光電子緒論技術(shù)基礎(chǔ)

1、光電子技術(shù)基礎(chǔ)黃 健上海大學(xué) 材料學(xué)院 電子信息材料系課程內(nèi)容安排緒論光電子技術(shù)物理基礎(chǔ)光電探測技術(shù)發(fā)光二極管（LED）原理及設(shè)計半導(dǎo)體激光器（LD）原理與設(shè)計（部分自學(xué)）光電子材料概論（部分自學(xué)）光信息存儲技術(shù)和光纖傳感（自學(xué)）參考教材首選教材：光電子技術(shù)基礎(chǔ)，王林軍，上海大學(xué)自編，2009.4半導(dǎo)體光電子技術(shù)，余金中，化學(xué)工業(yè)出版社，2003.4光電子技術(shù)基礎(chǔ)教程，郭培源，北京航天航空大學(xué)出版社，2005.9光電子技術(shù)入門，倪星元，化學(xué)工業(yè)出版社，2008.8光電子技術(shù)，張永林，高等教育出版社，2005.5本課程成績評定平時成績：30分 1、出勤、作業(yè)等，共20分：缺勤一次扣3分，缺勤超過

2、3次，總平時成績?yōu)?。遲到2次缺席1次 2、自學(xué)成績，10分：測驗。期終成績：試卷考試（開卷）共70分。目 錄光電子學(xué)和光電子器件從電子學(xué)到光（電）子學(xué)的發(fā)展光電子產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀和前景緒 論電子學(xué)理論和電子技術(shù)包括真空電子器件、氣體電子器件、固體電子器件以及有關(guān)它們應(yīng)用的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域 偏重于經(jīng)典光學(xué)（光的折射、干涉、衍射、反射、偏振等）和相關(guān)的應(yīng)用 電子學(xué)光學(xué)光電子學(xué)把光學(xué)和電子學(xué)結(jié)合起來產(chǎn)生了以往技術(shù)不能實現(xiàn)的新器件和新應(yīng)用。如激光器、光電探測器等 因此將電子學(xué)和光學(xué)共同領(lǐng)域中通用的器件以及應(yīng)用有關(guān)的科學(xué)技術(shù)廣義地稱為光電子學(xué) 共同的理論基礎(chǔ)：電磁波理論、波粒二象性一、 光電子產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀和前景信

3、息時代的特征信息量大爆炸信息傳遞非?？旖菪畔⑻幚硎盅杆倭炕瘶?biāo)志為3T光盤存儲密度：1T bits/in2光通信速率： 1T bits/s計算機速度： 1T bits/s光電子學(xué)一、 光電子產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀和前景科學(xué)界曾經(jīng)預(yù)言：光電子行業(yè)會在十年內(nèi)形成五萬億美元的產(chǎn)值，成為二十一世紀(jì)全球最大的產(chǎn)業(yè)。光電子技術(shù)與微電子技術(shù)結(jié)合，相互交叉、相互滲透與補充已經(jīng)成為信息科學(xué)技術(shù)的主體之一，光電子產(chǎn)業(yè)已成為世界上發(fā)達(dá)國家的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。一、 光電子產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀和前景美國：政府已將光子學(xué)與光子技術(shù)列為國家發(fā)展的重點，認(rèn)為該領(lǐng)域“在國家安全與經(jīng)濟(jì)競爭方面有深遠(yuǎn)的意義和潛力”，并肯定“通信和計算機研究與發(fā)展的未來世界屬于

4、光子學(xué)領(lǐng)域”。美國商務(wù)部指出：“20世紀(jì)90年代，全世界光電子產(chǎn)業(yè)以比微電子產(chǎn)業(yè)高得多的速度發(fā)展，誰在光電子產(chǎn)業(yè)取得主動權(quán)，誰就將在21世紀(jì)尖端科技的較量中奪魁?！币?、 光電子產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀和前景德國：政府已確定光子學(xué)是本世紀(jì)初“對保持德國在國際技術(shù)市場上的先進(jìn)地位至關(guān)重要的關(guān)鍵技術(shù)之一?！比毡荆河性u論認(rèn)為“21世紀(jì)具有代表意義的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，第一是光電子產(chǎn)業(yè)，第二是信息通信產(chǎn)業(yè)?！币弧?光電子產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀和前景中國：政府十分重視光電子技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，已將它列入國民經(jīng)濟(jì)優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域，把光電子產(chǎn)業(yè)列為國家重點發(fā)展計劃：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃“863計劃”和國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃“973計劃”，這兩個

