集成光學(xué)-集成光有源器件

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1、集成光學(xué)主講人：劉柳liuliuliu@scnu.edu.cnIntegratedPhotonics1第五章集成光有源器件主講人：劉柳liuliuliu@scnu.edu.cn2第五章集成光有源器件集成光有源器件概述典型的集成光有源器件激光器發(fā)光二極管探測(cè)器調(diào)制器光開關(guān)3集成光有源器件概述4美國(guó)Luxtera公司開發(fā)的集成光收發(fā)模塊第五章集成光有源器件集成光有源器件概述典型的集成光有源器件激光器發(fā)光二極管探測(cè)器調(diào)制器光開關(guān)5(1)發(fā)射的光功率應(yīng)足夠大，而且穩(wěn)定度要高(2)調(diào)制方法簡(jiǎn)單(3)光源發(fā)光峰值波長(zhǎng)應(yīng)與光纖低損耗窗口相匹配(4)光源與光纖之間應(yīng)

2、有較高的耦合效率(5)光源發(fā)光譜線寬度要窄，即單色性要好(6)可靠性要高，必須保證系統(tǒng)能24h連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)(7)光源應(yīng)該是低功率驅(qū)動(dòng)[低電壓、低電流)，而且電光轉(zhuǎn)換效率要高把要傳輸?shù)碾娦盘?hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)發(fā)射去光源的作用6能滿足上述基本要求的光源是半導(dǎo)體光源。半導(dǎo)體激光器(LD)中、長(zhǎng)距離最常用的光源大容量(高碼速)系統(tǒng)半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)。短距離、低容量系統(tǒng)模擬系統(tǒng)。半導(dǎo)體光源的分類7半導(dǎo)體激光器的發(fā)明與發(fā)展半導(dǎo)體激光器的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)階段：同質(zhì)結(jié)激光器、異質(zhì)結(jié)激光器和量子阱結(jié)構(gòu)激光器。在第一階段，主要是對(duì)于半導(dǎo)體激光器基本理論概念的提出。195

3、3年9月，美國(guó)的馮·紐曼（JohnVonNeumann）在他的一篇未發(fā)表的論文手稿中論述了在半導(dǎo)體中產(chǎn)生受激發(fā)射的可能性。1962年，美國(guó)的四個(gè)實(shí)驗(yàn)室?guī)缀跬瑫r(shí)宣布研制成功同質(zhì)結(jié)GaAs半導(dǎo)體激光器。但它只能在液氮溫度下脈沖工作，毫無(wú)實(shí)用價(jià)值。上述同質(zhì)結(jié)構(gòu)激光器經(jīng)歷5年的徘徊，1967年，用液相外延的方法制成單異質(zhì)結(jié)激光器，實(shí)現(xiàn)了在室溫下脈沖工作的半導(dǎo)體激光器。1970年，美國(guó)的貝爾實(shí)驗(yàn)室制成了雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器,實(shí)現(xiàn)了室溫連續(xù)工作。由于半導(dǎo)體激光器的諸多突出優(yōu)點(diǎn)，之后，半導(dǎo)體激光器得到了迅猛發(fā)展。其發(fā)展速度之快、應(yīng)用范圍之廣，是目前任何其他激光器所

4、無(wú)法比擬的。8隨著半導(dǎo)體激光器性能的不斷改進(jìn)，新的半導(dǎo)體激光材料將激光的波段范圍的拓寬，半導(dǎo)體激光器在許多方面得到應(yīng)用。最早進(jìn)入實(shí)用的是波長(zhǎng)為0.83~0.85μm。70年代末，在1.3um和1.55um得到損耗更小的單模光纖,長(zhǎng)波長(zhǎng)InGaAsP/InP系激光器也達(dá)到實(shí)用化。　量子阱技術(shù)使半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生新的飛躍。隨著分子束外延（MBE）和金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相淀積（MOCVD）技術(shù)的日漸成熟，可以生長(zhǎng)出原子尺寸的薄層，使注入的載流子呈現(xiàn)量子效應(yīng)，這種量子阱激光器與以前的體材料激光器相比，具有更優(yōu)越的特性，如：閾值電流密度低、電光轉(zhuǎn)換效率高、輸出

