光有源器件需要外加能源驱动才能工作的光电子

光有源器件：需要外加能源驱动才能工作的光电子器件1.半导体光源(LD,LED,DFB,QW,MQW,VCSEL)2.半导体光探测器(PD,PIN,APD）3.光纤激光器（OFL:单波长、多波长）4.光放大器(SOA,EDFA)5.光波长转换器(XGM,XPM,FWM)第四章光源及光检测器F-P腔激光二极管(LD)分布反馈布拉格激光器(DFB)分布布拉格反射激光器(DBR)外腔激光器与Q开关激光器发光二极管(LED)光纤激光器(OFL)垂直腔表面发射激光器(VCSEL)多波长光源与波长可调谐激光器光电探测器(PIN-PD、APD-PD)半导体激光器、探测器的种类光器件与电器件的类比电线光纤调制器光调制器电阻光衰减器三通（多通）光耦合器二极管光隔离器混频器光波分复用器放大器光放大器频率转换器光波长转换器滤波器光滤波器电源光源电接插件光连接器探头光探测器开关光开关集成电路集成光路§4.1发光器件的原理与特性光纤通信系统中，采用的光源及检测器分别为半导体发光二极管(LED)、激光器(LD)和半导体光电探测器(PD)。一、半导体异质结发光机理物质原子结构的图象：半导体固体能带结构(由多个原子的能级组成)：c固体由原子组成，原子具有量子化的能级。由于化学环境及物理的原因，原子的能级要发生变化——•每个原子核外电子的能级叠合成彼此相差很小的一组能带：原子内层能级被电子填满，由它们形成的能带也被电子占满，称为满带(价带)；外层能级未被电子填满，它们形成的能带亦未被填满，称为导带。两者间的能量距离g，称为禁带。•下图简略表示出半导体、绝缘体、及金属的能带，这里仅画出了导带和满带。从能带角度看，半导体和绝缘体的差别仅在于两者的禁带不同，前者较窄，后者很宽，而金属的g=0。18固体的能带理论（1）半导体的禁带很窄，满带中的电子较易进入导带。导带中的电子在外场作用下运动而参与导电。（3）金属导体没有禁带，可显示很强的导电性。（2）绝缘体的禁带很宽，满带中的电子很难进入导带，导电性很差。E外场EE满带导带满带导带满带导带（1）半导体eVEg1禁带eVEg10禁带外场（2）绝缘体（3）金属（1）本征半导体纯净的半导体，如硅、锗等。半导体禁带宽度窄、在外场的作用下,导带中的电子、满带中的空穴都可参与导电。（本征导电性。见下图）外场满带导带E半导体的分类（2）杂质半导体当四价的元素中掺入少量五价元素时形成n型半导体。如：硅中掺入杂质磷后，磷原子在硅中形成局部能级位于导带底附近（称为施主能级）。一般温度下，杂质的价电子很容易被激发跃迁至导带，成为导电电子，使导带中的电子浓度大大增加。n型半导体以电子导电为主。*n型半导体E外场满带导带施主能级n型半导体*P型半导体四价的元素中掺入少量三价元素时形成P型半导体，如：在硅中掺入三价的杂质硼，杂质原子的局部能级位于价带顶附近（称为受主能级）。一般温度下，满带中的电子很容易被激发跃迁至杂质能级上，满带中留下的空穴也将因此而大大增加，而成为多数载流子。P型半导体以空穴导电为主。外场E满带导带受主能级P型半导体4Si4Ge5P5As5Sb3In3Al3B3Ga附：几个3、4、5价的元素P-N结：正向连接时，P中的空穴和N中的电子都易于通过P-N结，形成PN的正向宏观电流。（2）作用：PN结具有单向导电作用,是制造整流器和集成电路的基本结构。结果：交界处出现正、负电偶层，阻挡继续扩散达到平衡，形成P-N结。P型材料中的空穴将向N型材料扩散；N型材料中的电子将向P型材料扩散。NPNP正向连接反向连接反向连接时，P中的空穴和N中的电子都难以通过P-N结。故P-N结具有单向导电的性能。PN（1）形成：P与N密切接触自发辐射与受激辐射：导带的电子不稳定，向价带跃迁与空穴复合而放出光子——光辐射。如果跃迁是自发的，则光子具有随机的方向、相位及偏振态，称为自发辐射；如果受到入射光子的激励，辐射的光子与入射光子有相同的方向、相位及偏振态，称为自发辐射。