入光

放大，直至增益饱和，此类器件即为SOA。Semiconductor

Optical

Amplifier

半导体光放大器35SOA36SOA的种类

FP‐SOA：激射阈值电流以下的半导体激光器，具有谐振腔，对信号进

行谐振放大，获得较大腔内增益。要求光信号与谐振模有精密匹配。

TW‐SOA

(travelling‐wave)：半导体激光器端面镀有抗反射膜，不能形

成谐振腔，光信号被单程放大。宽的增益带宽。

IL‐SOA

(injection‐locked)：将FP‐SOA偏置于阈值电流以上，从一端输入

微弱的单模光信号，此频率落在多模激光器频谱内，光信号被锁定并

放大。37SOA的应用：AOWC光波长转换技术：将一个波长光波载运的信息变换到另一个波长光波载运。AOWC：利用光的非线性效应进行转换。非线性介质或器件：保偏光纤、SOA或者半导体激光器。基于SOA的AOWC：传输的比特率高100Gb/s,易于单片集成。SOA：交叉增益调制（放大器增益与泵浦光强度的反相关系）、交叉相位调制（半导体折射率取决于有源区载流子浓度）、四波混频效应。AOWC:

all

optical

wavelength

conversion.

384.3

光-电转换器件

三种效应：

光生伏特效应：产生光生电动势Solar

cell。光电导效应：电导率变化

光敏电阻。光电流探测：产生光生载流子Photodector。将光信号转换成电信号：要求探测灵敏度高、响应速度快、便于集成。39光电探测器原理与类型

A.

PN,

PIN结构；

B.

肖特基势垒探测器；

C.

金属‐半导体‐金属（MSM）光电探测器；40A.

光电二极管的基本原理使一个电子从结的n

区到p

区所需的最小能量为eVd

，其中e

是电子电荷，Vd

是自建电场）；施加反向偏压Va

后，耗尽层进一步扩大。

(a)

零偏压形成耗尽层

电容效应：

Cs=Q/Va

(静态电容)

Cd=dv/dVa

(动态微分电容)Cs=Q/Va

ES=Q/ε

V=EdCs=Q/Va,

ES=Q/ε,

V=Ed

Cs=εS/d41

光电二极管的基本原理(with

light)

光子在p

区（A

处）被吸收

一个空

穴+一个电子。电子有可能扩散到耗

尽层边界，

并在电场作用下漂移至n

区;

光子在n

区（C

处）被吸收

一个空

穴+一个电子。空穴有可能扩散到耗

尽层边界，

并在电场作用下漂移至p

区;

光子在耗尽层中（B

处）被吸收

一

个空穴+一个电子，在电场的作用下

漂移，

并分别到达p

区和n

区;*

耗尽层中的光吸收效率更高。42RLn

区i

区电极CjRj光电二极管的等效电路模型

Rs

p

区LsVa便于分析高频响应(负载电阻的压降)：VL=？43光电探测器的性能指标443dB

bandwidthDetermined

by

the

RC

constant

&

the

transit

time.

This

can

be

calculated

easily

from

the

equivalent

circuit.

The

responsivity

R

(响应度)

Photo‐carriers

number

N

=

ηP/hv;

Photo‐current

I

=

e

ηP/hv;

R=I/P=e/hv=

η

e/(hc/λ);

Here

η

is

the

quantum

efficiency

(usually

η<100%),

e=1.6e‐19C,

Plank

constant

h=6.63e‐34

J∙s,

c=3e8

m/s,

λ

is

the

wavelength.

For

example,

when

λ=1550nm,

R=1.24A/W.

The

wavelength

dependence.

Long

wavelength

more

photons

higher

responsivity.

However,

the

QE

is

dependent

on

the

absorption

coefficient

which

is

wavelength

dependent.

4546Advanced

photodetectors

High

speed

(ultra‐fast)

photodetector;

avalanche

High

responsivity,

high

sensitivity

photodiode

(APD);

Silicon

photodetectoroptical

interconnects;

High

power

PD

Radio‐over‐fiber

(ROF);

High

speed

(ultra‐fast)

photodetectorResponsivity:

R=ηP/hv;

η=exp(−αd)；Transit

time:

ttr=d/vs,

where

d

is

the

depletion

width,

vs

is

the

saturated

velocity

(~107cm/s).

RC

time:

τRC=RC,

where

C=εS/d,

R=RL+Rs.

total

response

time:

ttot=(ttr2+τRC2)1/2f3dB=1/(2πttot);

ttotttr

τRCCV

47There

is

a

trade‐off

when

choosing

the

depletion

region

for

normal‐incidence

PDs.

48Waveguide‐type

photodiodeCarrier

drift

direction:

lateral

high

speed.Light

absorption

longitudinal

high

responsivity.

Two

ways

for

waveguide‐type

PDsEvanescent

coupling

下包层

衬底芯层吸收层下包层

衬底

49芯层吸收层Butt

coupling

50‐‐‐++

‐++

‐++

‐+

‐

‐+

‐

‐+

‐

‐

+InP

Multiplication

LayerP+N+The

InP

Avalanche

Multiplication

ProcessHigher

gain

requires

more

transits

back

and

forth.

↓雪崩光电二极管(Avalanche

PD)

Hence

longer

transit

time

↓

Hence

lower

bandwidth

↓

Hence

a

gain

bandwidth

limit初始光生载流子产生于耗尽层，在高反向偏置电压（在硅材料中一般为100‐200

V

）作用下，形成强电场，产生雪崩倍增。在APD中可获得大约10~1000的内部电流增益。一般来说，反向电压越高，增益就越大。Electric

Field51Separate

absorption‐multiplication

APD

hv

h+

e‐Absorption

Region

Multiplication

Regionh+

e‐

h+e‐

positionImportant

feature:

Gain‐bandwidth

product

(GBP)199620071999.52APDs

of

various

materials

Y.

Kang,

et

al.

Nature

Photon.

3(1):

59-63

(2008).

Si-based

APDs:

Thiswork[15][16][21][22][17][25][26][28]

Hawkins,

A.R.

et

al.

[19]InP-basedAPDs:

Campbell,

J.C.

et

al.1988

Yasuoka,

N.

et

al.2003

Clark,

W.R.

et

al.

1999

Franco,

D.S.

et

al.2005InAlAs-basedAPDs:

Kinsey,

G.S.

et

al.2001.

Lenox,

C.

et

al.

[18]

1999.

Li,

N.

et

al.

[23]

2003

Yagyu,

E.

et

al.

[24]

Nakata,

T.

et

al.

2001

Rouvie,

A.

et

al.

2008

Makita,

K.

et

al.

[27]

Hayashi,

M.

et

al.1998.Intel’s

APD53光电探测器材料:

Absorption

coefficientGe:

Very

large

absorption

coefficient

at

near-infrared

wavelength;5