新型光電子及光纖器件1

1、北京交通大學(xué) 光波所主講：任國斌 譚中偉電話：51684020Email：注意事項(xiàng)考核：平時(shí)課堂表現(xiàn)和出勤情況：10；研究性和綜合性大作業(yè)成績：30；期末考試成績：60。答疑：光波所308參考書目1.現(xiàn)代通信光電子學(xué)，（美）亞里夫Yariv，電子工業(yè)出版社2.光電子學(xué)與光子學(xué)的原理及應(yīng)用，S.O. Kasap著. 電子工業(yè)出版社3.光纖光學(xué)-原理與應(yīng)用，廖延彪，清華大學(xué)出版社4.光子器件物理，Shun Lien Chuang (莊順連)著，賈東方等譯，出版社：電子工業(yè)出版社5.光有源無源器件制造，劉孟華，華中科技大學(xué)出版社6.硅基光電子學(xué)，周治平，北京大學(xué)出版社7.光電二極管及其放大電路設(shè)計(jì)，

2、Jerald Graeme，科學(xué)出版社課程目的與任務(wù) 光電子技術(shù)是“光子技術(shù)”與“電子技術(shù)”相結(jié)合的產(chǎn)物，是繼微電子技術(shù)后興起的一門高新技術(shù)，目前已成為信息科學(xué)的重要支柱。主要內(nèi)容包括：1.光電子學(xué)概述光電子學(xué)概述2.晶體光學(xué)晶體光學(xué)基礎(chǔ)與光基礎(chǔ)與光調(diào)制；調(diào)制；3.半導(dǎo)體半導(dǎo)體物理及光電器件物理及光電器件基礎(chǔ)；基礎(chǔ)；4.光纖光纖光學(xué)基礎(chǔ)與光纖光學(xué)基礎(chǔ)與光纖器件；器件；5.光電子學(xué)光電子學(xué)及光子學(xué)前沿與動態(tài)。及光子學(xué)前沿與動態(tài)。光電子技術(shù)概述p21世紀(jì)光電子信息時(shí)代p光電子技術(shù)p研究對象：從紅外波、可見光、紫外光、X射線直至伽馬射線波段范圍內(nèi)的光波電子技術(shù)p是研究運(yùn)用光子和電子的特性，通過一定媒

3、介實(shí)現(xiàn)信息與能量轉(zhuǎn)換、傳遞、處理及應(yīng)用的科學(xué)。p以光電子學(xué)為理論基礎(chǔ)，以光電子元器件為主體。光子技術(shù)光子技術(shù)與與電子技術(shù)電子技術(shù)相結(jié)合的相結(jié)合的光電子技術(shù)光電子技術(shù)主要研究光與物質(zhì)主要研究光與物質(zhì)中的電子相互作用及其能量相互轉(zhuǎn)換的相關(guān)技術(shù)，以光源激中的電子相互作用及其能量相互轉(zhuǎn)換的相關(guān)技術(shù)，以光源激光化、傳輸波導(dǎo)化、手段電子化、現(xiàn)代電子學(xué)中的理論模式光化、傳輸波導(dǎo)化、手段電子化、現(xiàn)代電子學(xué)中的理論模式和電子學(xué)處理方法化為特征，是一門新興的綜合交叉學(xué)科。和電子學(xué)處理方法化為特征，是一門新興的綜合交叉學(xué)科。內(nèi)容提要一一光電子學(xué)光電子學(xué)-學(xué)科角度學(xué)科角度二二光電子學(xué)光電子學(xué)光與電打交道的三個(gè)回合光與

