光有源器件需要外加能源驅動才能工作的光電子

光有源器件：需要外加能源驅動才能工作的光電子器件半導體光源(LD,LED,DFB,QW,MQW,VCSEL)半導體光探測器(PD,PIN,APD）光纖激光器（OFL:單波長、多波長）光放大器(SOA,EDFA)光波長轉換器(XGM,XPM,FWM)第四章光源及光檢測器F-P腔激光二極管(LD)分布反饋布拉格激光器(DFB)分布布拉格反射激光器(DBR)外腔激光器與Q開關激光器發(fā)光二極管(LED)光纖激光器(OFL)垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)多波長光源與波長可調諧激光器光電探測器(PIN-PD、APD-PD)

半導體激光器、探測器的種類光器件與電器件的類比§4.1發(fā)光器件的原理與特性光纖通信系統(tǒng)中，采用的光源及檢測器分別為半導體發(fā)光二極管(LED)、激光器(LD)和半導體光電探測器(PD)。一、半導體異質結發(fā)光機理物質原子結構的圖象：半導體固體能帶結構(由多個原子的能級組成)：c固體由原子組成，原子具有量子化的能級。由于化學環(huán)境及物理的原因，原子的能級要發(fā)生變化——每個原子核外電子的能級疊合成彼此相差很小的一組能帶：原子內層能級被電子填滿，由它們形成的能帶也被電子占滿，稱為滿帶(價帶)；外層能級未被電子填滿，它們形成的能帶亦未被填滿，稱為導帶。兩者間的能量距離g，稱為禁帶。

下圖簡略表示出半導體、絕緣體、及金屬的能帶，這里僅畫出了導帶和滿帶。從能帶角度看，半導體和絕緣體的差別僅在于兩者的禁帶不同，前者較窄，后者很寬，而金屬的g=0。固體的能帶理論（1）半導體的禁帶很窄，滿帶中的電子較易進入導帶。導帶中的電子在外場作用下運動而參與導電。（3）金屬導體沒有禁帶，可顯示很強的導電性。（2）絕緣體的禁帶很寬，滿帶中的電子很難進入導帶，導電性很差。外場

滿帶導帶滿帶導帶滿帶導帶（1）半導體禁帶禁帶外場（2）絕緣體（3）金屬（1）本征半導體純凈的半導體，如硅、鍺等。半導體禁帶寬度窄、在外場的作用下,導帶中的電子、滿帶中的空穴都可參與導電。（本征導電性。見下圖）外場滿帶導帶半導體的分類（2）雜質半導體當四價的元素中摻入少量五價元素時形成n型半導體。如：硅中摻入雜質磷后，磷原子在硅中形成局部能級位于導帶底附近（稱為施主能級）。一般溫度下，雜質的價電子很容易被激發(fā)躍遷至導帶，成為導電電子，使導帶中的電子濃度大大增加。n型半導體以電子導電為主。*n型半導體外場滿帶導帶施主能級n型半導體*P型半導體四價的元素中摻入少量三價元素時形成P型半導體，如：在硅中摻入三價的雜質硼，雜質原子的局部能級位于價帶頂附近（稱為受主能級）。一般溫度下，滿帶中的電子很容易被激發(fā)躍遷至雜質能級上，滿帶中留下的空穴也將因此而大大增加，而成為多數(shù)載流子。P型半導體以空穴導電為主。外場滿帶導帶受主能級P型半導體附：幾個3、4、5價的元素P-N結：正向連接時，P中的空穴和N中的電子都易于通過P-N結，形成P

