光电子技术基础9

1 2L
ln
1 r1r2
)
J th
edNth
量子效率与热载流子泄露
➢ 微分量子效率
外部微分量子效率：
ext
Pout I
h 0 e
Pout hv0 (I Ith ) e
Pout
ext
h 0 e
(I
Ith )
内部微分量子效率：
int
g th S I e
ext
Sout g th S
int
(
m in
R1R2 Gs sin 2
L
[
0
g
(
v
,
z
)
பைடு நூலகம்
in
]dz
G e ; s
2 c
L
0 neff (v, z)dz
➢ ASE谱和噪声
I
ASE,M
(
)
nsp
(G
1)h
➢ 交叉增益调制（串话）
1 R1G (1 R1R2G 2 )
1
R1G
N(| E |2) g(N) G(| E |2)
➢ 光学非线性
➢ 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加：
J
th
J 0eT
T0
T0: 特征温度
T0 50 ~ 70K for InGaAsP LD' s, T0 150 ~ 180 K for GaAs LD' s
➢ 量子效率随注入电流的变化
随注入电流增加，结温升高，导致载流子泄露和非辐射复合速率增加， 从而引起量子效率降低。
Rsp BN 2 ,
RAuger CN 3,
j
in
1 2L
ln
1 R1R2
,
j
半导体激光器的静态特性
➢ 稳态光子速率方程
Sj
(
jRsp (N) j j g j )vg, j
➢ 阈值增益
g 0, th
1
( in
1 2L
ln
1 r1r2
)
➢ L-I 特性和光谱特性
N th
N0
1 a
( in
➢ 一个实例
1.3um InGaAsP DCPBH LD
输出发散角
➢ 一般情形
~ 2 sin 1 deff || ~ 2 sin 1 weff
典型值： ~ 30 ~ 40, || ~ 10 ~ 20 ➢ 分别限制异质结（SCH）激光器
➢ 模斑变换器（SSC）
动态特性
➢ 时间延迟
dN J N dt ed
m
)
int
➢ 热载流子泄露
J N e N e e N e (Ec,B Fn ) kT
(Ec,A Fn ) kT (Ec,B Ec,A ) kT
Ec kT
L
c,A
c,A
th
➢ 增益饱和
g j,th a(Nth N0) b( j 0 )2 高光子密度下： g j g j,th (1 S) ε：增益压缩因子
半导体光电子器件
Semiconductor Optoelectronic Devices （二）
半导体激光器的速率方程理论（0维模型）
➢ 激光器的纵模（以FP激光器为例）
纵向谐振条件： m 2neff,mL m, m int
纵模间隔： m m m1 2neff,mL m2 2m (2neffL)
N (| E |2 ) n(N ) n(| E |2 )
应变层多量子阱（SL-MQW）器件
➢ nm级有源层
➢ 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。
➢ 应变层量子阱 和能带工程
PIN光电二极管
➢ PN结光电效应 ➢ PIN光电检测器
➢ 分布布拉格反射（DBR） 激光器
➢ 垂直腔面发射激光器 （VCSEL）
DFB 激光器的光谱特性
➢ 均匀光栅的反射谱 ➢ DFB 激光器的输出谱
➢ λ/4 相移 DFB 激光器
➢ DFB 激光器的纵模
在无镜面反射时：
m
B
(m
1 2)2B 2ng L
单纵模激光器的基本特性
➢ 线宽增强因子
4 dneff a dN
➢ 激射波长随温度的变化
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。
m (T ) 2neff (T )L(T ) m 0.07nm/K for GaAs; 0.1nm/K for InGaAsP
peak(T ) 1.24 Eg (T ) kT
0.35nm/K for GaAs; 0.5nm/Kfor InGaAsP
d
Nth J 0 ed
N
1
dN
ln
J J Jth
➢ 瞬态过程：驰豫振荡和振荡阻尼
增益压缩因子 ε 、自发辐射系数 β 和 纵模数目均对激光器的驰豫过程具有 阻尼作用
➢ 等效电路和调制谱宽
m
1 RsC p
动态单纵模激光器（纵模控制技术）
➢ 解理耦合腔（C3）激光器
➢ 外腔激光器
➢ 分布反馈（DFB）激光器
➢ 异质结PIN管
半导体光电检测器材料
➢ 各种材料的吸收谱
➢ 响应度和量子效率
R Iph Pin
e hv Iph e Pin hv
e hv
➢ 材料的晶体特性
APD光电二极管
➢ 器件基本结构
➢ 基本原理
光晶体管
电吸收（EA）调制器
➢ 激子效应 ➢ 量子限制Stark效应
➢ 吸收谱
➢ 纵模增益
g j (N) a(N N0) b( j 0 )2
➢ 速率方程
dN
dt
J ed
RSRH (N ) Rsp (N ) RAuger(N )
j
g jS jvg, j
dS j dt
(j g j
j )S jvg, j
j Rsp (N )
j M ,M 1,....,M
RSRH AN ,
➢ 端面出光功率
Pout P1 P2
P1 (1 r1) r2 , P2 (1 r2) r1
P1
ext
h e
0
(
(1 r1) r2 r1 r2 )(1
r1r2 ) (I Ith )
P2
ext
h e
0
(
(1 r2 ) r1 r1 r2 )(1
r1r2 ) (I Ith )
半导体激光器的温度特性
➢ 谱线宽度
v
hvnspvg2 8P0
m
(in
m
)(1 )
➢ 频率啁啾效应
1 nsp 1 e(Fn Fp )Eg kT
v(t)
4
d
ln P(t) dt
2 d hvV
P(t)
半导体光放大器（SOA）
➢ 基本结构
➢ 增益谱
G 1
(1 R1)(1 R2 )Gs
2
R1R2 Gs 4