半导体光纤精.ppt

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1、半导体光纤第1页，本讲稿共25页1 1 半导体的能带和产生受激辐射的条件半导体的能带和产生受激辐射的条件1.在一个具有N个粒子相互作用的晶体中，每一个能级会分裂成为N个能级，因此这彼此十分接近的N个能级好象形成一个连续的带，称之为能带，见图1)。图1固体的能带2.纯净(本征)半导体材料，如单晶硅、锗等，在绝对温度为零的理想状态下，能带由一个充满电子的价带和一个完全没有电子的导带组成，如图2)。图(2）本征半导体的能带3.热平衡时，电子在能带中的分布不再服从玻尔兹曼分布，而服从费米分布，能级E被电子占据的几率为 第2页，本讲稿共25页1 1 半导体的能带和产生受激辐射的条件半导体的能带和产生受激

2、辐射的条件1.杂质半导体中费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度有密切关系。为了说明问题，图(3)给出了温度极低时的情况。图3 费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度关系2.在半导体中产生光放大的条件是在半导体中存在双简并能带，并且入射光的频率满足 第3页，本讲稿共25页2 PN2 PN结和粒子数反转结和粒子数反转1.P-N结的双简并能带结构 把P型和N型半导体制作在一起，是否可能在结区产生两个费米能级呢？未加电场时，P区和N区的费米能级必然达到同一水平，如图(4)。图4 PN能带在P-N结上加以正向电压V时，形成结区的两个费米能级 和 ，称为准费米能级，如图(5)。图5正向电压V时形成的双简并能带结

3、构第4页，本讲稿共25页2.粒子数反转 2 PN2 PN结和粒子数反转结和粒子数反转产生受激辐射的条件是在结区的导带底部和价带顶部形成粒子数反转分布。激光器在连续发光的动平衡状态，导带底电子的占据几率为价带顶空穴的占据几率可以用P区的准费米能级来计算 价带顶电子占据几率则为 在结区导带底和价带顶实现粒子（电子）数反转的条件是第5页，本讲稿共25页1.半导体激光器的基本结构和工作原理 图6 GaAs激光器的结构3 3 半导体激光器的工作原理和阈值条件半导体激光器的工作原理和阈值条件 图(6)示出了GaAs激光器的结构。2.半导体激光器工作的阈值条件 激光器产生激光的前提条件除了粒子数发生反转还需

4、要满足阈值条件 增益系数和粒子数反转的关系也取决于谐振腔内的工作物质 第6页，本讲稿共25页3.半导体激光器的阈值电流 3 3 半导体激光器的工作原理和阈值条件半导体激光器的工作原理和阈值条件 在一定的时间间隔内，注入激光器的电子总数与同样时间内发生的电子与空穴复合数相等而达到平衡 第7页，本讲稿共25页4 4 同质结和异质结半导体激光器同质结和异质结半导体激光器 1.同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性 图7GaAs激光器的伏安特性伏安特性:与二极管相同，也具有单向导电性，如图7)所示。阈值电流密度:影响阈值的因素很多 方向性:图(8)给出了半导体激光束的空间分布示意图。图8 激光束的空间分

5、布示意图 第8页，本讲稿共25页4 4 同质结和异质结半导体激光器同质结和异质结半导体激光器 1.同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性 光谱特性:图(9)是GaAs激光器的发射光谱。其中图(a)是低于阈值时的荧光光谱，谱宽一般为几百埃，图(b)是注入电流达到或大于阈值时的激光光谱，谱宽达几十埃。图9 GaAs激光器的发射光谱第9页，本讲稿共25页4 4 同质结和异质结半导体激光器同质结和异质结半导体激光器 1.同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性 外微分量子效率:功率效率:功率效率定义为激光器的输出功率与输入电功率之比 2.异质结半导体激光器 单异质结半导体激光器:单异质结器件结构如图(10)

6、(b)所示 双异质结半导体激光器:双异质结半导体激光器结构如图(10)(c)所示。图 同质结、异质结结构示意图第10页，本讲稿共25页光纤之父高锟Charles Kao第11页，本讲稿共25页波导第12页，本讲稿共25页干涉增强(AC)=k1(AB+BC)2=m(2),m=0,1,2 第13页，本讲稿共25页波导的条件第14页，本讲稿共25页波导中场分布第15页，本讲稿共25页单模第16页，本讲稿共25页多模第17页，本讲稿共25页波导中的光传输第18页，本讲稿共25页单模和多模波导sinm sinc(i.e.m c)m 必须满足-m(2V)/,第19页，本讲稿共25页TE TM 模第20页，本讲稿共25页波导模数Ex.A planar dielectric guide,2a=20 m,n1=1.455,n2=1.440,=900 nm find mfor all the modes substitute waveguide condition 第21页，本讲稿共25页波导模数第22页，本讲稿共25页Ex.A planar dielectric guide,2a=100 m,n1=1.490,n2=1.470,=1 m estimate the number of modes 第23页，本讲稿共25页模内色散第24页，本讲稿共25页光纤放大器第25页，本讲稿共25页