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1、华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳Integrated Photonics1华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳第五章第五章 集成光有源器件集成光有源器件主讲人：刘柳主讲人：刘柳2华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳第五章 集成光有源器件集成光有源器件概述集成光有源器件概述典型的集成光有源器件典型的集成光有源器件激光器发光二极管探测器调制器光开关3华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳集成光有源器件概述4美国美国Luxtera公司开发的
2、集成光收发模块公司开发的集成光收发模块华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳第五章 集成光有源器件集成光有源器件概述集成光有源器件概述典型的集成光有源器件典型的集成光有源器件激光器发光二极管探测器调制器光开关5华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳(1)发射的光功率应足够大，而且稳定度要高发射的光功率应足够大，而且稳定度要高(2)调制方法简单调制方法简单(3)光源发光峰值波长应与光纤低损耗窗口相匹配光源发光峰值波长应与光纤低损耗窗口相匹配(4)光源与光纤之间应有较高的耦合效率光源与光纤之间应有较高的耦合效率(5)光源发光谱线宽度要窄，即单
3、色性要好光源发光谱线宽度要窄，即单色性要好(6)可靠性要高，必须保证系统能可靠性要高，必须保证系统能24h连续运转连续运转(7)光源应该是低功率驱动光源应该是低功率驱动低电压、低电流低电压、低电流)，而且，而且电光转电光转 换效率要高换效率要高把要传输的电信号转换成光信号发射去把要传输的电信号转换成光信号发射去光源的作用光源的作用6华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳 能满足上述基本要求的光源是半导体光源。能满足上述基本要求的光源是半导体光源。半导体激光器(LD)中、长距离最常用的光源 大容量(高码速)系统 半导体发光二极管(LED)。短距离、低容量系统 模拟系统
4、。半导体光源的分类半导体光源的分类7华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳半导体激光器的发明与发展半导体激光器的发明与发展 半导体激光器的发展大致经历了三个阶段：同质结激光器、异质结激光半导体激光器的发展大致经历了三个阶段：同质结激光器、异质结激光器和量子阱结构激光器。在第一阶段，主要是对于半导体激光器基本理论器和量子阱结构激光器。在第一阶段，主要是对于半导体激光器基本理论概念的提出。概念的提出。1953年年9月，美国的冯月，美国的冯纽曼（纽曼（John Von Neumann）在他）在他的一篇未发表的论文手稿中论述了在半导体中产生受激发射的可能性。的一篇未发表的论
5、文手稿中论述了在半导体中产生受激发射的可能性。1962年，美国的四个实验室几乎同时宣布研制成功同质结年，美国的四个实验室几乎同时宣布研制成功同质结GaAs半导体激半导体激光器。但它只能在液氮温度下脉冲工作，毫无实用价值。上述同质结构激光器。但它只能在液氮温度下脉冲工作，毫无实用价值。上述同质结构激光器经历光器经历5年的徘徊，年的徘徊，1967年，用液相外延的方法制成单异质结激光器，年，用液相外延的方法制成单异质结激光器，实现了在室温下脉冲工作的半导体激光器。实现了在室温下脉冲工作的半导体激光器。1970年，美国的贝尔实验室制年，美国的贝尔实验室制成了双异质结半导体激光器成了双异质结半导体激光器
6、,实现了室温连续工作。由于半导体激光器的诸实现了室温连续工作。由于半导体激光器的诸多突出优点，之后，半导体激光器得到了迅猛发展。其发展速度之快、应多突出优点，之后，半导体激光器得到了迅猛发展。其发展速度之快、应用范围之广，是目前任何其他激光器所无法比拟的。用范围之广，是目前任何其他激光器所无法比拟的。8华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳随着半导体激光器性能的不断改进，新的半导体激光材料将激光的波段范随着半导体激光器性能的不断改进，新的半导体激光材料将激光的波段范围的拓宽，半导体激光器在许多方面得到应用。最早进入实用的是波长为围的拓宽，半导体激光器在许多方面得到应
