半導(dǎo)體光電子學(xué)第五章第九章

1、第五章第五章 半導(dǎo)體激光器的性能半導(dǎo)體激光器的性能 LD的性能分為:在直流偏置下的穩(wěn)態(tài)（或靜態(tài)）特性；在調(diào)制情況下的瞬態(tài)（動態(tài)）特性。靜態(tài)：閾值特性，量子轉(zhuǎn)換效率，輸出線性，光譜特性（模式和譜線寬度），近場和遠(yuǎn)場（光束發(fā)散角），短期和長期穩(wěn)定性（退化和壽命）等。動態(tài)：調(diào)制帶寬，調(diào)制畸變，自脈沖等等。 5.1 LD的閾值特性5.2 LD的效率5.3 LD的遠(yuǎn)場特性5.4 LD的模式特性5.5 LD的光譜線寬5.6 LD的瞬態(tài)特性5.7 LD的退化和失效5.1 LD的閾值特性RLgith1ln1RLAJJitth1ln11tJJAg激光器閾值的特點.Jth和Jt的區(qū)別？一、半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)對一、半

2、導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)對其閾值的影響其閾值的影響條形激光器：閾值電流和閾值電流密度側(cè)向增益波導(dǎo)和側(cè)向折射率波導(dǎo)二、二、LDLD的幾何尺寸（有源區(qū)的幾何尺寸（有源區(qū)d d，w w，l l）對閾值電流）對閾值電流密度的影響密度的影響1. 與有源層厚度d的關(guān)系 有源層厚度對閾值電流的影響來自于在垂直于結(jié)平面的方向上異質(zhì)結(jié)對注入的載流子和光場的限制能力。我們知道在單異質(zhì)結(jié)中d小于電子擴散長度，由于存在一個同異質(zhì)結(jié)，弱波導(dǎo)，不能太小。在雙異質(zhì)結(jié)中，d可以很小，但d過小，光場在有源區(qū)外的非增益區(qū)的損耗會增加，即限制因子下降。 RLgith1ln1cfoutththRLgG1ln1)1 (dxxEdxxEydy)(

3、)(22名義電流：d=1m時，有源區(qū)內(nèi)全部用來產(chǎn)生輻射復(fù)合所需要的電流密度 inthdJcmAJ/)/(2)105 . 4(100 . 532nhtJg1ln1)1 (20105 . 43fcoutiithRLddJ2. Jth與有源層寬度的關(guān)系3. Jth與腔長的關(guān)系 )1ln1(1RLAJJitth腔長為什么不能太??？sththNWdLeI/)(三、溫度對閾值電流的影響)exp()()(0TTTTJTJrrththT0為一個表征半導(dǎo)體激光器溫度穩(wěn)定性的重要參數(shù)稱為特征溫度特征溫度，T0與材料和結(jié)構(gòu)相關(guān)，由式看出T0越高LD的溫度穩(wěn)定性越高，T0趨于無窮則Jth不隨溫度而變化1ln1)1 (

4、20105 . 43fcoutiithRLddJGaAlAs/GaAs特征溫度120-180InGaAsP/InP T0=65K 四、閾值特性關(guān)系小結(jié)1、低維量子材料2、增益介質(zhì)3、側(cè)向折射率波導(dǎo) 作業(yè): 教材181頁第1、2題另：1、半導(dǎo)體激光器的性能可以分為哪兩種？各包含哪些具體的特性？ 2、半導(dǎo)體激光器的閾值特性有哪些特點？實際測量中如何獲得準(zhǔn)確的閾值？ 3、為什么側(cè)向增益波導(dǎo)條形激光器的閾值電流密度要高于折射率條形激光器？ 4、對于條形激光器，條寬減少引起閾值電流密度增加的因素有哪些? 5、具體地說，半導(dǎo)體激光器的閾值特性與哪些因素相關(guān)？5.2 半導(dǎo)體激光器的效率半導(dǎo)體激光器的效率 1

