半导体光电子学第五章第九章课件.ppt

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1、第五章 半导体激光器的性能,LD的性能分为:在直流偏置下的稳态（或静态）特性；在调制情况下的瞬态（动态）特性。静态：阈值特性，量子转换效率，输出线性，光谱特性（模式和谱线宽度），近场和远场（光束发散角），短期和长期稳定性（退化和寿命）等。动态：调制带宽，调制畸变，自脉冲等等。,5.1 LD的阈值特性5.2 LD的效率5.3 LD的远场特性5.4 LD的模式特性5.5 LD的光谱线宽5.6 LD的瞬态特性5.7 LD的退化和失效,5.1 LD的阈值特性,激光器阈值的特点.Jth和Jt的区别？,一、半导体激光器结构对其阈值的影响,条形激光器：阈值电流和阈值电流密度侧向增益波导和侧向折射率波导,二、

2、LD的几何尺寸（有源区d，w，l）对阈值电流密度的影响,1.与有源层厚度d的关系,有源层厚度对阈值电流的影响来自于在垂直于结平面的方向上异质结对注入的载流子和光场的限制能力。我们知道在单异质结中d小于电子扩散长度，由于存在一个同异质结，弱波导，不能太小。在双异质结中，d可以很小，但d过小，光场在有源区外的非增益区的损耗会增加，即限制因子下降。,名义电流：d=1m时，有源区内全部用来产生辐射复合所需要的电流密度,2.Jth与有源层宽度的关系,3.Jth与腔长的关系,腔长为什么不能太小？,三、温度对阈值电流的影响,T0为一个表征半导体激光器温度稳定性的重要参数称为特征温度，T0与材料和结构相关，由

3、式看出T0越高LD的温度稳定性越高，T0趋于无穷则Jth不随温度而变化,GaAlAs/GaAs特征温度120-180InGaAsP/InP T0=65K,四、阈值特性关系小结1、低维量子材料2、增益介质3、侧向折射率波导,作业:教材181页第1、2题另：1、半导体激光器的性能可以分为哪两种？各包含哪些具体的特性？2、半导体激光器的阈值特性有哪些特点？实际测量中如何获得准确的阈值？3、为什么侧向增益波导条形激光器的阈值电流密度要高于折射率条形激光器？4、对于条形激光器，条宽减少引起阈值电流密度增加的因素有哪些?5、具体地说，半导体激光器的阈值特性与哪些因素相关？,5.2 半导体激光器的效率,1.

4、功率效率,LD等效电路,功率效率：表征加在LD上的电能（或电功率）转换为输出的光能（或光功率）的效率。,提高此功率效率的方法是减小串联电阻,2.内量子效率,3.外量子效率,4.外微分量子效率,是P-I曲线在阈值以上线性部分的斜率（斜率效率，斜效率），可以用它很直观的比较不同激光器之间效率的差别。,P,I,0,斜效率,作业:1、名词解释：功率效率、內量子效率、外量子效率、外微分量子效率2、写出外微分量子效率的表达式，并指出哪些具体措施能提高半导体激光器的微分量子效率。,5.3 半导体激光器的远场特性,LD输出光场分近场与远场。近场分布是指光强在解理面上或解理面一个光波长范围内的分布（与横模，侧模

5、有关）。远场是指距输出这常常与光束的发散角相联系。腔面一个波长以外的的光束在空间上的分布。,LD的许多应用都要求远场有圆对称的光斑，便于用透镜系统聚焦成小光点，便于与光纤高效耦合。光信息处理中，提高存储密度也希望发散角小。而通常的半导体LD的发散角不对称。,30-4010-20,一、,定义为I（）/I（0）=1/2的角度,二、,三波导结构对远场特性的影响,作业:教材181页第4题1、针对半导体激光器的许多应用，对半导体激光器的光场有什么要求？2、名词解释：半导体激光器的近场分布、半导体激光器的远场分布,5.4 半导体LD的模式特性,激光器中的光场模式分为横电（TE）和横磁(TM)模两组。每组模

6、式对应着电（或磁）场在垂直于LD结平面方向（横向）平行于结平面（侧向）和传播方向（纵向）的稳定驻波形式。分别称为横模，侧模和纵模，并分别用模指数，m，s和q来表示这三种模式数,通信系统：高速调制下仍能单纵模。光纤耦合：单横模和单侧模,基横模的条件是有源层厚度,最高的侧向模式数,纵模模谱包括：1.由谐振条件所决定的振荡波长或频率2.各个模之间强度（或频率）分布,一、纵模模谱,自发发射因子：定义为进入每一腔模的自发发射速率与总的自发发射速率之比,二、影响纵模谱的因素,1.自发发射因子对模谱的影响,半导体材料的自发发射因子较大，一般为10-4，这远比气体或固体激光器的自发发射因子（约10-9）大得多

