第三章光电子技术.pptx

光子与电子光子与电子 特特 征征 电电 子子 光光 子子 静止质量静止质量(m)m0 0(m)m0 0 运动质量运动质量(m)me (m)me h/ch/c2 2 传传 播播 特特 性性 不能在自由空间传播不能在自由空间传播 能在自由空间传播能在自由空间传播 传传 播播 速速 度度 小于光速小于光速(c)(c)等于光速等于光速(c)(c)时时 间间 特特 性性 具时间不可逆性具时间不可逆性 具一定的类时间可逆具一定的类时间可逆性性 空空 间间 特特 性性 高度的空间局域高度的空间局域 不具空间局域性不具空间局域性 粒粒 子子 特特 性性 费米子费米子 (费米统计费米统计)玻色子玻色子 (玻色统计玻色统计)电电 荷荷 -e 0-e 0 自自 旋旋 l(h)/2 l(h)l(h)/2 l(h)1.什么是光电子技术、光电子学第1页/共67页光子的优越性光子的优越性1.光子具有极高的信息容量和效率2.光子具有极快的响应能力 3.光子具有极强的互连能力与并行能力4.光子具有极大的存储能力难点难点p控制能力差控制能力差第2页/共67页电子技术的发展电子技术的发展半导体电子学的强大生半导体电子学的强大生命力在于它能够实现集命力在于它能够实现集成化成化处理功能和运行速度得处理功能和运行速度得到大幅度提高，功耗大到大幅度提高，功耗大大降低大降低尺寸大大缩小尺寸大大缩小芯片的成品率、可靠性芯片的成品率、可靠性和性价比极大改善和性价比极大改善p但是利用电子作为信息的载但是利用电子作为信息的载体，由于路径延迟和电磁串体，由于路径延迟和电磁串扰效应的存在，无论从技术扰效应的存在，无论从技术局限或是经济代价以及信息局限或是经济代价以及信息安全的角度来考虑，电子技安全的角度来考虑，电子技术都出现了它的阶段局限性。术都出现了它的阶段局限性。超高速率、超大容量信息超高速率、超大容量信息系统中用光子作为信息的系统中用光子作为信息的载体是继电子之后的最佳载体是继电子之后的最佳选择。由此应运产生了信选择。由此应运产生了信息光子学息光子学。未来的集成系统必然是光子集成回路与微电子集成电路的共融体 第3页/共67页光电子学光电子学光电子学是以光电子学是以光与物质相互作用光与物质相互作用为研究对象的一门内容为研究对象的一门内容极其深广的学术分支。光电子学及其系统的发展，依赖极其深广的学术分支。光电子学及其系统的发展，依赖于光于光-电和电电和电-光转换、光学传输、加工处理和存储等技光转换、光学传输、加工处理和存储等技术的发展，其关键是术的发展，其关键是光电子器件光电子器件。光电子技术光电子技术光电子技术是以光电子学为基础，以与光的产生、控制、光电子技术是以光电子学为基础，以与光的产生、控制、传输、光信息处理、转化等有关的器件与系统为研究对传输、光信息处理、转化等有关的器件与系统为研究对象的新型综合性技术领域。内容包括：象的新型综合性技术领域。内容包括：激光技术激光技术导波光电子技术导波光电子技术(光子学、光无源器件光子学、光无源器件)半导体光电子技术半导体光电子技术(LD、LED、APD)其它材料与器件其它材料与器件(电光、磁光、声光、弹光电光、磁光、声光、弹光)。涉及知识：电磁场理论、半导体物理、量子力学等涉及知识：电磁场理论、半导体物理、量子力学等第4页/共67页【光有源器件】-需要外加能源驱动工作的光电子器件需要外加能源驱动工作的光电子器件半导体光源(LD,LED,DFB,DBR,QW,VCSEL)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)光波长转换器(XGM,XPM,FWM)光调制器光开关/路由器第5页/共67页【光无源器件】-不需要外加能源驱动工作的光电子器件不需要外加能源驱动工作的光电子器件光纤连接器（固定、活动,FC/PC,FC/APC）光纤定向耦合器/分支器光分插复用器（OADM)光波分/密集波分复用器（WDM/DWDM)光衰减器（固定、连续）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、光纤光栅第6页/共67页导体绝缘体材料分类按导电性半导体2 2、半导体物理学基础第7页/共67页半导体：禁带宽度小，满带(价带)中的少部分电子在室温下可通过热激发进入导带，同时在满带中留下相应的电子空位(空穴)，显示出部分导电性。导电性介于导体和绝缘体之间。载流子：导带子的电子和价带中的空穴总称。第8页/共67页半导体掺杂:半导体材料的电磁性质可以通过掺入不同类型和浓度的杂质而改变.