硅基光电子学 2026.07.13

2.4 硅中光子与载流子的相互作用半导体中光子与载流子之间的相互作用机制包括带间跃迁、杂质能级与 CB / VB 的跃迁带内自由载流子跃迁激子跃迁。这些跃迁会对材料吸收系数产生影响。PS“吸收边”描述了吸收系数的突变即材料从相对透明波段变成强吸收波段的区域直接带隙材料吸收边往往更陡峭。光在吸收材料中传播功率满足 Beer-Lambert 定律吸收长度可粗略定义为不同能量区域的吸收机制低光子能量区的低能量红外光可能被晶格振动、声子、自由载流子吸收通常与完整的带间跃迁无关。接近带隙处开始发生带间吸收吸收系数迅速上升。从材料相对透明区进入强带间吸收区的波长范围称为吸收边。高光子能量区当大量价带态和导带态满足能量、动量及光学选择定则带间吸收明显增强。2.4.1 带间吸收和发射1带隙波长 / 截止波长带间吸收发生在2吸收 / 自发辐射 / 受激辐射 满足的条件能量守恒晶体动量守恒光子动量为电子的晶体动量为在可见光和近红外波段光子波长远大于晶格常数光子带来的动量相对于电子在整个布里渊区中的晶体动量尺度很小所以在光学跃迁中通常近似认为选择定则与光子相互作用的载流子的动量及能量由半导体关系决定光学关联态密度光学联合态密度joint density of states描述了在能量和动量守恒条件下可以被频率的光子连接起来的价带-导带状态对数量。刚超过带隙时吸收边以上联合态密度从零开始并随超出带隙的能量平方根增长。间接带隙半导体中不太可能发生光子发射但可能发生光子吸收。2.4.2 吸收和发射速率在直接带隙跃迁过程中一个能量为的光子被半导体材料所发射或吸收的概率密度取决于占据概率、跃迁概率、态密度。1占据概率2) 跃迁概率即使初末态满足占据条件电子与光场之间的耦合仍然决定着跃迁发生的概率。3 吸收和发射速率 占据概率 × 跃迁概率 × 态密度2.4.3 折射率折射率依赖波长、温度、掺杂等多种因素其变化于器件应用十分关键。相位调制器载流子变化使有效折射率改变长度为的相移器产生MZI调制器和VOAMZI两臂相位差为改变其中一臂的载流子浓度或温度即可改变输出功率。对于QRNG平衡校准这可以用于微调两路光功率、补偿分束器和PD失配、实现MZI-VOA。环形谐振器环的谐振条件为折射率变化会使谐振波长移动。......2.4.3 回答了前面提及的吸收和载流子变化怎样同时改变材料的损耗与相位传播。