5、高科技計劃的重點是光電子產(chǎn)業(yè)。目前中國的光電子產(chǎn)業(yè)高速增長，已經(jīng)成為拉動整個國民經(jīng)濟(jì)增長的支柱產(chǎn)業(yè)。一、 光電子產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀和前景上海：把光電子產(chǎn)業(yè)作為重點培育和發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)之一。該工業(yè)區(qū)是繼張江工業(yè)區(qū)后國內(nèi)第二個認(rèn)定的國家級留學(xué)人員創(chuàng)業(yè)園區(qū)。其產(chǎn)業(yè)定位于重點發(fā)展光電子科學(xué)和光機電一體化技術(shù)及其產(chǎn)品，力爭形成在國內(nèi)乃至國際上都具有一定影響力的“光谷”。一個規(guī)劃面積4.8平方公里的上海光電子科技產(chǎn)業(yè)園已在嘉定初具規(guī)模，該園區(qū)建成后將與浦東張江、漕河涇形成三足鼎立之勢。一、 光電子產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀和前景1、OLED平板顯示材料與器件張志林教授、蔣雪茵教授、朱文清副教授材料學(xué)院在光電子領(lǐng)域的工作有機電致發(fā)

6、光器件(OLED)是一種新型的平板顯示器件，其特點是自發(fā)光，無需背光，功耗低, 高對比度，高亮度，視角寬，超薄，響應(yīng)速度快。Electron Energy一、 光電子產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀和前景平板顯示是顯示產(chǎn)業(yè)升級換代所向三星40英寸液晶TV 2.2”O(jiān)LED屏的手機CRTLCD/PDPOLED70年至今90年至今06年以后一、 光電子產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀和前景研究熱點：柔性O(shè)LED顯示美國通用顯示器公司（Universal Display）受美國陸軍委托研制可佩戴的柔性O(shè)LED顯示器美國亞利桑那州立大學(xué)柔性顯示器研究中心，研制出一款顯示器雛形，幾乎完全用塑料材質(zhì)， 能耗遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的電腦顯示器一、 光電子產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)

7、狀和前景上海大學(xué)OLED研究中心；中國航天科工集團(tuán)和上海大學(xué)聯(lián)合組建 “上海航天上大歐德（OLED）科技公司” 。該企業(yè)在大陸最先投入未來新型顯示器的領(lǐng)域，提供比液晶顯示器性能更優(yōu)越的OLED產(chǎn)品。結(jié)合國家優(yōu)先發(fā)展“高清晰度大屏幕平板顯示技術(shù)”和上海市優(yōu)先發(fā)展“平板顯示”先進(jìn)制造業(yè)的戰(zhàn)略部署，建有“新型顯示技術(shù)及應(yīng)用集成”教育部重點實驗室”，力爭發(fā)展成為我國信息顯示產(chǎn)業(yè)發(fā)展、人才培養(yǎng)、國際交流的重要基地。上海廣電上海大學(xué)平板顯示研究中心。1、OLED平板顯示材料與器件一、 光電子產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀和前景自1990年開始研究有機電致發(fā)光材料與器件，是中國最早從事該項研究的單位。先后獲得國家自然科學(xué)基金1

8、0項（重大1項、重點2項），863重大專項2項，以及上海市項目10余項。一、 光電子產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀和前景1、OLED平板顯示材料與器件2、光探測材料與成像器件夏義本教授、王林軍教授、徐閏副教授、黃健副教授、唐可講師 金剛石薄膜材料與器件材料學(xué)院在光電子領(lǐng)域的工作一、 光電子產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀和前景鉆石恒永遠(yuǎn),一顆永流傳 金剛石X射線探測器結(jié)構(gòu)10m金剛石光敏MESFET器件結(jié)構(gòu)一、 光電子產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀和前景2、光探測材料與成像器件金剛石中子探測器陣列 II-VI族半導(dǎo)體（CdZnTe、ZnO等）體材料、薄膜材料與器件王林軍教授、閔嘉華副教授、張繼軍副教授、黃健副教授、趙岳副教授、梁小燕講師CdZnTe晶體成

9、功研發(fā)了具有國際先進(jìn)水平的基于碲鋅鎘（CdZnTe）晶體的核輻射探測器；與美國華瑞科學(xué)儀器公司合作開發(fā)了高靈敏度CZT傳感器的射線核素識別譜儀、平面型單元CZT傳感器和像素的CZT傳感器；與通用電器中國研發(fā)中心達(dá)成合作應(yīng)用協(xié)議。 CdZnTe核探測器芯片一、 光電子產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀和前景2、光探測材料與成像器件 碘化汞（HgI2）晶體材料與器件史偉民教授一、 光電子產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀和前景2、光探測材料與成像器件 光伏材料與器件 史偉民、王林軍教授，沈悅、曹萌、楊偉光、黃健副教授，秦娟、金晶講師太陽能光伏發(fā)電是一種完全零排放的清潔能源。目前研究的太陽能材料及器件包括：Si、銅銦鎵硒系列、碲化鎘、染料敏化等材

