第3章通信用光器件04级

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1、第3章通信用光器件3.1光源3.2光检测器3.3光无源器件3.1光源3.1.1半导体激光器工作原理和基本结构一、激光产生的物理基础1.原子的能级微观粒子的能量只能处于分立的能量状态，称为能级。粒子处于最低能级时称为基态，处于比基态高的能级时，称为激发态。在热平衡条件下，各能级上的粒子数分布满足玻尔兹曼统计分布（正态分布）玻尔兹曼分布曲线2、光与物质相互作用(a)自发辐射；(b)受激吸收；(c)受激辐射光与物质相互作用（续）电子在基态和激发态之间的三种跃迁－自发辐射，产生非相干光，发光二级管的工作原理－在入射光作用下，受激吸收，光接受器件的工作原理－在入射光作用下，受激辐射，

2、产生相干光，激光器的工作原理－均满足玻尔条件入射光作用下－原子数正态分布时，一般为受激吸收－当N2>N1时，即粒子数反转，受激辐射大于受激吸收半导体能级结构半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体相邻原子的作用造成电子能级扩展成连续分布的能带－能量低的价带,被空穴占用（束缚电子）－能量高的导带,被电子占用（自由电子）－导带底Ec与价带顶Ev的能量差Ec-Ev=Eg称为禁带宽度或带隙－Ef为费米能级，该能级被电子和空穴占用的几率相等能量价带导带EgEfEvEc半导体中载流子分布本征半导体电子和空穴成对出现，电子在导带，空穴在价带费米能级位于禁带中央N型半导体中导带的电子

3、增多，价带的空穴减少费米能级增大，向导带移P型半导体中导带的电子减少，价带的空穴增加费米能级减小，向价带移在PN结界面上，载流子的梯度产生了扩散运动，从而形成内部电场内部电场产生与扩散运动相反的漂移运动，在P区和N区的费米能级相同时，达到平衡状态，此时能带发生倾斜图3.3PN结的能带和电子分布(a)P-N结内载流子运动；(b)零偏压时P-N结的能带图；(c)正向偏压下P-N结能带图势垒能量EpcP区EncEfEpvN区Env(b)hfhfEpcEpfEpvEncEnfEnv内部电场外加电场电子，空穴(c)P区PN结空间电荷区N区内部电场扩散漂移(a)在P型和N型半导体

4、组成的PN结界面上，由于存在多数载流子(电子或空穴)的梯度，因而产生扩散运动，形成内部电场内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到P区和N区的Ef相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜这时在PN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。－在PN结形成一个特殊的增益区，获得了粒子数反转N区电子向P区运动，形成增益区的导带多为电子P区空穴向N区运动，形成增益区的价带多为空穴在电子和空穴运动过程中，产生自发辐射光导带的电子跃迁到价带和空穴复合在PN结上施加与内部电场反向的正向电场－能带倾斜减小，扩散增强hfhfEpcEpfEpvE

5、ncEnfEnv内部电场外加电场电子，空穴(c)pN激光的产生激光产生的条件-激活物质：具有合适的能级分布，可以产生合适波长的辐射光-泵浦源使激活物质粒子数反转：半导体PN节施加正向电压获得-入射光：激活物质的自发辐射光作为入射光-光学谐振腔：对光的频率和方向进行选择，并通过多次反馈，使得较强相干光输出光学谐振腔：两个平行反射镜构成法布里－珀罗(F-P)谐振腔－腔内是处于粒子数反转的激活物质，产生自发辐射光和受激辐射光－自发辐射的入射光沿轴线方向被反射和放大，传播方向不断改善成为相干光，激光产生了－腔内产生的激光的波长由激光振荡的相位条件决定，即驻波的条件谐振腔内存在吸收、

6、散射和透射，建立稳定激光振荡需要阈值条件增益和损耗相当R1R2l2n反射镜光的振幅反射镜L(a)二、半导体激光器（LD）结构双异质结（DH）平面条形结构－三层不同类型材料中间一层窄带隙P型半导体，称为有源两侧分别为宽带隙P型和N型半导体，称为限制层－前后两个晶体理解面作为反射镜构成法布里-珀罗谐振腔图3.6DH激光器工作原理(a)双异质结构；(b)能带；(c)折射率分布；(d)光功率分布限制层带隙较有源层宽，施加正向电压，易形成粒子数反转，且转换效率较高－P层的空穴和N层的电子注入有源层－P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成势垒－N层带隙宽，价带的能态比有源层

7、低，对注入空穴形成势垒－有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制在有源区内半导体激光器的发射波长和光谱特性长波长发射波长决定于带隙激光器输出满足激光振荡相位条件的一些波长的光，即为激光器的纵模－导带和价带由许多连续能级组成，有一定的带宽－两个能带中不同能级之间的电子跃迁会产生连续波长的辐射光－谐振腔的作用使得满足激光振荡相位条件的波长输出－不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg，因而有不同的发射波长λ。镓铝砷-镓砷(GaAlAsGaAs)材料适用于0.85μm波段铟镓砷磷-铟磷(InGaAsPInP)材料适用于1