4、電打交道的三個(gè)回合光電子學(xué)與光子學(xué)光電子學(xué)與光子學(xué)三三光電子技術(shù)光電子技術(shù)光電子技術(shù)的應(yīng)用光電子技術(shù)的應(yīng)用光電子器件光電子器件四四光電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展光電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展一、國務(wù)院學(xué)位委員會、教育部：學(xué)科專業(yè)簡介物理電子學(xué)主要研究: 光子學(xué)、光電子學(xué)、導(dǎo)波光學(xué)、光纖通信與光信息處理技術(shù)、微波電子學(xué)和相對論電子學(xué)、薄膜與表面技術(shù)、真空科學(xué)與技術(shù), 以及信息顯示技術(shù)等電路與系統(tǒng)微電子學(xué)及固體電子學(xué)電磁場理論與微波技術(shù)主要研究: 電磁波( 包括光波) 的產(chǎn)生、傳輸、與媒質(zhì)的相互作用以及檢測理論和方法, 電磁輻射散射的理論與技術(shù), 無線電理論和技術(shù), 微波電路和光路系統(tǒng)的理論、分析、仿真、設(shè)計(jì)及應(yīng)用, 以及環(huán)境電

5、磁學(xué)和計(jì)算電磁學(xué)等電子科學(xué)與技術(shù)分為四個(gè)二級學(xué)科：電子科學(xué)與技術(shù)分為四個(gè)二級學(xué)科：國務(wù)院學(xué)位委員會、教育部：學(xué)科專業(yè)簡介以光學(xué)為主的以光學(xué)為主的, 并與信息科學(xué)、能源科學(xué)、材料科學(xué)、生命并與信息科學(xué)、能源科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)、空間科學(xué)、精密機(jī)械與制造、計(jì)算機(jī)科學(xué)及微電子科學(xué)、空間科學(xué)、精密機(jī)械與制造、計(jì)算機(jī)科學(xué)及微電子技術(shù)等學(xué)科緊密交叉和相互滲透的學(xué)科技術(shù)等學(xué)科緊密交叉和相互滲透的學(xué)科它包含了許多重要的新興學(xué)科分支：它包含了許多重要的新興學(xué)科分支：激光技術(shù)、光通信、光存儲與記錄、光學(xué)信息處理、光電激光技術(shù)、光通信、光存儲與記錄、光學(xué)信息處理、光電顯示、全息和三維成像、薄膜和集成光學(xué)、顯示、

6、全息和三維成像、薄膜和集成光學(xué)、光電子光電子和和光子光子技術(shù)技術(shù)、激光材料處理和加工、弱光與紅外熱成像技術(shù)、光、激光材料處理和加工、弱光與紅外熱成像技術(shù)、光電測量、電測量、光纖光學(xué)光纖光學(xué)、現(xiàn)代光學(xué)和、現(xiàn)代光學(xué)和光電子儀器及器件光電子儀器及器件、光學(xué)、光學(xué)遙感技術(shù)以及綜合光學(xué)工程技術(shù)遙感技術(shù)以及綜合光學(xué)工程技術(shù)光學(xué)工程光學(xué)工程屬于工學(xué)學(xué)科門類之中的其中一個(gè)一級學(xué)科，光學(xué)工程不再下設(shè)二級學(xué)科電子技術(shù)、光子技術(shù)及光電子技術(shù)電子技術(shù)電子技術(shù)：包括真空電子技術(shù)、氣體電子技術(shù)、：包括真空電子技術(shù)、氣體電子技術(shù)、固體電子技術(shù)等，主要研究電子的特性與行為及固體電子技術(shù)等，主要研究電子的特性與行為及其在真空或

7、物質(zhì)中的運(yùn)動與控制。其在真空或物質(zhì)中的運(yùn)動與控制。光子技術(shù)光子技術(shù):研究光子的特性與行為及其與物質(zhì)的相研究光子的特性與行為及其與物質(zhì)的相互作用以及光子在自由空間或物質(zhì)中的運(yùn)動和控互作用以及光子在自由空間或物質(zhì)中的運(yùn)動和控制。制。光電子技術(shù)光電子技術(shù)：是電子技術(shù)與光子技術(shù)相結(jié)合而形：是電子技術(shù)與光子技術(shù)相結(jié)合而形成的一門新興的綜合性的交叉學(xué)科，主要研究光成的一門新興的綜合性的交叉學(xué)科，主要研究光與物質(zhì)中的電子相互作用及其能量相互轉(zhuǎn)換的相與物質(zhì)中的電子相互作用及其能量相互轉(zhuǎn)換的相關(guān)技術(shù)關(guān)技術(shù)。光電子技術(shù)的特征光電子技術(shù)的特征：光源激光化、傳輸波導(dǎo)化、光電子技術(shù)的特征：光源激光化、傳輸波導(dǎo)化、手段電

