第三章光電子技術(shù)ppt課件

1、|1.什么是光電子技術(shù)、光電子學(xué)什么是光電子技術(shù)、光電子學(xué)|2.半導(dǎo)體物理學(xué)基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理學(xué)基礎(chǔ)|3.激光基本原理激光基本原理|4.半導(dǎo)體光源半導(dǎo)體光源|5.半導(dǎo)體光電探測(cè)器半導(dǎo)體光電探測(cè)器光子與電子光子與電子 特特 征征 電電 子子 光光 子子 靜止質(zhì)量靜止質(zhì)量(m) m0 0 運(yùn)動(dòng)質(zhì)量運(yùn)動(dòng)質(zhì)量(m) me h/c2 傳傳 播播 特特 性性 不能在自由空間傳播不能在自由空間傳播 能在自由空間傳能在自由空間傳播播 傳傳 播播 速速 度度 小于光速小于光速(c) 等于光速等于光速(c) 時(shí)時(shí) 間間 特特 性性 具時(shí)間不可逆性具時(shí)間不可逆性 具一定的類時(shí)間可具一定的類時(shí)間可逆性逆性 空空 間間 特

2、特 性性 高度的空間局域高度的空間局域 不具空間局域性不具空間局域性 粒粒 子子 特特 性性 費(fèi)米子費(fèi)米子 (費(fèi)米統(tǒng)計(jì)費(fèi)米統(tǒng)計(jì)) 玻色子玻色子 (玻色統(tǒng)計(jì)玻色統(tǒng)計(jì)) 電電 荷荷 - e 0 自自 旋旋 l(h)/2 l(h)光子的優(yōu)越性光子的優(yōu)越性1.光子具有極高的信息容量和效率光子具有極高的信息容量和效率2.光子具有極快的響應(yīng)能力光子具有極快的響應(yīng)能力 3.光子具有極強(qiáng)的互連能力與并行能光子具有極強(qiáng)的互連能力與并行能力力4.光子具有極大的存儲(chǔ)能力光子具有極大的存儲(chǔ)能力難點(diǎn)難點(diǎn)控制能力差控制能力差電子技術(shù)的發(fā)展電子技術(shù)的發(fā)展半導(dǎo)體電子學(xué)的強(qiáng)大生命半導(dǎo)體電子學(xué)的強(qiáng)大生命力在于它能夠?qū)崿F(xiàn)集成力在于

3、它能夠?qū)崿F(xiàn)集成化化處理功能和運(yùn)行速度得到處理功能和運(yùn)行速度得到大幅度提高，功耗大大大幅度提高，功耗大大降低降低尺寸大大縮小尺寸大大縮小芯片的成品率、可靠性和芯片的成品率、可靠性和性價(jià)比極大改善性價(jià)比極大改善p但是利用電子作為信息的載體，但是利用電子作為信息的載體，由于路徑延遲和電磁串?dāng)_效應(yīng)由于路徑延遲和電磁串?dāng)_效應(yīng)的存在，無(wú)論從技術(shù)局限或是的存在，無(wú)論從技術(shù)局限或是經(jīng)濟(jì)代價(jià)以及信息安全的角度經(jīng)濟(jì)代價(jià)以及信息安全的角度來(lái)考慮，電子技術(shù)都出現(xiàn)了它來(lái)考慮，電子技術(shù)都出現(xiàn)了它的階段局限性。的階段局限性。 p超高速率、超大容量信息系統(tǒng)超高速率、超大容量信息系統(tǒng)中用光子作為信息的載體是繼中用光子作為信息的

4、載體是繼電子之后的最佳選擇。由此應(yīng)電子之后的最佳選擇。由此應(yīng)運(yùn)產(chǎn)生了信息光子學(xué)。運(yùn)產(chǎn)生了信息光子學(xué)。 未來(lái)的集成系統(tǒng)必然是未來(lái)的集成系統(tǒng)必然是光子集成回路與微電子集成電路的共融體光子集成回路與微電子集成電路的共融體 光電子學(xué)光電子學(xué)光電子學(xué)是以光與物質(zhì)相互作用為研究對(duì)象的一光電子學(xué)是以光與物質(zhì)相互作用為研究對(duì)象的一門內(nèi)容極其深廣的學(xué)術(shù)分支。光電子學(xué)及其系門內(nèi)容極其深廣的學(xué)術(shù)分支。光電子學(xué)及其系統(tǒng)的發(fā)展，依賴于光統(tǒng)的發(fā)展，依賴于光-電和電電和電-光轉(zhuǎn)換、光學(xué)傳光轉(zhuǎn)換、光學(xué)傳輸、加工處理和存儲(chǔ)等技術(shù)的發(fā)展，其關(guān)鍵是輸、加工處理和存儲(chǔ)等技術(shù)的發(fā)展，其關(guān)鍵是光電子器件。光電子器件。 光電子技術(shù)光電子技