半导体中的杂质可以在禁带中形成电子的束缚态能级,称为杂质能级.u若掺杂提供的是带有电子的杂质能级,则称为施主杂质u若掺杂提供的是带有空穴的杂质能级,则称为受主杂质u根据掺杂类型可对半导体材料进行分类:I型、P型、N型半导体的掺杂和导电类型注意：施主能级和受主能级在禁带中。第9页/共67页施主掺杂及n型半导体PED第10页/共67页施主能级和施主电离分析分析施主能级位于禁带之中；施主能级位于禁带之中；施主能级上的电子很容易被激发到导带上去；施主能级上的电子很容易被激发到导带上去；导带的电子浓度远大于价带的空穴浓度，导电性主要依赖电子。导带的电子浓度远大于价带的空穴浓度，导电性主要依赖电子。第11页/共67页受主掺杂及p型半导体EA第12页/共67页分析分析|受主能级位于禁带之中；受主能级位于禁带之中；|价带中的电子很容易被激发到受主能价带中的电子很容易被激发到受主能级上去；级上去；|价带的空穴浓度远大于导带的电子浓价带的空穴浓度远大于导带的电子浓度，导电性主要依赖空穴。度，导电性主要依赖空穴。受主能级和受主电离第13页/共67页I型（本征）半导体N型半导体P型半导体 I I 型半导体（本征型）：型半导体（本征型）：无杂质或杂质浓度很低的半无杂质或杂质浓度很低的半导体，电子与空穴浓度基本相同。导体，电子与空穴浓度基本相同。N N型半导体型半导体：掺有施主杂质的半导体，其电子浓度远大：掺有施主杂质的半导体，其电子浓度远大于空穴浓度。于空穴浓度。P P型半导体型半导体：掺有受主杂质的半导体，其电子浓度远小：掺有受主杂质的半导体，其电子浓度远小于空穴浓度。于空穴浓度。三类半导体第14页/共67页PN 结结第15页/共67页第16页/共67页主要的半导体材料(由其化学元素来区分)p族材料族材料：SiSi、GeGe及及SiGeSiGe合金；合金；间接带隙间接带隙；微电子和光电管。；微电子和光电管。p-族化合物材料族化合物材料：GaAlAs/GaAsGaAlAs/GaAs、InGaAsP/InPInGaAsP/InP、InAlGaN/GaNInAlGaN/GaN、InAlGaAs/InPInAlGaAs/InP等材料系；等材料系；直接带隙直接带隙；微电子和；微电子和各种光电子器件。各种光电子器件。p-族化合物材料族化合物材料：ZnSeTeZnSeTe、HgGdTeHgGdTe等；等；直接带隙直接带隙；可见；可见光和远红外光电子器件。光和远红外光电子器件。p半导体掺杂材料的选择原则半导体掺杂材料的选择原则:如果掺入的杂质原子代替半导如果掺入的杂质原子代替半导体晶格中的原子后存在多余的价电子，该杂质为施主杂质；如体晶格中的原子后存在多余的价电子，该杂质为施主杂质；如果果掺入的杂质原子代替半导体晶格中的原子后尚缺乏成键所需掺入的杂质原子代替半导体晶格中的原子后尚缺乏成键所需要的电子，即存在电子空位，该杂质为受主杂质。要的电子，即存在电子空位，该杂质为受主杂质。第17页/共67页第18页/共67页3 3、激光基本原理第19页/共67页第20页/共67页第21页/共67页光发射和光吸收光发射和光吸收T T为热力学温度，为热力学温度，k=1.38110k=1.38110-23-23J/KJ/K为玻尔兹曼常数为玻尔兹曼常数第22页/共67页载流子的统计分布在热平衡状态下，粒子占据能量为 E 的状态的几率服从Fermi-Dirac统计：E Ef f 为体系的FermiFermi能级，k k 为BoltzmannBoltzmann常数，T T 为绝对温度。能量E E越大，几率f(E)f(E)越小，符合能量最低原理。当T 0K时，f(Ef)=1/2当T=0K时，f(EEf)=0,f(EEf)=1 这表明导带中的电子大多数位于导带底部，随着E增大，电子占据该状态的几率近似按照指数衰减。第23页/共67页*平平衡衡状状态态下下，半导体材料内具有统一的费米能级，辐辐射射与与吸吸收收达达到到平平衡衡，不不可可能能使使产产生生的的光光子子数数不不断断增多，即增多，即不可能产生光增益不可能产生光增益。*只只有有通过外部激励产生非平衡载流子，使载流子处于上能态的几率大于处于下能态的几率（粒子数反转分布），才能实现光增益。