7、用。最早进入实用的是波长为0.830.85m。70年代末，在年代末，在1.3um和和1.55 um得到损耗更小的单模光纤得到损耗更小的单模光纤,长波长长波长InGaAsP/InP系激光器也达到实用化。系激光器也达到实用化。量子阱技术使半导体激光器产生新的飞跃。随着分子束外延（量子阱技术使半导体激光器产生新的飞跃。随着分子束外延（MBE）和金属有机化合物化学气相淀积（和金属有机化合物化学气相淀积（MOCVD）技术的日渐成熟，可以生长）技术的日渐成熟，可以生长出原子尺寸的薄层，使注入的载流子呈现量子效应，这种量子阱激光器与出原子尺寸的薄层，使注入的载流子呈现量子效应，这种量子阱激光器与以前的体材料
8、激光器相比，具有更优越的特性，如：阈值电流密度低、电以前的体材料激光器相比，具有更优越的特性，如：阈值电流密度低、电光转换效率高、输出功率大等。并且，通过生长应变量子阱，使得生长非光转换效率高、输出功率大等。并且，通过生长应变量子阱，使得生长非晶格匹配的外延材料得以实现，拓宽了激光器波长范围。量子阱技术的发晶格匹配的外延材料得以实现，拓宽了激光器波长范围。量子阱技术的发展，推动了大功率半导体激光器的发展展，推动了大功率半导体激光器的发展半导体激光器的发明与发展半导体激光器的发明与发展9华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳原子核原子核电子电子高能级高能级低能级低能级
9、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散值(离散轨道离散轨道)，这种现象称为电子能量的量子化。，这种现象称为电子能量的量子化。电子优先抢占低能级电子优先抢占低能级孤立原子的能级孤立原子的能级10华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳N个原子构成晶体时的能级分裂个原子构成晶体时的能级分裂N=4N=9当当 N 很大时能级很大时能级分裂成近似连续分裂成近似连续的能带的能带11华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳12满带：各个能级都被电子填满的能带满带：各个能级都被电子填满的
10、能带禁带：两个能带之间的区域禁带：两个能带之间的区域其宽度直接决定导电性其宽度直接决定导电性空带：所有能级都没有电子填充的能带空带：所有能级都没有电子填充的能带 价带：由最外层价电子能级分裂后形成的能带价带：由最外层价电子能级分裂后形成的能带 未被电子占满的价带称为导带未被电子占满的价带称为导带禁带的宽度称为带隙禁带的宽度称为带隙能带的分类能带的分类华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳13导体：导体：(导导)价带电子价带电子绝缘体：绝缘体：无价带电子无价带电子禁带太宽禁带太宽半导体：半导体：价带充满电子价带充满电子禁带较窄禁带较窄外界能量激励外界能量激励满带电子激
11、励成为满带电子激励成为导带电子导带电子满带留下空穴满带留下空穴导体、绝缘体和半导体导体、绝缘体和半导体EcEv华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳 在热平衡状态下，能量为E 的能级被一个电子占据的概率遵循费米（Fermi）分布，即 能带和电子分布能带和电子分布能量为E 的能级被一个空穴占据的概率遵循T为绝对温度，为绝对温度，kb为玻耳兹曼常数，为玻耳兹曼常数，Efc为电子费米能级。为电子费米能级。在热平衡状态下（如没有电或光激发），通常在热平衡状态下（如没有电或光激发），通常14华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳Fermi分布函数的
12、图象分布函数的图象Ef是任何温度下能级占据几率为是任何温度下能级占据几率为1/2的能级；也是绝对零度下的能级；也是绝对零度下被占据能级和空能级之间的分界线被占据能级和空能级之间的分界线15华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳本征半导体中的载流子密度本征半导体中的载流子密度热平衡条件下，本征半导体中的电子和空穴总是成对产生16华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳17n型半导体中的载流子浓度施主能级ED略低于导带底，在常温下大多数施主电子热激发到了导带中华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳18p型半导体中的载
13、流子浓度受主能级EA略高于价带顶使价带中产生更多的空穴华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳19浓度作用定律在热平衡的条件下，对于(非)本征半导体，两种载流子的乘积等于一个常数：本征材料：电子和空穴总是成对出现非本征材料：一种载流子的增加伴随着另一种载流子的减少多数载流子：n型半导体中的电子或者p型半导体中的空穴少数载流子：n型半导体中的空穴或者p型半导体中的电子华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳20非平衡状态在非平衡状态下（如存在电或光激发），在非平衡状态下（如存在电或光激发），载流子从外界注入，这时：载流子从外界注入，这时：华南师
