第4章：光通信器件ppt课件.ppt

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1、第四章光通信器件本章内容物质与光的互作用半导体发光机理半导体激光器（LD）半导体发光二极管（LED）光放大器半导体光检测器工作原理PIN-PD和APD的工作特性无源器件4.1物质与光的互作用电子的跃迁介质材料中，存在着三种电子的跃迁过程，对应着三种光与物质的互作用过程受激吸收自发发射受激发射hυhυhυhυhυE2E1E1E2E1E2受激吸收自发发射受激发射发光与光的放大在热平衡状态下，分布为：受激吸收和受激发射的速率分别比例与N1和N2N1>N2---正常状态---受激吸收>受激发射----吸收物

2、质N1受激吸收----激活物质如果外部有合适频率的光信号进入粒子数反转区，则在受激辐射的作用下，该光信号被放大、光子数倍增，原有光波特点保留4.2半导体发光机理纯净半导体晶体的能带半导体晶体的晶格结构使分立的能级形成具有一定宽度的能带在共价晶体中，最外层的电子和相邻的原子形成共价键通常把价电子所占据的能带称为价带价带以上的能带（被自由电子占据）称为导带价带顶和导带底之间的能量差为Eg，称为禁带宽度或带隙半导体晶体的能带在热平衡状态，能量为E的能级被电子占据的

3、概率为费米分布材料的费米能级Ef是一个参考能级，E>Ef的能级，被电子占据的可能性小于1/2，而对于E

4、-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+P区N区PN结的特点自建场的方向由N区指向P区空间电荷区几乎没有载流子存在，又称为耗尽区PN结具有单向导电性当在N区加正电压P区接地时，外加电场与自建场方向一致，加强了自建场，在漂移作用下，耗尽区变宽，PN结电阻愈大，几乎不导电当在P区加正电压N区接地时，外加电场与自建场方向相向，抵消了自建场，当完全抵消自建场时，在载流子的扩散作用下，PN结开始导电有源区的形成P区N区热平衡状态下，费米能级统一P区N区Ef外加正向电压时，费米能级分裂，形成

5、两个准费米能级（Ef）c（Ef）v有源区增益区有源区形成粒子数反转，自发辐射和受激辐射将占优势，半导体发光，且光子能量满足：就会产生放大作用。Eg

6、带隙半导体：导带底和价带顶对齐---辐射复合间接带隙半导体：导带底和价带顶错位---非辐射复合硅为间接带隙半导体，所以不能用于制作发光器件由三种及三种以上元素构成的合金材料可以通过改变元素的构成比例改变其带隙能量和辐射波长LED的结构同质结指制作P区和N区均使用同一种半导体掺杂制成同质PN结发光效率比较低电子-空穴分布范围大，浓度低，增益低PN结与P区和N区的相对折射率差小，杂散方向上光子多，不能有效反馈、输出同质结的效率问题LED的结构异质结结构指在有源区的两边加上相异的宽带隙的半导体材料异质结结

7、构，特别是双异质结结构，对载流子和光子都形成约束，大大提高了发光效率双异质结提高发光效率双异质结的工作原理LED的结构根据光输出位置不同可分为面发射型LED和边发射型LED电极光纤胶有源区限流区Cu热沉SiO2SiO2双异质结结构金属接触层面发射型LED双异质结结构衬底Cu热沉电极金属接触边发射型LED辐射方向：与PN结区垂直发光面：圆形辐射方向：是PN结有源区端面发光面：椭圆形LED的P-I特性输出光功率基本上与注入电流成正比典型值：工作电流：50~100mA正向电压：1.2~1.8V入纤功率在-

8、20dBm(10μw)量级PI频谱特性LED没有谐振腔，其光谱就是半导体材料的自发辐射谱LED的发射谱线较宽GaAlAsLED谱线宽度约30~50nmInGaAsPLED谱线宽度约60~120nm面发光LED较边发光LED的谱宽更宽边发光LED面发光LED温度特性温度升高，输出功率有所下降温度升高，输出光谱展宽，谱中心右移总体上，由于LED不是阈值器件，因此与LD相比，温度对LED的影响相对较小I=100mAI=400mAP光束发射特性LED发出的光束为非相干光，可