*外部激励方式：（1）光辐照；（2）电注入*基于粒子数反转分布，可得光增益产生条件为：光增益产生的条件E Efcfc:非平衡状态下导带的准费米能级；非平衡状态下导带的准费米能级；E Efvfv:非平衡状态下价带的准费米能级非平衡状态下价带的准费米能级hv:hv:产生光子的能量；产生光子的能量；E Eg g:禁带宽度禁带宽度第24页/共67页4 4、半导体光源第25页/共67页LED的的工作原理：工作原理：4.1 发光二极管（发光二极管（LED）第26页/共67页LED的工作特性（的工作特性（P-I特性特性）第27页/共67页LED的工作特性（的工作特性（光谱特性光谱特性）第28页/共67页LED的工作特性（的工作特性（频率特性频率特性）第29页/共67页LED的的优缺点优缺点第30页/共67页第31页/共67页第32页/共67页室外大LED全彩色屏幕第33页/共67页4.2、半导体激光器、半导体激光器第34页/共67页产生激光的条件产生激光的条件（1）工作物质处于粒子数反转分布状态的工作物质，称为激活物质或增益物质；能对光场进行放大，它是产生激光的必要条件。&激励源使工作物质产生粒子数反转分布的外界条件，称为激励源或泵浦源。物质在激励源的作用下，使得处于某一高能级的粒子数大于处于某一低能级的粒子数，从而受激辐射大于受激吸收，有光的放大作用。这时的工作物质已被激活。第35页/共67页&光学谐振腔激活物质只能使光放大，只有把激活物质置于光学谐振腔中，以提供必要的反馈及对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振荡输出。（1）使激光具有极好的方向性（沿轴线）（2）增强光放大作用（相当于延长了工作物质）（3）使激光具有极好的单色性（选频）第36页/共67页第37页/共67页疑问疑问将工作物质、光将工作物质、光学谐振腔和泵浦学谐振腔和泵浦源安置好后，开源安置好后，开通电源，一定能通电源，一定能得到激光输出吗得到激光输出吗？激励能源激励能源全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜激光激光不一定！阈值条件：阈值条件：阈值条件：阈值条件：只有当外界泵浦只有当外界泵浦只有当外界泵浦只有当外界泵浦超过一定超过一定超过一定超过一定阈值阈值阈值阈值时，光场在谐时，光场在谐时，光场在谐时，光场在谐振腔内的往返振荡才能形成振腔内的往返振荡才能形成振腔内的往返振荡才能形成振腔内的往返振荡才能形成正反馈，使光场的增益不低正反馈，使光场的增益不低正反馈，使光场的增益不低正反馈，使光场的增益不低于光场的损耗，才能形成持于光场的损耗，才能形成持于光场的损耗，才能形成持于光场的损耗，才能形成持续稳定的光输出续稳定的光输出续稳定的光输出续稳定的光输出第38页/共67页产生激光的条件产生激光的条件（2）第39页/共67页LD的工作特性（的工作特性（P-I特性特性）第40页/共67页LD的工作特性（的工作特性（温度特性温度特性）第41页/共67页LD的工作特性（的工作特性（调制特性调制特性）第42页/共67页低速调制下出现的现象：低速调制下出现的现象：第43页/共67页LD的工作特性（的工作特性（模式特性模式特性）第44页/共67页第45页/共67页提高提高LD性能的方法性能的方法（1 1）第46页/共67页（2 2）第47页/共67页单纵模（单纵模（SLM）激光器）激光器 设计的基本思想设计的基本思想使使第48页/共67页几种典型的几种典型的SLM激光器激光器第49页/共67页第50页/共67页第51页/共67页大功率光纤激光器|包层泵浦技术|光纤耦合技术第52页/共67页美国IPG Photonics公司、德国Jena大 学 的 应 用 物 理 所 和 英 国Southampton的ORC研制的单根双包层光纤激光器，连续输出功率分别达到135W、150W、1000W、4000W,20000W大功率光纤激光器 第53页/共67页5 5、半导体光电探测器第54页/共67页5.1 5.1 PNPN光电二极管光电二极管第55页/共67页第56页/共67页5.2 5.2 PINPIN光电二极管光电二极管第57页/共67页第58页/共67页5.3 5.3 APDAPD光电二极管光电二极管第59页/共67页第60页/共67页5.4 5.4 光电二极管工作特性和参数光电二极管工作特性和参数第61页/共67页原因：原因：原因：原因：WW越大，光子入射到该区域的可能性越大，光子入射到该区域的可能性越大，光子入射到该区域的可能性越大，光子入射到该区域的可能性越大，被吸收产生光电流的概率就越高。越大，被吸收产生光电流的概率就越高。越大，被吸收产生光电流的概率就越高。越大，被吸收产生光电流的概率就越高。第62页/共67页第63页/共67页第64页/共67页5.5 5.5 光电二极管一般性能和应用光电二极管一般性能和应用第65页/共67页第66页/共67页感谢您的观看！第67页/共67页