14、范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳21载流子和光1 1、载流子复合可以产生光子。、载流子复合可以产生光子。2 2、光被半导体吸收也可以产生电子、光被半导体吸收也可以产生电子-空穴对（载流子）。空穴对（载流子）。吸收吸收自发辐射自发辐射受激辐射受激辐射华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳直接带隙：直接带隙：导带的最低位置位于价带最高位置的正上导带的最低位置位于价带最高位置的正上方；方；电子空隙复合可直接产生光子的发射（光子动量电子空隙复合可直接产生光子的发射（光子动量很小）很小）。典型的材料：典型的材料：III-VIII-V族元素的合金族元
15、素的合金GaAsGaAs等。等。间接带隙：间接带隙：导带的最低位置不位于价带最高位置的正导带的最低位置不位于价带最高位置的正上方；上方；电子空隙复合需要声子的参与，几率较小，发电子空隙复合需要声子的参与，几率较小，发光效率低光效率低。典型的材料如典型的材料如SiSi。发光材料的选择发光材料的选择载流子复合需要满足动量守恒以及能量守恒，该过程可载流子复合需要满足动量守恒以及能量守恒，该过程可以产生光子，但并不一定产生光子。以产生光子，但并不一定产生光子。辐射复合速率：辐射复合速率：非辐射复合速率：非辐射复合速率：（缺陷引起的复合、（缺陷引起的复合、Auger复合）复合）22华南师范大学华南师范大
16、学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳23光的产生和吸收光的产生和吸收由载流子引起的光在半导体中的产生和吸收，可表示为以由载流子引起的光在半导体中的产生和吸收，可表示为以下关系：下关系：自发辐射速率自发辐射速率受激辐射速率受激辐射速率吸收速率吸收速率表示入射光子的流速（与光强相关）表示入射光子的流速（与光强相关）为联合态密度函数为联合态密度函数华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳24净增益净增益如果材料表现出净增益，即受激辐射速率大于吸收速率：如果材料表现出净增益，即受激辐射速率大于吸收速率：代入上一页的表达式，得到：代入上一页的表达式，得到：代入费米分布，
17、得到：代入费米分布，得到：只有当只有当导带上的电子数大于空导带上的电子数大于空穴数；价带上的空穴数大于电穴数；价带上的空穴数大于电子数时，材料才有净增益。子数时，材料才有净增益。这称为这称为粒子数反转粒子数反转状态状态。华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳25净增益净增益如果材料表现出净增益，即受激辐射速率大于吸收速率：如果材料表现出净增益，即受激辐射速率大于吸收速率：代入上一页的表达式，得到：代入上一页的表达式，得到：代入费米分布，得到：代入费米分布，得到：只有当只有当导带上的电子数大于空导带上的电子数大于空穴数；价带上的空穴数大于电穴数；价带上的空穴数大于电子
18、数时，材料才有净增益。子数时，材料才有净增益。这称为这称为粒子数反转粒子数反转状态状态。华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳26半导体材料增益半导体材料增益InGaAsP(1.3um波段激光材料波段激光材料)的净增益与注入载流子的关系的净增益与注入载流子的关系峰值增益：峰值增益：更精确可采用更精确可采用对数形式对数形式华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳27泵浦方式泵浦方式怎样达到粒子数反转条件？怎样达到粒子数反转条件？通过外界激励：通过外界激励：1、通过外加光子来产生载流子（光泵浦）、通过外加光子来产生载流子（光泵浦）2、通过电学方
19、法直接注入载流子（电泵浦）、通过电学方法直接注入载流子（电泵浦）热平衡条件下热平衡条件下华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳当当 时，材料对泵时，材料对泵浦光的吸收达到饱和，这时：浦光的吸收达到饱和，这时：28光泵浦光泵浦光泵浦半导体激光器，与光泵浦固体激光光泵浦半导体激光器，与光泵浦固体激光器、气体激光器等类似：器、气体激光器等类似：对于泵浦光：对于泵浦光：吸收吸收产生电子空穴对产生电子空穴对Efc,Efv分离分离对泵浦光吸收减弱对泵浦光吸收减弱泵浦光频率要大于所需激光的频率泵浦光频率要大于所需激光的频率华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲
20、人：刘柳29光泵浦光泵浦光泵浦本导体激光器：光泵浦本导体激光器：1、加工制作方便，无需、加工制作方便，无需PN节等复杂结构。节等复杂结构。2、需要额外的光源，测试系统复杂，不利于实际使用。、需要额外的光源，测试系统复杂，不利于实际使用。3、由于材料对泵浦光吸收通常较弱，效率不高。、由于材料对泵浦光吸收通常较弱，效率不高。光泵浦多用于测试材料性质，或进行器件性能的前期研究。光泵浦多用于测试材料性质，或进行器件性能的前期研究。PhotoluminescencePL 光致发光检测仪光致发光检测仪华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳30电泵浦电泵浦PN电泵浦可以通过电泵浦
21、可以通过PN结实现：结实现：华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳31pn结结U电势2.内建电场的驱动导致载流子做反向漂移运动n型p型耗尽层1.浓度的差别导致载流子的扩散运动E华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳32反向偏压使耗尽区加宽反向偏压使耗尽区加宽扩散运动被抑制，只存在少数载流子的漂移运动Un型p型耗尽层耗尽层华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳33正向偏压使耗尽区变窄正向偏压使耗尽区变窄扩散 漂移Un型p型耗尽层耗尽层华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳34电致发光电
22、致发光正向偏压使pn节形成一个增益区：-导带主要是电子，价带主要是空穴，实现了粒子数反转-大量的导带电子和价带的空穴复合，产生自发辐射光pn外加正偏压 注入载流子 粒子数反转 载流子复合发光hv华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳同质同质pn结结存在的问题：1.增益区太厚(110 mm)，很难把载流子约束在相对小的区域，无法形成较高的载流子密度，漏电流大。2.无法对产生的光进行有效约束同质pn结：两边采用相同的半导体材料进行不同的掺杂构成的pn结特点：-同质结两边具有相同的带隙结构和光学性能-pn结区的完全由载流子的扩散形成pn35华南师范大学华南师范大学 集成光
23、学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳36异质异质PNPN结结 由不同的半导体材料经掺杂构成单层PN结或多层PN结。前者称为单异质结LD，后者称为多异质结LD。例如：GaAlAs/GaAs单异质结LD，发光波长为0.85m。InGaAsP/InP双异质结LD，发光波长为1.31m或1.55m，损耗小。异质结LD结构示意图华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳37双异质双异质PNPN结结异质结0.3 mm不连续的带隙结构加强对载流子的束缚不连续分布的折射率加强对产生光子的约束华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳38激光器性能分析激光器性能分析
24、典型的半导体激光器结构（典型的半导体激光器结构（cleaved facet FP laser）:1、半导体、半导体PN节放大介质节放大介质2、两个反射面由解理面组成。、两个反射面由解理面组成。相位条件：相位条件：华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳其中，其中，表示载流子寿命。表示载流子寿命。39载流子注入效率载流子注入效率假设所有注入的电流都在限制在假设所有注入的电流都在限制在PN结区，结区，成为诸如载流子，得到：成为诸如载流子，得到：材料增益：材料增益：透明电流密度透明电流密度内量子效率内量子效率注入载流子密度（注入载流子密度（cm-1）:华南师范大学华南师范大
25、学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳结构的损耗和增益结构的损耗和增益损耗：损耗：波导损耗（表面粗糙）、其他：波导损耗（表面粗糙）、其他材料吸收（自由载流子吸收、金属）材料吸收（自由载流子吸收、金属）：端面反射。：端面反射。增益：增益：材料增益：材料增益 ：限制因子：限制因子波导模式增益：波导模式增益：40华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳41阈值条件阈值条件阈值条件：光场在腔体内一个来回能阈值条件：光场在腔体内一个来回能量不变。量不变。增益增益损耗损耗阈值电流阈值电流只有当激光器的驱动只有当激光器的驱动电流大于阈值电流时，电流大于阈值电流时，才有可能产生
26、激光。才有可能产生激光。华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳42阈值电流阈值电流怎么样降低阈值电流？怎么样降低阈值电流？减少减少JT 减小放大层的厚度减小放大层的厚度l减少损耗减少损耗增大限制因子增大限制因子G G 增大放大层的厚度增大放大层的厚度l量子阱结构量子阱结构多量子阱（超晶格）结构多量子阱（超晶格）结构华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳激光产生激光产生当输入电流当输入电流J高于阈值电流时：高于阈值电流时：上式仍然成立，即：上式仍然成立，即：高于阈值电流的输入电流（载流子），将全高于阈值电流的输入电流（载流子），将全部发生复
