第一章 光子学的发展与战略
第一章-光辐射与发光源
W／(m2·μm)
二、光度的基本物理量
• 光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光 辐射计量单位。
（人眼的视觉细胞对不同频率的辐射有不同响应，辐射
度单位不能正确反映人的亮暗感觉。）
• 辐射度学的基本物理量Qe、Φe、Ie、Me、Le、Ee • 光频区光度基本物理量Qv、Φv、Iv、Mv、Lv、Ev
• 定义完全一一对应，其关系如表l—2所示。
光视 效 率
0.4
0.2
0.0 400
500
600
700
800
波 长 (nm)
• 光通量与辐射通量之间的关系
v Kme V
• 光度量与辐射度量的关系式的一般函数式
X v
Km
780 380
X
e
V
d
• 在光度学体系中，基本单位是发光强度Iv，其单位 是坎德拉cd。
• 坎德拉cd定义： • 当单色辐射光源频率为540×1012Hz，
表1-2 辐射度量和光度量之间的对应关系
辐射度物理量
光度量物理量
物理量名称
符号 定义或定义式
单位
物理量名称 符号 定义或定义式
单位
辐射能
Qe
hν
J
辐射通量
Φe
Φe=d Qe/dt
W
光量
Qv
Qv=∫Φvdt
lm·s
光通量
Φv
Φv=∫ IvdΩ
lm
辐射出射度
Me Me＝dΦe／dS W／m2
光出射度
Mv Mv＝dΦv／dS lm／m2
3. 绝对黑体(简称黑体)：
• 在任何温度下，对任何波长的辐射能的吸收 率等于l，即αλ（T）≡l
光子的发展历程
光子的发展历程光子是指光在某些情况下表现出的粒子性质。
它是电磁辐射的基本单位，也是量子理论的基础之一。
光子的研究历程可追溯到19世纪末，经历了数十年的发展与探索。
光的粒子性最早是由德国物理学家麦克斯·普朗克于20世纪初提出的。
当时，他从黑体辐射现象出发，推导出了著名的普朗克公式，在理论上解释了黑体辐射谱的特点。
他认为，辐射能量是以量子化的方式传播的，每个能量量子就是光子。
普朗克的理论在当时引起了轩然大波，与经典电磁理论相悖。
但是，一直到1917年，爱因斯坦的光电效应理论进一步支持了普朗克的观点。
爱因斯坦根据光电效应的实验结果，提出光与物质的相互作用是以光子为介质的，他认为光子是具有能量和动量的粒子。
随着量子力学理论的发展，光子的概念逐渐被普遍接受。
德国物理学家德布罗意在1924年提出了波粒二象性理论，他将粒子与波动相统一，称为波粒二象性。
在德布罗意的理论中，光子既有粒子特性，也有波动特性。
随后，科学家们又对光子进行了更深入的研究。
德国物理学家康普顿在1923年进行了著名的散射实验，他观察到高能光子与物质相互作用时会发生能量和动量的变化，根据这一观察结果，他得到了光子的散射方程，这一发现被称为康普顿散射效应，成为量子理论的又一重要验证。
此后，光子的研究逐渐得到了推广和应用。
1937年，美国科学家艾贝尔提出光子的自旋概念，进一步丰富了光子的性质和特点。
光子的自旋为1，它既具有粒子特性又具有自旋特性，这为后续的量子光学和光子学研究奠定了基础。
在20世纪后期和21世纪初，光子学在通信、计算机、能源等领域的应用得到了快速的发展。
光纤通信技术的出现，将光子技术应用于信息传输和通信领域，大大提高了传输速度和容量。
量子计算机的研究也利用了光子的量子特性，光量子计算机被认为是未来计算机科学的重要方向之一。
总的来说，光子的发展历程伴随着经典电磁理论、量子力学和量子光学的发展，从基本粒子的角度解释了光的特性，并在科学研究、技术应用等方面产生了广泛的影响。
光电子学与光子学讲义-Chapter0-perface讲课教案
1990s： 稀土掺杂光纤（掺铒光纤放大器） 光通信技术的革命
期待新一代光电功能材料的突破 !！!
