第三章光电子技术
光电子技术知识点
光电子技术知识点光电子技术是一门研究光与电子相互作用的学科，它涉及到光的产生、传输、操控以及光与电子的相互转换等方面的知识。
光电子技术在现代科学和工程领域中具有广泛的应用，包括通信、能源、医学、材料科学等多个领域。
本文将介绍一些光电子技术的基本知识点。
第一，光的特性。
光是一种电磁波，具有波动性和粒子性。
光的波长和频率决定了它的颜色和能量。
光的传播速度是光速，约为3×10^8米/秒。
光的传播可以受到材料的折射、反射和散射等现象的影响。
第二，光的产生。
光可以通过多种方式产生，例如热辐射、激光、荧光等。
其中，激光是一种特殊的光源，具有单色性、相干性和定向性等特点，被广泛应用于科学研究、医疗、通信等领域。
第三，光的传输。
光的传输可以通过光纤实现。
光纤是一种具有高折射率的细长材料，可以将光信号通过全反射的方式传输。
光纤具有低损耗、大带宽和抗电磁干扰等优点，在通信领域得到广泛应用。
第四，光的操控。
光的操控可以通过光学器件实现。
光学器件包括透镜、棱镜、偏振器等，可以对光进行聚焦、分光、偏振等操作。
光学器件在光通信、成像、激光加工等领域中起着重要的作用。
第五，光与电子的相互转换。
光与电子的相互转换可以通过光电效应和光伏效应实现。
光电效应是指当光照射到金属或半导体表面时，产生电子的释放现象。
光伏效应是指当光照射到半导体材料中时，产生电子和空穴的产生和分离现象。
光电效应和光伏效应在太阳能电池、光电二极管等器件中得到应用。
综上所述，光电子技术是一门研究光与电子相互作用的学科，涉及到光的特性、产生、传输、操控以及光与电子的相互转换等知识点。
光电子技术在现代科学和工程领域中具有广泛的应用前景，为我们的生活和工作带来了许多便利和创新。
随着科技的不断进步，光电子技术将继续发展，为人类社会的进步做出更大的贡献。
光电子技术课件
03
光电子技术的 突破：20世纪 中叶，激光器 的发明和光纤 技术的发展
04
光电子技术的应 用：20世纪末， 光电子技术在通 信、医疗、军事 等领域的应用越 来越广泛
光电子技术的未来趋势
光通信技术的发 展：高速、大容
量、低功耗 1
光电子技术的智 4
能化：与人工智 能、大数据等技
术的融合
光电子器件的微 型化：更小、更
C
B
光电探测：用于侦察、监 视和预警
D
光电导航：为武器装备提 供精确制导和导航服务
4
技术难题
光电子技术的 光电子技术的 基础理论研究 应用领域拓展
光电子技术的 光电子技术的
产业化发展
人才队伍建设
30% 10%
55%
5%
市场前景
01 光电子技术在通信、医疗、 能源等领域具有广泛的应 用前景
02 光电子技术在5G、物联 网、人工智能等新兴技术 领域具有巨大的市场潜力
01
兹发现光电效应 量子力学的建立：1925年，海
02
森堡提出量子力学理论 激光的发明：1960年，梅曼发
03
明激光 光电子技术的发展：20世纪70
04
年代，光电子技术开始快速发展
光电子技术的发展
01
光电子技术的 起源：19世纪 末，光电效应 的发现
02
光电子技术的 发展：20世纪 初，光电子技 术的应用开始 出现
光电效应的应用：光电管、光电池、光电倍增管等光电器件。
光电子器件
光电二极管：将光信号 转换为电信号的器件
01
光敏三极管：将光信号
06
02
转换为电压变化的器件
光电三极管：将光信号 转换为电流信号的器件
光电子技术
光电子技术2谈谈对光电子技术的理解：光电子技术主要研究物质中的电子相互作用及能量相互转换的技术，以光源激光化，传输波导化，手段电子化，现在电子学中的理论模式和电子学处理方法光学化为特征，是一门新的综合性交叉学科。
3.光电子技术应用实例：光纤通信、光盘存储、光电显示器、光纤传感器等。
4.光的基本属性是光具有波粒二象性，光波动性的体现是光具有干涉、衍射、偏振等。
5.两束光相干的条件是频率相同、振幅方向相同、相位差恒定。
最典型的干涉装置有杨氏双缝干涉、迈克耳孙干涉仪。
两束光相长干涉的条件是δ=mλ(m = 0,±1,±2,LL)6.最早的电光源是碳弧光灯，最早的激光器是1960年美国梅曼制作的红宝石激光器。
7光在各向同性介质中传播时，复极化率的实部表示色散和频率的关系，虚部表示物质吸收和频率的关系。
8波长λ的光经过孔径D的小孔在焦距f 处的衍射爱里斑半径为1.22 fλ/D 。
9光调制技术——光信息系统的信号加载与控制10光有源器件是光通信系统中将电信号转换成光信号或将光信号转换成电信号的关键器件，是光传输系统的心脏。
光无源器件是指没有光电转换的器件，即只有光-光的转换。
11.光谱线展宽,均匀展宽:原子自发辐射产生的谱线并不是单一频率的，而是占据一定的频谱宽度，若果这种频谱展宽是由于手激态的有限寿命引起的，则称之为均匀展宽。
特点：引起机制对于每一粒子而言都相同。
任一粒子对谱线展宽的贡献一样，每个发光粒子都以洛伦兹线型发射.非均匀展宽:在物理现象中，个别原子是可以区分的，每一个原子的跃迁频率ν都有少量差别，从而导致自发发射频谱反映出各个跃迁频率增宽，称之为。
