通信光电子器件基础知识

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1、1,第一章 光纤与光电子器件技术的发展,1.1 光纤通信技术的产生发展历程 1.2 光纤概述及基本特性 1.3 光纤制造技术和光缆 1.4 光纤传输技术的发展 1.5 通信光电子器件,2,内容回顾及补充,发送机,损耗,接收机,光纤通信系统,激光器,信道：光纤,基本参数,传输特性,NA,归一化频率,克服途径,调制器,导光原理,放大器,EDFA,色散,改进G.652,影响,影响,G.653,非线性,改进光纤,影响,色散补偿,G.655,光电探测器,EDFA 和WDM 技术发展,3,1.5 通信光电子器件,1.5.1 概述 1.5.2 半导体光电子技术基础知识 1.5.3 半导体光源 1.5.4 光

2、电探测器 1.5.5 光调制器,4,1.5.1概述,光器件类型： 有源：需要外加能源驱动工作的器件 无源：不需要外加能源驱动工作的光器件,发展趋势： 集成化 全光纤化,5,光有源器件,定义：需要外加能源驱动工作的光器件 半导体光源(LD,LED) 半导体光探测器(PD:PIN,APD） 光纤激光器（OFL:单波长、多波长） 光放大器(SOA,EDFA) 光波长变换器 光调制器 光开关/路由器,最重要的光电子器件,6,光无源器件,定义：不需要外加能源驱动工作的光器件 光纤连接器（固定、活动） 光纤定向耦合器/分支器（波长相关性不强） 光分插复用器（OADM) （波长相关性强） 光波分/密集波分复

3、用器（WDM/DWDM) 光衰减器（固定、可变） 光滤波器（带通、带阻） 光纤隔离器与环行器（偏振有关、无关） 光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅,7,光器件与电器件的类比,光连接器,作用：将光纤之间或光纤与器件之间的光路进行连通 两端接有连接器的光纤成为跳线,8,光衰减器（Attenuator）,作用：根据用户需求对光信号能量进行预期的衰减 常用于系统中吸收或反射掉光功率余量，评估系统损耗以及各类实验中 分为固定衰减器和可变衰减器,光耦合器（Coupler）,定义：对同一波长的光功率进行分路或合路 类型：Y型、X型22耦合器、1N型、MN型 作用：光信号的分配、合成、提取、监控等,光隔离器

4、与光环形器,三端口光环行器,四端口光环行器,光隔离器与光环行器均为非互易器件,光隔离器(Isolator) 作用：只允许光单向传输，放置于激光器及光放大器前面，防止系统中的反射光对器件性能的影响甚至损伤 光环形器(Circulator) 作用：使光信号在指定端口间单向通过，在光网络中用于信号的上,下载 光传送顺序：1234（三端口，四端口，多端口）,光开关（Switches）,作用：实现光通道的通断和转换，是光网络中的关键器件，用于光上下话路、交叉互联、保护倒换、网络监视等 开关时间是光开关的主要指标。不同的应用场合,对光开关的开关时间要求不同。,主要类型： 机械光开关；热光开关；电光开关；微

5、光机电系统（MOEMS）,机械式光开关,特点：低插损、低PDL、低串话(隔离度高)、性能稳定、低价格，但速度慢(ms)只能用在OXC和OADM节点中。 是目前最为成熟，应用最广的光开关,新型光开关MOEMS,微光机电系统(MOEMS)光开关是微机电系统技术(MEMS)与传统光技术相结合的新型机械式光开关 MEMS技术是基于半导体微细加工技术而成长起来的制作工艺技术，利用这种技术可以制作出微小而活动的机械系统,I/O Fibers,Imaging Lenses,Reflector,MEMS 2-axis Tilt Mirrors,MEMS光开关阵列,优点：可实现超大规模交叉连接 可利用IC工艺，

6、批量生产; 大规模交叉连接的广阔市场前景将可能使MOEMS光开关阵列成为光开关的主流,采用集成电路(IC)标准工艺在Si衬底上制作出集成的微反射镜阵列，反射镜尺寸非常小，仅300微米左右，比头发丝还细,MEMS光开关阵列Mirror,1N MEMS Switch,HP/Agilent Bubble 开关阵列,将成熟的喷墨打印技术与Si平面光路(PLC)结合 加热时，利用气泡的全反射，使来自输入波导的光改变反向 交换速度为10ms 没有可移动部分，可靠性较好，对偏振不敏感,群组滤波器(Interleaver),用于将一根光纤中输入的一组50GHz(或100GHz)信道间隔的光信号分成两组100G

