集成光電子器件及設(shè)計(jì)-4集成光有源器件

第四章

集成光有源器件集成光電子器件及設(shè)計(jì)2Outline

電光轉(zhuǎn)換——激光器

F‐P,

DFB,

DBR.

QW,

SQW.

Tunable.

VECSEL.

光光轉(zhuǎn)換——放大器

光電轉(zhuǎn)換——探測(cè)器

PIN

MSM

Schottky‐barrier

PDLarge

scale

photonic

integrationIBM’s

concept

for

super‐computer

Intel’s

50Gbps

transmission

with

silicon

chips

for

optical

interconnects.Laser,

modulator,

photodetectors.

344.1

Laser1991‐2000

1971‐1980

1931‐1940

1941‐1950

1921‐1930

1901‐1910

1911‐1920

1951‐1960

1981‐1990

1961‐1970

2001‐2010

Laser

and

Nobel

Prize

There

are

many

significant

breakthroughs

after

laser

was

invented

in

1960’s.

510

8

6

4

2

01234567891011total

nubmeroptics

&

photonics6

激光簡(jiǎn)史1917年Einstein的理論預(yù)言：光子和原子相互作用包含三種過程:自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射（按此模型推導(dǎo)出和實(shí)驗(yàn)完全符合的黑體輻射Planck公式），提出在物質(zhì)與輻射場(chǎng)的相互作用中，構(gòu)成物質(zhì)的原子或分子可以在光子的激勵(lì)下產(chǎn)生光子的受激發(fā)射或吸收，預(yù)示了有可能利用受激發(fā)射實(shí)現(xiàn)光放大（Light

Amplification

by

Stimulated

Emission

of

Radiation—LASER

）。理論工作指出：受激輻射光波與激勵(lì)光波同相位、同方向、同頻率、同偏振。1954年湯斯(Townes)、巴索夫(Basov)、普洛霍洛夫(Prokhorov)

利用原子、分子的受激輻射來放大電磁波的新概念，實(shí)現(xiàn)氨分子微波量子振蕩器(Maser)‐‐量子電子學(xué)。71958年湯斯、肖洛(Schawlow)—尺度遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的開放式光諧振腔（Fabry‐Perot）布隆伯根（Bloembergen）利用光泵浦三能級(jí)原子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布1960年梅曼（Maiman）世界上第一臺(tái)紅寶石激光器1961年：He‐Ne激光器、第一臺(tái)調(diào)Q激光器、釹玻璃激光器1962年：砷化鎵（GaAs）半導(dǎo)體激光器1963年：激光器的半經(jīng)典理論1964年：氬離子（

Ar+）激光器、二氧化碳激光器、摻釹釔鋁石榴石（Nd:YAG）激光器1965年：鈮酸鋰光參量振蕩器1966年：固體鎖模激光器、染料激光器1970年：準(zhǔn)分子激光器1977年：紅外波段的自由電子激光器。。。素氘（質(zhì)量數(shù)２）和氚（質(zhì)量數(shù)３），解決了核聚變的一個(gè)關(guān)鍵困難。8激光技術(shù)50年發(fā)展時(shí)間表(1960~2010)1917年：愛因斯坦提出“受激發(fā)射”理論，一個(gè)光子使得受激原子發(fā)出一個(gè)相同的光子。1953年：美國(guó)物理學(xué)家Charles

Townes用微波實(shí)現(xiàn)了激光器的前身：微波受激發(fā)射放大（maser）1957年：Townes的博士生Gordon

Gould創(chuàng)造了“l(fā)aser”這個(gè)詞，指出可用光激發(fā)原子，產(chǎn)生一束相干光。1960年：美國(guó)加州Hughes

實(shí)驗(yàn)室的Theodore

Maiman實(shí)現(xiàn)了第一束激光。1961年：

激光首次在外科手術(shù)中用于殺滅視網(wǎng)膜腫瘤。1962年：發(fā)明半導(dǎo)體二極管激光器，這是今天小型商用激光器的支柱。1969年：激光用于遙感勘測(cè)，激光被射向阿波羅11號(hào)放在月球表面的反射器。1971年：