特点：粒子体系中粒子的发光只对谱线内与其中心频率相对应的部分有贡献12 激光器的基本结构包括：激光工作物质、泵浦源和光学调振腔。
13激光产生的充分条件是阈值条件和增益饱和效应，必要条件是粒子束反转分布和减少振荡模式数。
14光波导:能使光低损耗传输的通道，它将光限制在一定路径中向前传播，减少了光的耗散，便于光的调制、耦合等，为光学系统的固体化、小型化、集成化打下了基础。
光电子技术(声光调制和声光偏转)
声光偏转器的性能指标及评价方法
性能指标
声光偏转器的主要性能指标包括衍射效率、偏转角度、工作频率范围、响应时间等。其中，衍射效率 反映了声光相互作用的强弱，偏转角度决定了光波偏转的程度，工作频率范围和响应时间则关系到器 件的适用性和动态性能。
评价方法
通常采用实验测量的方法对声光偏转器的性能指标进行评价。例如，可以通过测量不同频率和声强下 的衍射效率和偏转角度，绘制出器件的频率响应曲线和偏转特性曲线，以全面评估器件的性能。
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声光偏转是利用声波在介质中传播时 引起的折射率梯度，使光束发生偏转 的现象。声光偏转器通常由压电晶体 和棱镜组成，当压电晶体受到声波作 用时，其折射率会发生变化，使得通 过棱镜的光束发生偏转。
声光调制和声光偏转 的应用
声光调制和声光偏转在光通信、激光 雷达、光学测量等领域具有广泛的应 用。例如，在光通信中，声光调制器 可用于实现高速光信号的调制和解调 ；在激光雷达中，声光偏转器可用于 实现光束的快速扫描和定位；在光学 测量中，声光调制和声光偏转可用于 实现高精度的光学干涉和衍射测量。
02 声光调制技术
声光调制器的基本结构和工作原理
基本结构
声光调制器主要由声光介质、压电换能器、吸声（或反射）装置及驱动电源等组 成。
工作原理
声光调制器是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理器件。当特定频 率的声波作用于声光介质时，会引起介质折射率的变化，从而使通过介质的光波 参数（如振幅、频率、相位等）随之发生变化，实现对光波的调制。
于制作光电探测器。
非线性光学材料
具有非线性光学效应的材料， 如磷酸二氢钾、铌酸锂等，用 于制作光调制器和光开关等。
光电子技术
光电子技术光电子技术是一门涵盖了光学和电子学的交叉学科，是现代科技中非常重要的一个领域。
光电子技术的发展，不仅在通信、计算机、医疗等行业中起到了关键作用，还在环境监测、安全检测、空间探测等领域有着广泛的应用。
本文将介绍光电子技术的相关知识和应用，并展望其未来发展的趋势。
光电子技术是将光学和电子学相结合的一门学科。
光学是研究光的性质和光的相互作用的学科，而电子学则是研究电子器件和电子电路的学科。
光电子技术的核心是光、电子和光电子器件的相互作用。
光电子器件是利用光、电子、半导体材料等的相互作用制作的器件，如光电二极管、光电三极管、光电开关等。
光电子技术在通信领域中发挥着重要作用。
光纤通信是一种基于光学信号传输的现代通信方式，其核心就是光电子技术。
光纤通信具有传输速度快、传输距离远、抗干扰能力强等优点，已成为现代通信的主要手段。
光电子器件中的光电二极管可以将光信号转换为电信号，而光电开关则可以实现光信号的开关控制。
除了通信领域，光电子技术还在计算机领域中得到广泛应用。
光存储器是一种利用光来存储和读取信息的存储器。
与传统的电子存储器相比，光存储器具有高速读写、容量大、耐久性好等优点。
光电子技术还可以应用于光学传感器、显示器、光电显示器等领域，提高设备的性能和功能。
光电子技术在医疗行业中也扮演着重要的角色。
光纤内镜是一种利用光纤传输图像的内窥镜，可以实现非侵入式的检查和诊断。
利用光电子技术，可以将图像传输到显示器上供医生观察和分析，有助于提高医疗诊断的准确性。
光电子技术还可以应用于光疗、激光手术等医疗器械，为治疗提供更好的手段。
光电子技术还可以应用于环境监测和安全检测领域。
利用光电子技术可以制造出高精度的光谱仪，对空气、水质等进行检测分析。
光电子技术还可以应用于火灾报警系统、安全监控系统等领域，提高安全防护的能力。
未来，随着科技的不断发展，光电子技术将有更广阔的应用空间。
例如，光量子计算机可能成为取代传统计算机的新兴技术。
光电子技术简介
光电子技术简介光电子技术是一门研究光与电子相互作用的学科，它利用光的性质传输、控制和处理信息。
随着信息技术的不断发展，光电子技术在通信、显示、数据存储等领域得到了广泛的应用，并且逐渐成为了推动科技进步的重要支撑。
一、光电子技术的基本原理1. 光的本质光是电磁波的一种，具有波粒二象性。
光电子技术利用光的波动和粒子性质，通过光的电离、散射、吸收等过程与电子相互作用。
2. 光电效应光电效应是光与物质发生相互作用时，电子从物质表面或内部被激发并释放出来的现象。
这种现象是光电子技术的基础，也是实现光电子器件的核心原理。
3. 光电子器件光电子器件是指利用光的电离、散射、吸收等效应，将光信号转换为电信号或将电信号转换为光信号的器件。
常见的光电子器件包括光电二极管、光敏电阻、光电晶体管等。