10、料及電池。2006年我們與英福特（上海）科技能源有限公司 在廣泛、深入洽談的基礎(chǔ)上取得共識，共同建立上海大學(xué)索朗光伏材料與器件聯(lián)合實驗室。以此為契機，開展長期的產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，在半導(dǎo)體光伏理論、光伏材料、太陽能電池與組件技術(shù)等領(lǐng)域，進(jìn)行合作研究，形成研究、開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化緊密銜接的良性機制。 一、 光電子產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀和前景2、光探測材料與成像器件適應(yīng)光電子學(xué)發(fā)展的趨勢，加速我國光電子產(chǎn)業(yè)的建設(shè)，需要有一大批光電子學(xué)專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)的人才，為之辛勤耕耘和奮斗。由于光通信和信息處理產(chǎn)業(yè)的驚人發(fā)展，社會必將提供更多的就業(yè)機會?！肮怆娮蛹夹g(shù)基礎(chǔ)”課程開設(shè)目的一、 光電子產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀和前景二、從電子學(xué)到光（電）子學(xué)的發(fā)

11、展 1. 電子學(xué)及其發(fā)展歷史電子學(xué)定義：以電子作為信息或能量載體的一門科學(xué)。（1）古代中國人與希臘人早就認(rèn)識到不同的兩種物體摩擦之后會產(chǎn)生互相吸引的現(xiàn)象，并稱為靜電。 有史以來，最早認(rèn)識電的人是希臘學(xué)者M(jìn)iletus（公元前六世紀(jì)），觀察用布摩擦琥珀后，會吸引如羽毛等輕小的東西。但對靜電有系統(tǒng)及科學(xué)的研究則是是始于17世紀(jì)。二、從電子學(xué)到光（電）子學(xué)的發(fā)展 1. 電子學(xué)及其發(fā)展歷史17世紀(jì)，電學(xué)有較大的進(jìn)步。首先是發(fā)明了起電機來產(chǎn)生靜電，并用萊頓瓶（即電容器）來收集電荷。這時電學(xué)僅限于靜電學(xué)的研究。荷蘭萊頓大學(xué)的物理學(xué)教授馬森布羅克(Pieter von Musschen)（2）18世紀(jì)，意大

12、利人伽伐尼研究了不同金屬連接起來的導(dǎo)體使蛙腿產(chǎn)生電擊的現(xiàn)象，此后導(dǎo)致了伏打電池發(fā)明，這種電池可以通過導(dǎo)線形成電流的傳導(dǎo)。有了可傳導(dǎo)的電流之后，電磁學(xué)得到巨大的發(fā)展。意大利科學(xué)家伽伐尼（Luigi Galvani)意大利物理學(xué)家亞歷山德羅.伏打(Alessandro Volta) 二、從電子學(xué)到光（電）子學(xué)的發(fā)展 1. 電子學(xué)及其發(fā)展歷史18世紀(jì)是電磁學(xué)大發(fā)展的世紀(jì)，如：奧斯特、安培：研究了電流的磁現(xiàn)象。歐姆：研究了電勢、電流及電阻之間的互相關(guān)系。法拉第：電磁感應(yīng)的現(xiàn)象。二、從電子學(xué)到光（電）子學(xué)的發(fā)展 1. 電子學(xué)及其發(fā)展歷史（3）19世紀(jì)，麥克斯韋從理論上研究了電磁現(xiàn)象并與光的現(xiàn)象統(tǒng)一起來，

13、認(rèn)為光只是波長更短的電磁波。18世紀(jì)、19世紀(jì)電學(xué)的進(jìn)步為20世紀(jì)電子學(xué)的發(fā)展準(zhǔn)備了條件，電子信息技術(shù)也逐步發(fā)展了起來。1825年：利用電池作電源，用電鍵來產(chǎn)生信號，用導(dǎo)線以來傳導(dǎo)信息，以電磁鎳來接收信號而發(fā)明了早期的莫爾斯電報。英國物理學(xué)家麥克斯韋（James Clerk Maxwell）二、從電子學(xué)到光（電）子學(xué)的發(fā)展 1. 電子學(xué)及其發(fā)展歷史1858年：第一條跨越大西洋的海底電纜鋪設(shè)成功，并開始了發(fā)送越洋電報的服務(wù)。1876年：美國貝爾（Bell）發(fā)明電話。1900年：馬可尼等人利用電火花方法產(chǎn)生電磁波，用金屬粉末，稍后用礦石晶體來檢波發(fā)明了無線電。二、從電子學(xué)到光（電）子學(xué)的發(fā)展 1.