五.光电子学发展方向与趋势
➢ 量子化（材料的量子结构化）---
采用量子阱、应变量子阱、超晶格、 量子线、量子点等人构改性的材料
➢ 集成化（器件的集成化） ---
一. 光电子学的发展进程
1973年 法国 召开了光子学国际会议 The term “LA PHOTONIQUE” was coined by a French physicist to describe the use of photons in ways analogous to the use of electrons.
❖电
荷
-e
0
❖自
旋
l(h)/2
l(h)
三. 光子学与电子学
光子具有的优异特性： • 光子具有极高的信息容量和效率
• 光子具有极快的响应能力 • 光子系统具有极强的互连能力与并行能力 • 光子具有极大的存储能力
四.光电子学、光子学相关学术领域
• 光电子学物理基础研究
• 激光物理学 • 信息光电子学 • 生物光子学及激光医学 • 微光机电集成系统(MEMS) • 光电子武器 • 微波光子学 • 有机光子学与材料 • 光化学与分子动力学 • 能源 ……
支撑技术：
晶体外延生长工艺 --- MBE, MOCVD, CBE
细微加工工艺 --- 电子束光刻, 反应离子刻蚀(RIE)
聚焦离子束注入与刻蚀,
纳米级图形超微细加工 等
五.光电子学发展方向与趋势
集成化是器件发展水平的标志
集成光发射器：LD+EA Mod.，LD +Driver (HBT)
光电子学与光子学讲义-知识要点资料
光电子学与光子学讲义-知识要点《光电子学》知识要点第0章光的本性,波粒二像性, 光子的特性第一章1．了解平面波的表示形式及性质，了解球面波、发散波的特点2．理解群速度的定义及物理意义和光波波前的传播方向的矢量表示、能量的传播方向的矢量表示3．理解描述反射和折射的菲涅尔公式的物理意义，掌握垂直入射情况下的反射率和透射率的计算公式和布儒斯特角4．理解全反射情况下导引波和倏逝波的形成和特点，了解古斯-汉森位移。
5．掌握垂直入射时反射系数的公式，理解反射率和透射率定义，不会计算6．掌握布儒斯特角的定义和特点。
7．掌握光波相干条件。
理解薄膜干涉的物理机制和增透膜、增反膜的形成条件。
8．FP腔的特点和模式谱宽同反射镜反射率之间的关系。
9．了解衍射现象产生条件，理解波动光学处理光的衍射的基本方法。
了解单缝、矩形空、圆孔的衍射图案特征和弗朗和费多缝光栅、衍射光栅、闪耀光栅的特点。
10．理解光学系统的分辨本领的决定因素。
什么是瑞利判据？理想光学系统所能分辨的角距离公式。
第二章1．了解光波导的结构特征和分类，理解平面波导导模形成条件，会利用一种方法推导平面介质波导的导波条件（特征方程），截止状态的特点2．理解光纤色散的概念，掌握材料色散、波导色散、颜色色散、剖面色散、偏振模色散的特点及形成原因3．了解阶跃折射率光纤的分析方法及相关参数的物理意义，会利用V参数计算光纤的结构参数4．掌握光纤中的损耗的成因及分类，掌握损耗的描述和计算。
5．了解G.651、G.652、G.653、G.654、G.655、色散补偿光纤的特点,熟悉G.652的主要参数。
第三章1．了解pn结的空间电荷区的形成、掌握pn结动态热平衡的物理意义。
2．了解pn结外加正向偏压和外加反向偏压时的特性（空间电荷区、势垒以及载流子的变化规律）。
3．掌握LED的工作原理（即pn结注入发光的基本原理）并理解同质结LED 和异质结LED的区别4．掌握LED的内量子效率与外量子效率的物理意义，和有源区半导体材料带隙宽度与发射波长的关系，以及温度等因素对发射波长的影响5．理解LED特性参数（光谱宽度，发散角，输出光功率，调制速度，阈值）的物理意义，了解LED结构的特点。
光子学与光子技术发展战略报告
.光子学与光子技术发展战略报告目录前言随着现代科学技术的飞速发展，人类历史即将进入一个崭新的时代—信息时代。
其鲜明的时代特征是，支撑这个时代的诸如能源、交通、材料和信息等基础产业均将得到高度发展，并能充分满足社会发展及人民生活的多方面需求。
作为信息科学的基础：电子学与电子技术将由微电子学与技术向纳米电子学及分子电子学与技术发展；与此同时，近年来，一个新兴学科—光子学(PHOTONICS)已经峭然兴起，它继电子学之后，又为信息科学的发展提供了一个重要的可靠基础。