二、光电子技术的应用领域1. 光通信光通信是利用光信号传输信息的通信方式。
相比传统的电信号传输方式，光通信具有传输速率高、带宽大、抗干扰性强等优势，被广泛应用于长距离传输和高速数据传输领域。
2. 光显示技术光显示技术主要包括液晶显示、有机发光二极管（OLED）显示等。
光显示技术通过控制光的强弱、颜色等来实现图像和文字的显示，广泛应用于电视、手机、平板电脑等消费电子产品中。
3. 光存储技术光存储技术利用光的非接触性、高密度存储等特点，实现数据的读写、存储和擦除。
光存储技术能够实现更大容量和更快速度的数据存储，被广泛应用于光盘、蓝光光碟等介质。
4. 光电子传感器光电子传感器利用光的散射、吸收等特性，将光信号转化为电信号，实现对环境的检测和测量。
常见的光电子传感器包括光电二极管、光电晶体管、光纤传感器等。
三、光电子技术发展趋势与挑战1. 高速与高频随着通信和数据传输需求的增加，光电子技术需要不断提高传输速率和工作频率，以满足高速、高频的需求。
2. 小型化与集成化光电子器件的小型化与集成化是发展的趋势。
研究人员正在努力将光电子器件集成在芯片上，实现更高的性能和更小的尺寸。
光电子技术的工作原理
光电子技术的工作原理
光电子技术是利用光的性质和光与电子的相互作用来实现各种功能的技术。
其工作原理可以分为光电效应、光电导效应和光电放大效应等基本原理。
1. 光电效应：光电效应是指当光照射到某些物质表面时，物质会发射出电子的现象。
它的工作原理是光子与物质中的电子发生相互作用，使得光子的能量被转移给电子，使其具有足够的能量克服束缚力逃离物质表面。
这种现象是基于量子力学的观点，光电效应的发生与光的频率有关，而与光的强度无关。
2. 光电导效应：光电导效应是指在某些半导体材料中，当光照射到材料表面时，电导率会发生改变的现象。
这是由于光子的能量被吸收，使得半导体内部的电子跃迁到导带，并形成自由电子和空穴。
这种现象是利用光电效应和半导体的导电性质相结合，在某些特定材料中实现的。
3. 光电放大效应：光电放大效应是指通过光电倍增管、光电二极管等器件将光信号转换成电信号，并通过电信号放大的过程。
光电放大器件通常由光阴极、光电子倍增部分和电子吸收部分组成。
当光照射到光阴极上时，光电效应使得光子能量转移到光电子上，然后通过倍增部分将光电子数量倍增，最后在电子吸收区产生电流放大效应，实现光信号到电信号的转换和放大。
需要注意的是，光电子技术的工作原理还涉及到一系列相关的光学、电子学和材料科学知识，例如光学元件的设计与制备、
光电探测器的性能优化等。
这些都是在不同光电子器件中实现特定功能时需要考虑和解决的问题。
光电子技术基础[课件]
![光电子技术基础[课件]](https://img.taocdn.com/s3/m/427229da5022aaea998f0fcd.png)
虽然朗伯定律是一个理想化的概念，但是在实际中 遇到的许多辐射源，在一定的范围内都十分接近于 朗伯余弦定律的辐射规律。
例如，黑体辐射就精确遵守朗伯余弦定律。
•大多数绝缘材料，在相对于表面法线方向的观察角 不超过60°时，都遵守朗伯余核定律。 •导电材料虽然有较大的差异，但在工程计算中，观 察角不超过50 °时，也还能运用朗伯余弦定律，运 用朗伯余弦定律对这类辐射源的辐射量的计算，就 变得十分简单。
如不考虑辐射传输过程中大气的影响，在离开 源距离为l处的辐照度分别为 （9）
（10） 以上两式表明：点源在被照面上产生的辐照度 与其辐射强度成正比，与源到被照面的距离平 方成反比，并与源相对于被照面法线的方向夹 角有关。
3．2 朗伯余弦定律和小面源 的辐射特性
一、朗伯余弦定律 辐射源单位表面积向空间某方向单位立体角发射( 或反射)的辐射功率，和该方向与表面法线夹角的 余弦成正比，即 （15） 这个规律就称为朗伯余弦定律。式中B是一 个与方向无关的常数。凡遵守朗伯余弦定律 的辐射表面称为朗伯面，相应的辐射源称为 朗伯源或漫辐射源。
2．朗伯辐射源的L辐射亮度与M辐出度的关系
（7）
L与M关系的普遍表示式由式(7)给出在一般情况下，如果不 知道L与方向角θ的明显函数关系，就无法由L计算出M。但 是，对于朗伯辐射源而言，L与θ无关，于是式(7)可写为 ：
因为球坐标的立体角元
利用这个关系，可使辐射量的计算大为简化
四、例 题 求圆盘和球状小面源的辐射强度和辐射功率。 1．圆盘 设圆盘的辐射亮度为L，面积为A，如图所示 。圆盘在与其法线成θ方向上的辐射强度为 (20) 式中I0＝LA，为圆盘在其法线方向上的辐射强度。
这种噪声会使器件的比探测率降低。 探测率D：是最小可探测功率NEP的倒数，表征 的是探测器的灵敏度，D越大灵敏度越高 比探测率D*:归一化的探测率D,可以对不同带宽 和光敏面积的探测器进行比较，可定义为
电子电气工程中的光电子技术
电子电气工程中的光电子技术光电子技术是电子与电气工程领域中的重要分支之一，它涉及到光学和电子学的交叉，旨在利用光的性质来实现各种电子设备和系统的功能。
在现代科技发展的背景下，光电子技术在通信、能源、医疗和信息处理等领域扮演着至关重要的角色。
一、光电子技术的基础原理光电子技术的基础原理主要涉及到光的传播、光的相互作用以及光的探测与转换。