14、 電子學(xué)及其發(fā)展歷史（4）電子學(xué)真正的形成則應(yīng)歸功于人類對真空中電子運動規(guī)律的徹底認(rèn)識。20世紀(jì)初期相繼發(fā)明了電子真空二極管（1904年）、真空三極管， 20-30年代出現(xiàn)無線電廣播電臺，無線電電子學(xué)才真正成為一門系統(tǒng)的科學(xué)。二、從電子學(xué)到光（電）子學(xué)的發(fā)展 1. 電子學(xué)及其發(fā)展歷史20世紀(jì)四十年代中期，人類對固體特別是半導(dǎo)體中電子運動的規(guī)律有了徹底的認(rèn)識。發(fā)明了半導(dǎo)體二極管、三極管以及集成電路；由于第二次世界大戰(zhàn)，人類發(fā)明了雷達(dá)、計算機等。電子技術(shù)深入到人類生活的方方面面，使人類從“工業(yè)化社會”開始進(jìn)入“信息化社會”。二、從電子學(xué)到光（電）子學(xué)的發(fā)展 1. 電子學(xué)及其發(fā)展歷史隨著“信息化社會

15、”的到來，人們對電子信息技術(shù)的需求也越來越高。比如：電話：希望滿足通信要服務(wù)到人而不是服務(wù)到家、到單位的需要。出現(xiàn)無線移動蜂窩電話。由于internet網(wǎng)的發(fā)展，利用計算機的多媒體服務(wù)開始進(jìn)入尋常百姓家，加上有線電視等等，對一個家庭或個人，信息量不是一門電話（64Kbits/s）所能滿足的，可以說人類對信息量的要求如爆炸般地增長。二、從電子學(xué)到光（電）子學(xué)的發(fā)展 1. 電子學(xué)及其發(fā)展歷史2. 電與光的碰撞電學(xué)（或電子學(xué)）和光學(xué)（或光子學(xué)）在表面看來是兩個獨立的學(xué)科。在深入研究的過程中，人們發(fā)現(xiàn)兩者有著非常密切的內(nèi)在聯(lián)系。麥克斯韋提出的光的電磁波理論；愛因斯坦將量子論用于解釋光電效應(yīng)，并提出了光

16、子的概念；激光器的發(fā)明三個回合：二、從電子學(xué)到光（電）子學(xué)的發(fā)展 電與光的碰撞第1個回合第一個回合：麥克斯韋提出的光的電磁波理論（19世紀(jì)60年代），明確指出無線電波和光波都是電磁波。 二、從電子學(xué)到光（電）子學(xué)的發(fā)展 電子學(xué)的發(fā)展:人們不斷開拓電磁波譜并加以應(yīng)用的歷史第2個回合：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（1905年）。德國物理學(xué)家赫茲于1887年發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)：在光的照射下，物體中的電子會脫出的現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)(Photoelectric effect)。 電與光的碰撞第2個回合二、從電子學(xué)到光（電）子學(xué)的發(fā)展 與經(jīng)典的光的波動性理論的矛盾：發(fā)射電子的能量取決于光的

17、波長而與光強度無關(guān)僅當(dāng)照射物體的光頻率不小于某個確定值時，物體才能發(fā)出光電子電與光的碰撞第2個回合二、從電子學(xué)到光（電）子學(xué)的發(fā)展 愛因斯坦明確提出當(dāng)光作用于物質(zhì)時，光是以“光子”（光的能量會集成一個個的“能包”）作為最小單位進(jìn)行的,光子的能量h 。Einstein方程描述了光電發(fā)射效應(yīng)的物理過程和產(chǎn)生條件：電子離開發(fā)射體表面時的動能。E：光電發(fā)射體的功函數(shù)二、從電子學(xué)到光（電）子學(xué)的發(fā)展 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)容的光電子學(xué)。光電探測器和半導(dǎo)體激光器：分別是光子-電子轉(zhuǎn)換器和電子-光子轉(zhuǎn)換器

18、，是光電相互依存和相互轉(zhuǎn)化的典型例子。 二、從電子學(xué)到光（電）子學(xué)的發(fā)展 電與光的碰撞第2個回合激光的發(fā)明（1960.7.8，美國科學(xué)家梅曼（Maiman）發(fā)明了第一個紅寶石激光器），是光學(xué)上的一項重大革命，也是20世紀(jì)最主要的重大科學(xué)發(fā)明之一。 激光的理論基礎(chǔ)是：1917年愛因斯坦在輻射理論中提出受激發(fā)射的概念。電與光的碰撞第3個回合二、從電子學(xué)到光（電）子學(xué)的發(fā)展 Maiman提供了光頻波段的相干電磁波振蕩源。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)以至計算機等。激光的發(fā)明、低損耗光纖的研制成功、半導(dǎo)體光

