集成光学-集成光有源器件

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1、集成光学主讲人：刘柳liuliuliu@scnu.edu.cnIntegratedPhotonics1第五章集成光有源器件主讲人：刘柳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发光二极管探测器调制器光开关3集成光有源器件概述4美国Luxtera公司开发的集成光收发模块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发光二极管探测器调制器光开关5(1)发射的光功率应足够大，而且稳定度要高(2)调制方法简单(3)光源发光峰值波长应与光纤低损耗窗口相匹配(4)光源与光纤之间应

2、有较高的耦合效率(5)光源发光谱线宽度要窄，即单色性要好(6)可靠性要高，必须保证系统能24h连续运转(7)光源应该是低功率驱动[低电压、低电流)，而且电光转换效率要高把要传输的电信号转换成光信号发射去光源的作用6能满足上述基本要求的光源是半导体光源。半导体激光器(LD)中、长距离最常用的光源大容量(高码速)系统半导体发光二极管(LED)。短距离、低容量系统模拟系统。半导体光源的分类7半导体激光器的发明与发展半导体激光器的发展大致经历了三个阶段：同质结激光器、异质结激光器和量子阱结构激光器。在第一阶段，主要是对于半导体激光器基本理论概念的提出。195

3、3年9月，美国的冯·纽曼（JohnVonNeumann）在他的一篇未发表的论文手稿中论述了在半导体中产生受激发射的可能性。1962年，美国的四个实验室几乎同时宣布研制成功同质结GaAs半导体激光器。但它只能在液氮温度下脉冲工作，毫无实用价值。上述同质结构激光器经历5年的徘徊，1967年，用液相外延的方法制成单异质结激光器，实现了在室温下脉冲工作的半导体激光器。1970年，美国的贝尔实验室制成了双异质结半导体激光器,实现了室温连续工作。由于半导体激光器的诸多突出优点，之后，半导体激光器得到了迅猛发展。其发展速度之快、应用范围之广，是目前任何其他激光器所

4、无法比拟的。8随着半导体激光器性能的不断改进，新的半导体激光材料将激光的波段范围的拓宽，半导体激光器在许多方面得到应用。最早进入实用的是波长为0.83~0.85μm。70年代末，在1.3um和1.55um得到损耗更小的单模光纤,长波长InGaAsP/InP系激光器也达到实用化。　量子阱技术使半导体激光器产生新的飞跃。随着分子束外延（MBE）和金属有机化合物化学气相淀积（MOCVD）技术的日渐成熟，可以生长出原子尺寸的薄层，使注入的载流子呈现量子效应，这种量子阱激光器与以前的体材料激光器相比，具有更优越的特性，如：阈值电流密度低、电光转换效率高、输出

5、功率大等。并且，通过生长应变量子阱，使得生长非晶格匹配的外延材料得以实现，拓宽了激光器波长范围。量子阱技术的发展，推动了大功率半导体激光器的发展半导体激光器的发明与发展9原子核电子高能级低能级围绕原子核旋转的电子能量不能任意取值，只能取特定的离散值(离散轨道)，这种现象称为电子能量的量子化。电子优先抢占低能级孤立原子的能级10N个原子构成晶体时的能级分裂N=4N=9当N很大时能级分裂成近似连续的能带1112满带：各个能级都被电子填满的能带禁带：两个能带之间的区域——其宽度直接决定导电性空带：所有能级都没有电子填充的能带价带：由最外层价电子能级分裂后形

6、成的能带未被电子占满的价带称为导带禁带的宽度称为带隙能带的分类13导体：(导)价带电子绝缘体：无价带电子禁带太宽半导体：价带充满电子禁带较窄外界能量激励满带电子激励成为导带电子满带留下空穴导体、绝缘体和半导体EcEv在热平衡状态下，能量为E的能级被一个电子占据的概率遵循费米（Fermi）分布，即能带和电子分布能量为E的能级被一个空穴占据的概率遵循T为绝对温度，kb为玻耳兹曼常数，Efc为电子费米能级。在热平衡状态下（如没有电或光激发），通常14Fermi分布函数的图象Ef是任何温度下能级占据几率为1/2的能级；也是绝对零度下被占据能级和空能级之间的分

7、界线15本征半导体中的载流子密度热平衡条件下，本征半导体中的电子和空穴总是成对产生1617n型半导体中的载流子浓度施主能级ED略低于导带底，在常温下大多数施主电子热激发到了导带中18p型半导体中的载流子浓度受主能级EA略高于价带顶使价带中产生更多的空穴19浓度作用定律在热平衡的条件下，对于(非)本征半导体，两种载流子的乘积等于一个常数：本征材料：电子和空穴总是成对出现非本征材料：一种载流子的增加伴随着另一种载流子的减少多数载流子：n型半导体中的电子或者p型半导体中的空穴少数载流子：n型半导体中的空穴或者p型半导体中的电子20非平衡状态在非平衡状态下（

8、如存在电或光激发），载流子从外界注入，这时：21载流子和光1、载流子复合可以产生光子。2、光被半导体吸收也可