光的传播是指光在介质中的传输过程，这涉及到光的折射、反射和散射等现象。
光的相互作用是指光与物质之间的相互作用，例如光的吸收、放射和散射等。
光的探测与转换是指将光信号转换为电信号或其他形式的能量信号，这包括光电二极管、光电倍增管和光电转换器等器件。
二、光电子技术在通信领域的应用在现代通信系统中，光纤通信技术已经成为主流。
光纤通信利用光的高速传输特性，实现了信息的远距离传输和大容量传输。
光纤通信系统主要由光源、光纤、光探测器和光电转换器等组成。
光电子技术在光纤通信系统中的应用包括光纤通信设备的制造、光纤传输的信号放大和光信号的解调等。
三、光电子技术在能源领域的应用光电子技术在能源领域的应用主要包括太阳能光伏发电和光热发电。
太阳能光伏发电利用光电效应将太阳能转化为电能，通过光电池将光能转换为电能。
光热发电则利用聚光镜或反射镜将太阳光集中在一个点上，通过热能转换器将光能转化为热能，再将热能转换为电能。
光电子技术在能源领域的应用不仅可以实现清洁能源的利用，还可以提高能源的利用效率。
四、光电子技术在医疗领域的应用光电子技术在医疗领域的应用主要包括医学成像和光治疗。
医学成像利用光的特性，通过光学显微镜、光学断层扫描等设备观察和分析生物组织的结构和功能。
光治疗则利用光的能量来治疗疾病，例如激光手术、光动力疗法等。
光电子技术在医疗领域的应用不仅可以提高医学诊断和治疗的准确性和效果，还可以减少对患者的创伤和痛苦。
五、光电子技术在信息处理领域的应用光电子技术在信息处理领域的应用主要体现在光存储器和光计算器等方面。
光电子技术简介
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目录
• 光电子技术概述 • 光电子器件与技术 • 光电子技术的应用领域 • 光电子技术的挑战与发展趋势
01
光电子技术概述
光电子技术的定义
• 光电子技术是研究光与电子相互作用及其应用的科学技术。它 涉及光电子器件、光电子系统以及光电子应用等方面，是光学 与电子学相互渗透而形成的一门综合性学科。
等领域有着广泛应用。
03
光电子应用
探讨光电子技术在各个领域的应用，如光纤通信、激光雷达、光电显示
、光伏技术等。这些应用为现代社会的发展提供了重要支撑。
光电子技术的发展历程
初始阶段：自20世纪初发现光电效应以来，人们 开始研究光与电子的相互作用，奠定了光电子技 术的基石。
融合与创新阶段：进入21世纪，随着纳米技术、 微纳加工技术等的进步，光电子技术与其他领域 的技术融合，催生出许多创新性的研究成果和应 用。
ห้องสมุดไป่ตู้
04
光电子技术的挑战与发展趋势
光电子技术的挑战与发展趋势
• 光电子技术是研究光电子器件、光电子系统和光电 子应用的科学技术。它是光学与电子学的交叉学科 ，涉及光电子材料、光电子器件、光电子工艺和光 电子应用等方面。随着信息技术的飞速发展，光电 子技术已经成为现代信息技术的重要组成部分，广 泛应用于通信、医疗、军事、工业等领域。
THANK YOU
发展阶段：随着半导体技术、激光技术、光纤技 术等的发展，光电子技术逐渐成熟，并衍生出众 多分支领域。
总之，光电子技术作为一门综合性的学科，在现 代科技领域具有举足轻重的地位。随着科技的不 断发展，光电子技术将在未来发挥更加重要的作 用，推动人类社会的进步与发展。
光电子技术
光电子技术简介光电子技术是一门研究光与电子相互作用的学科，主要用于利用光的特性进行信息的传输和处理。
光电子技术在通信、传感、能源和显示等领域都有着广泛的应用。
本文将介绍光电子技术的基本原理、应用和未来发展方向。
基本原理光电子技术是基于光与电子的相互作用原理而发展起来的。
光是一种电磁波，在介质中传播时会与电子发生相互作用，从而产生光电效应。
光电效应是指当光照射到物质表面时，物质中的电子会被激发，并产生电流。
基于光电效应，光电子技术利用光源、光电器件和电路等组成的系统来实现光信号的传输和转换。
应用领域光通信光通信是光电子技术最重要的应用领域之一。
光通信利用光纤作为信息传输媒介，具有传输速度快、传输距离远、抗干扰能力强等优点。
光通信系统由光源、光纤、光电器件和光电路等组成，能够实现高速、大容量的信息传输。
光传感光传感是利用光电子技术进行环境监测和数据采集的应用领域。
光传感器能够将环境中的光信号转化为电信号，并通过光电转换器转换为数字信号进行处理。
光传感技术被广泛应用于气体检测、温度测量、光谱分析等领域。
光能源光电子技术在能源领域的应用主要集中在太阳能领域。
太阳能光电转换器利用光电效应将太阳光转化为电能，并通过电路进行储存和利用。
光电能源具有清洁、可再生和无污染的优点，是未来能源发展的重要方向。
光显示光电子技术在显示技术中的应用也非常广泛。
光电显示器利用光电效应将电信号转化为光信号，从而实现图像和文字的显示。
光电显示器具有显示效果好、色彩鲜艳、能耗低等优点，是现代显示技术的主要发展方向。
未来发展方向随着科技的不断进步，光电子技术在未来将迎来更加广阔的发展空间。
以下是光电子技术的几个重要发展方向：光子集成芯片光子集成芯片是利用半导体工艺制造的微型光学器件，将光学和电子技术有机地集成在一起。
