半导体光电子器件概述

Pout
=ηext⎜⎝⎛
hν0 e
⎟⎞(I ⎠
−Ith)
ηint
=
ΓgthΔS ΔI e
ηext = ΓΔgSthoΔuSt ηint = (αinα+mαm)ηint
J ∝ N e = N e e = N e −(Ec,B−Fn) kT
−(Ec,A−Fn ) kT −(Ec,B −Ec,A) kT
¾ 小信号调制响应
H (ω)
=
ΔS ΔJ
τp ed
=
−ω2
Γωr2 +ωr2 −
jωγ
;
H (ω)
2
=
(ω2
Γ2ωr4 −ωr2 )2 +ω2γ
2
( ) ωr
=
1 1+ εS
Avg S τ p − βRsp ≈
¾ 最大调制带宽
Avg S τ p ;
γ
=
1 1+ εS
⎡1+ εS
⎢ ⎢⎣
τe
+
Avg S
−ΔEc kT
L
c, A
c, A
th
¾ 增益饱和
gj,th = a(Nth − N0)−b(ν j −ν0 )2 高光子密度
¾ 端面出光功率
下：
gj = gj,th (1+ε S) ε：增益压缩因
子
Pout = P1 + P2
P1 ∝(1−r1) r2 , P2 ∝(1−r2) r1
P1
=ηext⎜⎝⎛
（VCSEL）
DFB 激光器的光谱特性
¾ 均匀光栅的反射谱 ¾ DFB 激光器的输出谱
¾ λ/4 相移 DFB 激光器
¾ DFB 激光器的纵模
在无镜面反射
时： λm =
λB
±
(m+1 2)λ2B 2ng L
线宽增强因子（LEF）和谱线宽度
¾ 频率啁啾
稳态
g0 = g(Nth); ne0 = ne(Nth); ω =ωth
+
εS τp
+
βRsp S
⎤ ⎥ ⎥⎦
≈ κωr2
+1 τe
;
κ
=τ
p
+
ε Avg
2ωr2 = γ 2; ω-3dB,max = ωr ≈ 2 κ
动态单纵模激光器（纵模控制技术）
¾ 解理耦合腔（C3）激光器
¾ 外腔激光器
¾ 分布反馈（DFB）激光器
¾ 分布布拉格反射 （DBR）
激光器 ¾ 垂直腔面发射激光器
隔：Δλm = λm −λm+1 ≈ 2neff,mL m2 = λ2m (2neffL)
¾ 纵模增益
gj(N) = a(N −N0)−b(ν j −ν0 )2
¾ 速率方程
∑ dN
dt
=
J ed
−
RSRH(N)
−
Rsp(N)
−
RAuger(N)
−
j
g jSjvg, j
dSj dt
= (Γj gj
−α j )Sjvg, j
半导体光电子器件概述
Semiconductor Optoelectronic Devices （Outline）
陈根祥
北京交通大学全光网与现代通信网教育部重点实验室 2007-4-22
1
半导体激光器的速率方程理论（0维模型）
¾ 激光器的纵模（以FP激光器为例）
纵向谐振条 件： 纵模间
λm =2neffm, L m, m=int
∫ L
[Γg
∫0
(v,
z
)−αin
]dz
G = e ; s
Φ = 2πν
c
L
0 neff (v, z)dz
¾ ASE谱和噪声
I
+ ASE
,M
(ν
)
=
nsp
χ
(G
− 1)hν
¾ 交叉增益调制（串话）
χ
=
1 + R1G (1 − R1 R 2G 2 )
≈1+
R1G
N (∑ | E |2 ) ⇒ g(N ) ⇒ G(∑ | E |2 )
¾ 一个实例
1.3um InGaAsP DCPBH LD
输出发散角
¾ 一般情形
θ ⊥ ~ 2 sin −1(λ ) deff ( ) θ|| ~ 2 sin −1 λ weff
典型 θ ⊥ ~ 30 ~ 40°, θ|| ~ 10 ~ 20° ¾ 分值别：限制异质结（SCH）激光器
¾ 模斑变换器（SSC）
=
α Γ
=
1 Γ
(αin
+
1 2L
ln
1 r1r2
)