激光進(jìn)入藝術(shù)世界，用于舞臺(tái)光影效果以及激光全息攝像。英國(guó)籍匈牙利裔物理學(xué)家Dennis

Gabor憑借對(duì)全息攝像的研究獲得諾貝爾獎(jiǎng)。1974年：

第一個(gè)超市條形碼掃描器出現(xiàn)。1975年：

IBM投放第一臺(tái)商用機(jī)光打印機(jī)。1978年：

飛利浦制造出第一臺(tái)LD播放機(jī)，不過價(jià)格很高。1982年：

第一臺(tái)CD播放機(jī)出現(xiàn)，第一部CD盤是美國(guó)歌手Billy

Joel在1978年的專輯52nd

Street。1983年

：里根總統(tǒng)發(fā)表了“星球大戰(zhàn)”的演講，描繪了基于太空的激光武器。1988年：

北美和歐洲間架設(shè)了第一根光纖，用光脈沖來傳輸數(shù)據(jù)。1990年：激光用于制造業(yè)，包括集成電路和汽車制造。1991年：第一次用激光治療近視，海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中第一次用激光制導(dǎo)導(dǎo)彈。1996年：東芝推出數(shù)字多用途光盤（DVD）播放器。2008年：法國(guó)神經(jīng)外科學(xué)家使用廣導(dǎo)纖維激光和微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)治療了腦瘤。2010年：美國(guó)國(guó)家核安全管理局(NNSA)表示，通過使用192束激光來束縛核聚變的反應(yīng)原料、氫的同位9

1.半導(dǎo)體的能帶理論半導(dǎo)體晶體：電子共有化，電子運(yùn)動(dòng)非局域化同一能級(jí)上的電子的共有化運(yùn)動(dòng)使得產(chǎn)生許多共有化量子能級(jí)，能級(jí)間分布密集而至準(zhǔn)連續(xù)分布，成為能帶。能量最高被電子填滿的能帶為價(jià)帶，價(jià)帶以上未被填滿的能帶為導(dǎo)帶，導(dǎo)帶與價(jià)帶之間的間隙為禁帶。金屬材料導(dǎo)帶中部分能級(jí)被電子占據(jù)，半導(dǎo)體和絕緣體的差別在于禁帶寬度的不同。102.載流子與摻雜ECEDEV導(dǎo)帶

EA

價(jià)帶*載流子：可以自由運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)帶中的電子與價(jià)帶中的空穴*平衡載流子：本征半導(dǎo)體與摻雜半導(dǎo)體中熱平衡狀態(tài)下的載流子。*非平衡載流子：對(duì)于平衡態(tài)下的半導(dǎo)體施加外界某種能量，可以進(jìn)一步將價(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶中，出現(xiàn)非平衡載流子。外界能量包括：光激發(fā)，高能電子束激發(fā)，高場(chǎng)激發(fā)，PN結(jié)載流子注入等。f(E)

=E?EF11Fermi

level

EF

1

exp(

)+1

KT半導(dǎo)體電子占據(jù)能量為E的能級(jí)的幾率Fermi‐Dirac分布12本征半導(dǎo)體：費(fèi)米能級(jí)位于禁帶中心，此時(shí)導(dǎo)帶中的電子幾乎是空的，價(jià)帶幾乎全部被占滿。13電子躍遷和光輻射