光子集成芯片能够实现高度集成、高速传输和低能耗等优点，对于提高光电子设备的性能和减小体积具有重要意义。
光纤通信的新技术随着传输速率的不断提高，光纤通信领域需要更加先进的技术来满足需求。
光电子技术(第5版)第三章 光束的调制和扫描
I o [( E y )o ( E ) ]
(e
1)(ei 1) 2 A2 sin 2
2
2
*
y o
调制器的透过率：
T
Io
2 V
sin 2
sin
Ii
2
2 V
3.2.1 电光强度调制
1、纵向电光调制器及其工作原理
光电子技术（第5版）
第三章
本章内容
3.1 光束调制原理
3.2 电光调制
3.3 声光调制
3.4 磁光调制
3.5 直接调制
3.6 光束扫描技术
3.7 空间光调制器
3.1 光束调制原理
1. 1875年，英国Kerr发现电光效应Kerr效应，Kerr
盒是可做成电光调制器；
2. 用KDP（磷酸二氢钾）晶体在电场作用双折射效
I (t )
[1 m p cos m t ]cos 2 (c t c )
2
强度调制波的频谱可用角度调制的类似方法求得，其
结果与调幅波略有不同，其频谱分布除了载频及对称分
布的两边频之外，还有低频m和直流分量。
振幅、频率、相位、强度调制方式所得到的调制波都是
一种连续振荡波，统称为模拟调制。
变化，成为已调脉冲序列。然后再用这已调电脉冲序
列对光载波进行强度调制，就可以得到相应变化的光
脉冲序列。
3.1.4 脉冲调制
脉冲调制有脉冲幅度调制、
脉冲宽度调制、脉冲频率调制
和脉冲位置调制等。
脉位调制：每个脉冲的位置与未
调制时的位置有一个与调制信号
成比例的位移，得到相应的光脉
光电子技术的原理与应用
光电子技术的原理与应用光电子技术作为一门先进的科学技术，正逐渐在各个领域得到广泛应用。
本文将从光电子技术的原理入手，探讨其在不同领域的应用。
一、原理光电子技术是研究光子与电子相互作用的科学，主要由光学、电子学和材料学等学科组成。
其基本原理是利用光子与电子之间的相互作用来实现信息的传递和处理。
1. 光电子效应光电子效应是指当光照射到物质表面时，光子能量被物质中的电子吸收并将其激发到足够高的能级，使其脱离物质表面而成为自由电子。
这一现象的发现对于建立光电子学的理论和实践具有重要意义。
2. 光电二极管光电二极管是一种能够将光信号转化为电信号的器件。
其工作原理是当光照射到光电二极管的PN结处，光子能量被半导体吸收，激发带来一些载流子，从而形成电流。
这种器件在通信、传感等领域有广泛应用。
3. 光电导效应光电导效应是指当光照射到导体材料时，其电导率会发生变化。
这种效应可用于光电导传感器的制作，能够实现对光强度的检测和测量，广泛应用于光通信、环境监测等领域。
二、应用1. 光通信光通信是一种利用光传输数据的方式，相较于传统的电信号传输方式，具有传输速率快、带宽大、抗干扰能力强等优势。
光纤通信作为光通信的核心技术，利用光电子器件将电信号转化为光信号，并通过光纤进行传输，广泛应用于长距离通信和互联网领域。
2. 光储存器件光存储技术是一种通过光电子器件将光信号转化为电信号，并存储在存储介质中的技术。
光存储器件具有存储容量大、读写速度快等优点，能够满足日益增长的大数据存储需求。
3. 光电子显示技术光电子显示技术是一种利用光电子器件将电信号转化为光信号，实现信息在显示屏上的展示的技术。
这种技术具有亮度高、对比度大、色彩饱和度高等优势，广泛应用于电视、显示屏等设备中。
4. 光电子传感器光电子传感技术是一种利用光电子器件对光信号进行检测和测量的技术。
光电子传感器能够实现对光强度、光波长、光功率等参数的测量，广泛应用于环境监测、生物医学、工业自动化等领域。
光电子技术及其应用
光电子技术及其应用光电子技术是一种重要的技术，它融合了光学和电子学两个学科，开创了一种新型的科学研究和应用领域。
光电子技术的发展对人类社会发展提供了许多不可或缺的支持，促进了人类科学文化的发展。
本文将从光电子技术的历史、基本原理、应用等方面进行探讨和分析。
一、光电子技术的历史光电现象最早可以追溯到德国物理学家汉斯·赫兹在1887年发现的赫兹效应，他发现照射在金属表面的紫外光可以使金属表面发射出电子。
这是光电现象的第一次发现，为后来的研究建立了基础。
随着时间的推移，人们对光电现象进行的研究也在不断深入。
1912年斯托克斯法学者罗伯特·米利肯进一步研究了光电现象，发现了光电效应的定量规律。
他制作了一台光电效应计量仪，测量了不同波长光照射金属时，最小能够产生电流的电子能量。
这一研究成果为研究光电效应提供了定量的理论基础。
1921年，法国物理学家路易斯·德布罗意提出了物质波理论，指出所有物质也具有波动性。
这一理论促进了光电现象的研究，为后来的量子力学打下了基础。
1954年，美国物理学家鲁道夫·阿茨弗耶尔提出了激光器的概念，推动了激光技术的研究和发展。
随后，光电子技术逐渐成熟并应用于科学、工业等领域。
二、光电子技术的基本原理光电子技术是一门研究物质光电性质及其应用的学科，它主要涉及电子、光子、半导体的物理特性和相互作用。