8、子化、電子學(xué)中的理論模式和處理方法手段電子化、電子學(xué)中的理論模式和處理方法光學(xué)化。光學(xué)化。光電子技術(shù)與微電子技術(shù)共同構(gòu)成了信息技術(shù)光電子技術(shù)與微電子技術(shù)共同構(gòu)成了信息技術(shù)的兩大重要支柱。的兩大重要支柱。內(nèi)容提要一一光電子學(xué)光電子學(xué)-學(xué)科角度學(xué)科角度二二光電子學(xué)光電子學(xué)光與電打交道的三個(gè)回合光與電打交道的三個(gè)回合光電子學(xué)與光子學(xué)光電子學(xué)與光子學(xué)三三光電子技術(shù)光電子技術(shù)光電子技術(shù)的應(yīng)用光電子技術(shù)的應(yīng)用光電子器件光電子器件四四光電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展光電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展光與電打交道的第一個(gè)回合光與電打交道的第一個(gè)回合是光的電磁波動論的出現(xiàn)和確立1864年，Maxwell發(fā)表電磁場的動力學(xué)理論將所有電磁現(xiàn)象概括為一組

9、偏微分方程組，預(yù)言了電磁波的存在，并確認(rèn)光也是一種電磁波，從而創(chuàng)立了經(jīng)典電動力學(xué)，奠定了輝煌的電磁理論基礎(chǔ)。1888年，Hertz證實(shí)了電磁波的存在。 12“是牛頓以來，物理學(xué)最深刻和最富有成果的工作 ” A.Einstein13MaxwellMaxwell理論的微分表述理論的微分表述0BDDJHBEffttHBEPED0方程1Faraday電磁感應(yīng)定律方程2Ampere環(huán)路定律+位移電流方程3Gauss定律方程4磁通連續(xù)定律+無自由磁荷EP01+2電磁波的傳播3+4電磁波與物質(zhì)的作用電場和磁場的伴隨產(chǎn)生；電場和磁場的伴隨產(chǎn)生；正交性；對稱性；正交性；對稱性；MaxwellMaxwell方程完

10、美的體方程完美的體現(xiàn)了物理與數(shù)學(xué)的結(jié)合！現(xiàn)了物理與數(shù)學(xué)的結(jié)合！電子技術(shù)的發(fā)展電子技術(shù)的發(fā)展電子學(xué)是建立在電磁學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，實(shí)質(zhì)上就是人們不斷地開拓電磁波譜并加以應(yīng)用的歷史。一個(gè)多世紀(jì)以來，從最簡單的二極管、三極管，到后來相繼發(fā)明的束射功率管、閘流管、微波三四極管、行波管、返波管、奧羅管、回旋管等，使電磁波波譜由長波、中波、短波、超短波直至微波、毫米波及亞毫米波波段拓展，并正在向更短的波長進(jìn)軍。1415電磁電磁波段劃分及波段劃分及應(yīng)用應(yīng)用16電磁波譜電磁波譜主要形成手段主要形成手段波長范圍波長范圍目前主要應(yīng)用目前主要應(yīng)用光光波波紅外線紅外線熱體熱體激激光光0.76m-2m雷達(dá)、導(dǎo)航、光纖

11、通信雷達(dá)、導(dǎo)航、光纖通信可見光可見光電弧燈電弧燈0.4m-0.76m紫外線紫外線汞燈汞燈0.03m-0.4m醫(yī)用、照相制版醫(yī)用、照相制版X射線射線X射線管射線管0.1nm-0.03m醫(yī)用、探傷、物相分析醫(yī)用、探傷、物相分析伽馬射線伽馬射線加熱器加熱器 行波管行波管1.0pm-0.1nm探傷、物相分析探傷、物相分析電磁電磁波段劃分及波段劃分及應(yīng)用應(yīng)用近紅外頻率波長(真空)1.62291.00.8um0.60.41.81.4UV1.2THz1934610.2353骨干網(wǎng)城域網(wǎng)局域網(wǎng)850 nm 1550 nm 1310 nm CD 盤780 nmHeNe Lasers633 nm光通信波長范圍：約