自發(fā)光發(fā)射躍遷：導(dǎo)帶中的電子以一定的概率隨機(jī)地與價(jià)帶中的空穴復(fù)合并

以光子的形式放出復(fù)合所產(chǎn)生的能量；

受激光吸收：一個(gè)具有適當(dāng)能量的光子被半導(dǎo)體吸收時(shí)，

可以把能量傳遞

給價(jià)帶中的一個(gè)電子，

使其躍遷到導(dǎo)帶，

同時(shí)在價(jià)帶產(chǎn)生了一個(gè)空穴，

從

而在半導(dǎo)體中產(chǎn)生了一個(gè)電子空穴對(duì)——光探測(cè)器的作用機(jī)理。

受激發(fā)射：在具有適當(dāng)能量的光子的激勵(lì)下，

導(dǎo)帶中的電子躍遷回價(jià)帶，

同時(shí)發(fā)射出一個(gè)與激勵(lì)光子有同樣特征的光子，

即導(dǎo)帶中的電子在入射光

子激勵(lì)之下與價(jià)帶中的空穴復(fù)合，

發(fā)射另一個(gè)同樣特征光子。受激發(fā)射的

光子具有與入射光相同的頻率、相位和偏振等特征——半導(dǎo)體光放大器和半

導(dǎo)體激光器的作用機(jī)理。14

+動(dòng)量守恒直接帶隙材料：導(dǎo)帶極小值與價(jià)帶最大值在k空間位于相同的k值GaN,

InN,

InP,

GaAs,

InAs,

GaSb,

InSb所有II‐VI族半導(dǎo)體間接帶隙材料：導(dǎo)帶極小值與價(jià)帶最大值在k空間位于不同的k值，躍遷需要改變動(dòng)量，聲子參與，所以躍遷幾率很小Ge,

SiBP,

AlP,

GaP,

Bas,

AlAs,

AlSb

能量守恒

EFn

?

EFp

=

Ec

?

Ev=

Egpi

+

pphot

=

pfor

ki

+

2π/λphotu

=

kfp

=

mc

u=h/λ0u15Melting

Point(K)

4300

3070

1685

1231

2013

1920

1750

1510

980

1330

1215

798

2250

1920

1790

2020

1530

1370Energy

Gap(eV)

5.4

2.3

1.11

0.67

2.1

3.37

2.25

2.25

0.70

1.35

0.35

0.17

3.2

3.6

2.58

2.42

1.74

1.45Material

C(diamond)

SiC

Si

Ge

AlAs

GaN

GaP

GaAs

GaSb

InP

InAs

InSb

ZnO

ZnS

ZnSe

CdS

CdSe

CdTe16半導(dǎo)體光放大器&半導(dǎo)體激光器

熱平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體介質(zhì)對(duì)光輻射只有吸收而沒有放大的作用。為了使半導(dǎo)體介質(zhì)對(duì)

光輻射具有放大的作用，

必須通過某種“泵浦”

過程，

破壞熱平衡，

使導(dǎo)帶某高能態(tài)

中的電子數(shù)大于價(jià)帶中相應(yīng)低能態(tài)的電子數(shù)，

我們稱這種狀態(tài)為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（也稱分

布反轉(zhuǎn)）

。只要使半導(dǎo)體導(dǎo)帶、價(jià)帶內(nèi)的電子處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)，

受激光發(fā)射的

幾率就大于受激光吸收的幾率，

從而得到凈的受激光發(fā)射。相應(yīng)頻率的光束入射到半

導(dǎo)體物質(zhì)，

光強(qiáng)就會(huì)放大，

這就是半導(dǎo)體光放大器的作用機(jī)理。

如果半導(dǎo)體物質(zhì)處于某種提供光反饋的諧振腔中，

即使沒有入射光，

由于自發(fā)發(fā)射以

及普遍存在的電磁輻射干擾如宇宙線的作用，

總會(huì)有適當(dāng)頻率的光子存在，

通過正反

饋產(chǎn)生振蕩，

迅速產(chǎn)生大量相同光子態(tài)的光子，即形成激光，

這就是半導(dǎo)體激光器的

作用機(jī)理。17

形成激光三個(gè)條件：①

通過泵浦過程形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使受激輻射占優(yōu)勢(shì)，具有

