第四章-光源

通信用光器件通信用光器件可以分为有源器件和无源器件两种类型。———光纤通信中，需要有光源发光，将电信号转变为光信号，还要有光接收器件，将光信号转化为电信号。这种发光器件和光接收器件统称为光电器件，或有源器件。——对光信号进行处理的器件称为无源器件。通信用光器件有源器件包括光源、光检测器和光放大器。光无源器件主要有连接器、耦合器、波分复用器、调制器、光开关和隔离器等。光源——光纤通信的“心脏”第四章光源4.1光源的物理基础4.2光通信光源基本要求4.3半导体光源的工作原理4.4光源的工作特性4.1光源的物理基础4.1.1孤立原子的能级和半导体的能带原子核电子高能级低能级1.孤立原子的能级原子是由原子核和围绕原子核旋转的电子构成。围绕原子核旋转的电子能量不能任意取值，只能取特定的离散值，这种现象称为电子能量的量子化。E2.半导体的能带在大量原子相互靠近形成半导体晶体时，由于半导体晶体内部电子的共有化运动，使孤立原子中离散能级变成能带。较低的能级构成价带，较高的能级构成导带。原子间距电子能量图4.2半导体的能带结构在图4.2中，半导体内部自由运动的电子(简称自由电子)所填充的能带称为导带；价电子所填充的能带称为价带；导带和价带之间不允许电子填充，所以称为禁带，其宽度称为禁带宽度，用Eg表示，单位为电子伏特(eV)。4.1.2光与物质的相互作用1.自发辐射处于高能级的电子状态是不稳定的，它将自发地从高能级(在半导体晶体中更多是指导带的一个能级)运动(称为跃迁)到低能级(在半导体晶体中更多是指价带的一个能级)与空穴复合，同时释放出一个光子。由于不需要外部激励，所以该过程称为自发辐射。根据能量守恒定律，自发辐射光子的能量为：hf12=E2-E1式中：h为普朗克常数，其值为6.626×10-34J·s；f12为光子的频率；E2为高能级能量；E1为低能级能量。(a)自发辐射hf12初态E2E1终态E2E1hf12初态E2E1终态E2E1(b)受激辐射2.受激辐射在外来光子的激励下，电子从高能级跃迁到低能级与空穴复合，同时释放出一个与外来光子同频、同相的光子。由于需要外部激励，所以该过程称为受激辐射。hf12初态E2E1终态E2E1(c)受激吸收3.受激吸收在外来光子激励下，电子吸收外来光子能量而从低能级跃迁到高能级，变成自由电子。受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光称为相干光。自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是混乱的，这种光称为非相干光。物体成为发光体需要光辐射光吸收4.1.3粒子数反转分布状态1.粒子数正常分布状态设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2(E2E1)的电子数分别为N1和N2。当系统处于热平衡状态时，存在下面的分布)exp(1212kTEENN式中，k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为热力学温度。由于(E2-E1)0，T0，所以在这种状态下，总是N1N2。这是因为电子总是首先占据低能量的轨道。受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和N2，且比例系数(吸收和辐射的概率)相等。如果N1N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光强按指数衰减，这种物质称为吸收物质。如果N2N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。N2N1的分布，和正常状态(N1N2)的分布相反，所以称为粒子(电子)数反转分布。2.粒子数反转分布状态为了使物质发光，就必须使其内部的自发辐射和/或受激辐射几率大于受激吸收的几率。有多种方法可以实现能级之间的粒子数反转分布状态，这些方法包括光激励方法、电激励方法等。本征半导体N型半导体P型半导体图4.4半导体的能带和电子分布Eg/2Eg/2EfEcEvEg导带价带能量EcEfEgEvEgEcEfEv(a)(b)(c)4.1.4PN结的能带和电子分布图4.4示出不同半导体的能带和电子分布图。