第一章-5-1通信光电子器件-基础知识.ppt

1、1,第一章 光纤与光电子器件技术的发展,1.1 光纤通信技术的产生发展历程 1.2 光纤概述及基本特性 1.3 光纤制造技术和光缆 1.4 光纤传输技术的发展 1.5 通信光电子器件,2,内容回顾及补充,发送机,损耗,接收机,光纤通信系统,激光器,信道：光纤,基本参数,传输特性,NA,归一化频率,克服途径,调制器,导光原理,放大器,EDFA,色散,改进G.652,影响,影响,G.653,非线性,改进光纤,影响,色散补偿,G.655,光电探测器,EDFA 和WDM 技术发展,3,1.5 通信光电子器件,1.5.1 概述 1.5.2 半导体光电子技术基础知识 1.5.3 半导体光源 1.5.4 光

2、电探测器 1.5.5 光调制器,4,1.5.1概述,光器件类型：有源：需要外加能源驱动工作的器件无源：不需要外加能源驱动工作的光器件,发展趋势： 集成化 全光纤化,5,光有源器件,定义：需要外加能源驱动工作的光器件 半导体光源(LD,LED) 半导体光探测器(PD:PIN,APD） 光纤激光器（OFL:单波长、多波长） 光放大器(SOA,EDFA) 光波长变换器 光调制器 光开关/路由器,最重要的光电子器件,6,光无源器件,定义：不需要外加能源驱动工作的光器件 光纤连接器（固定、活动） 光纤定向耦合器/分支器（波长相关性不强） 光分插复用器（OADM) （波长相关性强） 光波分/密集波分复用器

3、（WDM/DWDM) 光衰减器（固定、可变） 光滤波器（带通、带阻） 光纤隔离器与环行器（偏振有关、无关） 光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅,7,光器件与电器件的类比,光连接器,作用：将光纤之间或光纤与器件之间的光路进行连通 两端接有连接器的光纤成为跳线,8,光衰减器（Attenuator）,作用：根据用户需求对光信号能量进行预期的衰减 常用于系统中吸收或反射掉光功率余量，评估系统损耗以及各类实验中 分为固定衰减器和可变衰减器,光耦合器（Coupler）,定义：对同一波长的光功率进行分路或合路 类型：Y型、X型22耦合器、1N型、MN型 作用：光信号的分配、合成、提取、监控等,光隔离器与光

4、环形器,三端口光环行器,四端口光环行器,光隔离器与光环行器均为非互易器件,光隔离器(Isolator) 作用：只允许光单向传输，放置于激光器及光放大器前面，防止系统中的反射光对器件性能的影响甚至损伤 光环形器(Circulator) 作用：使光信号在指定端口间单向通过，在光网络中用于信号的上,下载 光传送顺序：1234（三端口，四端口，多端口）,光开关（Switches）,作用：实现光通道的通断和转换，是光网络中的关键器件，用于光上下话路、交叉互联、保护倒换、网络监视等 开关时间是光开关的主要指标。不同的应用场合,对光开关的开关时间要求不同。,主要类型： 机械光开关；热光开关；电光开关；微光机

5、电系统（MOEMS）,机械式光开关,特点：低插损、低PDL、低串话(隔离度高)、性能稳定、低价格，但速度慢(ms)只能用在OXC和OADM节点中。 是目前最为成熟，应用最广的光开关,新型光开关MOEMS,微光机电系统(MOEMS)光开关是微机电系统技术(MEMS)与传统光技术相结合的新型机械式光开关 MEMS技术是基于半导体微细加工技术而成长起来的制作工艺技术，利用这种技术可以制作出微小而活动的机械系统,I/O Fibers,Imaging Lenses,Reflector,MEMS 2-axis Tilt Mirrors,MEMS光开关阵列,优点：可实现超大规模交叉连接 可利用IC工艺，批量