5、. 功率效率 LD等效電路 功率效率：表征加在LD上的電能（或電功率）轉(zhuǎn)換為輸出的光能（或光功率）的效率。 sgexsexPrIeEIPrIIVPLD22)/(消耗的電功率激光器輻射的光功率提高此功率效率的方法是減小串聯(lián)電阻 gasEVIre2.內(nèi)量子效率 -i激光器有源區(qū)每秒產(chǎn)生的光子數(shù)每秒注入有源區(qū)的電子 空穴對數(shù)1i121）（nrrridsnrrrids12113. 外量子效率 exLD每秒發(fā)射的光子數(shù)每秒鐘注入有源區(qū)中的電子空穴對數(shù)eIhPexex/eVEhgexexPIV4. 外微分量子效率 eIIhPPthtexD/ )(/ )(texPPVIIPeIIhPthexthexD)(/

6、 )(/是P-I曲線在閾值以上線性部分的斜率（斜率效率，（斜率效率，斜效率）斜效率），可以用它很直觀的比較不同激光器之間效率的差別。 PI0斜效率斜效率RLgith1ln1RLRLio1ln11ln1VIIqIIPthiothioex)()(11ln111lnDifcoutLRLRRLRLiiioD1ln11ln1 作業(yè):1、名詞解釋：功率效率、內(nèi)量子效率、外量子效率、外微分量子效率2、寫出外微分量子效率的表達(dá)式，并指出哪些具體措施能提高半導(dǎo)體激光器的微分量子效率。5.3 半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場特性半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場特性 LD輸出光場分近場與遠(yuǎn)場。近場分布是指光強在解理面上或解理面一個光波長范圍內(nèi)

7、的分布（與橫模，側(cè)模有關(guān)）。遠(yuǎn)場是指距輸出這常常與光束的發(fā)散角相聯(lián)系。腔面一個波長以外的的光束在空間上的分布。 LD的許多應(yīng)用都要求遠(yuǎn)場有圓對稱的光斑，便于用透鏡系統(tǒng)聚焦成小光點，便于與光纖高效耦合。光信息處理中，提高存儲密度也希望發(fā)散角小。而通常的半導(dǎo)體LD的發(fā)散角不對稱。 30-4010-20 一、 定義為I（）/I（0）=1/2的角度20212202122/)(05. 41/)(05. 4dnndnn0/20d02122/)(05. 4dnnd/2 . 10二、 W/0/三波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對遠(yuǎn)場特性的影響 2n20212202122/)(05. 41/)(05. 4dnndnn 作業(yè):教材181

8、頁第4題1、針對半導(dǎo)體激光器的許多應(yīng)用，對半導(dǎo)體激光器的光場有什么要求？2、名詞解釋：半導(dǎo)體激光器的近場分布、半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場分布5.4 半導(dǎo)體半導(dǎo)體LD的模式特性的模式特性激光器中的光場模式分為橫電（TE）和橫磁(TM)模兩組。每組模式對應(yīng)著電（或磁）場在垂直于LD結(jié)平面方向（橫向）平行于結(jié)平面（側(cè)向）和傳播方向（縱向）的穩(wěn)定駐波形式。分別稱為橫模，側(cè)模和縱模，并分別用模指數(shù)，m，s和q來表示這三種模式數(shù) 通信系統(tǒng)：高速調(diào)制下仍能單縱模。光纖耦合：單橫模和單側(cè)?；鶛M模的條件是有源層厚度 212202nnd)2)(2(1 21nnWnIntSm最高的側(cè)向模式數(shù)2)(81Wnnn02mLn 縱

9、模模譜包括：1.由諧振條件所決定的振蕩波長或頻率2.各個模之間強度（或頻率）分布 一、縱模模譜一、縱模模譜ql nq/2qqqsSgncNedJdtdN)( )qqcqsdSNcgSdtn自發(fā)發(fā)射因子自發(fā)發(fā)射因子：定義為進(jìn)入每一腔模的自發(fā)發(fā)射速率與總的自發(fā)發(fā)射速率之比VKnng22480dtdSq)/)(/(/qcsqgncNS/)()1 (5 . 02/1qqESncWdRRP,qg20/qppqggG二、影響縱模譜的因素二、影響縱模譜的因素1. 自發(fā)發(fā)射因子對模譜的影響半導(dǎo)體材料的自發(fā)發(fā)射因子較大，一般為10-4，這遠(yuǎn)比氣體或固體激光器的自發(fā)發(fā)射因子（約10-9）大得多，這也是為什么半導(dǎo)體