5、術(shù)光電子技術(shù)是以光電子學(xué)為基礎(chǔ)，以與光的產(chǎn)生、光電子技術(shù)是以光電子學(xué)為基礎(chǔ)，以與光的產(chǎn)生、控制、傳輸、光信息處理、轉(zhuǎn)化等有關(guān)的器件控制、傳輸、光信息處理、轉(zhuǎn)化等有關(guān)的器件與系統(tǒng)為研究對(duì)象的新型綜合性技術(shù)領(lǐng)域。內(nèi)與系統(tǒng)為研究對(duì)象的新型綜合性技術(shù)領(lǐng)域。內(nèi)容包括：容包括：激光技術(shù)激光技術(shù)導(dǎo)波光電子技術(shù)導(dǎo)波光電子技術(shù)(光子學(xué)、光無(wú)源器件光子學(xué)、光無(wú)源器件)半導(dǎo)體光電子技術(shù)半導(dǎo)體光電子技術(shù)(LD、LED、APD)其它材料與器件其它材料與器件(電光、磁光、聲光、彈光電光、磁光、聲光、彈光)。涉及知識(shí)：電磁場(chǎng)理論、半導(dǎo)體物理、量子力學(xué)涉及知識(shí)：電磁場(chǎng)理論、半導(dǎo)體物理、量子力學(xué)等等【光有源器件】-需要外加能源

6、驅(qū)動(dòng)工作的光電子器件半導(dǎo)體光源(LD,LED,DFB,DBR,QW,VCSEL)半導(dǎo)體光探測(cè)器(PD,PIN,APD）光纖激光器OFL:單波長(zhǎng)、多波長(zhǎng)）光放大器(SOA,EDFA)光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器(XGM,XPM,FWM)光調(diào)制器光開關(guān)/路由器【光無(wú)源器件】-不需要外加能源驅(qū)動(dòng)工作的光電子器件光纖連接器固定、活動(dòng),FC/PC,FC/APC）光纖定向耦合器/分支器光分插復(fù)用器OADM)光波分/密集波分復(fù)用器WDM/DWDM)光衰減器固定、連續(xù)）光濾波器帶通、帶阻）光纖隔離器與環(huán)行器偏振有關(guān)、無(wú)關(guān)）光偏振態(tài)控制器、光纖延遲線、光纖光柵導(dǎo)體導(dǎo)體絕緣體絕緣體材料分類材料分類按導(dǎo)電性按導(dǎo)電性半導(dǎo)體半導(dǎo)體2

7、2、半導(dǎo)體物理學(xué)基礎(chǔ)、半導(dǎo)體物理學(xué)基礎(chǔ)半導(dǎo)體：禁帶寬度小，滿帶半導(dǎo)體：禁帶寬度小，滿帶(價(jià)帶價(jià)帶)中的少部分電子在中的少部分電子在室溫下可通過(guò)熱激發(fā)進(jìn)入導(dǎo)帶，同時(shí)在滿帶中留下相室溫下可通過(guò)熱激發(fā)進(jìn)入導(dǎo)帶，同時(shí)在滿帶中留下相應(yīng)的電子空位應(yīng)的電子空位(空穴空穴)，顯示出部分導(dǎo)電性。導(dǎo)電性介，顯示出部分導(dǎo)電性。導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間。于導(dǎo)體和絕緣體之間。載流子：導(dǎo)帶子的電子和價(jià)帶中的空穴總稱。載流子：導(dǎo)帶子的電子和價(jià)帶中的空穴總稱。半導(dǎo)體摻雜半導(dǎo)體摻雜: 半導(dǎo)體材料的電磁性質(zhì)可以半導(dǎo)體材料的電磁性質(zhì)可以通過(guò)摻入不同類型和濃度的雜質(zhì)而改變通過(guò)摻入不同類型和濃度的雜質(zhì)而改變.半導(dǎo)體中的雜質(zhì)可以在禁帶