7、，这也是为什么半导体激光器的光谱宽度比一般气体和固体激光器宽得多的原因。,2.模谱与注入电流的关系,模式竞争,3.腔长对模谱的影响,三、激光器的单纵模工作条件,中心模q=0，,q阶模的饱和光子密度,用减少次模的饱和功率来实现单纵模（单频）工作，需要减少自发发射因子和腔长，增加腔面的反射率和采取侧向折射率波导结构（k=1）。,12.8dB,四、“空间烧洞”效应对单模功率的限制,五、温度对模谱的影响,六、单纵模激光器,1.采用对主模选择反馈放大，从而提高边模抑制比，如采用DFB、DBR激光器，也可采用外光栅对主模的反馈加强，还可以用外反射镜来减少次模的饱和输出功率和提高主模的饱和输出功率。2.短腔

8、激光器3.用侧向折射率波导和其它提高侧向光限制能力的波导结构，以提高光场限制因子，减少自发发射因子，如埋层异质结激光器，一般有比较好的单模特性。,作业:教材181页第5，6题1、在大容量、单模光纤通信系统中，对半导体激光器的输出模式有什么要求？为什么？2、名词解释：自发发射因子、空间烧洞3、为得到单纵模激光器输出，通常采用哪些手段？,5.5 半导体激光器的光谱线宽,光谱线宽：定义为光谱曲线半峰处的全宽。（Full Width at Half-MaximumFWHM）,由于有源区内载流子密度的变化引起的折射率变化增加了激光输出中相位的随机起伏。跃迁发生在能带之间，增益谱宽。自发发射因子大得多（1

9、0-4对10-9）对。减少模式和压窄线宽的措施是一样的。,线宽主要来源于相位的随机起伏。然而与固体、气体激光器不同，半导体LD中激光跃迁不是发生在两个分立的能级之间，而是发生在两个能带之间。,肖洛-汤斯线宽,相位噪声导致的线宽：,半导体激光器的线宽,与输出功率无关的线宽,原因：见教材。,作业:教材181页第7题1、名词解释：光谱线宽2、造成与功率无关的线宽原因是什么？,5.6 半导体激光器的瞬态特性,半导体激光器是电子与光子相互作用并能进行能量直接转换的器件。但当在激光器上施加瞬变的阶跃函数电注入时，在激光器内部将产生一些与稳态时所不同的物理过程，如光子对注入载流子响应延迟，张驰（或松弛）振荡

10、和自持脉冲振荡等。这些瞬态过程将对LD的调制特性产生重要影响。,高速调制对半导体激光器性能提出了严格的要求：1、对输入的电信号不能产生调制畸变。2、不因直接调制而使LD光谱明显加宽。3、要求光源有窄的谱线宽度。4、不产生自持脉冲。,瞬态响应的物理模型,5.7 半导体激光器的退化和失效,整个半导体激光器的发展历史也是一个不断提高其可靠性的过程12分钟数十万小时,对LD可靠性研究包括其长期工作后性能退化和突然失效的机理和提高可靠性的方法、途径，以提高工作寿命。LD的可靠性与工作方式（连续或脉冲），有源区的材料，有源区与限制层材料的晶格匹配、热沉，腔面情况等多种因素有关，高可靠性的激光器是上述诸因素

11、的综合效果。,半导体激光器的工作方式,（1）在阈值以上某一个连续输出功率下工作。（2）将激光器偏置在接近阈值（例如0.9Ith），然后在其上叠加电信号调制。（3）无直流电流偏置下的直接电流调制。,热阻rT是重要参数：减少它的有效方法是提高热沉的散热效果，一般使用无氧铜，倒装，良好的欧姆接触和熔焊接触。,通常认为LD输出功率下降到其额定功率值的一半时所经历的工作时间称为寿命。,1.腔面损伤：反射率下降，非辐射复合增加，电流增加，功率密度更大，失效，可以从输出下降和两个腔面不对称判断损伤。增透膜、和保护膜。,2.LD退化的内部因素,半导体激光器的退化,三、欧姆接触的退化,金属电极接触层与半导体之间

12、保持很小的和线性的接触电阻对任何LD都是所必需的，这不仅是为了提高效率，是阻止产生热量，影响器件稳定性和长期工作的可靠性，使用合适的电极材料和较高的半导体掺杂浓度，这种退化一般不常发生。,四、温度对LD退化的影响，高温老化实验,作业:教材181页第12题1、高速调制对半导体激光器性能提出了哪些严格的要求？2、名词解释：半导体激光器的寿命3、通常，半导体激光器的工作方式有哪几种？,第九章 半导体中的光吸收和光探测,光子-电子转换器件，如光探测器,半导体对光的吸收机构大致可分为：本征吸收；激子吸收；晶格振动吸收；杂质吸收；自由载流子吸收.参与光吸收跃迁的电子可涉及四种：价电子；内壳层电子；自由电子