光增益作用（必要條件）；②

需要有共振腔（諧振腔），以實(shí)現(xiàn)光的反饋和模式選擇；③

泵浦能量要足夠強(qiáng)，使增益超過損耗，即達(dá)到和超過閾值

增益條件，以維持穩(wěn)定的激光振蕩（充分條件）。形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)——施加正偏壓

半導(dǎo)體處于平衡態(tài)，

p

區(qū)和n

區(qū)

的費(fèi)密能級(jí)相等。在熱平衡狀

態(tài)，

半導(dǎo)體中具有統(tǒng)一的費(fèi)密能

級(jí)EF

，即半導(dǎo)體中電子和空穴濃

度

保持動(dòng)態(tài)平衡。

加正偏壓后，勢(shì)壘高度降低，平

衡態(tài)被破壞，

使多數(shù)載流子分別

流入對(duì)方：電子從n

區(qū)導(dǎo)帶注入

向p

區(qū)，

空穴從p

區(qū)價(jià)帶注入向n

區(qū)。于是，

p

區(qū)和n

區(qū)少數(shù)載流

子比原來平衡態(tài)時(shí)增加了。這些增多的少數(shù)載流子稱為“非平衡載流子”

。電子從導(dǎo)帶躍遷到價(jià)帶而復(fù)合時(shí)

光子

1819諧振腔——實(shí)現(xiàn)光子反饋

Fabry–Pérot

cavityRing

resonator

(cavity)20

法布里-珀羅雙異質(zhì)結(jié)激光器最初實(shí)現(xiàn)激射的半導(dǎo)體激光器是同質(zhì)結(jié)激光器，

其閾值電流較大，不適合在室溫下連續(xù)工作。異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)改善了這些缺陷，

現(xiàn)代半導(dǎo)體激光器一般都采用雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。有源層(窄帶隙)

+

包覆層(寬帶隙):有源層與包覆層之間的帶隙差形成勢(shì)壘，注入的載流子在該勢(shì)壘中被俘獲。窄帶隙有源層折射率較大

光場(chǎng)被限制在有源層內(nèi)；端解理面

F-P腔。半導(dǎo)體激光器的增益頻譜較寬，不適合單模運(yùn)行。

雙異質(zhì)結(jié):

double

hetero

junction211.重?fù)诫sn型GaAs襯底上三層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，有源層位于p‐n結(jié)的p側(cè)，其成分的設(shè)計(jì)有利于出射波長(zhǎng)的選擇以及折射率、帶隙的調(diào)控。2.有源層厚度小于1微米，便于在整個(gè)厚度范圍達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。3.NA≈2×1019cm‐3(p+),

NA≈1×1016cm‐3(有源層),

ND≈1×1017cm‐3(n‐GaAlAs),

NA≈2×1018cm‐3(襯底),

H.C.Casey：Heterostructure

Laser,

Part

B,

(Academic

Press,

New

York

1978),

109-132典型的DH激光器結(jié)構(gòu)22性，實(shí)現(xiàn)振蕩模的選模，可實(shí)現(xiàn)單波長(zhǎng)激光器

分布反饋式半導(dǎo)體激光器

DFB:

Distributed

Feedback

折射率耦合分布反饋：有源區(qū)折射率在

諧振腔內(nèi)周期變化(折射率光柵）

增益耦合分布反饋：有源區(qū)增益（或損

耗）在諧振腔內(nèi)周期變化（有源層的周

期性微結(jié)構(gòu)）。通常將增益耦合分布反

饋的有源層做成厚度周期性變化的結(jié)

構(gòu)，使得激光器的縱向光場(chǎng)受到一個(gè)周

期性的調(diào)制，

這等效為光場(chǎng)模式的凈增

益沿縱向受到周期性調(diào)制，

從而將增益

耦合機(jī)理引入激光器結(jié)構(gòu)中。利

用耦合模理論，有限長(zhǎng)度周期波導(dǎo)內(nèi)的前向波與后向波耦合，具有

波長(zhǎng)選擇23

DBR半導(dǎo)體激光器

具有波長(zhǎng)選擇性的反射鏡面，

將位于

光柵的最大反射率附近的一定波長(zhǎng)的

縱模分離出來。

分布布拉格反射器式激光器的一個(gè)重

要的優(yōu)點(diǎn)是可以改變波長(zhǎng)，

多段分布

布拉格反射器式激光器及縱向雙波導(dǎo)