5、功率大等。并且，通過(guò)生長(zhǎng)應(yīng)變量子阱，使得生長(zhǎng)非晶格匹配的外延材料得以實(shí)現(xiàn)，拓寬了激光器波長(zhǎng)范圍。量子阱技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了大功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展半導(dǎo)體激光器的發(fā)明與發(fā)展9原子核電子高能級(jí)低能級(jí)圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子能量不能任意取值，只能取特定的離散值(離散軌道)，這種現(xiàn)象稱為電子能量的量子化。電子優(yōu)先搶占低能級(jí)孤立原子的能級(jí)10N個(gè)原子構(gòu)成晶體時(shí)的能級(jí)分裂N=4N=9當(dāng)N很大時(shí)能級(jí)分裂成近似連續(xù)的能帶1112滿帶：各個(gè)能級(jí)都被電子填滿的能帶禁帶：兩個(gè)能帶之間的區(qū)域——其寬度直接決定導(dǎo)電性空帶：所有能級(jí)都沒(méi)有電子填充的能帶價(jià)帶：由最外層價(jià)電子能級(jí)分裂后形

6、成的能帶未被電子占滿的價(jià)帶稱為導(dǎo)帶禁帶的寬度稱為帶隙能帶的分類13導(dǎo)體：(導(dǎo))價(jià)帶電子絕緣體：無(wú)價(jià)帶電子禁帶太寬半導(dǎo)體：價(jià)帶充滿電子禁帶較窄外界能量激勵(lì)滿帶電子激勵(lì)成為導(dǎo)帶電子滿帶留下空穴導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體EcEv在熱平衡狀態(tài)下，能量為E的能級(jí)被一個(gè)電子占據(jù)的概率遵循費(fèi)米（Fermi）分布，即能帶和電子分布能量為E的能級(jí)被一個(gè)空穴占據(jù)的概率遵循T為絕對(duì)溫度，kb為玻耳茲曼常數(shù)，Efc為電子費(fèi)米能級(jí)。在熱平衡狀態(tài)下（如沒(méi)有電或光激發(fā)），通常14Fermi分布函數(shù)的圖象Ef是任何溫度下能級(jí)占據(jù)幾率為1/2的能級(jí)；也是絕對(duì)零度下被占據(jù)能級(jí)和空能級(jí)之間的分

7、界線15本征半導(dǎo)體中的載流子密度熱平衡條件下，本征半導(dǎo)體中的電子和空穴總是成對(duì)產(chǎn)生1617n型半導(dǎo)體中的載流子濃度施主能級(jí)ED略低于導(dǎo)帶底，在常溫下大多數(shù)施主電子熱激發(fā)到了導(dǎo)帶中18p型半導(dǎo)體中的載流子濃度受主能級(jí)EA略高于價(jià)帶頂使價(jià)帶中產(chǎn)生更多的空穴19濃度作用定律在熱平衡的條件下，對(duì)于(非)本征半導(dǎo)體，兩種載流子的乘積等于一個(gè)常數(shù)：本征材料：電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)非本征材料：一種載流子的增加伴隨著另一種載流子的減少多數(shù)載流子：n型半導(dǎo)體中的電子或者p型半導(dǎo)體中的空穴少數(shù)載流子：n型半導(dǎo)體中的空穴或者p型半導(dǎo)體中的電子20非平衡狀態(tài)在非平衡狀態(tài)下（

8、如存在電或光激發(fā)），載流子從外界注入，這時(shí)：21載流子和光1、載流子復(fù)合可以產(chǎn)生光子。2、光被半導(dǎo)體吸收也可