8、中形成電子的半導(dǎo)體中的雜質(zhì)可以在禁帶中形成電子的束縛態(tài)能級(jí)束縛態(tài)能級(jí),稱為雜質(zhì)能級(jí)稱為雜質(zhì)能級(jí).若摻雜提供的是帶有電子的雜質(zhì)能級(jí)若摻雜提供的是帶有電子的雜質(zhì)能級(jí),則則稱為施主雜質(zhì)稱為施主雜質(zhì)若摻雜提供的是帶有空穴的雜質(zhì)能級(jí)若摻雜提供的是帶有空穴的雜質(zhì)能級(jí),則則稱為受主雜質(zhì)稱為受主雜質(zhì)根據(jù)摻雜類型可對(duì)半導(dǎo)體材料進(jìn)行分類根據(jù)摻雜類型可對(duì)半導(dǎo)體材料進(jìn)行分類: I型、型、P型、型、N型型注意：施主能級(jí)和受主能級(jí)在禁帶中。注意：施主能級(jí)和受主能級(jí)在禁帶中。施主摻雜及施主摻雜及n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體PED施主能級(jí)和施主能級(jí)和施主電離施主電離分析分析施主能級(jí)位于禁帶之中；施主能級(jí)位于禁帶之中；施主能級(jí)上的電子很

9、容易被激發(fā)到施主能級(jí)上的電子很容易被激發(fā)到導(dǎo)帶上去；導(dǎo)帶上去；導(dǎo)帶的電子濃度遠(yuǎn)大于價(jià)帶的空穴導(dǎo)帶的電子濃度遠(yuǎn)大于價(jià)帶的空穴濃度，導(dǎo)電性主要依賴電子。濃度，導(dǎo)電性主要依賴電子。受主摻雜及受主摻雜及p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體EA分析分析受主能級(jí)位于禁帶之中；受主能級(jí)位于禁帶之中；價(jià)帶中的電子很容易被激發(fā)到受主價(jià)帶中的電子很容易被激發(fā)到受主能級(jí)上去；能級(jí)上去；價(jià)帶的空穴濃度遠(yuǎn)大于導(dǎo)帶的電子價(jià)帶的空穴濃度遠(yuǎn)大于導(dǎo)帶的電子濃度，導(dǎo)電性主要依賴空穴。濃度，導(dǎo)電性主要依賴空穴。受主能級(jí)和受主能級(jí)和受主電離受主電離I型本征半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體 I I 型半導(dǎo)體本征型）：無(wú)雜質(zhì)或雜質(zhì)濃度很低的半型半導(dǎo)體本征型）：

10、無(wú)雜質(zhì)或雜質(zhì)濃度很低的半導(dǎo)體，電子與空穴濃度基本相同。導(dǎo)體，電子與空穴濃度基本相同。N N型半導(dǎo)體：摻有施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體，其電子濃度遠(yuǎn)大型半導(dǎo)體：摻有施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體，其電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。于空穴濃度。P P型半導(dǎo)體：摻有受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體，其電子濃度遠(yuǎn)小型半導(dǎo)體：摻有受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體，其電子濃度遠(yuǎn)小于空穴濃度。于空穴濃度。三類半導(dǎo)體三類半導(dǎo)體主要的半導(dǎo)體材料主要的半導(dǎo)體材料(由其化學(xué)元素來(lái)區(qū)分由其化學(xué)元素來(lái)區(qū)分)p族材料：族材料：SiSi、GeGe及及SiGeSiGe合金；間接帶隙；微電子和光電管。合金；間接帶隙；微電子和光電管。p-族化合物材料：族化合物材料：GaAlAs/GaAsGaA

11、lAs/GaAs、InGaAsP/InPInGaAsP/InP、InAlGaN/GaNInAlGaN/GaN、InAlGaAs/InPInAlGaAs/InP等材料系；直接帶隙；微電子和等材料系；直接帶隙；微電子和各種光電子器件。各種光電子器件。p-族化合物材料：族化合物材料：ZnSeTeZnSeTe、HgGdTeHgGdTe等；直接帶隙；可見等；直接帶隙；可見光和遠(yuǎn)紅外光電子器件。光和遠(yuǎn)紅外光電子器件。p半導(dǎo)體摻雜材料的選擇原則半導(dǎo)體摻雜材料的選擇原則: : 如果摻入的雜質(zhì)原子代替半導(dǎo)如果摻入的雜質(zhì)原子代替半導(dǎo)體晶格中的原子后存在多余的價(jià)電子，該雜質(zhì)為施主雜質(zhì)；如體晶格中的原子后存在多余的價(jià)