12、0.85至1.70m，屬于近紅外區(qū)電磁電磁波段劃分及相應(yīng)傳輸媒介波段劃分及相應(yīng)傳輸媒介10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015ELFVFVLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF 自由空間波長，自由空間波長，m頻率，頻率，Hz電力、電話電力、電話無線電、電視無線電、電視微波微波紅外紅外可見光可見光雙鉸線雙鉸線同軸電纜同軸電纜光纖光纖衛(wèi)星衛(wèi)星/微波微波AM無線電無線電FM無線電無線電頻段頻段劃分劃分傳傳輸輸介介質(zhì)質(zhì)光纖17光與電打交道的第二

13、個(gè)回合光與電打交道的第二個(gè)回合是光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)。光電效應(yīng)是 Hertz在1888 年發(fā)現(xiàn)的，但對機(jī)制不清楚。J. J. Thomson(1897 年)通過對氣體放電現(xiàn)象及陰極射線的研究發(fā)現(xiàn)了電子，這才認(rèn)識到：光電效應(yīng)是光照射到金屬上，金屬中電子吸收了光的能量而脫出金屬表面的現(xiàn)象，這種電子稱為光電子。18光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律：(1) 一定金屬材料的電極對應(yīng)確定的臨界頻率0。當(dāng)照射光頻率 0的入射光照射到材料表面時(shí)，光電子的發(fā)射幾乎是瞬時(shí)的，一般不超過10-9秒；光電流的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度成正比。經(jīng)典的電磁理論不能對以上實(shí)驗(yàn)規(guī)律作出圓滿地解釋19經(jīng)典電磁理論認(rèn)為光

14、的能量正比于光的強(qiáng)度，則任何頻率的光，只要強(qiáng)度足夠大，照射時(shí)間足夠強(qiáng)，都可以使電子逸出。經(jīng)典電磁理論認(rèn)為光強(qiáng)增大時(shí)，光振動的電矢量數(shù)值也增大，因此作用于電子上的力數(shù)值也增大，光電子動能也增大。經(jīng)典電磁理論認(rèn)為從光與金屬面接觸到光電子發(fā)射有可觀的延遲時(shí)間。光電效應(yīng)的解釋光電效應(yīng)的解釋1905年愛因斯坦將量子論用于解釋光電效應(yīng)，并提出了光子的概念。他明確提出當(dāng)光作用于物質(zhì)時(shí)，光是以“光子”（光的能量會集成一個(gè)個(gè)的“能包”）作為最小單位進(jìn)行的。光子的能量跟它的頻率成正比，即E=h 式中的h=6.6310-34js，是普朗克常量。愛因斯坦對光電效應(yīng)的解釋：射向金屬表面的光，實(shí)質(zhì)上就是具有能量E=h的光

15、子流如果照射光頻率過低，即光子流中每個(gè)光子能量較小，電子吸收這一光子后所增加的能量仍然小于電子脫離金屬表面所需要的逸出功，電子就不能脫離開金屬表面，因而不能產(chǎn)生光電效應(yīng)。如果照射光的頻率E=h高到能使電子吸收后其能量足以克服逸出功而脫離金屬表面，就會產(chǎn)生光電效應(yīng)。20光電效應(yīng)解釋光電效應(yīng)解釋意義意義愛因斯坦在研究光電效應(yīng)時(shí)給出的光量子解釋不僅推廣了普朗克的量子理論，證明波粒二象性不只是能量才具有，光輻射本身也是量子化的，同時(shí)為唯物辯證法的對立統(tǒng)一規(guī)律提供了自然科學(xué)證據(jù)，具有不可估量的哲學(xué)意義。這一理論還為玻爾的原子理論和德布羅意物質(zhì)波理論奠定了基礎(chǔ)。 21光與電打交道的第三個(gè)回合光與電打交道的