7、Hz(或200GHz)信道间隔的光信号(分波),分别从两根光纤中输出 为实现50GHz间隔的密集波分系统,同时避免器件技术的过分复杂和太高成本,22,1.5 通信光电子器件,1.5.1 概述 1.5.2 半导体光电子技术基础知识 1.5.3 半导体光源 1.5.4 光电探测器 1.5.5 光调制器和阵列波导光栅,23,二十世纪四大发明,半导体,原子能,计算机,激光,1.5.2 半导体光电子技术基础知识,24,光子概念,光量子学说认为，幅射能（即光波能）不是一种连续不断的流的形式，而是由小微粒组成的。这种小微粒就是光量子。 光子能量大小为hv（h普朗克常数，=6.6281034 Js（焦耳秒），

8、v是光波频率） 光与物质作用时，光子的能量作为一个整体被吸收或发射,25,原子能级假说,1913年由玻尔在普朗克、爱因斯坦和卢瑟福等人工作的基础上提出 具体内容： 单个原子存在某些定态，处于这些定态的原子能量只能取一些分立的值，这些定态称为原子能级。 当原子从一个能级跃迁到另一个能级时，则发出或吸收电磁辐射。 跃迁过程满足下述方程（En和Em分别为跃迁前、后的原子能级能量，为频率）,26,孤立原子中的电子分布,孤立原子中电子分布在许多层轨道上，每层轨道对应确定的能级,27,电子的共有化运动,原子相互接近形成晶体时： 原子核外电子不仅受到本身原子核的作用，还受到相邻原子核 的作用 不同原子的电子

9、轨道（尤其是外层电子轨道）相互交叠 电子不再局限于某一个原子而是在整个晶体中作共有化运动。,28,能带的形成,能带：晶体的能谱在原子能级的基础上按共有化运动的不同而分裂成若干组。每组中彼此靠得很近的能级，组成一定宽度的带，就是能带。,外层电子共有化运动显著，表现为能带较宽,内层电子轨道重叠的少，能带较窄,29,固体能带模型,满带：被电子完全填满（Pauli不相容） 价带：最靠近导带的满带（对应价电子） 空带：完全没有电子占据 禁带：不能被电子占据 导带：部分被电子占据,30,电子排布总是先占满能量低的状态，基态一般是满的，高能级是空的！ 满带中电子能级完全被占据，无法形成电流！ 处于导带中的电

10、子可以形成电流！,固体能带模型,31,非导体：导带与价带间有带隙！ 绝缘体：具有较大的禁带宽度，电子不能被激发到空带； 半导体：具有较小的禁带宽度，导电性介于导体和绝缘体之间。 导体：导带与价带部分重合。,导体、半导体和绝缘体,32,半导体的能带模型,半导体价带中的少部分电子可通过热激发进入导带 载流子（Carrier）：电子和空穴,33,导带,价带,I型（本征）半导体,N型半导体,P型半导体,禁带,掺杂可以改变半导体的导电特性！ 本征(I型)半导体（Instrinsic）：无杂质或杂质浓度很低的半导体，电子与空穴浓度相同。 N型半导体：掺有施主杂质的半导体。其电子浓度大于空穴浓度。 P型半导

11、体：掺有受主杂质的半导体。其电子浓度小于空穴浓度。,半导体的能带模型,施主杂质能级,受主杂质能级,34,半导体的能带模型,35,直接带隙和间接带隙,电子有动量（动力学变量：能量，位置，自旋，角动量） 采用能量-波矢图(E-k)更完整的描述能带中电子的E-p特性 直接带隙：导带能量底部和价带顶部的电子具有相同的动量！否则为间接带隙,直接带隙,间接带隙,36,直接带隙和间接带隙,直接带隙材料中电子跃迁满足能量和动量守恒！ 具有更高的跃迁几率（近100%）！ 间接带隙材料中的电子跃迁必须由声子介入实现！,37,主要的半导体材料,族材料：Si、Ge及SiGe合金；间接带隙；微电子器件和光电管。 -族化