其中，最关键的是光电效应和光子器件理论及其制造技术。
光电效应是指将光能转化成电能的现象。
其基本原理是当光照射在物质表面时，光子与物质表面原子或分子相互作用，使光子的能量转移到物质表面的电子上，电子将获得足够的能量，突破束缚力而逸出，即产生了电子。
这一现象可以用电子的电量和能量来描述。
光子器件是光电子技术的重要组成部分。
光子器件包括光电二极管、激光器、光纤、光谱仪、波长分布器等。
光电二极管是通过正常的半导体工艺，将两端极性与晶体缺陷杂质加工制作成的器件。
光电子技术Chapter3_1
§3.2 电光调制
电光调制的物理基础是电光效应，即某些晶体 在外加电场的作用下，其折射率将发生变化，当 光波通过此介质时，其传输特性就受到影响而改 变。
1. 电光强度调制
1) 纵向电光调制（通光方向与电场方向一致）
沿z轴入射的光束经起偏器变为平行于x轴的线偏振光 进入晶体后(z=0)被分解为沿x’和y’方向的两个分量，两个振幅(等 于入射光振幅的1/ 2）和相位都相等．
编码—把量化后的数字信号变成相应的二进制编码。
抽样与量化
f (t ) V
1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0 0.9 0 .8 0 .7 0.6 0 .5 0.4 0.3 0 .2 0.1
1.46 ≈ 1.5
1.52 ≈ 1.5 1.22 ≈ 1.2
0.87 ≈ 0.9
0.89 ≈ 0.9
调频波图像
调频波频谱
E (t ) Ac J 0 (m) cos(ωct + ϕc ) + Ac ∑ J n (m) [ cos(ωc + nωm )t + ϕc + (−1)n cos(ωc − nωm )t + ϕc ] n=1
∞
在单频余弦波调制时，其角度调制波的频谱是由光载频与在 它两边对称分布的无穷多对边频所组成的。各边频之间的频 率间隔是������������������������ , 各边频幅度的大小由贝塞尔函数 Jn(m) 决定。
������������ ������������ = ������������������������ + ������������������������(������������)
调频波总相角为：
∆������������ ������������ ������������ = � ������������ ������������ ������������������������ + ������������������������ = ������������������������ ������������ + sin ������������������������ ������������ + ������������������������ ������������������������
光电子技术(第三章)3
光强度：光波在一个比振动周期大得多的时 间内的平均能流密度。
21
光的瞬时光强为
S EH wv v 0 r E v0 r H
2 2
用复指数表示：
1 S v 0 r E v 0 r E (r ) exp(it ) E (r ) exp(it ) 2 1 2 2 v 0 r E exp(2it ) E (r ) exp(2it ) 2 E E 4 取平均值为
Φ 0= 0
E0 ikr E (r ) e r
3.11
12
E0 E (r , t ) exp[ i (kr t ) 0 ] r
(3.10)
E0 ikr E (r , t ) e r
(3.11)
（3.10）式为单色球面波的表达式。 时间因子是可分离的，空间某点的时间 因子总相同，常略去不写。单色球面波 的复振幅表达式常用(3.11)。 E0为单位半径(r=1)波面上的振幅。 E0/r表示球面波的振幅与传播r 成反比。 从能量守恒原理不难理解这一结果。
能流密度 S ： 单位时间内垂直流过单位横截面的 能量，其方向是能量传播的方向。描述能量在场 内的传播。
16
1、电磁波的能量密度w
场内单位体积的能量，是位置x和t的函数，w=w (x,t)； 电场能量与磁场能量的体密度：
1 1 we D E 0 r E 2 2 2
1 1 wm B H 0 r H 2 2 2
Φ0为初相位；矢径r 表示空间点的位置； k为波矢，方向是波的传播方向，大小为波在介质中的 波数。指数前取正或负是无关紧要的，正相位代表相位 超前，负相位代表相位落后。
2
光电子技术课后答案
第二章:⒉在玻璃( 2.25,1)r r εμ==上涂一种透明的介质膜以消除红外线(0.75)m λμ=的反射。
⑴求该介质膜应有的介电常量及厚度。
⑵如紫外线(0.42)m λμ=垂直照射至涂有该介质膜的玻璃上，反射功率占入射功率百分之多少？⑴1.5n = 正入射时，当n =时，膜系起到全增透作用5 1.225n ==，正入射下相应的薄膜厚度最薄为 00.750.15344 1.225h m nλμ===⨯⑵正入射时，反射率为222200002222000022()cos ()sin 22()cos ()sin G G G G n n nhnhn n n n n n nh nhn n n n ππλλρππλλ-+-=+++正220022220002()cos 3.57%22()cos ()sin G G G nhn n n n nhnhn n n n πλππλλ-==+++⒌一束波长为0.5 m μ的光波以045角从空气入射到电极化率为20.6j ＋的介质表面上，求⑴此光波在介质中的方向（折射角）。