10、激光器的光譜寬度比一般氣體和固體激光器寬得多的原因 。2. 模譜與注入電流的關(guān)系模式競爭模式競爭3. 腔長對模譜的影響 Lnc222pnL20/qppqggG三、三、 激光器的單縱模工作條件激光器的單縱模工作條件中心模q=0，p0)/)(/(/0pcsgncNS)()/)(/(/20GqgncNSqcsq200)()(11GqNncSSSq20)()(lim0qGNcnSqSSSqsatq階模的飽和光子密度 qsatqSSSS/1100202/1)()()(1)(1(22/)(1 (qGhcNRRASEncRARPSqsatqsat)()()(4)(1)(22022qGhcNnLnRRKPSg

11、qsat用減少次模的飽和功率來實現(xiàn)單縱模（單頻）工作，需要減少自發(fā)發(fā)射因子和腔長，增加腔面的反射率和采取側(cè)向折射率波導(dǎo)結(jié)構(gòu)（k=1）。 VKnng2248)/(11/00qsatqPPPP05. 0/01PP12.8dB 四、四、“空間燒洞空間燒洞”效應(yīng)對單模功率的限制效應(yīng)對單模功率的限制 五、溫度對模譜的影響五、溫度對模譜的影響 六、單縱模激光器六、單縱模激光器 1.采用對主模選擇反饋放大，從而提高邊模抑制比，如采用DFB、DBR激光器，也可采用外光柵對主模的反饋加強，還可以用外反射鏡來減少次模的飽和輸出功率和提高主模的飽和輸出功率。2.短腔激光器3.用側(cè)向折射率波導(dǎo)和其它提高側(cè)向光限制能力

12、的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，以提高光場限制因子，減少自發(fā)發(fā)射因子，如埋層異質(zhì)結(jié)激光器，一般有比較好的單模特性 。 作業(yè):教材181頁第5，6題1、在大容量、單模光纖通信系統(tǒng)中，對半導(dǎo)體激光器的輸出模式有什么要求？為什么？2、名詞解釋：自發(fā)發(fā)射因子、空間燒洞3、為得到單縱模激光器輸出，通常采用哪些手段？5.5 半導(dǎo)體激光器的光譜線寬半導(dǎo)體激光器的光譜線寬 光譜線寬：定義為光譜曲線半峰處的全寬。（Full Width at Half-MaximumFWHM） 由于有源區(qū)內(nèi)載流子密度的變化引起的折射率變化增加了激光輸出中相位的隨機起伏。躍遷發(fā)生在能帶之間，增益譜寬。自發(fā)發(fā)射因子大得多（10-4對10-9）對。減少模

13、式和壓窄線寬的措施是一樣的。線寬主要來源于相位的隨機起伏。然而與固體、氣體激光器不同，半導(dǎo)體LD中激光躍遷不是發(fā)生在兩個分立的能級之間，而是發(fā)生在兩個能帶之間。肖洛肖洛-湯斯線寬湯斯線寬sTvcsToh QvP 相位噪聲導(dǎo)致的線寬：半導(dǎo)體激光器的線寬半導(dǎo)體激光器的線寬2(1)sTspvvn 與輸出功率無關(guān)的線寬與輸出功率無關(guān)的線寬原因：見教材。 作業(yè):教材181頁第7題1、名詞解釋： 光譜線寬2、造成與功率無關(guān)的線寬原因是什么？5.6 半導(dǎo)體激光器的瞬態(tài)特性半導(dǎo)體激光器的瞬態(tài)特性 半導(dǎo)體激光器是電子與光子相互作用并能進(jìn)行能量直接轉(zhuǎn)換的器件。但當(dāng)在激光器上施加瞬變的階躍函數(shù)電注入時，在激光器內(nèi)部