27、合，其中一部分变为激光光子：部发生复合，其中一部分变为激光光子：腔内光子流密度腔内光子流密度43华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳将将 记为：记为：（外量子效率）（外量子效率）44激光输出激光输出载流子复合产生的光子，一部分在波导传输中损耗了，载流子复合产生的光子，一部分在波导传输中损耗了，一部分通过镜面（解理面）输出，形成激光输出。一部分通过镜面（解理面）输出，形成激光输出。输出光子流密度输出光子流密度华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳45激光器输出光斑激光器输出光斑华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：
28、刘柳(N)InGaAsP：发光的作用区，其上下两层称为限制层根据对横模限制机制的不同进一步可分为：增益引导型 和 折射率引导型铟镓砷磷(InGaAsP)双异质结条形激光器：波长13001600 nm常用激光器的基本结构46华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳横向约束的双异质结构：增益引导型机制：从顶层一个窄的条形欧姆接触区进行载流子注入，改变有源区的折射率，从而对光子形成横向的约束，能有效抑制横模特点：1)辐射功率高，但有2)散光性，且3)工作不稳定In(I)15 mm光强-20 02047华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳机制：1
29、)在横向引入一个折射率分布实现对光模式的限制2)在横向将电流严格地限制在有源区，使得 60%的注 入电流用于发光特点：输出光束具有很好的准直性、能工作在基横模横向约束的双异质结构：折射率引导型光强-10 01048华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳49横模激光器有可能存在多横模（波导模式）：基模亮度高、光斑小1)波导高阶模式多次反射仍满足阈值条件2)工作物质的色散、散射效应及腔内光束的衍射效应等等抑制横模的数量-增加输出光的亮度、减小发散角华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳50输出光谱：多纵模增益与波长的关系：其中l0为中心波长如
30、果需要激光器工作在单纵模状态就需要模式选择技术相位条件：相位条件：华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳单纵模激光器式子和光谱图表明：实现单模输出的途径：减少谐振腔长，增加模式之间的波长间隔，使l大于增益线宽 减少反射镜的反射波长范围l增益线宽51华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳垂直腔表面发射激光器(VCSEL)1990年：阈值电流低(100 mA)，输出功率大，激光纯度高；发光面大、易于耦合；体积小、易于集成，可应用于WDM多波长系统中52华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳分布反馈式(DFB)激光器
31、内置布拉格光栅：只有符合反射条件的 光会得到强烈反射经 历放大过程53华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳DFB激光器微观结构-L相当于F-P激光器的腔长L，每一个L形成一个微型谐振腔-很小使得m阶和(m+1)阶模之间的波长间隔比F-P大得多-多个微型腔级联易实现选模的同时保证光束能获得足够增益54华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳分布布拉格反射(DBR)激光器-DBR激光器是将光栅刻在有源区两端-DBR激光器的特点和工作特性与DFB激光器类似，但其阈值 电流要比DFB激光器的阈值电流高55华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学
32、主讲人：刘柳主讲人：刘柳技术难点技术难点 1、薄膜材料的制备：多层薄膜的制备，薄膜组份的控制。2、结构外延材料的生长：量子阱或多量子阱结构材料的外延生长是高性能器件的关键。3、器件工艺：作为器件基本工艺的平面工艺仍是难点之一，包括介质膜，钝化，欧姆接触，微细加工等。商品化半导体可调激光器56华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳内调制：信息流直接控制激光器的驱动电流(IB 将会 部分切除信号的下半部，这将引 起严重的失真。62华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳内调制技术：信号啁啾LD内调制-改变LD驱动电流 -谐振腔内载流子浓度发生变