16、第三個(gè)回合是1960年激光器的發(fā)明激光是光學(xué)歷史上的一項(xiàng)重大革命，也是20世紀(jì)最主要的重大科學(xué)發(fā)明之一。激光器(LASER)是電子學(xué)中微波量子放大器(MASER)在波長上的延伸。激光器的發(fā)明不僅提供了光頻波段的相干電磁波振蕩源，而且使時(shí)至今日的無線電頻率下的許多電子學(xué)的概念、理論和技術(shù)原則上均可延伸到光頻波段，如振蕩、放大、倍頻、混頻、參量、調(diào)制、信息處理、通信、雷達(dá)以至計(jì)算機(jī)等 。2223激光的特點(diǎn)激光的特點(diǎn)激光是受物質(zhì)原子結(jié)構(gòu)本質(zhì)決定的光方向性好亮度高單色性好相干性好相干光非相干光與自然光，燈光有本質(zhì)區(qū)別2424+ += =+ += =波長波長功率功率激光的光譜普通光源的光譜激光產(chǎn)生前的理

17、論儲備激光產(chǎn)生前的理論儲備量子概念（1900年）光子概念（1905年）原子模型（1913年）光與原子作用的三種基本過程（1916年）2525普朗克愛因斯坦玻爾組成物質(zhì)的原子（離子或分子）中電子在能級之間進(jìn)行輻射躍遷從而使原子狀態(tài)發(fā)生改變的過程。光與原子作用的三種基本過程光與原子作用的三種基本過程26原子內(nèi)所有電子處于可能的最低能級時(shí)，整個(gè)原子的能量最低原子內(nèi)一個(gè)或多個(gè)電子吸收能量，躍遷至較高能級時(shí)基態(tài)原子激發(fā)態(tài)原子自發(fā)輻射0100200-202EnEm0100200-202EnEm受激吸收光子受激吸收自發(fā)輻射受激輻射自發(fā)進(jìn)行，產(chǎn)生光子的方向，頻率等是隨機(jī)的。激光產(chǎn)生的理論基礎(chǔ)激光產(chǎn)生的理論基礎(chǔ)

18、受激輻射受激輻射受激輻射0100200-2020100200-202EnEm0100200-202受激輻射光子和激勵(lì)光子具有相同的頻率，方向，相位和偏振。通過受激輻射，激勵(lì)光子得到了相干放大。激光通過受激輻射的光放大相干光！2727黎明前的黑暗黎明前的黑暗還存在一個(gè)看似難以逾越的困難！受激輻射受激吸收熱平衡狀態(tài)下的粒子數(shù)分布 基態(tài)原子激發(fā)態(tài)原子受激吸收受激輻射N1N2不可能有光放大！激發(fā)態(tài)原子數(shù)E E3 3E E2 2E E1 1N N3 3N N2 2N N1 12828基態(tài)原子數(shù)電子盡可能的占據(jù)能量較低的軌道激光產(chǎn)生前的思想突破激光產(chǎn)生前的思想突破50年代初，年輕的C.H.Townes獨(dú)立

19、提出了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的概念。2929熱平衡狀態(tài)下的粒子數(shù)分布粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布激發(fā)態(tài)原子數(shù)量大于基態(tài)原子數(shù)量泵浦E E3 3E E2 2E E1 1N N3 3N N2 2N N1 1E E3 3E E2 2E E1 1N N3 3N N2 2N N1 1激光產(chǎn)生前的思想突破激光產(chǎn)生前的思想突破50年代初，年輕的C.H.Townes獨(dú)立提出了 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的概念1010E1E3粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布泵浦泵浦 泵浦 泵浦 泵浦泵浦熱平衡狀態(tài)下的粒子數(shù)分布0100200-2020100200-2020100200-2020100200-2020100200-2020100200-2020100200-202

20、0100200-202E2受激輻射受激吸收可能產(chǎn)生光放大！1954年，Townes根據(jù)上述思想首次實(shí)現(xiàn)了氨分子微波震蕩器（MASER）。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布E E3 3E E2 2E E1 1N N3 3N N2 2N N1 1熱平衡狀態(tài)下的粒子數(shù)分布E E3 3E E2 2E E1 1N N3 3N N2 2N N1 1世界上第一臺激光器誕生！世界上第一臺激光器誕生！1960年，梅曼發(fā)明。3131簡化激光器結(jié)構(gòu)的三要素:增益介質(zhì)能夠形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的工作物質(zhì)泵浦源可以使增益介質(zhì)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布諧振腔由增益介質(zhì)加兩側(cè)相互平行的反射鏡構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對光子的反射和篩選，并增大有效光程。激光器的工作原理激

