光子学器件及其物理基础

很容易想象，如果处于较高能级的原子数大于处于 较低能级的原子数 ，那么入射光子在经过含有该原 子的物质时，由于受激辐射而产生的光子数就要大 于 由于受激吸收而湮灭的光子数，从而入射光子数 目得到受激放大；
由玻耳兹曼公式，我们知道：在热平衡情况下，处于高能级 的原子密度总要小于处于底能级的原子密度。如果有光子入 射，是得不到受激放大的。
本章内容
一、粒子系统的光跃迁－－－光源 二、光在介质中的传输－－－光波导 三、半导体的光吸收－－－光子探测器
四、光子功能器件
一、粒子系统的光跃迁－－－光源 1、光跃迁就是光子参与固体原子系统 中能量交换的过程。 （1）受激吸收 （2）自发辐射 （3）受激辐射
（1）受激吸收
E2
hν
E1
（2）自发辐射

1970年，美国的康宁玻璃公司（Corning Glass Co.） 率先将高锟博士的科学预言变为现实，研制出在 0.6328um波长下损耗为20dB/km的石英光纤，取得了 重要的技术突破。
1976年，赵梓森在武汉邮电科学研究院熔炼拉出了 200米石英光纤，从此结束了我国无光纤的历史。
世界的光纤之父和中国的光纤之父
光纤的损耗特性
2.5 第一传输窗口
OH离子吸收峰
损 耗 (dB/km)
第二传输窗口
在1.55m 处最小损 耗约为 0.2dB/km 第三传输窗口
瑞利散射
红外吸收
0.2
850
紫外吸收
1300 1550
波 长 (nm)
损耗主要机理：材料吸收、瑞利散射和辐射损耗
作 业
1、简述激光的特性，对几种典型的激
E2
hν
E1
（3）受激辐射
E2
hν hν
光子 放大
E1
由于受激辐射跃迁产生的光子跟外来的光子有着相同 的特征：频率相同、相位相同；偏振方向相同；传播 方向相同。而自发辐射的光子则没有这些特征。
LASER
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
光子学与信息时代
Wuhan University of Technology
光子学技术－信息化时代的支持技术
第二讲
光子学器件及其物理 基础（Ⅰ）
光子器件的研制立足于对固体中的光物理效应的 充分掌握与应用。
当前光子学的发展主要从两个方面展开： 1、深刻理解和运用已有的固体中的光物理效 应，寻求新型光子材料，研制高性能功能器件 实现光子集成芯片的发展目标，推进光子技术 系统走向实用化、产业化。 2、着眼于新的光物理效应的揭示与利用深入 研究光子与物质相互作用过程中所蕴涵的新物 理效应。
共有化运 动显著， 能带较宽
禁带宽度Eg
共有化运动 较弱，能带 较窄
原子能级分裂为能带的示意图
分裂的每一个能带都称为允带 允带之间因没有能级称为禁带
导体、半导体、绝缘体的能带
半导体激光器（Laser Diode，LD）
泵浦方式：电注入 激射波长：λ(um)=1.24/Eg(eV) 发展历程：
(a) 同质结半导体激光器 Ec Eg=hν
三星LED光 源DLP背投电 视
全彩色LED电子显示屏
半导体光放大器（SOA）
Semiconductor Optical Amplifiers
SOA也是一种 重要的光放大 器，其结构类 似于普通的半 导体激光器。
R1
I
R2
半导体光放大器示意图
本章内容
一、粒子系统的光跃迁－－－光源 二、光在介质中的传输－－－光波导 三、半导体的光吸收－－－光子探测器
（3）园柱波导:光导纤维(fiber)
纤芯 包层 涂覆层 护套层
纤芯 包层 涂覆层 护套层
外护层?
外护层?
À强度元件
À强度元件
内护层? 光纤 À缆芯
内护层?