33、化 -谐振腔折射率发生变化 -谐振腔相位条件选频特性发生改变 -LD输出光的中心波长发生漂移 -信号啁啾啁啾的直接后果是导致系统色散性能的恶化63华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳 半导体激光器阈值电流随温度增加而加大。尤其是工作于长波长波段的InGaAsP激光器，阈值电流对温度更敏感。半导体激光器输出光功率阈值电流曲线受温度变化影响见下页图。激光器的温度特性激光器的温度特性64华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳短波长短波长LD温度特性温度特性 65华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳长波长长波长LD
34、温度特性温度特性 66华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳TECPDLDLENSFIBER蝶型和双列直插外壳的光纤耦合封装通过电子温控元件控制工作温度稳定激光波长和功率可以置入微波电路实现高码率工作67华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳封装后激光器照片68华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳半导体激光器最大的缺点是:激光性能受温度影响大，光束的发散角较大(一般在几度到20度之间)，所以在方向性、单色性和相干性等方面较差.但随着科学技术的迅速发展，半导体激光器的研究正向纵深方向推进，半导体激光器的性能在不
35、断地提高.目前半导体激光器的功率可以达到很高的水平，而且光束质量也有了很大的提高.以半导体激光器为核心的半导体光电子技术在21世纪的信息社会中将取得更大的进展，发挥更大的作用.69华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳第五章 集成光有源器件集成光有源器件概述集成光有源器件概述典型的集成光有源器件典型的集成光有源器件激光器发光二极管探测器调制器光开关70华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳发光二极管（LED）71华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳面发光二极管面发光二极管优点：LED到光纤的耦合效率高P(q)
36、=P0cosq载流子注入25 mm5 mm72华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳边发光二极管优点：与面发光LED比，光出射方向性好缺点：需要较大的驱动电流、发光功率低载流子注入5070 mm100150 mm3012073华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳LED的输出光谱特点：1.自发辐射光-LED谱线较宽2.面发光二极管的谱线要比边发光二极管的宽3.长波长光源谱宽比短光源宽 -短波长GaAlAs/GaAs 谱宽3050 nm -长波长InGaAsP/InP 谱宽60120 nm74华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人
37、：刘柳主讲人：刘柳LED的P-I特性1.驱动电流较小-LED P-I特性线性度好2.驱动电流较大-pn结发热产生饱和现象-曲线斜率减小通常，LED工作电流为50100mA，输出光功率为几毫瓦75华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳适当增加工作电流载流子寿命缩短调制带宽增加一般地：f面=2030 MHzf边=100150 MHz不同载流子寿命下的LED调制曲线LED的调制特性76华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳LED与LD的光谱比较LEDl为谐振峰的间隔：F-P自由谱宽频域采样77华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘
38、柳主讲人：刘柳LED输出光功率较小，谱线宽度较宽，调制频率较低但性能稳定，寿命长，使用简单，输出光功率线性范围宽，而且制造工艺简单，价格低廉LED通常和多模光纤耦合，用于1310 nm或850 nm波长的小容量、短距离的光通信系统LD通常和单模光纤耦合，用于1310 nm或1550 nm大容量、长距离光通信系统，已成为目前光纤通信发展的主要趋势LED与LD的比较78华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳第五章 集成光有源器件集成光有源器件概述集成光有源器件概述典型的集成光有源器件典型的集成光有源器件激光器发光二极管探测器调制器光开关79华南师范大学华南师范大学 集成
