半导体光电子器件概述

1半导体光电子器件概述SemiconductorOptoelectronicDevices（Outline）北京交通大学全光网与现代通信网教育部重点实验室2007-4-22陈根祥半导体激光器的速率方程理论（0维模型）¾纵模增益¾激光器的纵模（以FP激光器为例）200)()()(νν−−−=jjbNNaNg纵向谐振条件：MMMjNRvSgdtdSvSgNRNRNRedJdtdNjjgjjjjjjjgjj,....,1,)()()()()(sp,,AugerspSRH+−−=+−Γ=−−−−=∑βαint,2meff,==mmLnmλΓ=Γ+=====jjRRLCNRBNRANR,1ln21,,,21in3Auger2spSRHααα纵模间隔：)2(2eff22meff,1LnmLnmmmmλλλλ=≈−=Δ+¾速率方程半导体激光器的静态特性¾阈值增益¾稳态光子速率方程)1ln21(121inth,0rrLg+Γ=Γ=ααjgjjjjjvgNRS,sp)()(Γ−=αβ¾L-I特性和光谱特性)1ln21(121in0thrrLaNN+Γ+=ατththedNJ=量子效率与热载流子泄露¾热载流子泄露¾微分量子效率122211)1(,)1(rrPrrP−∝−∝外部微分量子效率：eIIhvPeIhP)(th0out0outext−≅ΔΔ=νη内部微分量子效率：¾端面出光功率)(th0extoutIIehP−⎟⎠⎞⎜⎝⎛=νηeISgΔΔΓ=thintηintminmintthoutext)(ηαααηη+=ΔΓΔ=SgS¾增益饱和200thth,)()(νν−−−=jjbNNag)(1th,Sggjjε+=ε：增益压缩因子高光子密度下：kTEkTEEkTFEAckTFEAccAcBcnAcnBceNeeNeNJΔ−−−−−−−==∝th)()(,)(,L,,,,21outPPP+=)()1)(()1()()1)(()1(th2121120ext2th2121210ext1IIrrrrrrehPIIrrrrrrehP−−+−⎟⎠⎞⎜⎝⎛=−−+−⎟⎠⎞⎜⎝⎛=νηνη半导体激光器的温度特性¾量子效率随注入电流的变化载流子的非辐射复合速率和热载流子泄露均随温度升高而增加，导致阈值电流密度增加：T0:特征温度¾阈值随温度的变化¾激射波长随温度的变化¾一个实例00thTTeJJ=sLD'GaAsforK180~150s,LD'InGaAsPforK70~5000==TT随注入电流增加，结温升高，导致载流子泄露和非辐射复合速率增加，从而引起量子效率降低。随注入电流增加，结温升高，导致有源区带隙减小，从而引起激射波长的增大。InGaAsPfor0.1nm/KGaAs;fornm/K07.0)()(2)(effmTLTnTm=λ[]InGaAsPfor0.5nm/KGaAs;fornm/K35.0)(24.1)(peakkTTETg+=λ1.3umInGaAsPDCPBHLD输出发散角¾分别限制异质结（SCH）激光器¾一般情形¾模斑变换器（SSC）()()eff1||eff1sin2~sin2~wdλθλθ−−⊥典型值：°°⊥20~10~,40~30~||θθ动态特性¾瞬态过程：驰豫振荡和振荡阻尼¾时间延迟τNedJdtdN−=增益压缩因子ε、自发辐射系数β和纵模数目均对激光器的驰豫过程具有阻尼作用th01lnthJJJdNNedJNd−=⎥⎦⎤⎢⎣⎡−=∫−τττ¾寄生元件对调制特性的影响psCR1m=ω小信号响应¾非线性增益单模速率方程⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=+=+−Γ=−−=)(,1;,000spNNAgSggRSgSvdtdSgSvNedJdtdNpggeεβττ¾小信号调制()1,,;,,ΔΔΔΔ+=Δ+=Δ+=SSNNJJSeSSNeNNJeJJtjtjtjωωω¾小信号调制响应22222422222)()(;)(γωωωωωωγωωωτω+−Γ=−+−Γ=ΔΔ=rrrrpHjedJSH()gpersppgepgsppgrAvSRSSAvSSSAvRSAvSετκτκωβτετεεγτβτεω+=+≈⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+++++=≈−+=;1111;112¾最大调制带宽κωωγω2;2max3dB,-22≈==rr动态单纵模激光器（纵模控制技术）¾分布反馈（DFB）激光器¾解理耦合腔（C3）激光器¾分布布拉格反射（DBR）激光器¾外腔激光器¾垂直腔面发射激光器（VCSEL）DFB激光器的光谱特性¾DFB激光器的输出谱¾均匀光栅的反射谱LnmgBBm2)21(2λλλ+±=在无镜面反射时：¾DFB激光器的纵模¾λ/4相移DFB激光器线宽增强因子（LEF）和谱线宽度)(21)()(11200thgthetheeeethNNAvNNNnnLnmcnnLmc−−=⎥⎦⎤⎢⎣⎡−∂∂+−∂∂−=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=−αωωωππωω¾频率啁啾¾谱线的调制加宽¾稳态线宽())1(41ln)1(42020αωααωω+=+=ΔLPRRvPRvspgspmghh稳态时：ththeethNnnNggωω===);();(00动态时：)()(;)(0ethetheethNNNnnnnNtN−∂∂+−∂∂+=≠ωωωspthspgthRSSRSSvNNAdtdSβεαωωβε++−Γ=++−Γ=)1()(21)(00022;;2,kANgkNnnnNnnnkgnnjnneeeeααα−=∂∂−=∂′′∂′′∂∂=∂∂′′∂∂=−=′′′′−=⎥⎦⎤⎢⎣⎡−Γ+=−SRdttSdSspthβεαωω)(ln2)1(半导体光放大器（SOA）¾ASE谱和噪声¾增益谱¾交叉增益调制（串话）¾基本结构¾光学非线性()Φ+−−−=22122121sin41)1)(1(sssGRRGRRGRRG∫=Φ∫=−ΓLdzzvgsdzzvnceGLin0eff]),([),(2;0πνανχνhGnIspMASE)1()(,−=+)|(|)()|(|22EnNnEN⇒⇒)||()()||(22∑∑⇒⇒EGNgENGRGRRGR122111)1(1+≈−+=χ应变层多量子阱（SL-MQW）器件¾应变层量子阱和能带工程¾nm级有源层态密度减小导致高微分增益和极低的阈值。为提高功率限制因子，一般采用多量子阱和分别限制异质结结构。¾特点PIN光电二极管¾PN结光电效应¾PIN光电检测器¾异质结PIN管半导体光电检测器材料¾各种材料的吸收谱¾响应度和量子效率()()()()ηhvehvPeIhvePIR===inphinph¾材料的晶体特性APD光电二极管¾基本原理¾器件基本结构光晶体管电吸收（EA）调制器¾激子效应¾量子限制Stark效应¾吸收谱