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VOA：MZI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。

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