根据量子统计理论，在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布式中，k为波兹曼常数，T为热力学温度。Ef称为费米能级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。)exp(11)(kTEEEpf一般状态下，本征半导体的电子和空穴是成对出现的，用Ef位于禁带中央来表示，见图4.4(a)。在本征半导体中掺入施主杂质，称为N型半导体，见图4.4(b)。在本征半导体中，掺入受主杂质，称为P型半导体，见图4.4(c)。硅的晶格结构硅的晶格结构(平面图)本征半导体材料Si电子和空穴是成对出现的受热时，Si电子受到热激励跃迁到导带，导致电子和空穴成对出现。此时外加电场，发生电子/空穴移动导电。导带EC价带EV电子跃迁带隙Eg=1.1eV电子态数量空穴态数量电子浓度分布空穴浓度分布空穴电子本征半导体的能带图电子向导带跃迁相当于空穴向价带反向跃迁Ef－)2exp(TkEnpnBgi4/32/32)()/2(2heBmmhTk电子或空隙的浓度为:其中为材料的特征常数T为绝对温度kB为玻耳兹曼常数,h为普朗克常数me电子的有效质量mh空穴的有效质量Eg带隙能量本征载流子浓度例：在300K时，GaAs的电子静止质量为m=9.11×10-31kg，me=0.068m=6.19×10-32kgmh=0.56m=5.1×10-31kgEg=1.42eV可根据上式得到本征载流子浓度为2.62×1012m-3非本征半导体材料：n型第V族元素(如磷P,砷As,锑Sb)掺入Si晶体后，产生的多余电子受到的束缚很弱，只要很少的能量DED(0.04~0.05eV)就能让它挣脱束缚成为自由电子。这个电离过程称为杂质电离。As除了用4个价电子和周围的Si建立共价键之外，还剩余一个电子As+导带EC价带EV施主能级电子能量电子浓度分布空穴浓度分布施主能级施主杂质电离使导带电子浓度增加N型材料，施主能级第V族元素称为施主杂质，被它束缚住的多余电子所处的能级称为施主能级。由于施主能级上的电子吸收少量的能量DED后可以跃迁到导带，因此施主能级位于离导带很近的禁带。Ef非本征半导体材料：p型由于B只有3个价电子，因此B和周围4个Si的共价键还少1个电子B容易抢夺周围Si原子的电子成为负离子并产生多余空穴B–第III族元素(如铟In,镓Ga,铝Al)掺入Si晶体后，产生多余的空穴，它们只受到微弱的束缚，只需要很少的能量DEAEg就可以让多余孔穴自由导电。导带EC价带EV受主能级电子能量电子浓度分布空穴浓度分布受主能级受主能级电离使导带空穴浓度增加P型材料，受主能级第III族元素容易抢夺Si的电子而被称为受主杂质。被它束缚的空穴所处的能级称为受主能级EA。当空穴获得较小的能量DEA之后就能摆脱束缚，反向跃迁到价带成为导电空穴。因此，受主能级位于靠近价带EV的禁带中。EfPN结耗尽层（a）P-N结内载流子运动；图4.5PN结的能带和电子分布P区PN结空间电荷区N区内部电场扩散漂移在P型和N型半导体组成的PN结界面上，由于存在多数载流子(电子或空穴)的梯度，因而产生扩散运动，形成内部电场，见图4.5(a)。(b)零偏压时P-N结的能带倾斜图；势垒能量EpcP区EncEfEpvN区Env内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到P区和N区的Ef相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜，见图4.5(b)。耗尽区扩散电子pn结内建电场PN结:---+++U电势pnEf1.浓度的差别导致载流子的扩散运动2.内建电场的驱动导致载流子做反向漂移运动P-N结施加反向电压VCC当PN结两端加上反向偏置电压时，耗尽区加宽，势垒加强。(a)反向偏压使耗尽区加宽少数载流子漂移U扩散运动被抑制只存在少数载流子的漂移运动P-N结施加正向电压VCC当PN结两端加上正向偏置电压时，产生与内部电场相反方向的外加电场，耗尽区变窄，势垒降低。