集成光學-集成光有源器件

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1、集成光學主講人：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)光二極管探測器調制器光開關3集成光有源器件概述4美國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)光二極管探測器調制器光開關5(1)發(fā)射的光功率應足夠大，而且穩(wěn)定度要高(2)調制方法簡單(3)光源發(fā)光峰值波長應與光纖低損耗窗口相匹配(4)光源與光纖之間應

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)運轉(7)光源應該是低功率驅動[低電壓、低電流)，而且電光轉換效率要高把要傳輸?shù)碾娦盘栟D換成光信號發(fā)射去光源的作用6能滿足上述基本要求的光源是半導體光源。半導體激光器(LD)中、長距離最常用的光源大容量(高碼速)系統(tǒng)半導體發(fā)光二極管(LED)。短距離、低容量系統(tǒng)模擬系統(tǒng)。半導體光源的分類7半導體激光器的發(fā)明與發(fā)展半導體激光器的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個階段：同質結激光器、異質結激光器和量子阱結構激光器。在第一階段，主要是對于半導體激光器基本理論概念的提出。195

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

4、無法比擬的。8隨著半導體激光器性能的不斷改進，新的半導體激光材料將激光的波段范圍的拓寬，半導體激光器在許多方面得到應用。最早進入實用的是波長為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,長波長InGaAsP/InP系激光器也達到實用化。　量子阱技術使半導體激光器產(chǎn)生新的飛躍。隨著分子束外延（MBE）和金屬有機化合物化學氣相淀積（MOCVD）技術的日漸成熟，可以生長出原子尺寸的薄層，使注入的載流子呈現(xiàn)量子效應，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、電光轉換效率高、輸出

5、功率大等。并且，通過生長應變量子阱，使得生長非晶格匹配的外延材料得以實現(xiàn)，拓寬了激光器波長范圍。量子阱技術的發(fā)展，推動了大功率半導體激光器的發(fā)展半導體激光器的發(fā)明與發(fā)展9原子核電子高能級低能級圍繞原子核旋轉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)先搶占低能級孤立原子的能級10N個原子構成晶體時的能級分裂N=4N=9當N很大時能級分裂成近似連續(xù)的能帶1112滿帶：各個能級都被電子填滿的能帶禁帶：兩個能帶之間的區(qū)域——其寬度直接決定導電性空帶：所有能級都沒有電子填充的能帶價帶：由最外層價電子能級分裂后形

6、成的能帶未被電子占滿的價帶稱為導帶禁帶的寬度稱為帶隙能帶的分類13導體：(導)價帶電子絕緣體：無價帶電子禁帶太寬半導體：價帶充滿電子禁帶較窄外界能量激勵滿帶電子激勵成為導帶電子滿帶留下空穴導體、絕緣體和半導體EcEv在熱平衡狀態(tài)下，能量為E的能級被一個電子占據(jù)的概率遵循費米（Fermi）分布，即能帶和電子分布能量為E的能級被一個空穴占據(jù)的概率遵循T為絕對溫度，kb為玻耳茲曼常數(shù)，Efc為電子費米能級。在熱平衡狀態(tài)下（如沒有電或光激發(fā)），通常14Fermi分布函數(shù)的圖象Ef是任何溫度下能級占據(jù)幾率為1/2的能級；也是絕對零度下被占據(jù)能級和空能級之間的分

7、界線15本征半導體中的載流子密度熱平衡條件下，本征半導體中的電子和空穴總是成對產(chǎn)生1617n型半導體中的載流子濃度施主能級ED略低于導帶底，在常溫下大多數(shù)施主電子熱激發(fā)到了導帶中18p型半導體中的載流子濃度受主能級EA略高于價帶頂使價帶中產(chǎn)生更多的空穴19濃度作用定律在熱平衡的條件下，對于(非)本征半導體，兩種載流子的乘積等于一個常數(shù)：本征材料：電子和空穴總是成對出現(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型半導體中的電子或者p型半導體中的空穴少數(shù)載流子：n型半導體中的空穴或者p型半導體中的電子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：21載流子和光1、載流子復合可以產(chǎn)生光子。2、光被半導體吸收也可