光电子技术PPT课件.ppt

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1、三、三、光电子器件光电子器件|1.什么是光电子技术、光电子学什么是光电子技术、光电子学|2.半导体物理学基础半导体物理学基础|3.激光基本原理激光基本原理|4.半导体光源半导体光源|5.半导体光电探测器半导体光电探测器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 h/c(m)me h/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

2、时间不可逆性 具一定的类时间可逆性具一定的类时间可逆性|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)/2 l(hl(h)1.什么是光电子技术、光电子学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光子具有极大的存储能力难

3、点难点p控制能力差控制能力差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体，但是利用电子作为信息的载体，由于路径延迟和电磁串扰效应由于路径延迟和电磁串扰效应的存在，无论从技术局限或是的存在，无论从技术局限或是经济代价以及信息安全的角度经济代价以及信息安全的角度来考虑，电子技术都出现了它来考虑，电子技术都出现了它的

4、阶段局限性。的阶段局限性。|超高速率、超大容量信息系超高速率、超大容量信息系统中用光子作为信息的载体统中用光子作为信息的载体是继电子之后的最佳选择。是继电子之后的最佳选择。由此应运产生了信息光子学由此应运产生了信息光子学。未来的集成系统必然是未来的集成系统必然是光子集成回路光子集成回路与与微电子集成电路微电子集成电路的共融体的共融体 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极其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，依赖于光深广的学术分支。光电子学及其系统的发展，依赖于光-电电和电和电-光转换、光学传输、加工处理和存

5、储等技术的发展，光转换、光学传输、加工处理和存储等技术的发展，其关键是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、传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象的新输、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：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

6、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【光有源器件光有源器件】-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z半导体光源半导体光源(LD,LED,DFB,DBR,QW,VCSEL)z半导体光探测器半导体光探测器(PD,PIN,APD）z光纤激光器（光纤激光器（OFL:单波长、多波长）单波长、多波长）z光放大器光放大器(SOA,EDFA)z光波长转换器光波长转换器(XGM,XPM,FWM)z光调制器光调制器z光开关光开关/路由器路由器【光无源器件光无源器件】-不需要外加能源驱动工作的光电子器不需要外加能源驱动工

7、作的光电子器件件z光纤连接器（固定、活动光纤连接器（固定、活动,FC/PC,FC/APC）z光纤定向耦合器光纤定向耦合器/分支器分支器z光分插复用器（光分插复用器（OADM)z光波分光波分/密集波分复用器（密集波分复用器（WDM/DWDM)z光衰减器（固定、连续）光衰减器（固定、连续）z光滤波器（带通、带阻）光滤波器（带通、带阻）z光纤隔离器与环行器（偏振有关、无关）光纤隔离器与环行器（偏振有关、无关）z光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅导体导体绝缘体绝缘体材料分类材料分类按导电性按导电性半导体半导体2 2、半导体物理学基础半导体物理学基础半导体半导体：禁

8、带宽度小，满带：禁带宽度小，满带(价带价带)中的少部分电子在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应的电子空位(空穴空穴)，显示出部分导电性。导电性介，显示出部分导电性。导电性介于导体和绝缘体之间。于导体和绝缘体之间。载流子载流子：导带子的电子和价带中的空穴总称。：导带子的电子和价带中的空穴总称。半导体掺杂半导体掺杂:半导体材料的电磁性质可以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半导体中的杂质可以在禁带中禁带中形成电子的形成电子的束缚态能

9、级束缚态能级,称为称为杂质能级杂质能级.u若掺杂提供的是带有电子的杂质能级若掺杂提供的是带有电子的杂质能级,则则称为称为施主杂质施主杂质u若掺杂提供的是带有空穴的杂质能级若掺杂提供的是带有空穴的杂质能级,则则称为称为受主杂质受主杂质u根据掺杂类型可对半导体材料进行分类根据掺杂类型可对半导体材料进行分类:I型、型、P型、型、N型型半导体的掺杂和导电类型半导体的掺杂和导电类型注注意意：施施主主能能级级和和受受主主能能级级在在禁禁带带中中。施主掺杂及施主掺杂及n型半导体型半导体PED施主能级和施主能级和施主电离施主电离分析分析|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

10、发到导带施主能级上的电子很容易被激发到导带上去；上去；|导带的电子浓度远大于价带的空穴浓度，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。导电性主要依赖电子。受主掺杂及受主掺杂及p型半导体型半导体EA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。受主能级和受主能级和受主电离受主电离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

11、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。三三类类半半导导体体PN 结结主要的半导体材料主要的半导体材料(由其化学元素来区分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/

12、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

13、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。3 3、激光基本原理激光基本原理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载流子的统计分布载流子的统计分布在热平衡状态下，粒子占据能量为在热平衡状态下，粒子占据能量为 E 的状态的几率服从的状态的几率服从Fermi-Dirac统计：统计：E Ef f 为为体系的体