6、生产; 大规模交叉连接的广阔市场前景将可能使MOEMS光开关阵列成为光开关的主流,采用集成电路(IC)标准工艺在Si衬底上制作出集成的微反射镜阵列，反射镜尺寸非常小，仅300微米左右，比头发丝还细,MEMS光开关阵列Mirror,1N MEMS Switch,HP/Agilent Bubble 开关阵列,将成熟的喷墨打印技术与Si平面光路(PLC)结合 加热时，利用气泡的全反射，使来自输入波导的光改变反向 交换速度为10ms 没有可移动部分，可靠性较好，对偏振不敏感,群组滤波器(Interleaver),用于将一根光纤中输入的一组50GHz(或100GHz)信道间隔的光信号分成两组100GHz

7、(或200GHz)信道间隔的光信号(分波),分别从两根光纤中输出 为实现50GHz间隔的密集波分系统,同时避免器件技术的过分复杂和太高成本,22,1.5 通信光电子器件,1.5.1 概述 1.5.2 半导体光电子技术基础知识 1.5.3 半导体光源 1.5.4 光电探测器 1.5.5 光调制器和阵列波导光栅,23,二十世纪四大发明,半导体,原子能,计算机,激光,1.5.2 半导体光电子技术基础知识,24,光子概念,光量子学说认为，幅射能（即光波能）不是一种连续不断的流的形式，而是由小微粒组成的。这种小微粒就是光量子。 光子能量大小为hv（h普朗克常数，=6.6281034 Js（焦耳秒），v是

8、光波频率） 光与物质作用时，光子的能量作为一个整体被吸收或发射,25,原子能级假说,1913年由玻尔在普朗克、爱因斯坦和卢瑟福等人工作的基础上提出 具体内容： 单个原子存在某些定态，处于这些定态的原子能量只能取一些分立的值，这些定态称为原子能级。 当原子从一个能级跃迁到另一个能级时，则发出或吸收电磁辐射。 跃迁过程满足下述方程（En和Em分别为跃迁前、后的原子能级能量，为频率）,26,孤立原子中的电子分布,孤立原子中电子分布在许多层轨道上，每层轨道对应确定的能级,27,电子的共有化运动,原子相互接近形成晶体时： 原子核外电子不仅受到本身原子核的作用，还受到相邻原子核 的作用 不同原子的电子轨道

9、（尤其是外层电子轨道）相互交叠 电子不再局限于某一个原子而是在整个晶体中作共有化运动。,28,能带的形成,能带：晶体的能谱在原子能级的基础上按共有化运动的不同而分裂成若干组。每组中彼此靠得很近的能级，组成一定宽度的带，就是能带。,外层电子共有化运动显著，表现为能带较宽,内层电子轨道重叠的少，能带较窄,29,固体能带模型,满带：被电子完全填满（Pauli不相容） 价带：最靠近导带的满带（对应价电子） 空带：完全没有电子占据 禁带：不能被电子占据 导带：部分被电子占据,30,电子排布总是先占满能量低的状态，基态一般是满的，高能级是空的！ 满带中电子能级完全被占据，无法形成电流！ 处于导带中的电子可

10、以形成电流！,固体能带模型,31,非导体：导带与价带间有带隙！ 绝缘体：具有较大的禁带宽度，电子不能被激发到空带； 半导体：具有较小的禁带宽度，导电性介于导体和绝缘体之间。 导体：导带与价带部分重合。,导体、半导体和绝缘体,32,半导体的能带模型,半导体价带中的少部分电子可通过热激发进入导带 载流子（Carrier）：电子和空穴,33,导带,价带,I型（本征）半导体,N型半导体,P型半导体,禁带,掺杂可以改变半导体的导电特性！ 本征(I型)半导体（Instrinsic）：无杂质或杂质浓度很低的半导体，电子与空穴浓度相同。 N型半导体：掺有施主杂质的半导体。其电子浓度大于空穴浓度。 P型半导体：