⑵光波在介质中的衰减系数。
⑴2123n =+=n = 由112sin sin n n θθ=得2sin 6θ=2arcsin 6θ= ⑵衰减系数72(0.6)0.6 1.310nr k πλ=-⨯-=⨯=⨯⒍输出波长λ＝632.8nm 的He-Ne 激光器中的反射镜是在玻璃上交替涂覆ZnS 和2ThF 形成的，这两种材料的折射率系数分别为1.5和2.5。
问至少涂覆多少个双层才能使镜面反射系数大于99.5％？设玻璃的折射率G n ＝1.5 由题意： 02220220()0.995()P H H LG P H H L Gn n n n n n n n n n λρ⎡⎤-⎢⎥⎢⎥=≥⎢⎥+⎢⎥⎣⎦正，，即22222.5 1.51()1.5 1.50.99752.5 1.51()1.5 1.5P P -≤-+ 即 250.0025() 1.5 1.99753P ⨯⨯≥25()532.73P≥ 212.3P = 7P ≈ 故至少涂覆7个双层。
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【光有源器件】 -----需要外加能源驱动工作的光电子器件
半导体光源(LD,LED,DFB,DBR,QW,VCSEL) 半导体光探测器(PD,PIN,APD） 光纤激光器（OFL:单波长、多波长） 光放大器(SOA,EDFA) 光波长转换器(XGM,XPM,FWM) 光调制器 光开关/路由器
载流子的统计分布
在热平衡状态下，粒子占据能量为 E 的状态的几率服从 Fermi-Dirac统计：
1
f (E) 1 exp E E f (kT)
Ef 为体系的Fermi能级，k 为Boltzmann常数，T 为绝对温度。
能量E越大，几率f(E)越小，符合能量最低原理。
当T = 0K时， f(E>Ef) = 0 ,f(E<Ef) = 1 当T > 0K时， f(Ef) = 1/2
5、半导体光电探测器
5.1 PN光电二极管
5.2 PIN光电二极管
5.3 APD光电二极管
5.4 光电二极管工作特性和参数
原因：W越大，光子入射到该区域的可能性 越大，被吸收产生光电流的概率就越高。
5.5 光电二极管一般性能和应用
E fc E fv h Eg
Efc: 非平衡状态下导带的准费米能级；Efv: 非平衡状态下价带的准费米能级 hv: 产生光子的能量； Eg: 禁带宽度
4、半导体光源
4.1 发光二极管（LED）
LED的工作原理：
LED的工作特性（P-I特性）
LED的工作特性（光谱特性）
LED的工作特性（频率特性）
半导体掺杂材料的选择原则: 如果掺入的杂质原子代替半导 体晶格中的原子后存在多余的价电子，该杂质为施主杂质；如 果掺入的杂质原子代替半导体晶格中的原子后尚缺乏成键所需 要的电子，即存在电子空位，该杂质为受主杂质。
3、激光基本原理
光发射和光吸收
T为热力学温度，k=1.381×10-23J/K为玻尔兹曼常数
电子
光子
m0
0
me
hν/c2
不能在自由空间传播 能在自由空间传播
小于光速(c)
等于光速(c)
具时间不可逆性 具一定的类时间可逆性
高度的空间局域
不具空间局域性
费米子 (费米统计) 玻色子 (玻色统计)
-e
0
l(h)/2
l(h)
光子的优越性
1.光子具有极高的信息容量和效率 2.光子具有极快的响应能力 3.光子具有极强的互连能力与并行能力 4.光子具有极大的存储能力
三、光电子器件
1.什么是光电子技术、光电子学 2.半导体物理学基础 3.激光基本原理 4.半导体光源 5.半导体光电探测器
1.什么是光电子技术、光电子学
光子与电子
特
征
静止质量(m)
运动质量(m)
传播特性
传播速度
时间特性
空间特性
粒子特性
电
荷
自
旋
中 。
施主掺杂及n型半导体
ED P
施主能级和 施主电离
分析
施主能级位于禁带之中； 施主能级上的电子很容易被激发到导带
上去； 导带的电子浓度远大于价带的空穴浓度，
导电性主要依赖电子。
受主掺杂及p型半导体
EA
受主能级和 受主电离
分析
受主能级表明导带中的电子大多数位于导带底部，随着E增大，电 子占据该状态的几率近似按照指数衰减。
光增益产生的条件
*平衡状态下，半导体材料内具有统一的费米能级， 辐射与吸收达到平衡，不可能使产生的光子数不 断增多，即不可能产生光增益。 *只有通过外部激励产生非平衡载流子，使载流子 处于上能态的几率大于处于下能态的几率（粒子 数反转分布），才能实现光增益。 * 外部激励方式： （1）光辐照；（2）电注入 * 基于粒子数反转分布，可得光增益产生条件为：
意
通过掺入不同类型和浓度的杂质而改变.
：
半导体中的杂质可以在禁带中形成电子的
施
束缚态能级,称为杂质能级.