分布布拉格反射器式激光器可作為波

長(zhǎng)可調(diào)諧激光器，

而且兼有連續(xù)可調(diào)

與調(diào)諧范圍大的優(yōu)點(diǎn)，

因此得到研究

人員的廣泛關(guān)注。DBR:

distributed

Bragg

reflector波長(zhǎng)可調(diào)諧的半導(dǎo)體激光器

現(xiàn)代光通訊技術(shù)要求集成光源能夠達(dá)到多波長(zhǎng)選擇，在較寬的范

圍內(nèi)波長(zhǎng)調(diào)節(jié)可控、靈活、動(dòng)態(tài)，所以波長(zhǎng)可調(diào)諧(tunable)的半

導(dǎo)體激光器有著廣泛的應(yīng)用前景。

可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器主要包含：

一個(gè)具有有源增益區(qū)和諧振腔的激光二極管

光增益和振蕩

一個(gè)用于改變和選擇波長(zhǎng)的可調(diào)諧系統(tǒng)

調(diào)諧功能一套穩(wěn)定輸出波長(zhǎng)的裝置單模選擇調(diào)諧：通過溫度、電流、機(jī)械甚至微機(jī)電系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于半導(dǎo)體激光器，

可通過改變載流子濃度的方式。穩(wěn)定波長(zhǎng)是通過某種鎖定波長(zhǎng)的裝置或用反饋環(huán)控制的標(biāo)準(zhǔn)具來實(shí)現(xiàn)。

2425例1.布拉格反射光柵型LD

調(diào)諧：改變光柵反射區(qū)的折射率

布拉格波長(zhǎng)~。其最大調(diào)諧范圍受限

于光柵折射率的最大變化范圍。對(duì)于半導(dǎo)體材料：改變載流子濃度以調(diào)

諧，

在1.5μm

波段調(diào)諧范圍可達(dá)15nm.

調(diào)諧范圍較小。26或分段連續(xù)的。SSG:

super

structure

grating;

DBR:

distributed

Bragg

grating

SSG‐DBR

tunable

LD

~100nm

的寬范圍的不連續(xù)性波長(zhǎng)調(diào)諧；兩個(gè)超結(jié)構(gòu)光柵反射器有周期性的反射譜。其相鄰的反射峰之間的波長(zhǎng)間隔，與取樣光柵的間隔長(zhǎng)度成反比。兩個(gè)反射器的反射譜需要稍微不同的周期。當(dāng)兩個(gè)反射器同時(shí)在某一個(gè)波長(zhǎng)達(dá)到峰值，并且僅在此波長(zhǎng)達(dá)到峰值時(shí)，就在此波長(zhǎng)發(fā)生激射光。通過注入電流調(diào)節(jié)兩個(gè)反射器的反射譜，就可以調(diào)節(jié)激光輸出波長(zhǎng)。這種調(diào)諧方式的波長(zhǎng)調(diào)諧是不連續(xù)的調(diào)諧范圍還受有源區(qū)增益譜寬的限制！27

量子阱(Quantum

Well)激光器與體雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)對(duì)比：

有源區(qū)依然是窄帶隙材料，

周圍是寬帶隙材料

形成載

流子的陷阱；

有源層厚度顯著減?。w異

質(zhì)結(jié)100nm～，量子阱5‐

10nm）；

量子阱激光器：F‐P型、DFB

式、DBR式、VCSEL式等。

益

處：

達(dá)到降低振蕩閾值電流、擴(kuò)大振蕩波長(zhǎng)區(qū)域、擴(kuò)大調(diào)制帶寬、降低噪聲和增高頻譜純度等多種顯著效果。28單量子阱(Single