光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯石 英经复杂的工艺拉制而成。

光纤中心部分(芯Core)＋同心圆状包裹层 (包层Clad)＋涂覆层
包层 芯 树脂被覆层
800～900nm向1.3um和1.5um的长波区拓展，这个波长 区正是石英光纤的零色散和低损耗窗口； 光盘存储的需求牵引，推动了半导体激光器往可见光 区的短波长方向发展
红光(670nm)，黄光(570nm)，绿光(550nm)，直到蓝光 (450nm)的半导体激光器已先后研制成功，连续工作寿 命都在104h以上，并已达到商品化的规模生产水平。 紫光(330nm)直到紫外光半导体激光器也将会在氮化物 基的材料上得到实现。
为了实现光的放大，必须考虑原子的热运动没有达到 平衡，整个体系不存在一个恒定温度的状态，以及非热 平衡的原子体系。这时，体系的原子分布不再服从波耳 兹曼公式，某些上能级的原子密度可以大于某些下能级 的原子密度，这种状态就叫做：“粒子数反转”。
达到粒子数反转的过程称为泵浦过程。
在外界的激励下，可以在其原子的某两个能级间满足 粒子数反转的物质称为放大介质（激光介质）。
2、光源
（1）固体光子源 固体激光器的工作物质包括晶体和玻璃两大
类。
作为激光器工作物质的晶体或玻璃必须掺有
激活离子。
红宝石激光器
1960年，美国加 利福尼亚州休斯 航空公司实验室 的研究员梅曼发 明了世界上第一 台红宝石激光 器 。
钇铝石榴石（YAG）激光器
工作物质：掺钕（Nd3＋）钇铝石（Y3Al5O12） 通常缩写为Nd:YAG 氙灯泵浦 输出方式 脉冲输出 连续输出
开放性光波导
行波态
密闭性光波导
光波谐振腔
驻波态
1、介质光波导三要素

“芯 / 包”结构 凸形折射率分布，n1>n2 低传输损耗


2、光波导的分类 薄膜波导（平板波导） 矩形波导（条形波导） 园柱波导（光纤）

（1）平板波导
n3 n1 n2
（2）矩形波导
脊型波导
沟道波导
平面掩埋沟道波导
•特点：ncore>nclad 光在芯和包层之间的界
面上反复进行全反射，并在光纤中传递下去。
多模光纤(MMF) ：2a=50 m 单模光纤 (SMF)：2a=4~10 m
光纤的导光原理
反射型
反射型 折射型 反射型
折射型
折射型
光纤的损耗

1966年，高锟博士发表了著名的论文“光频介质纤 维表面波导”，明确提出通过改进制备工艺，减少 原材料杂质，可使石英光纤的损耗大大下降，并有 可能拉制出损耗低于20dB/km的光纤。这是一个富有 创造性的科学论断，激励了全世界许多重要实验室 的科学家从事进一步研究；
激光的特性－－方向性好
激光几乎为平行光，激光束每行进200km，扩散直径不到1m。若 射到距地球38万km的月球上，光束扩散不到2km。
激光的特性－－单色性
激光的特性－－高亮度
空间高度集中：亮度比太阳表面高1010倍。
时间高度集中：功率峰值达到1012瓦
激光的特性－－相干性好
空间相干性
时间相干性
（2）半导体光子源
半导体光子源是以半导体作为增益 介质的一类发光器件。其核心器件是半 导体激光器（LD），此外还有半导体 发光管(LED)和半导体激光放大器 （SOA）。
原子的能级和晶体的能带