21、光器的工作原理3232中國第一臺紅寶石激光器中國第一臺紅寶石激光器激光器的發(fā)明激光器的發(fā)明大量不同類型的激光器層出不窮1962年最重要的一種激光器誕生半導(dǎo)體激光器。(GaAs,870nm)1977年獲得可在室溫下穩(wěn)定工作的半導(dǎo)體激光器?。ˋlGaAs,850nm，Bell Lab)由于激光的發(fā)明，低損耗光纖的研制成功和半導(dǎo)體光電器件的發(fā)展，使光學(xué)迅速進(jìn)入近代高新技術(shù)舞臺，并對近代科學(xué)技術(shù)和人類社會生活產(chǎn)生巨大的影響。激光器的發(fā)明標(biāo)志著光電子學(xué)的興起！34內(nèi)容提要一一光電子學(xué)光電子學(xué)-學(xué)科角度學(xué)科角度二二光電子學(xué)光電子學(xué)光與電打交道的三個(gè)回合光與電打交道的三個(gè)回合光電子學(xué)與光子學(xué)光電子學(xué)與光子學(xué)

22、三三光電子技術(shù)光電子技術(shù)光電子技術(shù)的應(yīng)用光電子技術(shù)的應(yīng)用光電子器件光電子器件四四光電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展光電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展光電子學(xué)的形成從微波波段拓展到光頻波段受激輻射的產(chǎn)生與放大的研究過程中，逐步發(fā)展出量子電子學(xué)這一新興的交叉學(xué)科，標(biāo)志著電子學(xué)與光學(xué)的相互滲透、相互融合進(jìn)入到一個(gè)新的階段。半導(dǎo)體物理的發(fā)展促成光電效應(yīng)的應(yīng)用，從光電池、光電探測器，發(fā)展到發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器，于是形成了以光電元件及其應(yīng)用為主要內(nèi)容的狹義的光電子學(xué)。光電子學(xué)是研究作為信息載體和能量載體的光子的產(chǎn)生控制探測及其應(yīng)用的技術(shù)科學(xué)，是近代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的帶頭科學(xué)之一。 光電子學(xué)涉及學(xué)科面寬，技術(shù)密集程度高，它的發(fā)展水平代表著一個(gè)國家

23、科學(xué)技術(shù)發(fā)展的水平和綜合實(shí)力。36光子學(xué)從更廣義的角度來說，光電子學(xué)屬于光子學(xué)的范疇。光學(xué)和電子學(xué)兩個(gè)學(xué)科的相互交融，促成了光子學(xué)的建立。光子學(xué)在形成過程中出現(xiàn)了若干新的學(xué)科名稱：量子電子學(xué)、光電子學(xué)、光波技術(shù)等。這些學(xué)科名稱、本質(zhì)和內(nèi)涵是相容的，因此，人們擬用覆蓋學(xué)科范圍更為廣泛的光子學(xué)加以概括，如同電子學(xué)是發(fā)展到現(xiàn)階段的電學(xué)那樣。37電子學(xué)與光子學(xué)的發(fā)展過程電子學(xué)的發(fā)展過程：從真空管器件的真空電子學(xué) 以晶體管為基礎(chǔ)的固體電子學(xué) 以集成電路為標(biāo)志的微電子學(xué)。光子學(xué)也將有類似的發(fā)展過程：多元化的各種類型的激光器、光電探測器，其中半導(dǎo)體激光器相當(dāng)于電子學(xué)中的晶體管，并將向以微光子器件及光子集成器