14、將產(chǎn)生一些與穩(wěn)態(tài)時所不同的物理過程，如光子對注入載流子響應(yīng)延遲，張馳（或松弛）振蕩和自持脈沖振蕩等。這些瞬態(tài)過程將對LD的調(diào)制特性產(chǎn)生重要影響。 高速調(diào)制對半導(dǎo)體激光器性能提出了嚴(yán)格的要求：1、對輸入的電信號不能產(chǎn)生調(diào)制畸變。2、不因直接調(diào)制而使LD光譜明顯加寬。3、要求光源有窄的譜線寬度。4、不產(chǎn)生自持脈沖。瞬態(tài)響應(yīng)的物理模型 5.7 半導(dǎo)體激光器的退化和失效半導(dǎo)體激光器的退化和失效 整個半導(dǎo)體激光器的發(fā)展歷史也是一個不斷提高其可靠性的過程12分鐘數(shù)十萬小時 對LD可靠性研究包括其長期工作后性能退化和突然失效的機理和提高可靠性的方法、途徑，以提高工作壽命。LD的可靠性與工作方式（連續(xù)或脈沖）

15、，有源區(qū)的材料，有源區(qū)與限制層材料的晶格匹配、熱沉，腔面情況等多種因素有關(guān)，高可靠性的激光器是上述諸因素的綜合效果。 半導(dǎo)體激光器的工作方式 （1）在閾值以上某一個連續(xù)輸出功率下工作。（2）將激光器偏置在接近閾值（例如0.9Ith），然后在其上疊加電信號調(diào)制。（3）無直流電流偏置下的直接電流調(diào)制。熱阻rT是重要參數(shù)：減少它的有效方法是提高熱沉的散熱效果，一般使用無氧銅，倒裝，良好的歐姆接觸和熔焊接觸。 通常認(rèn)為LD輸出功率下降到其額定功率值的一半時所經(jīng)歷的工作時間稱為壽命 。1.腔面損傷：反射率下降，非輻射復(fù)合增加，電流增加，功率密度更大，失效，可以從輸出下降和兩個腔面不對稱判斷損傷。增透膜、

16、和保護膜。 2. LD退化的內(nèi)部因素半導(dǎo)體激光器的退化三、歐姆接觸的退化 金屬電極接觸層與半導(dǎo)體之間保持很小的和線性的接觸電阻對任何LD都是所必需的，這不僅是為了提高效率，是阻止產(chǎn)生熱量，影響器件穩(wěn)定性和長期工作的可靠性，使用合適的電極材料和較高的半導(dǎo)體摻雜濃度，這種退化一般不常發(fā)生。 四、溫度對LD退化的影響，高溫老化實驗 作業(yè):教材181頁第12題1、高速調(diào)制對半導(dǎo)體激光器性能提出了哪些嚴(yán)格的要求？2、名詞解釋： 半導(dǎo)體激光器的壽命3、通常，半導(dǎo)體激光器的工作方式有哪幾種？第九章第九章 半導(dǎo)體中的光吸收和光探測半導(dǎo)體中的光吸收和光探測 光子-電子轉(zhuǎn)換器件，如光探測器半導(dǎo)體對光的吸收機構(gòu)大致

17、可分為：本征吸收；激子吸收；晶格振動吸收；雜質(zhì)吸收；自由載流子吸收.參與光吸收躍遷的電子可涉及四種：價電子；內(nèi)殼層電子；自由電子；雜質(zhì)或缺陷中的束縛電子，本征吸收4、直接帶隙半導(dǎo)體材料的吸收邊更陡。討論：特殊的直接躍遷（Ge）。1、半導(dǎo)體中對光的吸收可以分為哪幾種？參與光躍遷的電子涉及到哪些？2、什么是本征吸收？直接帶隙半導(dǎo)體材料和間接帶隙半導(dǎo)體材料的吸收曲線有什么差異？ 作業(yè):教材268頁第3題1、什么叫激子？什么叫激子吸收？2、什么叫半導(dǎo)體中的自由載流子？什么叫自由載流子吸收？3、什么叫雜質(zhì)吸收？它和激子吸收有什么區(qū)別？在半導(dǎo)體中發(fā)生雜質(zhì)吸收有哪幾種情況？9.3 半導(dǎo)體光電探測器的材料和性