使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动。少数载流子与多数载流子复合，产生光辐射。(b)正向偏压使耗尽区变窄耗尽区变窄Upnpn扩散漂移hfhfEfEpcEpfEpvEncnEnv电子，空穴内部电场外加电场(c)正向偏压下P-N结能带图在PN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电场方向相反，便使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动，最后在PN结形成一个特殊的增益区。增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分布，见图4.5(c)。外加电场注入载流子粒子数反转载流子复合发光总结固体材料中，核外电子相互影响，能级分裂为能带半导体是禁带宽度较小的非导体，导电载流子为导带电子和价带空穴能带中的载流子按照费米统计分布，能级越低被电子占据的几率越大费米能级是电子在能级中分布情况的参量当PN结两端加上正向偏置电压时，产生与内部电场相反方向的外加电场，耗尽区变窄，势垒降低。获得粒子数反转分布。少数载流子与多数载流子复合，产生光辐射。4.2光通信光源基本要求4.2.1材料的发光波长不同材料有不同的能级差和发光波长。不同波长光通信系统应选用不同材料光源。半导体发光二极管(Light-emittingDiode，LED)基本应用GaAlAs（三元合金，砷化镓掺铝）和InGaAsP（四元合金，磷化铟掺砷化镓）材料，可以覆盖整个光纤通信系统使用波长范围，典型值为0.85μm、1.31μm及1.55μm。4.2.2光通信光源基本要求（1）合适的发光波长——1.55μm；（2）足够的输出功率——大于1mW；（3）可靠性高，寿命长——平均寿命106小时；（4）输出功率高——大于10％；（5）光谱宽度窄；（6）聚光性好；（7）调制性好；（8）价格低廉。4.2.3产生激光的条件（1）受激发射；（2）工作物质具有亚稳态能级；（3）形成粒子数反转。4.2.4激光的特点（1）单色性好；（2）相干性高；（3）方向性强。4.3半导体光源的工作原理4.3.1发光二极管的工作原理1.发光二极管(LED)的类型结构LED也多采用双异质结芯片，不同的是LED没有解理面，即没有光学谐振腔。由于不是激光振荡，所以没有阈值。双异质结LED(DH-LED)同质PN结的问题1.由电子空穴扩散产生的结区太厚，很难把载流子约束在相对小的区域，从而结区无法形成较高的载流子密度2.无法对产生的光进行约束1~10mmpn两边采用相同的半导体材料的PN结称为同质PN结。同质PN结两边具有相同的带隙结构和相同的光学性能。PN结区完全由载流子的扩散形成。双异质结构折射率电子能量有源区注入电子电子势垒电子-空穴复合注入空穴空穴势垒波导区异质结：为提高辐射功率，需要对载流子和辐射光产生有效约束1.不连续的带隙结构2.折射率不连续分布－－－++典型的GaAlAs双异质结LED剖面图2.发光二极管的工作原理LED的工作原理可以归纳如下：当给LED外加合适的正向电压时，Pp结之间的势垒(相对于空穴)和Np结之间的势垒(相对于电子)降低，大量的空穴和电子分别从P区扩散到p区和从N区扩散到p区(由于双异质结构，p区中外来的电子和空穴不会分别扩散到P区和N区)，在有源区形成粒子数反转分布状态，最终克服受激吸收及其他衰减而产生自发辐射的光输出。按照器件输出光的方式，可以将LED分为两大类：一类是面发光型LED，另一类是边发光型LED，其结构示意图如图4.6所示。图4.6常用的两类发光二极管（LED）圆形腐蚀孔焊接材料金属电极双异质结层限制层热层金属电极有源区圆形金属接触面衬底绝缘层绝缘层光纤面发光二极管优点：LED到光纤的耦合效率高导光层衬底金属电极热沉金属电极绝缘层双异质结层非相干输出光束条形接触面50~70mm有源区100~150mm120°30°边发光二极管优点：与面发光LED比，光出射方向性好缺点：需要较大的驱动电流、发光功率低单质半导体材料都不是直接带隙材料，因此不适合做光源；很多化合物，尤其是III