24、件為標(biāo)志的微光子學(xué)的方向發(fā)展。將現(xiàn)階段的光學(xué)稱為光子學(xué)還有一個(gè)重要含義:標(biāo)志著它在發(fā)展和應(yīng)用前景上與電子學(xué)占有同樣重要的地位。 38光子與電子的主要差別特征特征電子電子光子光子靜止質(zhì)量靜止質(zhì)量M M0 00 0運(yùn)動質(zhì)量運(yùn)動質(zhì)量m me ehv/chv/c2 2傳播特性傳播特性不能在自由空間傳播不能在自由空間傳播能在自由空間傳播能在自由空間傳播傳播速度傳播速度漂移速度很?。ㄆ扑俣群苄。?010-4-4）等于光速等于光速粒子特性粒子特性費(fèi)米子：費(fèi)米子：符合泡利不相容原理：即在一符合泡利不相容原理：即在一個(gè)費(fèi)米子系統(tǒng)中，絕不可能存?zhèn)€費(fèi)米子系統(tǒng)中，絕不可能存在兩個(gè)或兩個(gè)以上在電荷、動在兩個(gè)或兩個(gè)以上

25、在電荷、動量和自旋朝向等方面完全相同量和自旋朝向等方面完全相同的費(fèi)米子的費(fèi)米子玻色子：玻色子：服從玻色服從玻色- -愛因斯坦愛因斯坦統(tǒng)計(jì)；統(tǒng)計(jì)；不符合泡利不相容原不符合泡利不相容原理，一個(gè)量子態(tài)可以理，一個(gè)量子態(tài)可以容納無窮多個(gè)玻色子容納無窮多個(gè)玻色子 39光子的優(yōu)異特性光子具有極高的信息容量和效率一般可見光頻率約為51014 ，而處于微波波段的電波頻率僅為1010 Hz，則前者可承載信息容量至少比后者高34個(gè)數(shù)量級。光子具有極快的響應(yīng)能力。電子脈沖脈寬最窄限度在納秒量級，電通信中信息傳輸速率被限定在Gb/s量級光子脈沖可輕易實(shí)現(xiàn)皮秒量級脈寬，目前已實(shí)現(xiàn)飛秒量級，因此光信息傳輸速率可達(dá)幾十、幾

26、百個(gè)Gb/s，甚至更高。40最新成果2008年，英國牛津大學(xué)的Peter Mosley最近創(chuàng)造出了世界上最短的單光子脈沖，其持續(xù)時(shí)間為65飛秒，這大約只有此前能夠得到的任何單個(gè)光子時(shí)間的1/50。研究人員還能夠使光源發(fā)出的每個(gè)光子都與前一個(gè)相同。這一高度一致性對于構(gòu)建光量子邏輯門，最終實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算具有重要意義。41光子的優(yōu)異特性光子具有極強(qiáng)的互連能力與并行能力。電子由于有電荷，彼此無法交連光子無電荷，彼此之間不存在排斥力和吸引力，具有良好的空間相容性。光子具有極大的存儲能力。不同于電子存儲，光子除能進(jìn)行一維、二維存儲外，也能完成三維存儲。一個(gè)存儲器的容量極限是由單位信息量所需最小存儲介質(zhì)體積決

27、定的，對于光來說，為其波長量級，則三維存儲的容量為(1/)3 量級。三維存儲的另一個(gè)顯著特點(diǎn)是并行存取，因此速度很快。4220世紀(jì)是微電子的世紀(jì)，21世紀(jì)將是光子的世紀(jì)。內(nèi)容提要一一光電子學(xué)光電子學(xué)-學(xué)科角度學(xué)科角度二二光電子學(xué)光電子學(xué)光與電打交道的三個(gè)回合光與電打交道的三個(gè)回合光電子學(xué)與光子學(xué)光電子學(xué)與光子學(xué)三三光電子技術(shù)光電子技術(shù)光電子技術(shù)的應(yīng)用光電子技術(shù)的應(yīng)用光電子器件光電子器件四四光電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展光電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展光電子技術(shù)光電子技術(shù)是信息技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù), 隨著半導(dǎo)體光電子器件和光纖兩大基礎(chǔ)元件在原理和制造工藝上的突破，光子技術(shù)與電子技術(shù)開始結(jié)合并形成了具有強(qiáng)大生命力的信息光電子技術(shù)和產(chǎn)