Quantum

Well)激光器

常規(guī)SQW

laser中，很薄的有源層對(duì)非平衡載流子的收集能力也會(huì)減弱，

這

些因素都會(huì)使達(dá)到閾值條件所需的光增益變大，

從而使閾值電流增加。

GRIN‐SCH

量子阱激光器:

具有波導(dǎo)效應(yīng)，能夠限制光場(chǎng)，

明顯降低閾值電流，充分發(fā)揮了量子阱結(jié)構(gòu)在低注入電流下具有高增益的優(yōu)點(diǎn)，已可獲得0.95mA的閾值電流；

SQW

laser研究時(shí)間不長(zhǎng)，

但發(fā)展很快，早在1987年就已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

GRIN‐SCH:

graded‐index

separate‐confinement

heterostructure,

梯度折射率分限異質(zhì)結(jié)構(gòu)291.2.3.4.量子阱、量子線和量子點(diǎn)激光器

載流子的量子限制

增加參與躍遷的載流

子數(shù)目

降低閾值電流

(1μA)，提高增益

閾值電流受溫度影響

程度隨著量子限制的

增加而減弱30垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)

半導(dǎo)體激光器的出射激光與襯底面相垂直，稱為

面發(fā)射激光器。

垂直腔Vertical

cavity

surface

emitting

laser,

VCSEL

指的是激光腔的光束放大與反饋方向垂直于襯底

與有源層。

有源區(qū)：體異質(zhì)結(jié)或量子阱結(jié)構(gòu)（單量子阱或多

量子阱），提供光增益。

垂直腔：位于有源層的上下，高低折射率交替的

介質(zhì)層或半導(dǎo)體層膜堆構(gòu)成DBR，半導(dǎo)體薄膜構(gòu)

成的DBR利用成分差異構(gòu)建折射率差，可以外

延，與襯底結(jié)合好。

可以是底發(fā)射（透明襯底），也可以是頂發(fā)射

（環(huán)形金屬電極）等輸出方式。31多波長(zhǎng)VCSEL陣列

VECSEL結(jié)構(gòu)由于光的輸出垂直于襯底方

向，非常適合于該類器件的二維集成陣

列。

多波長(zhǎng)VECSEL激光器陣列適合應(yīng)用于

DWDM技術(shù)。

用VECSEL陣列可以提供多至上百個(gè)獨(dú)立

波長(zhǎng)，波長(zhǎng)間隔小于1nm的二維光源陣

列。

關(guān)鍵在于精確控制陣列中每個(gè)單元器件

的發(fā)射波長(zhǎng)：波長(zhǎng)與諧振腔長(zhǎng)度呈線性

關(guān)系，控制薄膜外延層的厚度，將不同

波長(zhǎng)的VECSEL集成到一個(gè)芯片上。32What’s

on‐going

for

laser?

Single

photon

laser;

Silicon

laser;

Ultra‐high

power

laser;

Tunable

laser;

Ultra‐fast

laser;

Etc.

世界上第一個(gè)混合型Si‐InP激光器(2006年UCSB

&

intel)334.2.

半導(dǎo)體光放大器34

背景介紹

功能：用于光通訊系統(tǒng)中對(duì)于光信號(hào)的光‐

光直接放大。

EDFA(摻Er3+光纖放大器)：已經(jīng)實(shí)用化。

SOA：較寬的帶寬，適合于1.3μm與

1.5μm波段。體積小，適合于全光集成。

激光二極管內(nèi)有源層在注入電流的作用下

增益超過損耗后，即超過閾值電流以后，

二極管出現(xiàn)放大作用。

器件端面鍍有抗反射膜，避免內(nèi)部光反

饋，不能建立激光振蕩，只是對(duì)于輸入光

放大，直至增益飽和，此類器件即為SOA。Semiconductor

Optical

Amplifier

半導(dǎo)體光放大器35SOA36SOA的種類

FP‐SOA：激射閾值電流以下的半導(dǎo)體激光器，具有諧振腔，對(duì)信號(hào)進(jìn)