原子中的电子在原子核的势场和其他电子的作用下， 它们分列在不同的能级上，形成所谓电子壳层，每一 支壳层对应于确定的能量。 原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电于不再完 全局限在某一个原子上，可以由一个原子转移到相邻 的原子上去，因而，电子将可以在整个晶体中运动。 这种运动称为电子的共有化运动。
(c) 量子阱激光器(QWLD)
Quantum Wall Laser Diode 20世纪70年代后期，由于分子束外延（MBE）和 金属有机物气相沉积（MO-CVD）技术的成功发 展，DH结构中的有源层厚度已可减薄到电子的 德布罗意波长量级，注入到势阱中德电子将呈现 波动的特性，遵循量子力学的运动规律，于是在 垂直势阱壁方向电子的能量不在是连续分布，而 出现一系列分立的子能级（或子能带），此刻的 势阱称为量子阱。
四、光子功能器件
二、光在介质中的传输 －－光波导（Optical Waveguide ） 光子器件或者光子回路的功能体现，要求 对光在介质空间中的传输给以必要的定域 限制，类似电子流只沿导线流动哪样，需 要有一种介质结构来导引光波使它只在结 构内部传输而不弥散到外面去，这种结构 就是光波导。
光在波导的两端面是自由 出入的
光Βιβλιοθήκη Baidu进行概述。
Ev
(b) 异质结半导体激光器
(c) 量子阱激光器
(a) 同质结半导体激光器
1962年，美国人Nathan、Hall等首次实现了GaAs二极 管正向注入下的受激光发射，宣告了半导体相干光频 振荡器的诞生，从而解开了半导体光子学的新篇章。
激射阈值高达 1015A/cm2，只能 在低温（77k）脉 冲工作
量子阱能带工程及其应用－－新一代光子器件诞生的摇篮
量子阱结构的半导体激光器激射阈值电流密度比 DH激光器又下降了一个数量级，达到100A/cm2。 量子阱结构材料具有兼容度很高的多功能特性，这 为集成光子回路的发展奠定了关键基础。量子阱结构 的形态选择和参数的调整可以优化它的功能特性，为 光子器件的优化集成提供了很大的自由度。因此，人 们称赞它是一种对半导体的人工改性。
(b) 双异质结半导体激光器
1971年，美国贝尔实验室Panish和Hayashi首次报道了双异质结 结构激光器，激射阈值降低了两个数量级，实现了激光器在室 温下的连续运行。它促进了光纤通信和光信息处理的研究，从 事使半导体光电子学进入第二个发展时期。
N
hν N-GaAlAs
p-GaAs
P-GaAlAs
氪灯泵浦
激射波长：1064nm
半导体激光二极管泵浦的固体激光器
（DPSSL）
泵浦方式：端面泵浦和侧面泵浦
掺铒光纤放大器（EDFA）
掺铒光纤激光器（EDFL）

掺铒光纤：在石英光纤中掺入铒离子（Er3＋）作为增益介质。 泵浦形式：采用半导体激光器泵浦。 工作频带：处于光纤损耗最低处(1525-1565nm)。
发光二极管（LED） Light Emitted Dide
用量最多的半导体光子源属发光二极管，发光 管一般都制成面发射的结构。 发光机理：自发辐射 杂质发光
发光效率和亮度低，只能 室内环境使用，一般电子 设备中用于指示的红绿灯 就属这类发光管。 发光效率高，可以做成高 亮度的发光管
带间发光
半导体发光二极管已发展到规模化产业的阶段， 它的波长范围已覆盖红、黄、绿、蓝、紫可见光 区的全部，具备了全色显示的条件，由于它的功 耗低、亮度高（如达10000mcd, cd为发光强度的 单位符号），更适于户外中远距离的大屏幕显示。 光子学的发展正为人们呈现出了一幅幅五彩缤纷 的美丽的图像。
1978年，第一只AlGaAs/GaAs量子阱激光器的问世意 味着半导体激光器光子学进入了另一个崭新的发展阶段， 即量子阱光电子学时代，它的发展至今长盛不衰。
多量子阱、超晶格
需要进一步研究的问题：
1、延长激光器的寿命； 2、扩展半导体激光器的工作波段。
激光器的工作寿命则由早期一闪即逝发展到能 连续工作105h以上，甚至达到106h.