19、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。 激光器發(fā)明的意義電與光的碰撞第3個回合二、從電子學(xué)到光（電）子學(xué)的發(fā)展 3.電子學(xué)的“瓶頸”現(xiàn)象電子是荷電粒子，在基本粒子中屬“輕子”一類，靜止質(zhì)量m：9.1110-31kg。電子的馳豫時間（開關(guān)時間）：極限大約在10-10s量級。交換時間、最高工作頻率（100GHz）受到限制。展望21世紀(jì)，人類將生活在高度信息化的社會中，必須尋找一種新的信息載體來突破電子學(xué)的“瓶頸”效應(yīng)。各種基本粒子中，什么粒子可作為信息載體？二、從電子學(xué)到光（電）子學(xué)的發(fā)展 “輕子”：只有“光子”和“中微子”光子不是帶電粒子光傳

20、播的速度就是光速。無靜止質(zhì)量，馳豫時間可達(dá)10-15秒，遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于電子；光子的工作頻率更高（光頻在1014Hz量級）；光子容易產(chǎn)生，通過光電效應(yīng)等容易接收、檢測。顯然光子作為新的信息載體是十分適當(dāng)?shù)?。質(zhì)子與中子：質(zhì)量比電子大1840倍，其馳豫頻率比電子小幾個數(shù)量級，且這種粒子不易產(chǎn)生，也不易接收、檢測，顯然它們是不適合的。二、從電子學(xué)到光（電）子學(xué)的發(fā)展 3.電子學(xué)的“瓶頸”現(xiàn)象激光與普通光相比：譜線很窄，方向性極好，亮度極高，是一種頻率和相位都一致的相干光，其特性與無線電波相似，是一種理想的光載波。4. 光子（光電子）學(xué)的發(fā)展進(jìn)程1960年7月8日，美國科學(xué)家梅曼（Maiman）發(fā)明第一個紅寶

21、石激光器。二、從電子學(xué)到光（電）子學(xué)的發(fā)展 光波頻率比微波（1010Hz）和毫米波（1011Hz）高幾個數(shù)量級。激光的出現(xiàn)，相當(dāng)于從毫米波向更高頻率的發(fā)展，可以極大地增加通信容量，從而引起了通信研究工作者的極大興趣，使激光很快在通信領(lǐng)域里得到了應(yīng)用。紅寶石激光器發(fā)明后不久，各種不同材料的激光器相繼出現(xiàn)：He-Ne激光器、CO2激光器等。緊接著，美國麻省理工學(xué)院利用He-Ne激光器和CO2激光器，模擬無線電通信進(jìn)行了激光大氣傳輸試驗。激光可以像無線電波一樣用于通信技術(shù)：4. 光（電）子學(xué)的發(fā)展進(jìn)程二、從電子學(xué)到光（電）子學(xué)的發(fā)展 激光大氣傳輸試驗具有“靠天吃飯”通信方式的致命弱點反復(fù)試驗的結(jié)果表

22、明：晴朗天氣，通信穩(wěn)定可靠，距離較長，但在不良天氣，通信極不穩(wěn)定甚至中斷，不能做到“全天候”通信，這點是一個好的通信系統(tǒng)不能允許的。 大氣光波通信不穩(wěn)定的主要原因：光波在大氣中傳輸受到大氣層中變化無常的氣候條件所影響，光波能量損失嚴(yán)重。如：雨、霧、雪、大氣灰塵和自然輻射對光波能量的吸收和散射，天空中的鳥類和各種飛行物，使光波在傳輸過程中能量迅速衰減，嚴(yán)重影響通信的穩(wěn)定性和可靠性。4.光（電）子學(xué)的發(fā)展進(jìn)程二、從電子學(xué)到光（電）子學(xué)的發(fā)展 光波通信轉(zhuǎn)人地下： 為了使光波不受大氣層中各種因素的干擾，人們將光波的傳輸轉(zhuǎn)入了地下，進(jìn)行了光波地下傳輸?shù)母鞣N試驗。開發(fā)了透鏡波導(dǎo)和反射鏡波導(dǎo)的光波傳輸系統(tǒng)。

23、光波大氣通信： 不是人們?yōu)榱俗非箝L距離大容量的一種理想的通信方式。然而，光波通信的許多優(yōu)越性驅(qū)使人們?nèi)ミM(jìn)一步探索新的傳輸介質(zhì)。4.光（電）子學(xué)的發(fā)展進(jìn)程二、從電子學(xué)到光（電）子學(xué)的發(fā)展 透鏡波導(dǎo)透鏡波導(dǎo)是在金屬或水泥管道內(nèi)，每隔定距離安裝一個玻璃透鏡，通過透鏡的作用將光波限制在管道內(nèi)傳輸以達(dá)到光波通信的目的。光波通信轉(zhuǎn)人地下反射鏡波導(dǎo)反射鏡波導(dǎo)的原理與透鏡波導(dǎo)相似，不同之處是一個用會聚透鏡，一個用反射鏡。上述傳輸方式完全可以消除大氣對光波傳輸?shù)母鞣N干擾。4.光（電）子學(xué)的發(fā)展進(jìn)程二、從電子學(xué)到光（電）子學(xué)的發(fā)展 理論上：兩種波導(dǎo)都可行。實現(xiàn)應(yīng)用時：遇到許多不可克服的困難?，F(xiàn)場施工十分復(fù)雜，對每