行諧振放大，獲得較大腔內(nèi)增益。要求光信號(hào)與諧振模有精密匹配。

TW‐SOA

(travelling‐wave)：半導(dǎo)體激光器端面鍍有抗反射膜，不能形

成諧振腔，光信號(hào)被單程放大。寬的增益帶寬。

IL‐SOA

(injection‐locked)：將FP‐SOA偏置于閾值電流以上，從一端輸入

微弱的單模光信號(hào)，此頻率落在多模激光器頻譜內(nèi)，光信號(hào)被鎖定并

放大。37SOA的應(yīng)用：AOWC光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)：將一個(gè)波長(zhǎng)光波載運(yùn)的信息變換到另一個(gè)波長(zhǎng)光波載運(yùn)。AOWC：利用光的非線性效應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。非線性介質(zhì)或器件：保偏光纖、SOA或者半導(dǎo)體激光器?；赟OA的AOWC：傳輸?shù)谋忍芈矢?00Gb/s,易于單片集成。SOA：交叉增益調(diào)制（放大器增益與泵浦光強(qiáng)度的反相關(guān)系）、交叉相位調(diào)制（半導(dǎo)體折射率取決于有源區(qū)載流子濃度）、四波混頻效應(yīng)。AOWC:

all

optical

wavelength

conversion.

384.3

光-電轉(zhuǎn)換器件

三種效應(yīng)：

光生伏特效應(yīng)：產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)Solar

cell。光電導(dǎo)效應(yīng)：電導(dǎo)率變化

光敏電阻。光電流探測(cè)：產(chǎn)生光生載流子Photodector。將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)：要求探測(cè)靈敏度高、響應(yīng)速度快、便于集成。39光電探測(cè)器原理與類型

A.

PN,

PIN結(jié)構(gòu)；

B.

肖特基勢(shì)壘探測(cè)器；

C.

金屬‐半導(dǎo)體‐金屬（MSM）光電探測(cè)器；40A.

光電二極管的基本原理使一個(gè)電子從結(jié)的n

區(qū)到p

區(qū)所需的最小能量為eVd

，其中e

是電子電荷，Vd

是自建電場(chǎng)）；施加反向偏壓Va

后，耗盡層進(jìn)一步擴(kuò)大。

(a)

零偏壓形成耗盡層

電容效應(yīng)：

Cs=Q/Va

(靜態(tài)電容)

Cd=dv/dVa

(動(dòng)態(tài)微分電容)Cs=Q/Va

ES=Q/ε

V=EdCs=Q/Va,

ES=Q/ε,

V=Ed

Cs=εS/d41

光電二極管的基本原理(with

light)

光子在p

區(qū)（A

處）被吸收

一個(gè)空

穴+一個(gè)電子。電子有可能擴(kuò)散到耗

盡層邊界，

并在電場(chǎng)作用下漂移至n

區(qū);

光子在n

區(qū)（C

處）被吸收

一個(gè)空

穴+一個(gè)電子?？昭ㄓ锌赡軘U(kuò)散到耗

盡層邊界，

并在電場(chǎng)作用下漂移至p

區(qū);

光子在耗盡層中（B

處）被吸收

一

個(gè)空穴+一個(gè)電子，在電場(chǎng)的作用下

漂移，

并分別到達(dá)p

區(qū)和n

區(qū);*

耗盡層中的光吸收效率更高。42RLn

區(qū)i

區(qū)電極CjRj光電二極管的等效電路模型

Rs

p

區(qū)LsVa便于分析高頻響應(yīng)(負(fù)載電阻的壓降)：VL=？43光電探測(cè)器的性能指標(biāo)443dB

bandwidthDetermined

by

the

RC

constant

&

the

transit

time.

This

can

be

calculated

easily

from

the

equivalent

circuit.