14、系的FermiFermi能级，能级，k k 为为BoltzmannBoltzmann常数，常数，T T 为为绝对温度。绝对温度。能量能量E E越大，几率越大，几率f(Ef(E)越小，符合越小，符合能量最低原理能量最低原理。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，随着这表明导带中的电子大多数位于导带底部，随着E增大，电增大，电子占据该状态的几率近似按照指数衰减。子占据该状态的几率近似按照指数衰减。*平平平平衡衡衡衡状状状状态态态态下下下下，半半导导体体材材料料内内具具有有统统一一的的费费米米能能级级，辐辐辐辐射射射射

15、与与与与吸吸吸吸收收收收达达达达到到到到平平平平衡衡衡衡，不不不不可可可可能能能能使使使使产产产产生生生生的的的的光光光光子子子子数数数数不不不不断断断断增多，即增多，即增多，即增多，即不可能产生光增益不可能产生光增益不可能产生光增益不可能产生光增益。*只只只只有有有有通通过过外外部部激激励励产产生生非非平平衡衡载载流流子子，使使载载流流子子处处于于上上能能态态的的几几率率大大于于处处于于下下能能态态的的几几率率（粒粒子子数数反转分布），反转分布），才能实现光增益才能实现光增益。*外部激励方式外部激励方式：（1）光辐照；（）光辐照；（2）电注入）电注入*基于粒子数反转分布，可得光增益产生条件为

16、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；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hvhv:产生光子的能量；产生光子的能量；产生光子的能量；产生光子的能量；E Eg g:禁带宽度禁带宽度禁带宽度禁带宽度4 4、半导体光源半导体光源LED的的工作原理：工作原理：4.1 发光二极管（发光二极管（LED）LED的工作特性（的工作特性（P-I特性特

17、性）LED的工作特性（的工作特性（光谱特性光谱特性）LED的工作特性（的工作特性（频率特性频率特性）LED的的优缺点优缺点室外大室外大LED全彩色屏幕全彩色屏幕4.2、半导体激光器、半导体激光器产生激光的条件产生激光的条件（1）|工作物质工作物质|处处于于粒粒子子数数反反转转分分布布状状态态的的工工作作物物质质，称称为为激激活活物质或增益物质；物质或增益物质；|能能对对光光场场进进行行放放大大，它它是是产产生生激激光的必要条件。光的必要条件。&激励源激励源使使工工作作物物质质产产生生粒粒子子数数反反转转分分布布的的外外界界条条件件，称称为为激励源或泵浦源。激励源或泵浦源。物物质质在在激激励励源

18、源的的作作用用下下，使使得得处处于于某某一一高高能能级级的的粒粒子子数数大大于于处处于于某某一一低低能能级级的的粒粒子子数数，从从而而受受激激辐辐射射大大于于受受激激吸吸收收，有有光光的的放放大大作作用用。这这时时的的工工作作物物质质已被激活。已被激活。&光学谐振腔光学谐振腔|激激活活物物质质只只能能使使光光放放大大，只只有有把把激激活活物物质质置置于于光光学学谐谐振振腔腔中中，以以提提供供必必要要的的反反馈馈及及对对光光的的频频率率和和方方向向进进行行选选择择，才才能获得连续的光放大和激光振荡输出。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）使激光具有极好的方向性方向性（沿轴线

19、沿轴线）（2）增强）增强光放大光放大作用（相当于延长了工作物质）作用（相当于延长了工作物质）（3）使激光具有极好的）使激光具有极好的单色性单色性（选频）（选频）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！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

20、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产生激光的条件产生激光的条件（2）LD的工作特性（的工作特性（P-I特性特性）LD的工作特性（的工作特性（温度特性温度特性）LD的工作特性（的工作特性（调制特性调制特性）低速调制下出现的现象：低速调制下出现的现象：LD的工作特性（的工作特性（模式特性模式特性）提高提高LD性

21、能的方法性能的方法（1 1）（2 2）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几种典型的几种典型的SLM激光器激光器大功率光纤激光器大功率光纤激光器|包层泵浦技术包层泵浦技术|光纤耦合技术光纤耦合技术美美国国IPG Photonics公公司司、德德国国Jena大大 学学 的的 应应 用用 物物 理理 所所 和和 英英 国国Southampton的的ORC研研制制的的单单根根双双包包层层光光纤纤激激光光器器，连连续续输输出出功功率率分分别别达达到到135W、150W、1000W、4000W,20000W大功率光纤激光器大功率光纤激光器 5 5、半导体光电探测器半导体光电探测器5.1 5.1 PNPN光电二极管光电二极管5.2 5.2 PINPIN光电二极管光电二极管5.3 5.3 APDAPD光电二极管光电二极管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。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