24、個透鏡或反射鏡要進(jìn)行嚴(yán)格的校準(zhǔn)和牢固的安裝；為了防止地面對波導(dǎo)的影響，除了采取必要的措施以外，還要盡可能將波導(dǎo)深埋或選擇人、車稀少的地區(qū)；在波導(dǎo)路由轉(zhuǎn)彎時，需要增加透鏡或反射鏡。彎度越大，增加的透鏡或反射鏡數(shù)也越多，光能的損耗也就越大自然使系統(tǒng)造價昂貴，并且調(diào)整、測試、維修都很困難。由此可見，這種地下的透鏡波導(dǎo)和反射鏡波導(dǎo)是無實用意義的。4.光（電）子學(xué)的發(fā)展進(jìn)程二、從電子學(xué)到光（電）子學(xué)的發(fā)展 在“天空”和“地下”都不能理想地傳輸光波的情況下，有人對光波通信產(chǎn)生了悲觀情緒，甚至有人主張放棄光波通信的研究。1965年左右，光波通信的研究轉(zhuǎn)入低潮成了不為人們所重視的“冷門”。1965年，光波通信

25、的研究轉(zhuǎn)入低潮4.光（電）子學(xué)的發(fā)展進(jìn)程二、從電子學(xué)到光（電）子學(xué)的發(fā)展 高錕（K. C. Kao）博士：英籍華人，1933年生，上海。1966年，高錕首次利用無線電波導(dǎo)通信的原理，提出了低損耗的光導(dǎo)纖維（簡稱光纖）的概念。認(rèn)為：電可以沿著導(dǎo)電的金屬導(dǎo)線遠(yuǎn)距離傳輸，光也應(yīng)能沿著可以導(dǎo)光的玻璃纖維傳輸。在當(dāng)時最好的玻璃，其損耗還處于每公里為1000dB左右的情況下，他預(yù)見到，只要設(shè)法消除玻璃中的各種雜質(zhì)，可使光的吸收減到非常小，生產(chǎn)出一種有實用意義的低損耗光纖是完全可能的。1966年，高錕首次提出低損耗光導(dǎo)纖維（簡稱光纖）概念4.光（電）子學(xué)的發(fā)展進(jìn)程二、從電子學(xué)到光（電）子學(xué)的發(fā)展 2009年

26、10月6日瑞典皇家科學(xué)院宣布，將2009年諾貝爾物理學(xué)獎授予英國華裔科學(xué)家高錕以及美國科學(xué)家威拉德博伊爾和喬治史密斯。瑞典皇家科學(xué)院說，高錕在“有關(guān)光在纖維中的傳輸以用于光學(xué)通信方面”取得了突破性成就，他將獲得物理學(xué)獎一半的獎金，共500萬瑞典克朗（約合70萬美元）；博伊爾和史密斯發(fā)明了半導(dǎo)體成像器件電荷耦合器件（CCD）圖像傳感器，將分享物理學(xué)獎另一半獎金。 4.光（電）子學(xué)的發(fā)展進(jìn)程二、從電子學(xué)到光（電）子學(xué)的發(fā)展 在高輥所提出的理論的指導(dǎo)下，美國康寧公司馬勒博士等三人的研究小組，經(jīng)過大量的研究和試驗，終于在1970年8月首次研制成功損耗為20dBkm（光波沿光纖傳輸1km后，光能損耗為原

27、來的1）的石英光纖。這種光纖直徑很小，只有人的頭發(fā)絲那么細(xì)，并且柔軟可撓。它的出現(xiàn)，既克服了地下透鏡波導(dǎo)或反射鏡波導(dǎo)存在的問題，又能防止大氣對光波的干擾，是一種理想的傳輸介質(zhì)。1970年，美國康寧公司研制成功損耗為20dB/km的石英光纖4.光（電）子學(xué)的發(fā)展進(jìn)程二、從電子學(xué)到光（電）子學(xué)的發(fā)展 1974年，貝爾實驗室發(fā)明了制造低損耗光纖的方法，稱作改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法（MCVD）。光纖損耗下降到1dBkm。1976年，日本電話電報公司研制出更低損耗光纖，損耗下降到0.5dB/km。1979年，日本電報電話公司研制出0.2dB/km的極低損耗石英光纖（1.55m）。4.光（電）子學(xué)的發(fā)展進(jìn)程二