N的正向宏觀電流。（2）作用：

PN結具有單向導電作用,是制造整流器和集成電路的基本結構。結果：交界處出現(xiàn)正、負電偶層，阻擋繼續(xù)擴散達到平衡，形成P-N結。P型材料中的空穴將向N型材料擴散；N型材料中的電子將向P型材料擴散。正向連接反向連接反向連接時，P中的空穴和N中的電子都難以通過P-N結。故P-N結具有單向導電的性能。（1）形成：P與N密切接觸自發(fā)輻輻射與與受激激輻射射：導帶的的電子子不穩(wěn)穩(wěn)定，，向價價帶躍躍遷與與空穴穴復合合而放放出光光子———光光輻射射。如如果躍躍遷是是自發(fā)發(fā)的，，則光子具具有隨隨機的的方向向、相相位及及偏振振態(tài)，，稱為為自發(fā)發(fā)輻射射；如果受受到入入射光光子的的激勵勵，輻射的的光子子與入入射光光子有有相同同的方方向、、相位位及偏偏振態(tài)態(tài)，稱稱為自自發(fā)輻輻射。半導體體異質質結的的發(fā)光光與吸吸收光吸收收：半導體體受到到外來來光子子的照照射，，當外外來光光子的的能量量禁帶帶能隙隙時，，半導體體價帶帶的電電子吸吸收光光子向向高能能級躍躍遷，，稱為為光吸收收。半導體體光源源的基基本概概念Einstein關關系——熱熱平衡衡時，，導帶帶N2與價帶帶N1的粒子子數(shù)分分布：：雙異質質結構構(DoubleHeterojunction)：：有源層層(Activelayer)：：P、N層的的作用用：提提高有有源層層的載載流子子復合合效率率。限限制光光場。。21發(fā)光二二極管管(LED)面(Surface)發(fā)發(fā)光二二極管管邊邊(Edge)發(fā)發(fā)光二二極管管LED的發(fā)發(fā)光原原理與與過程程過程：：1,載載流流子在在正向向偏置置電壓壓作用用下擴擴散進進入有有源層層；2,由由于于異質質結勢勢壘電電場的的作用用，電電子和和空穴穴在有有源區(qū)區(qū)形成成粒子子數(shù)反反轉；；3,電電子子躍遷遷與空空穴復復合，，自發(fā)發(fā)輻射射光。。實現(xiàn)現(xiàn)電光光轉換換。LED的主主要特特性光功率率與電電流(P——I)的關關系電流較較小時時，成成線性性；無無閾值值；電流較較小時時，光光功率率逐步步飽和和；光功率率為mW量量級；；溫度升升高，，發(fā)光光效率率降低低。原原因載載流子子泄露露增大大；非非輻射射復合合增加加；熱熱運動動增加加。光譜特特性帶寬大大：短波長長LED———25~40nm長波長長LED———75~100nm帶寬與與有源源層的的摻雜雜濃度度成正正比。。異質結結溫度度升高高，峰峰值波波長增增大。。原因因：異異質結結溫度度升高高，載載流子子可以以填充充更高高能級級，能能量分分布變變寬。。LED的帶帶寬大大，使使得光光纖色色散加加重，，限制制了傳傳輸距距離和和速率率。LD的的結構構和工工作原原理增益導導引激激光器器（有源源層側側面沒沒有載載流子子限制制及光光波限限制））與LED的的區(qū)別別：結結構上上端面面有反射膜膜；原理理上屬屬于受激光光輻射射。反射率率R1等于1；R2小于1。產(chǎn)生激激光的的條件件粒子的的正常常玻爾爾茲曼曼分布布：要得到到激光光，必必須實實現(xiàn)粒粒子數(shù)數(shù)反轉轉，使使受激輻輻射占優(yōu)勢勢，為保證證實現(xiàn)現(xiàn)粒子子數(shù)反反轉必必須有有:（1））激勵能能源（（泵浦浦）——電、、光、、氣體體放電電、化化學、、核能能等。。（2））工作物物質（（激活活物質質），，實現(xiàn)粒粒子數(shù)數(shù)反轉轉。（3））諧振振腔腔內受受激發(fā)發(fā)射的的光子子，沿沿軸來來回反反射、、強度度增大大，凡凡傳播播方向向偏離離軸方方向的的逸出出而淘淘汰。。反射鏡鏡鍍有有多層層膜，，適當當選擇擇其厚厚度，，使所需波波長得到““相長長干涉涉”后后，，反射射加強，，光強強度得得到放放大。精心設設計腔腔長，，使所所需頻頻率的的波形形成駐駐波(兩端端為波波)，，形形成成穩(wěn)定定的振振蕩得得到加加強。。兩端裝裝有布布儒斯斯特窗窗，得得到所所需的的偏振態(tài)態(tài)。諧振腔腔的作作用：：產(chǎn)生生與維維持光光的振振蕩加加強；；使激光光有極極好的的方向向性、、單色性性。即對光光放大大實行行選擇、、控制制、增增強的作用用。半導體體PN結的的受激激輻射射LD的的主要要特性性P—I關系系曲線線經(jīng)歷了了自發(fā)發(fā)輻射射(OA)、受受激輻輻射(AB)、、逐步步飽和和(BC)的過過程。。光譜較較窄。。溫度升升高，，發(fā)光光效率率降低低。AOBC單縱模模LD沿著諧諧振腔腔前后后的軸軸線方方向，，形成成的駐駐波。。條件為為：L=m·(/2n)M:模模的級級次；；n:折折射率率；:波波長。。性能評評價：：邊模模抑制制比(MSR):MSR=Pmm/PsmPmm主模的的功率率，Psm最大邊邊模的的功率率。單縱模模LD的設設計原原則：：基于縱模的的損耗差，，即損耗小小的模先達達到閾值條條件而成為為振蕩主模模。LD的工作作組件LD工作時時的光電轉轉換效率只只有10%左右，發(fā)發(fā)熱嚴重。。必須有散散熱部件和和恒溫控制制?！?.2光光探測器器的原理與與特性hvP-I-N型PD原理過程：：入射光除了被吸收收以外，還還激發(fā)電子———空穴對對，在耗盡層層空間電荷荷場的作用用下，分別別向N區(qū)、、P區(qū)運動動；外加反向偏偏壓，加快載流流子的漂移移速度；若若外電路連連通，則形形成電流。?？昭娮友┍佬吞綔y測器的原理理過程(AvalanchePhotoDetector)入射射光光除除了了被被吸吸收收外外，，還還在在pn結結內內激激發(fā)發(fā)電電子子————空空穴穴對對。。載流流子子被被強強電電場場加加速速，，發(fā)發(fā)生生碰碰撞撞電電離離產(chǎn)產(chǎn)生生新新的的載載流流子子；；又又被被加加速速碰碰撞撞電電離離產(chǎn)產(chǎn)生生新新的的電電子子空空穴穴對對………如如此此不不斷斷進進行行碰碰撞撞電電離離，，形形成成雪雪崩崩倍倍增增效效應應。。PD工工作作特特性性與與參參數(shù)數(shù)響應應度度：R=Ip/Pin(單單位位：：A/W)量子子效效率率：=電電子子產(chǎn)產(chǎn)生生速速率率/光光子子注注入入速速率率=(Ip/q)/(Pin/hv)有：