主 能
级
若掺杂提供的是带有电子的杂质能级,则 称为施主杂质
和 受 主
能
若掺杂提供的是带有空穴的杂质能级,则 称为受主杂质
级 在 禁
带
根据掺杂类型可对半导体材料进行分类: I 型、P型、N型
【光无源器件】 ----不需要外加能源驱动工作的光电子器件
光纤连接器（固定、活动,FC/PC,FC/APC） 光纤定向耦合器/分支器 光分插复用器（OADM) 光波分/密集波分复用器（WDM/DWDM) 光衰减器（固定、连续） 光滤波器（带通、带阻） 光纤隔离器与环行器（偏振有关、无关） 光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅
LED的优缺点
室外大LED全彩色屏幕
4.2、半导体激光器
产生激光的条件（1）
工作物质
处于粒子数反转 分布状态的工作 物质，称为激活 物质或增益物质；
能对光场进行放 大，它是产生激 光的必要条件。
& 激励源
使工作物质产生粒子数反 转分布的外界条件，称为 激励源或泵浦源。
物质在激励源的作用下， 使得处于某一高能级的粒 子数大于处于某一低能级 的粒子数，从而受激辐射 大于受激吸收，有光的放 大作用。这时的工作物质 已被激活。
PN 结
主要的半导体材料(由其化学元素来区分)
Ⅳ族材料：Si、Ge及SiGe合金；间接带隙；微电子和光电管。
Ⅲ-Ⅴ族化合物材料：GaAlAs/GaAs、InGaAsP/InP、 InAlGaN/GaN、InAlGaAs/InP等材料系；直接带隙；微电子和 各种光电子器件。
Ⅱ-Ⅵ族化合物材料：ZnSeTe、HgGdTe等；直接带隙；可见 光和远红外光电子器件。
不一定！
阈值条件：只有当外界泵浦 超过一定阈值时，光场在谐 振腔内的往返振荡才能形成 正反馈，使光场的增益不低 于光场的损耗，才能形成持 续稳定的光输出
激光
全反射镜 激励能源
部分反射镜
产生激光的条件（2）
LD的工作特性（P-I特性）
LD的工作特性（温度特性）
LD的工作特性（调制特性）
低速调制下出现的现象：
光电子技术
光电子技术是以光电子学为基础，以与光的产生、控制、 传输、光信息处理、转化等有关的器件与系统为研究对象 的新型综合性技术领域。内容包括：
激光技术 导波光电子技术(光子学、光无源器件) 半导体光电子技术(LD、LED、APD…) 其它材料与器件(电光、磁光、声光、弹光…) 。。。。。。 涉及知识：电磁场理论、半导体物理、量子力学等
超高速率、超大容量信息
尺寸大大缩小
系统中用光子作为信息的
芯片的成品率、可靠性 和性价比极大改善
载体是继电子之后的最佳 选择。由此应运产生了信
息光子学。
未来的集成系统必然是 光子集成回路与微电子集成电路的共融体
光电子学
光电子学是以光与物质相互作用为研究对象的一门内容极 其深广的学术分支。光电子学及其系统的发展，依赖于光电和电-光转换、光学传输、加工处理和存储等技术的发展， 其关键是光电子器件。
级上去； 价带的空穴浓度远大于导带的电子浓
度，导电性主要依赖空穴。
三 类 半 导 体
I型（本征）半导体
N型半导体
P型半导体
I 型半导体（本征型）：无杂质或杂质浓度很低的半 导体，电子与空穴浓度基本相同。 N型半导体：掺有施主杂质的半导体，其电子浓度远大 于空穴浓度。 P型半导体：掺有受主杂质的半导体，其电子浓度远小 于空穴浓度。
& 光学谐振腔
激活物质只能使光放大，只有把激活物质置于光学谐振 腔中，以提供必要的反馈及对光的频率和方向进行选择， 才能获得连续的光放大和激光振荡输出。
（1）使激光具有极好的方向性（沿轴线） （2）增强光放大作用（相当于延长了工作物质） （3）使激光具有极好的单色性（选频）
疑问
将工作物质、光 学谐振腔和泵浦 源安置好后，开 通电源，一定能 得到激光输出吗？
LD的工作特性（模式特性）
（1）
提高LD性能的方法
（2）
单纵模（SLM）激光器 设计的基本思想
使
几种典型的SLM激光器
大功率光纤激光器
包层泵浦技术
光纤耦合技术
大功率光纤激光器
美 国 IPG Photonics 公 司 、 德 国 Jena 大 学 的 应 用 物 理 所 和 英 国 Southampton 的 ORC 研 制 的 单 根 双包层光纤激光器，连续输出功率 分别达到135W、150W、1000W、 4000W, 20000W
2、半导体物理学基础
按导电性 材料分类
导体 半导体
绝缘体
半导体：禁带宽度小，满带(价带)中的少部分电子在 室温下可通过热激发进入导带，同时在满带中留下相 应的电子空位(空穴)，显示出部分导电性。导电性介 于导体和绝缘体之间。 载流子：导带子的电子和价带中的空穴总称。
半导体的掺杂和导电类型
注
半导体掺杂: 半导体材料的电磁性质可以
难点
控制能力差
电子技术的发展
半导体电子学的强大生 命力在于它能够实现集 成化
处理功能和运行速度得 到大幅度提高，功耗大 大降低
但是利用电子作为信息的载体， 由于路径延迟和电磁串扰效应 的存在，无论从技术局限或是 经济代价以及信息安全的角度 来考虑，电子技术都出现了它 的阶段局限性。