28、業(yè)。光電子器件及其集成技術(shù)廣泛應(yīng)用于全光通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、光傳感、國防設(shè)備等領(lǐng)域中。本門課程主要從光子信息控制器件、光子源器件、典型的光無源器件、光傳感技術(shù)等方面研究光電子器件理論與相關(guān)技術(shù)。 44光電子技術(shù)的應(yīng)用光電子技術(shù)的應(yīng)用光纖通信光纖通信光纖通信容許頻帶寬，傳輸容量大，目前實(shí)驗(yàn)室可實(shí)現(xiàn)最大通信容量已達(dá)到25.6Tera bit/s, 相當(dāng)于同時(shí)傳輸4億路電話！損耗小， 中繼距離長且誤碼率低抗電磁干擾性能好；泄漏小， 保密性能好節(jié)約金屬材料， 有利于資源合理使用45典型的光纖傳輸系統(tǒng)組成框圖信息源電發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光接收機(jī)電接收機(jī)信息宿基本光纖傳輸系統(tǒng)光纖線路接 收發(fā) 射電信號輸入光信號輸出光

29、信號輸入電信號輸出光電子技術(shù)的應(yīng)用光電子技術(shù)的應(yīng)用光存儲光存儲光盤存儲：存儲密度高，易于復(fù)制數(shù)據(jù)寫入和讀?。汗獗P是利用刻錄槽的凹凸?fàn)顟B(tài)來記錄二進(jìn)制信息的，凹狀表示“1”，凸（非凹）狀表示“0”，通過激光來讀取。通過編碼后的二進(jìn)制數(shù)據(jù)調(diào)制聚焦激光束來完成二進(jìn)制信息的寫入。大量復(fù)制CD光盤是利用刻錄的母盤經(jīng)機(jī)械壓膜而完成的。46光電子技術(shù)的應(yīng)用光電子技術(shù)的應(yīng)用光顯示液晶器件(LCD)、等離子體顯示板(PDP)、發(fā)光二極管（LED）等具有高信息容量、高分辨率、高響應(yīng)速度等特點(diǎn)光處理激光打印、復(fù)印機(jī)、傳真、條碼掃描器光計(jì)算機(jī)利用光子作為信息載體，具有高速、高效、高并行能力的優(yōu)點(diǎn)光傳感用光纖或光束作為敏

30、感元件來感知，測量和獲取各種信息光纖陀螺：高靈敏度，抗干擾，抗輻射4748光電子技術(shù)的典型應(yīng)用領(lǐng)域光電子技術(shù)的典型應(yīng)用領(lǐng)域光電子器件光電子器件光源器件相干光源：激光器非相干光源：LED照明光源、顯示光源光傳輸器件光學(xué)元件：棱鏡、透鏡光波導(dǎo)光纖49光電子器件光電子器件光控制器件能夠?qū)獾恼穹?、?qiáng)度、相位、頻率、偏振、傳播方向及狀態(tài)等進(jìn)行控制，并將各種信號加載在光載波上，完成對信息的載入傳輸、存儲以及各種加工處理。光調(diào)制器光偏轉(zhuǎn)器光開關(guān)光雙穩(wěn)器件光存儲器件光盤、光驅(qū)50光電子器件光電子器件光探測器件光探測器件光探測器件：利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)來接受探測光信號的器件光電導(dǎo)型根據(jù)光電導(dǎo)效應(yīng)制成，即半導(dǎo)體材料吸收光子，使材料中產(chǎn)生附加的自由電子空穴對，從而使材料的導(dǎo)電率增大，且隨著光強(qiáng)的增加，導(dǎo)電性能增強(qiáng)的現(xiàn)象。典型器件：光敏電阻特點(diǎn)：均位型；無極性，工作時(shí)必須外加偏壓；響應(yīng)速度慢、頻率響應(yīng)性能差光伏型利用半導(dǎo)體PN結(jié)中的光生伏特效應(yīng)制成，即當(dāng)光照射PN結(jié)時(shí)，會使其兩端產(chǎn)生電勢差。典型器件：PIN光電二極管；雪崩型光電二極管；硅光電二極管；硅光電池特點(diǎn)：結(jié)型；