11、掺有受主杂质的半导体。其电子浓度小于空穴浓度。,半导体的能带模型,施主杂质能级,受主杂质能级,34,半导体的能带模型,35,直接带隙和间接带隙,电子有动量（动力学变量：能量，位置，自旋，角动量） 采用能量-波矢图(E-k)更完整的描述能带中电子的E-p特性 直接带隙：导带能量底部和价带顶部的电子具有相同的动量！否则为间接带隙,直接带隙,间接带隙,36,直接带隙和间接带隙,直接带隙材料中电子跃迁满足能量和动量守恒！ 具有更高的跃迁几率（近100%）！ 间接带隙材料中的电子跃迁必须由声子介入实现！,37,主要的半导体材料,族材料：Si、Ge及SiGe合金；间接带隙；微电子器件和光电管。 -族化合物

12、材料：GaAlAs/GaAs、InGaAsP/InP、InAlGaN/GaN、InAlGaAs/InP等材料系；直接带隙；微电子和各种光电子器件。（光通信常用！） -族化合物材料：ZnSeTe、HgGdTe等；直接带隙；可见光和远红外光电子器件。,38,粒子分类,粒子基本属性：质量、能量、磁矩和自旋 费米子 自旋为半整数的粒子 电子、质子、中子等以及其反粒子所有的物质粒子 服从费米狄拉克统计 符合泡利不相容原理：即在一个费米子系统中，绝不可能存在两个或两个以上在电荷、动量和自旋朝向等方面完全相同的费米子 玻色子 自旋为整数 光子传递作用力的粒子 服从玻色-爱因斯坦统计 不符合泡利不相容原理，一

13、个量子态可以容纳无穷多个玻色子,39,费米狄拉克统计,电子在各能级中的分布，服从费米狄拉克统计：,空穴在价带占据能量E的几率为1-f(E)！与电子所处能量相反！,k是波尔兹曼常数 费米能级Ef不是一个可以被电子占据的实在的能级 Ef是反映电子在各能级中分布情况的参量，具有能级的量纲。,40,绝对零度时，T=0K,电子充满价带，导带无电子分布 T0K时，能量为Ef 的能级被电子充填的几率和不充填的几率是相同的 表明导带中的电子绝大多数位于导带底部，随着E的增大，电子占据该状态的几率近似按指数式衰减 E0.5,能级E被电子占据的概率大于被空穴占据的概率 EEf，f(E)0.5,能级E被电子占据的概

14、率小于被空穴占据的概率,费米（Fermi）能级,41,电子充满价带， 导带无电子分布,费米（Fermi）能级,费米狄拉克分布,能带图,42,费米（Fermi）能级,通过电子/空穴的态密度与分布几率进行积分可得浓度,费米能级的位置与导带电子与价带空穴的浓度密切相关！ 本征半导体：np T=0K时，费米能级位于禁带中央 T0K时，费米能级略偏向导带一侧 N型半导体：导带电子主要来自于施主杂质的热激发T=0K时，费米能级位于导带底和施主能级之间，位置高于本征半导体T0K时，费米能级将随着施主杂质浓度的增大而升高,导带中的电子浓度：,价带中的空穴浓度：,43,P型半导体：价带空穴主要来自于价带电子热激

15、发进入受主能级而形成T=0K时，费米能级位于价带顶和受主能级之间，位置低于本征半导体T0K时，费米能级将随着受主杂质浓度的增大而降低,施主能级,受主能级,Ef,Ef,Ef,费米（Fermi）能级,I型（本征）半导体,N型半导体,P型半导体,44,半导体中光与电子的相互作用,半导体中光与电子的相互作用 电子可以在不同能带之间跃迁 自发辐射 受激吸收 受激辐射,45,半导体中光与电子的相互作用,自发辐射：处于导带能态E2 上的电子不稳定，即使无外界作用，也会自发跃迁到价带能态E1，释放能量转换为光子 应用：发光二极管。,自发辐射复合,46,半导体中光与电子的相互作用,受激吸收：价带能态（即基态）E