12、合物材料：GaAlAs/GaAs、InGaAsP/InP、InAlGaN/GaN、InAlGaAs/InP等材料系；直接带隙；微电子和各种光电子器件。（光通信常用！） -族化合物材料：ZnSeTe、HgGdTe等；直接带隙；可见光和远红外光电子器件。,38,粒子分类,粒子基本属性：质量、能量、磁矩和自旋 费米子 自旋为半整数的粒子 电子、质子、中子等以及其反粒子所有的物质粒子 服从费米狄拉克统计 符合泡利不相容原理：即在一个费米子系统中，绝不可能存在两个或两个以上在电荷、动量和自旋朝向等方面完全相同的费米子 玻色子 自旋为整数 光子传递作用力的粒子 服从玻色-爱因斯坦统计 不符合泡利不相容原理

13、，一个量子态可以容纳无穷多个玻色子,39,费米狄拉克统计,电子在各能级中的分布，服从费米狄拉克统计：,空穴在价带占据能量E的几率为1-f(E)！与电子所处能量相反！,k是波尔兹曼常数 费米能级Ef不是一个可以被电子占据的实在的能级 Ef是反映电子在各能级中分布情况的参量，具有能级的量纲。,40,绝对零度时，T=0K,电子充满价带，导带无电子分布 T0K时，能量为Ef 的能级被电子充填的几率和不充填的几率是相同的 表明导带中的电子绝大多数位于导带底部，随着E的增大，电子占据该状态的几率近似按指数式衰减 E0.5,能级E被电子占据的概率大于被空穴占据的概率 EEf，f(E)0.5,能级E被电子占据

14、的概率小于被空穴占据的概率,费米（Fermi）能级,41,电子充满价带， 导带无电子分布,费米（Fermi）能级,费米狄拉克分布,能带图,42,费米（Fermi）能级,通过电子/空穴的态密度与分布几率进行积分可得浓度,费米能级的位置与导带电子与价带空穴的浓度密切相关！ 本征半导体：np T=0K时，费米能级位于禁带中央 T0K时，费米能级略偏向导带一侧 N型半导体：导带电子主要来自于施主杂质的热激发 T=0K时，费米能级位于导带底和施主能级之间， 位置高于本征半导体 T0K时，费米能级将随着施主杂质浓度的增大而升高,导带中的电子浓度：,价带中的空穴浓度：,43,P型半导体：价带空穴主要来自于价

15、带电子热激发进入受主能级而形成 T=0K时，费米能级位于价带顶和受主能级之间， 位置低于本征半导体 T0K时，费米能级将随着受主杂质浓度的增大而降低,施主能级,受主能级,Ef,Ef,Ef,费米（Fermi）能级,I型（本征）半导体,N型半导体,P型半导体,44,半导体中光与电子的相互作用,半导体中光与电子的相互作用 电子可以在不同能带之间跃迁 自发辐射 受激吸收 受激辐射,45,半导体中光与电子的相互作用,自发辐射：处于导带能态E2 上的电子不稳定，即使无外界作用，也会自发跃迁到价带能态E1，释放能量转换为光子 应用：发光二极管。,自发辐射复合,46,半导体中光与电子的相互作用,受激吸收： 价

16、带能态（即基态）E1上的电子，在入射光的作用下，吸收光子的能量跃迁到导带能态（即激发态）E2，产生光电流 应用：光电检测器。,受激吸收和光生载流子,47,受激辐射：在导带能态E2上的电子，受到能量为hv的外来光子激发时，电子将被迫跃迁到价带能态E1 上与空穴复合，同时释放出一个与激励光子同频率、同相位、同方向的光子（称为全同光子）。 应用激光器。,半导体中光与电子的相互作用,受激辐射复合,半导体内电子发生辐射跃迁的条件 满足能量守恒和动量守恒条件 直接带隙材料的跃迁几率高 跃迁的始态上必须存在电子，末态上必须存在空穴 本征半导体、P型半导体和N型半导体中的自发和受激辐射概率都小 半导体内电子跃迁的性质 半导体材料上导带中的电子和价带中的空穴态密度很高，可以容纳很高浓度的电子和空穴 获得更大的自发辐射和受激辐射率，进而获得更高的光增益 载流子具有很强的实现重新分布的能力 载流子可以通过自由扩散或漂移运动进行转移 可以用电流泵浦,