18、能參數(shù)半導(dǎo)體光電探測器的材料和性能參數(shù) 一、常用的半導(dǎo)體光電探測器材料 半導(dǎo)體光電探測器材料的基本要求是希望對所探測的入射光在半導(dǎo)體材料內(nèi)部能引起大的受激吸收速率，因此直接帶隙材料是最理想的。但有些間接帶隙躍遷材料對一定波長范圍的入射光也能產(chǎn)生明顯的吸收，含有異質(zhì)結(jié)的光電探測器，異質(zhì)結(jié)材料的晶格常數(shù)匹配是應(yīng)該討論的。 Si、Ge、GaAs、InGaAsP是幾種光纖通信中常用的探測器材料。在波長1.0um時，Ge是可供選擇的材料。-族化合物半導(dǎo)體光探測器是適合于在1.3um和1.55um波段的光纖通信系統(tǒng)中使用的，同時還可以調(diào)整組分，使吸收邊正好處在工作波段之外。二、半導(dǎo)體光電探測器的性能參數(shù)

19、1. 量子效率和響應(yīng)度 入射的光子數(shù)空穴對數(shù)所產(chǎn)生的電子W0exp110101exp1 expRdW 響應(yīng)度R：定義為單位入射光功率作用到探測器上后在外電路中產(chǎn)生的光電流的大小，WAhcehqqhqPIRip光子數(shù)電子數(shù)光電流2. 暗電流和噪聲 散粒噪聲3. 響應(yīng)速度 1 2cf是探測器的響應(yīng)時間 高頻響應(yīng)特性可以用帶寬來表示 光生非平衡載流子輸送到探測器外部電路這一過程的幾個時間常數(shù)：1、越過pn結(jié)的非平衡載流子的擴散時間。2、載流子的漂移時間。3、光電等效電路的RC時間常數(shù)。半導(dǎo)體光探測器的高頻響應(yīng)帶寬或截止頻率的定義：在固定輸入功率下，探測器鎖探測的光電流下降到直流或低頻值一般時所對應(yīng)的

20、頻率，即常稱的3dB響應(yīng)帶寬。 在光纖通信中要求半導(dǎo)體光探測器對入射的高速調(diào)制光信號能產(chǎn)生快速響應(yīng)（光-電），有利于提高通信速度，降低誤碼率，要提高響應(yīng)速度就需減少耗盡層電容，這意味著大面積的探測器探測高頻調(diào)制信號不好用。加大耗盡層寬度可減少結(jié)電容，同時可提高量子效率，但卻增加了載流子的渡越時間，所以吸收區(qū)的厚度要兼顧量子效率和響應(yīng)速度，減小面積來減少結(jié)電容的同時還要考慮小面積與光纖耦合的問題。在設(shè)計時需要綜合考慮4. 探測器靈敏度1、半導(dǎo)體材料的材料參數(shù)對半導(dǎo)體光電探測器的的性能有哪些影響？2、什么是半導(dǎo)體光電探測器的量子效率和響應(yīng)度？3、在光電探測器中，暗電流的產(chǎn)生機制有哪些？4、什么是光電探測器的響應(yīng)帶寬？如何提高其響應(yīng)帶寬？9.4 無內(nèi)部倍增的半導(dǎo)體光電探測器一、半導(dǎo)體中的光電效應(yīng)024. 11. 外光電效應(yīng)：電子溢出體外，制造各種陰極管、光電倍增管，半導(dǎo)體光電陰極2. 內(nèi)光電效應(yīng)：光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)。二、光電二極管光生伏特效應(yīng)：pn結(jié)形成 內(nèi)建電場方向n到p 在n區(qū)和p區(qū)分別積累電子和空穴，形成光生電動勢，方向p到n，飽和時EE NPEE太陽能電池的工作原理。 原理？為什么不適合高頻使用？三、PIN光電二極管量子效率大，速度快 四、光電導(dǎo) 效應(yīng)是半導(dǎo)體材料的一種體效應(yīng)，無需形成pn