28、、從電子學(xué)到光（電）子學(xué)的發(fā)展 纖芯 ：折射率較高，用來傳送光；包層 ：折射率較低，與纖芯一起形成全反射條件；涂覆層：加強光纖的機械強度 保護(hù)套 ：強度大，能承受較大沖擊，保護(hù)光纖。光纖的結(jié)構(gòu)4.光（電）子學(xué)的發(fā)展進(jìn)程二、從電子學(xué)到光（電）子學(xué)的發(fā)展 光纖通信的基本原理n1n2n1 n2n1n2臨界角900臨界角n1n2全反射入射角=反射角12臨界角arcsin ( n2 / n1 )4.光（電）子學(xué)的發(fā)展進(jìn)程二、從電子學(xué)到光（電）子學(xué)的發(fā)展 n0n2n1 n1 n2 入射角臨界角n1n24.光（電）子學(xué)的發(fā)展進(jìn)程二、從電子學(xué)到光（電）子學(xué)的發(fā)展 就在光纖損耗獲得巨大突破的同一年，美國貝爾實驗

29、室研制成功室溫下連續(xù)振蕩的半導(dǎo)體激光器。與氣體激光器相比，半導(dǎo)體激光器體積小，耗電少，又能直接用電流調(diào)制，使用方便，這就為光纖通信技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了更為有利的條件。1970年，美國貝爾實驗室研制成功室溫下連續(xù)振蕩的半導(dǎo)體激光器（LD）1977年，貝爾實驗室研制成功室溫下外推壽命為l00萬小時的GaAlAs半導(dǎo)體激光器。至此，可以說推進(jìn)光纖通信實用的兩大障礙都得到了滿意的解決。此后，各種光纖通信系統(tǒng)猶如雨后春筍般地發(fā)展起來。4.光（電）子學(xué)的發(fā)展進(jìn)程二、從電子學(xué)到光（電）子學(xué)的發(fā)展 1970年：荷蘭科學(xué)家 L. J. Poldervaart教授首先提出。1979年：錢學(xué)森定義光子學(xué)為“以光子作為信

30、息或能量載體的一門科學(xué)”，并提出我國應(yīng)大力發(fā)展光子技術(shù)和光子產(chǎn)業(yè)。光子學(xué)（Photonics）概念5、光電子學(xué)與光學(xué)、電子學(xué)二、從電子學(xué)到光（電）子學(xué)的發(fā)展 5、光電子學(xué)與光學(xué)、電子學(xué)二、從電子學(xué)到光（電）子學(xué)的發(fā)展 人們認(rèn)為世紀(jì)是“光子學(xué)”世紀(jì)，當(dāng)然電子學(xué)并未發(fā)展到盡頭，還有很大的發(fā)展空間，目前是光子學(xué)與電子學(xué)密切結(jié)合的階段。光電子學(xué)：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，是集光子學(xué)與電子技術(shù)優(yōu)點巧妙結(jié)合在一起的新技術(shù)。5、光電子學(xué)與光學(xué)、電子學(xué)電 子 學(xué)：真空電子器件、氣體電子器件、固體電子器件光 學(xué)：偏重于經(jīng)典光學(xué)，如光的折射

31、、干涉、衍射、反射、偏振等現(xiàn)象及應(yīng)用光電子學(xué)：電子學(xué)和光學(xué)共同領(lǐng)域中通用的器件及其應(yīng)用共同的理論基礎(chǔ)：電磁波理論，波粒二象性二、從電子學(xué)到光（電）子學(xué)的發(fā)展 （1）頻率（或波長）差異 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022頻率 工 甚 高 甚 微 遠(yuǎn) 可 紫 X 宇 業(yè) 低 頻 高 波 紅 見 外 射 宙 用 頻 頻 外 線 射 電 線 無 線 電 波 射線波長 106 104 102 1 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10 10-12 10-145、光電子學(xué)與光學(xué)、電子學(xué)二、從電子學(xué)到光（電）子學(xué)的發(fā)展 電磁波最重

32、要的參數(shù)：波長（或頻率）。光有不同的顏色，實質(zhì)上是波長不同的光在人眼中引起的不同感覺。 0.39m0.76m：人眼能感覺到的光，可見光0.76 m1000 m：紅外輻射，必須借助光電器件才能察覺。近紅外：0.7515 m中紅外：15100 m遠(yuǎn)紅外：1001000 m0.0001m0.39m：“看不見的光”，紫外光真空紫外：0.180.0001 m5、光電子學(xué)與光學(xué)、電子學(xué)二、從電子學(xué)到光（電）子學(xué)的發(fā)展 光電子學(xué)：功能器件利用光的粒子性，與物質(zhì)的相互作用產(chǎn)生的物理現(xiàn)象。如：光電效應(yīng)、物質(zhì)對光的吸收、光的發(fā)射。（2）電磁波頻率越高，粒子性越明顯電子學(xué)：電磁波的波動性光 學(xué)：光波的波動性5、光電