13、；杂质或缺陷中的束缚电子，,本征吸收,4、直接带隙半导体材料的吸收边更陡。,讨论：特殊的直接跃迁（Ge）。,1、半导体中对光的吸收可以分为哪几种？参与光跃迁的电子涉及到哪些？2、什么是本征吸收？直接带隙半导体材料和间接带隙半导体材料的吸收曲线有什么差异？,作业:教材268页第3题,1、什么叫激子？什么叫激子吸收？2、什么叫半导体中的自由载流子？什么叫自由载流子吸收？3、什么叫杂质吸收？它和激子吸收有什么区别？在半导体中发生杂质吸收有哪几种情况？,9.3 半导体光电探测器的材料和性能参数,一、常用的半导体光电探测器材料,半导体光电探测器材料的基本要求是希望对所探测的入射光在半导体材料内部能引起大

14、的受激吸收速率，因此直接带隙材料是最理想的。但有些间接带隙跃迁材料对一定波长范围的入射光也能产生明显的吸收，含有异质结的光电探测器，异质结材料的晶格常数匹配是应该讨论的。,Si、Ge、GaAs、InGaAsP是几种光纤通信中常用的探测器材料。在波长1um的波段内，硅是目前广泛使用的探测器材料。,在1.0um时，Ge是可供选择的材料。,-族化合物半导体光探测器是适合于在1.3um和1.55um波段的光纤通信系统中使用的，同时还可以调整组分，使吸收边正好处在工作波段之外。,二、半导体光电探测器的性能参数,1.量子效率和响应度,响应度R：定义为单位入射光功率作用到探测器上后在外电路中产生的光电流的大

15、小，,2.暗电流和噪声,散粒噪声,3.响应速度,是探测器的响应时间,高频响应特性可以用带宽来表示,光生非平衡载流子输送到探测器外部电路这一过程的几个时间常数：1、越过pn结的非平衡载流子的扩散时间。2、载流子的漂移时间。3、光电等效电路的RC时间常数。,半导体光探测器的高频响应带宽或截止频率的定义：在固定输入功率下，探测器锁探测的光电流下降到直流或低频值一般时所对应的频率，即常称的3dB响应带宽。,在光纤通信中要求半导体光探测器对入射的高速调制光信号能产生快速响应（光-电），有利于提高通信速度，降低误码率，要提高响应速度就需减少耗尽层电容，这意味着大面积的探测器探测高频调制信号不好用。加大耗尽

16、层宽度可减少结电容，同时可提高量子效率，但却增加了载流子的渡越时间，所以吸收区的厚度要兼顾量子效率和响应速度，减小面积来减少结电容的同时还要考虑小面积与光纤耦合的问题。,在设计时需要综合考虑,4.探测器灵敏度,1、半导体材料的材料参数对半导体光电探测器的的性能有哪些影响？2、什么是半导体光电探测器的量子效率和响应度？3、在光电探测器中，暗电流的产生机制有哪些？4、什么是光电探测器的响应带宽？如何提高其响应带宽？,9.4 无内部倍增的半导体光电探测器,一、半导体中的光电效应,1.外光电效应：电子溢出体外，制造各种阴极管、光电倍增管，半导体光电阴极,2.内光电效应：光电导效应、光生伏特效应。,二、

17、光电二极管,光生伏特效应：,pn结形成,内建电场方向n到p,在n区和p区分别积累电子和空穴，形成光生电动势，方向p到n，饱和时,E,E,太阳能电池的工作原理。,原理？,为什么不适合高频使用？,三、PIN光电二极管,量子效率大，速度快,四、光电导 效应是半导体材料的一种体效应，无需形成pn结，所以又常称为无结光电探测器，就是在光照下会改变自身的电阻率，光照越强电阻越小，故又称光敏电阻,1、PIN光探测器同PN光电二极管相比有什么优点？为什么？2、限制PIN光探测器响应速度的因素有哪些？,五、半导体雪崩光电二极管（APD）,为了提高探测灵敏度和R，前面讨论的PIN光电探测器后面往往需要紧接一个分立

18、的或与PIN集成的晶体管，这样使得接受的微弱信号得到放大。另一种方法是从探测器内部获得电增益。,电离系数或电离率、离化系数，它表示电子或空穴在倍增区内经过单位距离平均产生的电子-空穴对数，离化系数随场强按指数增加,雪崩效应,P区掺杂浓度对APD性能的影响,SAM-APDSAGM-APD,separate absorption,grading,multiplication(SAGCM),APD的噪声特性,与PIN相比，APD的探测灵敏度提高了,总的噪声随调制速度的增加而增加，而灵敏度随调制速度的增加而减少，但APD的噪声源不同，除光电效应引起的噪声外，由光生载流子倍增过程中因增益的随机起伏产生了噪声，这使得APD的噪声高于PIN。,APD的倍增率（或倍增因子）与载流子的离化率和倍增区的厚度有关，而这两个参数均与反向偏压有关，倍增因子表示为,1、什么是雪崩倍增效应？2、APD同PIN光探测器相比有什么优点？为什么？3、在APD中，P区掺杂水平的过高或者过低对器件会有什么影响？4、什么是SAM-APD和SAGM-APD，同常规的APD比起来，它们有哪些明显的优势？5、什么是过剩噪声？如何避免？6、APD的响应速度取决于哪些因素？,作 业,