¾ L-I 特性和光谱特性
Nth
=
N0
+
1 aΓ
(αin
+
1 2L
ln
1 r1r2
)
J th
=
edNth τ
量子效率与热载流子泄露
¾ 微分量子效率
外部微分量子效 率：
内部微分量子效
¾
率：
热载流子泄露
ηext
=
ΔPout ΔI
hν0 e
≅
Pout hv0 (I −Ith) e
¾ 稳态线宽
ω
− ωth
=
α(1+ εS) 2Γ
⎡d ⎢ ⎣
ln S(t) dt
−
βRsp S
⎤ ⎥ ⎦
Δω = hωvgαmRsp (1+α 2) = hωvg Rsp ln(1 R) (1+α 2)
4P0
4P0L
半导体光放大器（SOA）
¾ 基本结构
¾ 增益谱
( ) G = 1−
(1 − R1 )(1 − R2 )Gs R1R2 Gs 2 + 4 R1R2 Gs sin 2 Φ
随注入电流增加，结温升
高，导致有源区带隙减小，
从而引起激射波长的增大。
λm (T ) = 2neff (T )L(T ) m 0.07nm/K for GaAs; 0.1nm/K for InGaAsP
[ ] λpeak(T) =1.24 Eg (T) + kT
0.35nm/Kfor GaAs;0.5nm/Kfor InGaAsP
时： 动态 时：
N(t) ≠ Nth;
ne
=
ne0
+
∂ne ∂ω
(ω
−ωth)
+
∂ne ∂N
(N
−
Nth)
ω
−ωth
=
πmL c ⎜⎜⎝⎛
1 ne
−
1 ne0
⎟⎟⎠⎞
=
−
πmc ne20L
⎡∂ne ⎢⎣ ∂ω
(ω
− ωth )
+
∂ne ∂N
(N
−
Nth)⎥⎦⎤
=
−
1 2
αvg
A(N
−
Nth )
n = ne − jn′′,
¾ 异质结PIN管
半导体光电检测器材料
¾ 各种材料的吸收谱
¾ 响应度和量子效率
R = I ph Pin
( ) = (e hv ) I ph e (Pin hv )
= (e hv )η
¾ 材料的晶体特性
APD光电二极管
¾ 器件基本结构
¾ 基本原理
光晶体管
电吸收（EA）调制器
¾ 激子效应 ¾ 量子限制Stark效应
¾ 吸收谱
hν0 e
⎟⎞ ⎠
(
(1−r1) r2 r1 + r2 )(1−
r1r2 ) (I −Ith)
P2
=ηext⎜⎝⎛
hν0 e
⎟⎞ ⎠
(
(1−r2) r1 r1 + r2 )(1−
r1r2 ) (I −Ith)
半导体激光器的温度特性
¾ 阈值随温度的变化
载流子的非辐射复合速率和热载流子泄露均 随温度升高而增加，导致阈值电流密度增
¾ 光学非线性
N (| E |2 ) ⇒ n( N ) ⇒ n(| E |2 )
应变层多量子阱（SL-MQW）器件
¾ nm级有源层
¾ 特点
态密度减小导致高微分增益和极低的阈值。为提高功率限制因子，一般 采用多量子阱和分别限制异质结结构。
¾ 应变层量子阱 和能带工程
PIN光电二极管
¾ PN结光电效应 ¾ PIN光电检测器
+ β jRsp(N)
j = −M,−M +1,....,M
RSRH = AN,
Rsp = BN2,
RAuger = CN3,
α
j
=α
= αin
+
1 2L
ln
1 R1R2
,
Γj = Γ
半导体激光器的静态特性
¾ 稳态光子速率方程
Sj
=
βjRsp(N) (αj −Γjgj)vg,j
¾ 阈值增益
g0,thHale Waihona Puke n′′ = − g ; 2k0
¾ 谱线的调制加宽
α = ∂ne ; ∂n′′
∂ne = ∂ne ∂n′′ = − α ∂g = − αA ∂N ∂n′′ ∂N 2k0 ∂N 2k0
dS dt
=
ΓA(N − Nth )vg S 1+ εS
+ βRsp
=
2Γ(ω −ωth )S α(1+ εS)
+
βRsp