39、光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳探测器物理原理探测器物理原理探测器（光电二极管）实际上是一个加了反向偏压的pn结n型p型耗尽层耗尽层当反向偏压足够大时耗尽区自由载流子被完全耗尽pn80华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳当光照射到光电二极管的光敏面上时，会在整个耗尽区(高场区)及耗尽区附近引起受激跃迁现象，从而产生电子空穴对。耗尽区受到光的照射pnhv81华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳产生的电子空穴对在外部电场作用下定向移动，被电极收集产生电流载流子的收集pnE光生电流 I82华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人
40、：刘柳主讲人：刘柳光电二极管的工作原理1.pn结加一个较高的反向偏压2.pn结耗尽区受到光的照射产生光生载流子3.在外部偏压的作用下，光生载流子定向漂移产生光生电流外加反向偏压抽取光能量的过程83华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳pin光电二极管的结构加反向偏置电压后形成一个很宽的耗尽层高掺杂p+型高掺杂n+型i(本征)层：低掺杂n型耗尽区84华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳P(x)xpin在半导体材料中光功率的吸收呈指数规律：其中a as(l l)为材料对波长l的吸收系数，P0是入射光功率，P(x)是光在耗尽区中经过距离x后被
41、吸收的功率pin的光吸收光损耗85华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳不同材料吸收系数截止波长lc由其带隙能量Eg决定：lc=hc/Eg(1)l入射 l截止hv入射不足以激励出电子(2)l入射 l截止材料对光子开始吸收(3)l入射 l截止材料吸收强烈(as很大)光的透射力变得很弱86华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳如果耗尽区宽度为w，在距离w内吸收光功率为：如果二极管的入射表面反射系数为Rf，初级光电流为：其中q是电子电荷。量子效率定义为产生的电子-空隙对与入射光子数之比：量子效率只与波长有关，而与Pin无关pin的量子效率87华
42、南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳光电二极管的性能常使用响应度 来表征：例：能量为1.53 10-19 J的光子入射到光电二极管上，此二极管的响应度为0.65 A/W，如果入射光功率为10 mW，则产生的光电流为：pin的响应度在1550 nm处典型响应度为0.7 A/W88华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳响应度 vs.波长如图所示，Si和Ge作为光敏材料响应度都不高89华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳探测器响应时间探测器响应时间光电二极管的响应时间是指它的光电转换速度。影响响应时间的主要因素：1
43、 耗尽区的光载流子的渡越时间2 耗尽区外产生的光载流子的扩散时间3 光电二极管以及与其相关的电路的RC时间常数影响这三个因素的参数有：耗尽区宽度w、吸收系数as、等效电容、等效电阻等90华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳在耗尽区高电场加速的情况下，光生载流子可达极限速度例如：耗尽层为10 mm的Si光电二极管电场强度：20000 V/cm电子最大速度：8.4106 cm/s空穴最大速度：4.4106 cm/s光生载流子渡越时间耗尽区内产生的光生载流子91华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳光载流子扩散时间耗尽区外产生的光生载流子p区
44、或n区产生的载流子向耗尽区扩散在耗尽区内快速漂移到电极存在问题：较长的扩散时间会影响光电二极管的响应时间解决办法：减少掺杂层的厚度；使用异质结探测器结构。扩散速度 漂移速度92华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳光电二极管脉冲响应1.为了获得较高的量子效率，耗尽区宽度w须远大于1/as，以便可以吸收大部分的光2.但是过大的w会导致渡越时间的增大：td=w/vd 解决方案，采用波导耦合型探测器解决方案，采用波导耦合型探测器93华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳1.光的传播方向与PN结的方向垂直。2.可以增加探测器的长度，提高效率，同时
