集成光电子器件lpl(第二章1).ppt

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1、第二章半导体发光二极管和激光器2.1半导体器件的基础知识2.1.1LED和LD的物理基础2.1.2pn结2.2半导体发光二极管2.2.1发光二极管的原理和结构2.2.2发光二极管的工作特性2.2.3高速发光二极管2.2.4超辐射发光二极管2.3半导体激光器2.3.1半导体激光器的原理和结构2.3.2半导体激光器的工作特性2.3.3DFB激光器和DBR激光器2.3.4量子阱激光器1光发射机的作用：将电信号转变成光信号，并有效的把光信号送入传输光纤。光发射机的核心：光源光纤通信系统对光源的要求：发射波长与使用的传输窗口波长一致；调制容易、线性好、带宽大；输出谱窄、以降低光纤色散的

2、影响；辐射角小、与光纤的耦合效率高；寿命长、体积小、耗电省等。2两种半导体光源发光二极管（LED）：输出非相关光，谱宽宽、输出功率小、调制速率低。适用短距离、低速系统。激光二极管(LD):输出相干光，谱宽窄、输出功率大、调制速率高。适用长距离、高速系统。3第二章半导体发光二极管和激光器2.1半导体器件的基础知识2.1.1LED和LD的物理基础2.1.2pn结2.2半导体发光二极管2.2.1发光二极管的原理和结构2.2.2发光二极管的工作特性2.2.3高速发光二极管2.2.4超辐射发光二极管2.3半导体激光器2.3.1半导体激光器的原理和结构2.3.2半导体激光器的工作特性2.

3、3.3DFB激光器和DBR激光器2.3.4量子阱激光器41、LED和LD的物理基础1）原子的能级在物质的原子中，电子只能在一些不连续的、分立的轨道上存在，即原子中存在许多能级。最低能级E1称为基态，能量比基态大的能级称为激发态。激发态E2E1E5基态5通常情况下，大多数粒子处于基态，少数粒子被激发至高能级。在热平衡条件下，各能级上的粒子数分布满足玻尔兹曼统计分布。N1和N2：处于能级E1、E2上的粒子数K：玻尔兹曼常数T：绝对温度能级越高，处于该能级的粒子数越少。62）光与物质的相互作用光与物质的相互作用是有源器件的基础，主要存在三种基本方式：（1）自发辐射处于高能级E2上的

4、粒子是不稳定的，即使没有外界激发，也会自发地跃迁到低能级E1上与空穴复合，发射光子，这种跃迁称为自发辐射，产生非相干光。7（2）受激辐射处在高能级E2上的粒子，在受到频率为f=(E2-E1)/h的光子作用下，受激跃迁到低能级E1上并发出频率为f的光子的过程，称为受激辐射，产生相干光。8(3)受激吸收在外来光子的作用下，处在低能级上的粒子，吸收光子的能量跃迁到较高能级上的过程，称为受激吸收。9自发发射的同时总伴有受激发射发生；在热平衡情况下，自发发射占绝对优势；当外界给系统提供能量时，如采用光照（即光泵）或电流注入（即电泵），打破热平衡状态，大量粒子处于高能级，即粒子数反转后，

5、在发光束方向上的受激发射比自发发射的强度大几个数量级。自发发射和受激发射的特点10受激辐射和受激吸收受激辐射是受激吸收的逆过程。电子在E1和E2两个能级之间跃迁，吸收的光子能量或辐射的光子能量都要满足波尔条件，即E2-E1=hf12式中，h=6.628×10-34J·s，为普朗克常数，f12为吸收或辐射的光子频率。什么时候发生受激辐射？什么时候发生受激吸收？11受激吸收和受激辐射的速率分别正比于N1和N2，且比例系数相等。如果N1>N2，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N2>N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质

6、时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。N2>N1的分布，和正常状态(N1>N2)的分布相反，所以称为粒子数反转分布。123)粒子数的反转分布及光放大热平衡条件下，处于低能级的粒子数较高能级的粒子数要多，称为粒子数正常分布。粒子在各能级之间分布符合费米统计规律：p(E)：是能量为E的能级被粒子占据的几率，称为费米分布函数;Ef：费米能级13费米能级（Ef）：代表T=0时完全添满的能级和完全空态的能级的边界。是一个表明粒子占据能级状况的标志，不一定是一个为粒子占据的实际能级。当E0.5，说明这种能级被粒子占据的几率大于50%；当E

7、5，说明这种能级被粒子占据的几率小于50%。也就是说，低于费米能级的能级被粒子占据的几率大，高于费米能级的能级被粒子占据的几率小。14怎么得到粒子数反转分布的状态？LD工作需要半导体处于粒子数反转分布的状态15当外界给系统提供能量时，如采用光照（即光泵）或电流注入（即电泵），打破热平衡状态，大量粒子处于高能级，就实现了粒子数的反转分布。这样，当外界入射光入射时，就会发生受激辐射，产生大量全同光子，实现对入射光的放大作用。我们把处于粒子数反转分布的物质称为激活物质或增益物质。162.pn结半导体是由大量