The

responsivity

R

(響應(yīng)度)

Photo‐carriers

number

N

=

ηP/hv;

Photo‐current

I

=

e

ηP/hv;

R=I/P=e/hv=

η

e/(hc/λ);

Here

η

is

the

quantum

efficiency

(usually

η<100%),

e=1.6e‐19C,

Plank

constant

h=6.63e‐34

J?s,

c=3e8

m/s,

λ

is

the

wavelength.

For

example,

when

λ=1550nm,

R=1.24A/W.

The

wavelength

dependence.

Long

wavelength

more

photons

higher

responsivity.

However,

the

QE

is

dependent

on

the

absorption

coefficient

which

is

wavelength

dependent.

4546Advanced

photodetectors

High

speed

(ultra‐fast)

photodetector;

avalanche

High

responsivity,

high

sensitivity

photodiode

(APD);

Silicon

photodetectoroptical

interconnects;

High

power

PD

Radio‐over‐fiber

(ROF);

High

speed

(ultra‐fast)

photodetectorResponsivity:

R=ηP/hv;

η=exp(?αd)；Transit

time:

ttr=d/vs,

where

d

is

the

depletion

width,

vs

is

the

saturated

velocity

(~107cm/s).

RC

time:

τRC=RC,

where

C=εS/d,

R=RL+Rs.

total

response

time:

ttot=(ttr2+τRC2)1/2f3dB=1/(2πttot);

ttotttr

τRCCV

47There

is

a

trade‐off

when

choosing

the

depletion

region

for

normal‐incidence

PDs.

48Waveguide‐type

photodiodeCarrier

drift

direction:

lateral

high

speed.Light

absorption

longitudinal

high

responsivity.

Two

ways

for

waveguide‐type

PDsEvanescent

coupling

下包層

襯底芯層吸收層下包層

襯底

49芯層吸收層Butt

coupling

50‐‐‐++

‐++

‐++

‐+

‐

‐+

‐

‐+

‐

‐

+InP

Multiplication

LayerP+N+The

InP

Avalanche

Multiplication

ProcessHigher

gain

requires

more

transits

back

and

forth.

↓雪崩光電二極管(Avalanche

PD)

Hence

longer

transit

time

↓

Hence

lower

bandwidth

↓

Hence

a

gain

bandwidth

limit初始光生載流子產(chǎn)生于耗盡層，在高反向偏置電壓（在硅材料中一般為100‐200

V

）作用下，形成強(qiáng)電場(chǎng)，產(chǎn)生雪崩倍增。在APD中可獲得大約10~1000的內(nèi)部電流增益。一般來說，反向電壓越高，增益就越大。Electric

Field51Separate

absorption‐multiplication

APD

hv

h+

e‐Absorption

Region

Multiplication

Regionh+

e‐

h+e‐

positionImportant

feature:

Gain‐bandwidth

product

(GBP)199620071999.52APDs

of

various

materials

Y.

Kang,

et

al.

Nature

Photon.

3(1):

59-63

(2008).

Si-based

APDs:

Thiswork[15][16][21][22][17][25][26][28]

Hawkins,

A.R.

et

al.

[19]InP-basedAPDs:

Campbell,

J.C.

et

al.1988

Yasuoka,

N.

et

al.2003

Clark,

W.R.

et

al.

1999

Franco,

D.S.

et

al.2005InAlAs-basedAPDs:

Kinsey,

G.S.

et

al.2001.

Lenox,

C.

et

al.

[18]

1999.

Li,

N.

et

al.

[23]

2003

Yagyu,

E.

et

al.

[24]

Nakata,

T.

et

al.

2001

Rouvie,

A.

et

al.

2008

Makita,

K.

et

al.

[27]

Hayashi,

M.

et

al.1998.Intel’s

APD53光電探測(cè)器材料:

Absorption

coefficientGe:

Very

large

absorption

coefficient

at

near-infrared

wavelength;5