16、1上的电子，在入射光的作用下，吸收光子的能量跃迁到导带能态（即激发态）E2，产生光电流 应用：光电检测器。,受激吸收和光生载流子,47,受激辐射：在导带能态E2上的电子，受到能量为hv的外来光子激发时，电子将被迫跃迁到价带能态E1 上与空穴复合，同时释放出一个与激励光子同频率、同相位、同方向的光子（称为全同光子）。 应用激光器。,半导体中光与电子的相互作用,受激辐射复合,半导体内电子发生辐射跃迁的条件 满足能量守恒和动量守恒条件直接带隙材料的跃迁几率高 跃迁的始态上必须存在电子，末态上必须存在空穴本征半导体、P型半导体和N型半导体中的自发和受激辐射概率都小 半导体内电子跃迁的性质 半导体材料上

17、导带中的电子和价带中的空穴态密度很高，可以容纳很高浓度的电子和空穴获得更大的自发辐射和受激辐射率，进而获得更高的光增益 载流子具有很强的实现重新分布的能力 载流子可以通过自由扩散或漂移运动进行转移可以用电流泵浦,半导体材料中电子跃迁的特点,49,半导体器件的辐射波长,半导体器件的辐射波长取决于材料的禁带宽度Eg 辐射光子的频率满足禁带宽度为Eg的半导体材料的辐射波长为,50,非平衡载流子,热平衡状态，一定温度下，载流子浓度一定。 整个半导体具有统一的费米能级 非平衡状态（对半导体施加外界作用，如光照或电流注入，破坏热平衡条件），半导体中会增加一部分载流子非平衡载流子,在一定温度下，没有光照时，

18、一块N型半导体的电子和空穴浓度分别是n0p0，且n0p0, 当用适当波长的光照射该半导体时，只要光子的能量大于半导体的禁带宽度，光子就能把价带中的电子激发到导带中去，使导带比平衡的时候多出一部分电子n，价带中也多出一部分空穴p n和p就是非平衡载流子浓度,51,非平衡状态下，半导体电子系统的特点 非平衡状态下，不存在统一的费米能级 能带内容易实现热平衡，能带间不容易实现： 电子系统的热平衡是通过热跃迁实现的，在一个能带范围内，热跃迁很频繁，极短时间内就能导致能带内的热平衡 能带之间隔着禁带，热跃迁稀少，不容易实现热平衡 导带和价带内部处于局部平衡态，可以引入局部费米能级，称为“准费米能级”。,

19、准费米能级,52,Ef,Ef,Efv,Efc,Efc,Efc,Efv,Efv,Ef,非平衡载流子,非平衡载流子,准费米能级,非平衡态的表现就是导带和价带准费米能级的不重合 多数载流子的准费米能级与平衡态时偏离不多，少数载流子的反之 导带和价带准费米能级偏离程度反映了半导体偏移热平衡状态的程度,I型（本征）半导体,N型半导体,P型半导体,53,P-N结（P-N junction）的形成,半导体光电子器件相关的最重要概念！ P型与N型半导体结合在一起，载流子浓度扩散形成P-N结，建立势垒。 是一个动态平衡的过程多子扩散vs.少子漂移！,54,多子扩散：当P型半导体和N型半导体形成PN结时，载流子的

20、浓度差引起扩散运动，P区空穴向N区扩散，剩下带负电的电离受主，N区的电子向P区扩散，剩下带正电的电离施主，形成由N区指向P区的内建电场 少子漂移：在内建电场的作用下，P区的电子向N区漂移， N区的空穴向P区漂移，阻止载流子的进一步扩散，直至平衡,P-N结的形成,耗尽层,55,P-N结的特性,势垒：P区高！ 电位：N区高！,56,P-N结的能带结构,热平衡状态： P区能带相对N区提高，形成统一的费米能级，阻挡载流子的进一步扩散 能带弯曲的解释： 在空间电荷区，内建电场从N区指向P区,说明P区相对N区为负电位,用-VD表示,P区所有能级的电子都附加了(-e)(-VD)=eVD的位能,使P区能带相对

