第三章光電子技術(shù)-課件

三、光電子器件三、光電子器件11.什么是光電子技術(shù)、光電子學(xué)2.半導(dǎo)體物理學(xué)基礎(chǔ)3.激光基本原理4.半導(dǎo)體光源5.半導(dǎo)體光電探測(cè)器1.什么是光電子技術(shù)、光電子學(xué)光子與電子特征電子光子靜止質(zhì)量(m)m00運(yùn)動(dòng)質(zhì)量(m)mehν/c2傳播特性不能在自由空間傳播能在自由空間傳播傳播速度小于光速(c)等于光速(c)時(shí)間特性具時(shí)間不可逆性具一定的類時(shí)間可逆性空間特性高度的空間局域不具空間局域性粒子特性費(fèi)米子(費(fèi)米統(tǒng)計(jì))玻色子(玻色統(tǒng)計(jì))電荷-e0自旋l(h)/2l(h)1.什么是光電子技術(shù)、光電子學(xué)光子與電子1.什么是光電子技術(shù)、光電子學(xué)光子的優(yōu)越性1.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

3.光子具有極強(qiáng)的互連能力與并行能力4.光子具有極大的存儲(chǔ)能力難點(diǎn)控制能力差光子的優(yōu)越性電子技術(shù)的發(fā)展半導(dǎo)體電子學(xué)的強(qiáng)大生命力在于它能夠?qū)崿F(xiàn)集成化處理功能和運(yùn)行速度得到大幅度提高，功耗大大降低尺寸大大縮小芯片的成品率、可靠性和性價(jià)比極大改善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)的存在，無論從技術(shù)局限或是經(jīng)濟(jì)代價(jià)以及信息安全的角度來考慮，電子技術(shù)都出現(xiàn)了它的階段局限性。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)。未來的集成系統(tǒng)必然是光子集成回路與微電子集成電路的共融體

電子技術(shù)的發(fā)展但是利用電子作為信息的載體，由于路徑延遲和電磁光電子學(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-電和電-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)鍵是光電子器件。

光電子技術(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、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)容包括：激光技術(shù)導(dǎo)波光電子技術(shù)(光子學(xué)、光無源器件)半導(dǎo)體光電子技術(shù)(LD、LED、APD…)其它材料與器件(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)等光電子學(xué)【光有源器件】-----需要外加能源驅(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、多波長）光放大器(SOA,EDFA)光波長轉(zhuǎn)換器(XGM,XPM,FWM)光調(diào)制器光開關(guān)/路由器【光有源器件】【光無源器件】----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)、無關(guān)）光偏振態(tài)控制器、光纖延遲線、光纖光柵【光無源器件】導(dǎo)體絕緣體材料分類按導(dǎo)電性半導(dǎo)體2、半導(dǎo)體物理學(xué)基礎(chǔ)導(dǎo)體絕緣體材料分類按導(dǎo)電性半導(dǎo)體2、半導(dǎo)體物理學(xué)基礎(chǔ)半導(dǎo)體：禁帶寬度小，滿帶(價(jià)帶)中的少部分電子在室溫下可通過熱激發(fā)進(jìn)入導(dǎo)帶，同時(shí)在滿帶中留下相應(yīng)的電子空位(空穴)，顯示出部分導(dǎo)電性。導(dǎo)電性介于導(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。半導(dǎo)體：禁帶寬度小，滿帶(價(jià)帶)中的少部分電子在室溫下可通過半導(dǎo)體摻雜:半導(dǎo)體材料的電磁性質(zhì)可以通過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)可以在禁帶中形成電子的束縛態(tài)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),則稱為施主雜質(zhì)若摻雜提供的是帶有空穴的雜質(zhì)能級(jí),則稱為受主雜質(zhì)根據(jù)摻雜類型可對(duì)半導(dǎo)體材料進(jìn)行分類:I型、P型、N型半導(dǎo)體的摻雜和導(dǎo)電類型注意：施主能級(jí)和受主能級(jí)在禁帶中。半導(dǎo)體摻雜:半導(dǎo)體材料的電磁性質(zhì)可以通過摻入不同類型和濃度施主摻雜及n型半導(dǎo)體PED施主摻雜及n型半導(dǎo)體PED施主能級(jí)和施主電離分析施主能級(jí)位于禁帶之中；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。施主能級(jí)和分析受主摻雜及p型半導(dǎo)體EA受主摻雜及p型半導(dǎo)體EA分析受主能級(jí)位于禁帶之中；價(jià)帶中的電子很容易被激發(fā)到受主能級(jí)上去；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。受主能級(jí)和受主電離分析受主能級(jí)和I型（本征）半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體

I型半導(dǎo)體（本征型）：無雜質(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。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)大于空穴濃度。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)小于空穴濃度。三類半導(dǎo)體I型（本征）半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體I型半導(dǎo)體（本征型PN結(jié)PN結(jié)第三章光電子技術(shù)-課件主要的半導(dǎo)體材料(由其化學(xué)元素來區(qū)分)Ⅳ族材料：Si、Ge及SiGe合金；間接帶隙；微電子和光電管。Ⅲ-Ⅴ族化合物材料：GaAlAs/GaAs、InGaAsP/InP、InAlGaN/GaN、InAlGaAs/InP等材料系；直接帶隙；微電子和各種光電子器件。Ⅱ-Ⅵ族化合物材料：ZnSeTe、HgGdTe等；直接帶隙；可見光和遠(yuǎn)紅外光電子器件。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)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)。主要的半導(dǎo)體材料(由其化學(xué)元素來區(qū)分)Ⅳ族材料：Si、Ge及第三章光電子技術(shù)-課件3、激光基本原理3、激光基本原理第三章光電子技術(shù)-課件第三章光電子技術(shù)-課件光發(fā)射和光吸收T為熱力學(xué)溫度，k=1.381×10-23J/K為玻爾茲曼常數(shù)光發(fā)射和光吸收T為熱力學(xué)溫度，k=1.381×10-23J/載流子的統(tǒng)計(jì)分布在熱平衡狀態(tài)下，粒子占據(jù)能量為E的狀態(tài)的幾率服從Fermi-Dirac統(tǒng)計(jì)：Ef為體系的Fermi能級(jí)，k為Boltzmann常數(shù)，T為絕對(duì)溫度。能量E越大，幾率f(E)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(E>Ef)=0,f(E<Ef)=1