半导体异质结的发光与吸收光吸收：半导体受到外来光子的照射，当外来光子的能量禁带能隙时，半导体价带的电子吸收光子向高能级跃迁，称为光吸收。半导体光源的基本概念Einstein关系——热平衡时，导带N2与价带N1的粒子数分布：双异质结构(DoubleHeterojunction)：有源层(Activelayer)：P、N层的作用：提高有源层的载流子复合效率。限制光场。)exp(1212TkEENN21发光二极管(LED)面(Surface)发光二极管边(Edge)发光二极管LED的发光原理与过程过程：1,载流子在正向偏置电压作用下扩散进入有源层；2,由于异质结势垒电场的作用，电子和空穴在有源区形成粒子数反转；3,电子跃迁与空穴复合，自发辐射光。实现电光转换。LED的主要特性1光功率与电流(P—I)的关系•电流较小时，成线性；无阈值；•电流较小时，光功率逐步饱和；•光功率为mW量级；•温度升高，发光效率降低。原因载流子泄露增大；非辐射复合增加；热运动增加。2光谱特性•带宽大：短波长LED——25~40nm长波长LED——75~100nm•带宽与有源层的掺杂浓度成正比。•异质结温度升高，峰值波长增大。原因：异质结温度升高，载流子可以填充更高能级，能量分布变宽。•LED的带宽大，使得光纤色散加重，限制了传输距离和速率。LD的结构和工作原理增益导引激光器（有源层侧面没有载流子限制及光波限制）与LED的区别：结构上端面有反射膜；原理上属于受激光辐射。反射率R1等于1；R2小于1。产生激光的条件粒子的正常玻尔兹曼分布：KTEAeN要得到激光，必须实现粒子数反转，使受激辐射占优势，为保证实现粒子数反转必须有:（1）激励能源（泵浦）—电、光、气体放电、化学、核能等。（2）工作物质（激活物质），实现粒子数反转。),(NE（3）谐振腔•腔内受激发射的光子，沿轴来回反射、强度增大，凡传播方向偏离轴方向的逸出而淘汰。•反射镜镀有多层膜，适当选择其厚度，使所需波长得到“相长干涉”后，反射加强，光强度得到放大。•精心设计腔长，使所需频率的波形成驻波(两端为波)，形成稳定的振荡得到加强。•两端装有布儒斯特窗，得到所需的偏振态。谐振腔的作用：产生与维持光的振荡加强；使激光有极好的方向性、单色性。即对光放大实行选择、控制、增强的作用。半导体PN结的受激辐射LD的主要特性•P—I关系曲线•经历了自发辐射(OA)、受激辐射(AB)、逐步饱和(BC)的过程。•光谱较窄。•温度升高，发光效率降低。AOBC)/(00TTpxeJJht单纵模LD沿着谐振腔前后的轴线方向，形成的驻波。条件为：L=m·(/2n)M:模的级次；n:折射率；:波长。性能评价：边模抑制比(MSR):MSR=Pmm/PsmPmm主模的功率，Psm最大边模的功率。单纵模LD的设计原则：基于纵模的损耗差，即损耗小的模先达到阈值条件而成为振荡主模。LD的工作组件LD工作时的光电转换效率只有10%左右，发热严重。必须有散热部件和恒温控制。§4.2光探测器的原理与特性hvP-I-N型PD原理过程：•入射光除了被吸收以外，还激发电子——空穴对，在耗尽层空间电荷场的作用下，分别向N区、P区运动；•外加反向偏压，加快载流子的漂移速度；若外电路连通，则形成电流。空穴电子雪崩型探测器的原理过程(AvalanchePhotoDetector)入射光除了被吸收外，还在pn结内激发电子——空穴对。载流子被强电场加速，发生碰撞电离产生新的载流子；又被加速碰撞电离产生新的电子空穴对……如此不断进行碰撞电离，形成雪崩倍增效应。PD工作特性与参数响应度：R=Ip/Pin(单位：A/W)量子效率：=电子产生速率/光子注入速率=(Ip/q)/(Pin/hv)有：R=·(q/hv)·/1.24（:m）吸收系数：Ptr=Pinexp(-W)(Ptr:通过吸收区的功率)所以：=1-exp(-W)