21、N区提高 在电荷区中,任一点X相对N区都有一定的电位(-V(x),能带相应提高eV(x),能带倾斜部分直接表明电位的变化,57,P-N结的偏置,处于反转状态，受激辐射可大于受激吸收！,通过在P-N结两侧加正向或反向偏压可以获得不同的光电特性！ 正向偏置：势垒削弱，多数载流子越过结区形成正向电流，部分在耗尽区复合，复合速率产生速率，可形成光增益！ 反向偏置：势垒增强，少数载流子漂移难以形成足够电流，但在外加光场作用下可形成较强光电流！,58,P-N结的电致发光,正向偏置（加正向电压，即电源的正极接P区，负极接N区）： 内建电场消弱，势垒降低 P区能带下移 费米能级分离：准费米能级EfN （Fn)

22、和EfP （Fp)间隔注入到耗尽区的非平衡载流子将通过自发辐射复合产生电致发光。 当外加电压满足eVEg 时光子产生速率吸收速率，半导体中可以产生光增益,P-N结的电致发光,PN结无偏置与正向偏置下载流子分布对比,59,正向偏置下，对电子子而言，是把p区能带下移，n区能带上移， n区的大量电子得以越过降低的势垒进入p区，在耗尽层电子空穴得以复合，产生大量光子,60,P-N结的光电效应,反向偏置（加反向电压，即电源的正极接N区，负极接P区）： P-N结的势垒进一步加强，载流子的扩散更加困难，无法形成电流， P-N结处于截止状态（ P-N结的单向导电特性！） 在外加光场的作用下，如果光子能量大于禁

23、带宽度，则在P-N结的各区中将由于受激吸收产生光生载流子 在内建电场的作用下，耗尽区内的光生载流子发生移动，在回路中形成光电流 不加反向偏压就可以实现，但加适当的反向偏压会提高效率,61,同质结和异质结,由构成P-N结的基质分类： 由同种基质构成的P-N结为同质结；否则为异质结。 同质结的缺点： 不能有效地将注入的非平衡载流子限制在结区发生辐射复合以产生光子 不具有波导效应，产生的光场弥散在很宽范围内 异质结的优点： 具有更高的载流子注入效率和光场限制作用 具有更高的出光效率！,62,同型异质结 由具有相同掺杂类型的不同半导体材料构成 异型异质结 由具有相反掺杂类型的不同半导体材料构成,异质结

24、的分类,同型异质结,异型异质结,63,半导体双异质结 (Double Hetero Structure) 由两层宽带隙层材料和位于它们之间的窄带隙层材料组成 通常包含一个同型异质结和异型异质结,双异质结,64,同质结与双异质结的能带特性比较,双异质结,平衡状态下的能带图,加正向偏置时能带图,辐射复合主要发生在窄带隙层，有源层。,同质结,双异质结,具有更高的载流子注入效率和光场限制作用，因此具有更高的出光效率，被广泛采用！,65,小结,直接带隙材料和间接带隙材料 费米能级 统一的费米能级存在于热平衡状态 准费米能级 半导体中光与电子的相互作用 P-N结 形成：多子扩散vs.少子漂移的动态平衡过程！ 能带结构：P区整体提高，N区整体下降，耗尽区能带弯曲，最后形成统一的费米能级。 P-N结的偏置 正向偏置：外部激励满足导带、价带准费米能级差大于半导体的禁带宽度产生光增益 反向偏置：光照作用下产生光生载流子形成光电流 同质结和异质结，双异质结,