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，電子占據(jù)該狀態(tài)的幾率近似按照指數(shù)衰減。

載流子的統(tǒng)計(jì)分布在熱平衡狀態(tài)下，粒子占據(jù)能量為E的狀態(tài)的*平衡狀態(tài)下，半導(dǎo)體材料內(nèi)具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)，輻射與吸收達(dá)到平衡，不可能使產(chǎn)生的光子數(shù)不斷增多，即不可能產(chǎn)生光增益。*只有通過外部激勵(lì)產(chǎn)生非平衡載流子，使載流子處于上能態(tài)的幾率大于處于下能態(tài)的幾率（粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布），才能實(shí)現(xiàn)光增益。*外部激勵(lì)方式：

（1）光輻照；（2）電注入*基于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，可得光增益產(chǎn)生條件為：光增益產(chǎn)生的條件Efc:非平衡狀態(tài)下導(dǎo)帶的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)；Efv:非平衡狀態(tài)下價(jià)帶的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)hv:產(chǎn)生光子的能量；Eg:禁帶寬度*平衡狀態(tài)下，半導(dǎo)體材料內(nèi)具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)，輻射與吸收達(dá)到4、半導(dǎo)體光源4、半導(dǎo)體光源LED的工作原理：4.1發(fā)光二極管（LED）LED的工作原理：4.1發(fā)光二極管（LED）LED的工作特性（P-I特性）LED的工作特性（P-I特性）LED的工作特性（光譜特性）LED的工作特性（光譜特性）LED的工作特性（頻率特性）LED的工作特性（頻率特性）LED的優(yōu)缺點(diǎn)LED的優(yōu)缺點(diǎn)第三章光電子技術(shù)-課件第三章光電子技術(shù)-課件室外大LED全彩色屏幕室外大LED全彩色屏幕4.2、半導(dǎo)體激光器4.2、半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光的條件（1）工作物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的工作物質(zhì)，稱為激活物質(zhì)或增益物質(zhì)；能對(duì)光場(chǎng)進(jìn)行放大，它是產(chǎn)生激光的必要條件。&激勵(lì)源使工作物質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的外界條件，稱為激勵(lì)源或泵浦源。物質(zhì)在激勵(lì)源的作用下，使得處于某一高能級(jí)的粒子數(shù)大于處于某一低能級(jí)的粒子數(shù)，從而受激輻射大于受激吸收，有光的放大作用。這時(shí)的工作物質(zhì)已被激活。產(chǎn)生激光的條件（1）工作物質(zhì)&激勵(lì)源&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。（1）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)于延長了工作物質(zhì)）（3）使激光具有極好的單色性（選頻）&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)諧第三章光電子技術(shù)-課件疑問將工作物質(zhì)、光學(xué)諧振腔和泵浦源安置好后，開通電源，一定能得到激光輸出嗎？激勵(lì)能源全反射鏡部分反射鏡激光不一定！

閾值條件：只有當(dāng)外界泵浦超過一定閾值時(shí)，光場(chǎng)在諧振腔內(nèi)的往返振蕩才能形成正反饋，使光場(chǎng)的增益不低于光場(chǎng)的損耗，才能形成持續(xù)穩(wěn)定的光輸出疑問激勵(lì)能源全反射鏡部分反射鏡激光不一定！ 閾值條件：只有當(dāng)產(chǎn)生激光的條件（2）產(chǎn)生激光的條件（2）LD的工作特性（P-I特性）LD的工作特性（P-I特性）LD的工作特性（溫度特性）LD的工作特性（溫度特性）LD的工作特性（調(diào)制特性）LD的工作特性（調(diào)制特性）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：LD的工作特性（模式特性）LD的工作特性（模式特性）第三章光電子技術(shù)-課件提高LD性能的方法（1）提高LD性能的方法（1）（2）（2）單縱模（SLM）激光器設(shè)計(jì)的基本思想使單縱模（SLM）激光器設(shè)計(jì)的基本思想使幾種典型的SLM激光器幾種典型的SLM激光器第三章光電子技術(shù)-課件第三章光電子技術(shù)-課件大功率光纖激光器

包層泵浦技術(shù)光纖耦合技術(shù)大功率光纖激光器包層泵浦技術(shù)光纖耦合技術(shù)美國IPGPhotonics公司、德國Jena大學(xué)的應(yīng)用物理所和英國Southampton的ORC研制的單根雙包層光纖激光器，連續(xù)輸出功率分別達(dá)到135W、150W、1000W、4000W,20000W大功率光纖激光器

美國IPGPhotonics公司、德國Jena大學(xué)的應(yīng)用物5、半導(dǎo)體光電探測(cè)器5、半導(dǎo)體光電探測(cè)器5.1PN光電二極管5.1PN光電二極管第三章光電子技術(shù)-課件5.2PIN光電二極管5.2PIN光電二極管第三章光電子技術(shù)-課件5.3APD光電二極管5.3APD光電二極管第三章光電子技術(shù)-課件5.4光電二極管工作特性和參數(shù)5.4光電