12、電子，該雜質(zhì)為施主雜質(zhì)；如果摻入的雜質(zhì)原子代替半導(dǎo)體晶格中的原子后尚缺乏成鍵所需果摻入的雜質(zhì)原子代替半導(dǎo)體晶格中的原子后尚缺乏成鍵所需要的電子，即存在電子空位，該雜質(zhì)為受主雜質(zhì)。要的電子，即存在電子空位，該雜質(zhì)為受主雜質(zhì)。3 3、激光基本原理、激光基本原理光發(fā)射和光吸收光發(fā)射和光吸收T T為熱力學(xué)溫度，為熱力學(xué)溫度，k=1.381k=1.38110-23J/K10-23J/K為玻爾茲曼常數(shù)為玻爾茲曼常數(shù))(exp11)(kTEEEff在熱平衡狀態(tài)下，粒子占據(jù)能量為在熱平衡狀態(tài)下，粒子占據(jù)能量為 E 的狀態(tài)的幾率服從的狀態(tài)的幾率服從Fermi-Dirac統(tǒng)計(jì)：統(tǒng)計(jì)：Ef Ef 為體系的為體系的F

13、ermiFermi能級(jí)，能級(jí)，k k 為為BoltzmannBoltzmann常數(shù)，常數(shù)，T T 為絕對(duì)溫度。為絕對(duì)溫度。能量能量E E越大，幾率越大，幾率f(E)f(E)越小，符合能量最低原理。越小，符合能量最低原理。當(dāng)T 0K時(shí)， f(Ef) = 1/2當(dāng)T = 0K時(shí)， f(EEf) = 0 ,f(EEf) = 1 這表明導(dǎo)帶中的電子大多數(shù)位于導(dǎo)帶底部，隨著這表明導(dǎo)帶中的電子大多數(shù)位于導(dǎo)帶底部，隨著E增大，電增大，電子占據(jù)該狀態(tài)的幾率近似按照指數(shù)衰減。子占據(jù)該狀態(tài)的幾率近似按照指數(shù)衰減。 光增益產(chǎn)生的條件光增益產(chǎn)生的條件fcfvgEEhE4 4、半導(dǎo)體光源、半導(dǎo)體光源|工作物質(zhì)工作物質(zhì)|

14、處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的工作分布狀態(tài)的工作物質(zhì)，稱為激活物質(zhì)，稱為激活物質(zhì)或增益物質(zhì)；物質(zhì)或增益物質(zhì)；|能對(duì)光場(chǎng)進(jìn)行放能對(duì)光場(chǎng)進(jìn)行放大，它是產(chǎn)生激大，它是產(chǎn)生激光的必要條件。光的必要條件。& 激勵(lì)源激勵(lì)源使工作物質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)使工作物質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的外界條件，稱為激分布的外界條件，稱為激勵(lì)源或泵浦源。勵(lì)源或泵浦源。 物質(zhì)在激勵(lì)源的作用下，使物質(zhì)在激勵(lì)源的作用下，使得處于某一高能級(jí)的粒子得處于某一高能級(jí)的粒子數(shù)大于處于某一低能級(jí)的數(shù)大于處于某一低能級(jí)的粒子數(shù)，從而受激輻射大粒子數(shù)，從而受激輻射大于受激吸收，有光的放大于受激吸收，有光的放大作用。這時(shí)的工作物質(zhì)已作用。

15、這時(shí)的工作物質(zhì)已被激活。被激活。& 光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔|激活物質(zhì)只能使光放大，只有把激活物質(zhì)置于光學(xué)諧振激活物質(zhì)只能使光放大，只有把激活物質(zhì)置于光學(xué)諧振腔中，以提供必要的反饋及對(duì)光的頻率和方向進(jìn)行選擇，腔中，以提供必要的反饋及對(duì)光的頻率和方向進(jìn)行選擇，才能獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。才能獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。（1使激光具有極好的方向性沿軸線）使激光具有極好的方向性沿軸線）（2增強(qiáng)光放大作用相當(dāng)于延長(zhǎng)了工作物質(zhì)）增強(qiáng)光放大作用相當(dāng)于延長(zhǎng)了工作物質(zhì)）（3使激光具有極好的單色性選頻）使激光具有極好的單色性選頻）疑問(wèn)疑問(wèn)將工作物質(zhì)、光將工作物質(zhì)、光學(xué)諧振腔和泵學(xué)諧振腔和泵浦源安置好后，浦源安置好后，開通電源，一開通電源，一定能得到激光定能得到激光輸出嗎？輸出嗎？激勵(lì)能源激勵(lì)能源全反射鏡全反射鏡部分反射鏡部分反射鏡激光激光不一定！不一定！低速調(diào)制下出現(xiàn)的現(xiàn)象：低速調(diào)制下出現(xiàn)的現(xiàn)象：（1 1）（2 2）使使|包層泵浦技術(shù)包層泵浦技術(shù)|光纖耦合技術(shù)光纖耦合技術(shù)美國(guó)美國(guó)IPG Photonics公司、德國(guó)公司、德國(guó)Jena大學(xué)的應(yīng)用物理所和英國(guó)大學(xué)的應(yīng)用物理所和英國(guó)S