33、子學(xué)與光學(xué)、電子學(xué)二、從電子學(xué)到光（電）子學(xué)的發(fā)展 光波、光子：電介質(zhì)（絕緣體），如光纖（3）波導(dǎo)介質(zhì)電 子：金屬導(dǎo)體5、光電子學(xué)與光學(xué)、電子學(xué)二、從電子學(xué)到光（電）子學(xué)的發(fā)展 （4）單色性、相干性、偏振性和能量密度經(jīng)典光學(xué)中的光：自然光和各種普通光源，如電燈泡，時間和空間的相位雜亂無章，傳播時不能相互干涉而加強，不能用于信息傳遞。光電子學(xué)中的光：如激光，單色性和相干性好，能量密度非常高。電子學(xué)：100多年的發(fā)展，各種器件層出不窮。（5）發(fā)展歷史光電子學(xué)：50多年的發(fā)展歷史，除激光器、光電探測器外，光學(xué)部件還很少，還有相當(dāng)大的發(fā)展?jié)摿?。光電器件：利用光電效?yīng)把光信息（光能）轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦畔ⅲ娔埽?/p>

34、的各種器件。電光器件：電信息（電能）直接轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑畔ⅲü饽埽┢骷９庥性雌骷鉄o源器件需要外加能源驅(qū)動工作的光電子器件不需要外加能源驅(qū)動工作的光電子器件如：半導(dǎo)體光源半導(dǎo)體光探測器如：光纖連接器、衰減器三、光（電）子學(xué)與光電子器件光電子學(xué)傳 輸光電子學(xué)在信息技術(shù)中的典型應(yīng)用處 理獲 取存 儲顯 示信號光發(fā)射機光源中繼器檢測器光接收機信號電E/光O轉(zhuǎn)換光纖光O/電E轉(zhuǎn)換發(fā)送單元傳輸單元接收單元連接器件三、光（電）子學(xué)與光電子器件光 源 器 件CO2（高功率 ）相干光源時間、空間上相位一致的光源固體激光器液體激光器氣體激光器半導(dǎo)體激光器YAG（低功率、軍事）非相干光源有一定的單色性和高速脈沖性發(fā)光

35、二極管（LED）三、光（電）子學(xué)與光電子器件光電導(dǎo)型光伏型光電發(fā)射探測器利用光電導(dǎo)效應(yīng)本征光電導(dǎo)非本征光電導(dǎo)自由載流子光電導(dǎo)利用光生伏特效應(yīng)PN結(jié)光電二極管PIN光電二極管、APD光電二極管光敏三極管、MS光電二極管利用光電發(fā)射效應(yīng)光電管光電倍增管光 接 收 器 件三、光（電）子學(xué)與光電子器件光熱型探測器利用輻射的熱效應(yīng)熱敏電阻熱電偶（堆）探測器熱釋電探測器電阻隨溫度變化溫度變化引起溫差電動勢熱釋電晶體中自發(fā)極化強度隨溫度變化，而產(chǎn)生熱釋電電流光 接 收 器 件三、光（電）子學(xué)與光電子器件主要光電子器件簡介2011年光電子產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值達(dá)到17.6萬億元（約3萬億美元），5-10年內(nèi)將達(dá)到年500

36、00億美元。光電子產(chǎn)業(yè)可能會取代傳統(tǒng)電子產(chǎn)業(yè)，成為21世紀(jì)最大的產(chǎn)業(yè)，并成為衡量一個國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和綜合國力的重要標(biāo)志。三、光（電）子學(xué)與光電子器件發(fā)光二極管（LED）近十年來，由于III-V族半導(dǎo)體材料制備技術(shù)和P-N結(jié)工藝的改進(jìn)，發(fā)光二極管的發(fā)光效率有了迅速的提高。AlInGaP/GaP：發(fā)射紅色黃色光（620nm-590nm），發(fā)光效率一般在1025 lm/W，實驗室最高效率達(dá)50 lm/W。InGaN： 發(fā)射藍(lán)光（發(fā)光效率一般在 7 lm/W）、綠光（25 lm/W）。傳統(tǒng)白熾燈：17 lm/W鎢絲鹵素?zé)簦?2 lm/WLED已經(jīng)可以考慮進(jìn)入照明領(lǐng)域。三、光（電）子學(xué)與光電子器件LED的主要優(yōu)點：可靠性高、壽命長和發(fā)光效率高。國內(nèi)外已經(jīng)開始用于汽車上和交通路口的紅綠燈上，以取代原用的白熾燈。在交通路口以LED代替白熾燈，幾乎可以節(jié)約一半的功率。LED的發(fā)展方向：進(jìn)入照明領(lǐng)域，發(fā)射白光。三、光（電）子學(xué)與光電子器件水立方的藝術(shù)燈光景觀使用了50多萬支發(fā)光二極管。三、光（電）子學(xué)與光電子器件