45、，降低耗尽区宽度，提高探测器响应速率。波导耦合型探测器94华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳第五章 集成光有源器件集成光有源器件概述集成光有源器件概述典型的集成光有源器件典型的集成光有源器件激光器发光二极管探测器光开关光开关调制器95华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳什么是光开关？什么是光开关？光开关光开关能够控制传输通路中光信号通或者断或进行光路切换作用的器件。机械光开关：机械光开关：利用电磁铁或步进电机驱动光纤、棱镜或反射镜等光学元件实现光路切换。其优点是插入损耗小、串扰小，适用于各种光纤，技术成熟。缺点是开关速度慢(ms)，
46、体积较大。电子式光开关：电子式光开关：用电光效应、磁光效应或声光效应实现光路切换。优点是开关速度快(s甚至ns)，易于集成化。缺点是插入损耗大、串扰大，只适用于单模光纤。96华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳n光开光作用：光开光作用：通过光通道的通断和转换通过光通道的通断和转换，实现光层面上的路由选，实现光层面上的路由选择、波长选择、光分插复用、光交叉连接和自愈保护等功能。择、波长选择、光分插复用、光交叉连接和自愈保护等功能。n开关时间：开关时间：开关端口从某一初始状态转为通或断所需的时间。不开关端口从某一初始状态转为通或断所需的时间。不同的应用场合同的应用场合
47、,对光开关的开关时间要求不同对光开关的开关时间要求不同。n光开关其他重要参数：光开关其他重要参数：消光比、插损、串扰、偏振相关性消光比、插损、串扰、偏振相关性(PDL)(PDL)。光开光的特性参数光开光的特性参数 应用开关时间需求光路的交换及管理(OADM、OXC)110ms保护开关光包交换1ns外调制10ps110ms97华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳传统机械光开关的结构示意图机械式光开关机械式光开关工作原理：工作原理：通过移动光纤将光直接耦合到输出端或采用棱镜、反通过移动光纤将光直接耦合到输出端或采用棱镜、反射镜切换光路射镜切换光路特点：特点：偏振无关，
48、插入损耗大、串扰小、光学性能好，体积较大、偏振无关，插入损耗大、串扰小、光学性能好，体积较大、开关速度慢开关速度慢98华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳移动光纤式光开关移动光纤式光开关99V型槽定位型槽定位导杆定位导杆定位金属簧片定位金属簧片定位压电陶瓷定位压电陶瓷定位华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳工作原理：工作原理：通过磁、静电效应移动或旋转微反射镜，利用这些通过磁、静电效应移动或旋转微反射镜，利用这些微镜片的二维或三维空间运动，将光直接反射到不同的输出端微镜片的二维或三维空间运动，将光直接反射到不同的输出端特点：特点：低损
49、耗、低串扰、低偏振敏感性、高消光比、体积小、低损耗、低串扰、低偏振敏感性、高消光比、体积小、集成度高、开关速度较快集成度高、开关速度较快I/O FibersImaging LensesReflectorMEMS 2-axis Tilt MirrorsMEMS(Micro Electro Mechanical systems)光开关光开关100华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳微反射镜微反射镜MEMS光开关光开关 可升降微反射镜MEMS光开关 101华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳微反射镜微反射镜MEMS光开关光开关 可旋转微反射
50、镜MEMS光开关 可立卧微反射镜MEMS光开关 102华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳LucentLucent微反射镜微反射镜MEMS光开关光开关 103华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳MEMS光开关光开关104华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳液晶光开关液晶光开关入射的自然光偏振片P1P1偏振片P2出射光扭曲排列的液晶分子具有光波导效应光波导已被电场拉伸105华南师范大学华南师范大学 集成光学集成光学主讲人：刘柳主讲人：刘柳液晶光开关特性曲线液晶光开关特性曲线106华南师范大学华南师范大学 集