对于光子学与光子技术的峭然兴起，世界上技术发达国家，如美国、西欧、日本等都在战略上给以高度重视。
在欧洲、美洲、澳洲以及亚洲等地先后兴建起越来越多的光子学专门科研机构与组织，定期和不定期地举办各类学术交流会议；有越来越多的高等院校已开设出光子学专门课程；光子学领域的研究经费投入量与相应的科研成果的也在明显地逐年扩大；随着光子技术的发展，光子以其所具有的极快响应速度、极大信息容量和极高信息效率在推动信息科学发展中显示出越来越大的竞争力。
光子产业在商品市场的份额在逐年增加，已倍受产业界关注。
不难看出，光子学已经形成一个新兴的独立学科，光子技术作为信息科学的支撑技术将与电子技术相互渗透、补充，并发挥越来越重要的作用。
此篇“光子学与光子技术发展战略报告”是国家自然科学基金委员会政策局在“九五”优先资助领域的基础上安排的软课题，由信息科学部组织队伍开展战略研究所取得的结果。
光子学与光子技术发展战略研究软课题于九六年底立项，课题组由王启明院士、董孝义教授牵头，由十五位各分支学科的专家组成。
在开展研究的过程中进行了大量调查工作。
于一九九七年五月和九月分别在##、##召开两次研讨会形成了“战略研究”的基本框架。
因此，这份“战略研究报告”是我国光子学、光子技术首次在大X围内开展的深入战略研究成果，是众多科学家集体劳动智慧的结晶。
在此值得一提的是南开大学有一批卓有学识的教授，十分关注光子学的发展，他们多次发表有见地的综述性文章，在此次战略研究中发挥了重要作用。
第1次波动理论光子学说
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32
（2）角量子数（l 副量子数）
表示主壳层中的次壳层。
l=0,1,2,3,4,5,...n-1(共n个取值)
spdfgh
次壳层电子个数：
N l
2(2l
1)
2, 6,10,14,18, 32
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3
课程内容
第一部分：激光原理（6周） 第一章 光与物质相互作用基础 第二章 介质中的光增益 第三章 激光振荡与工作特性
第二部分：光纤波导（2周）（光纤传感器） 第四章 光辐射在介质波导中的传播
第三部分：光电检测（2周） 第五章 光辐射的探测 第七章 光电转换器件
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xy xy
h h
zz h
xyzxyz h3
坐标空间体积 动量空间体积
h6.6261034JS普朗克常数
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23
（2）态密度
单位体积内，准单色光（ +d）内所包含的光子状态数目。
设空间体积为V，动量在p～pdp范围内的光子所对应的相体积为：
光电子器件响应快、多通道并行处理能力强、防 电磁干扰及存储能力强。
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应用及产业
一、信息应用类
光纤通讯（宽带网） 光通讯 自由空间通讯
光学信息及图像处理 光 学 传 感 、 探 测 及 测 量 光纤传感器
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应用及产业
二、能量应用类
利 用 激 光 能 量 进 行 的 各 类 材 料 的 加 工 （ 激 光 打 标 ）
纳米光子学技术的发展与应用前景
纳米光子学技术的发展与应用前景第一章引言光子学作为一门研究光学现象和应用的学科，自从上世纪60年代问世以来，一直在不断发展和演进。
而近年来，纳米光子学技术的兴起，进一步推动了光子学领域的发展。
纳米光子学技术以其引人注目的特点，成为研究者们关注的焦点。
本章将介绍纳米光子学技术的发展历程以及相关研究现状。
第二章纳米光子学技术的基础2.1 纳米材料的制备与性质纳米光子学技术的研究需要先进的纳米材料作为基础。
纳米材料是指具有纳米级尺寸的材料，其特殊的性质使其在光子学应用中具有重要的地位。
目前常见的纳米材料包括金属纳米颗粒、量子点和纳米线等。
这些纳米材料具备了优异的光学性能，如表面等离子共振、量子大小效应等。
2.2 纳米结构的设计与制备纳米光子学技术的核心在于纳米结构的设计和制备。
通过精密的设计和制备工艺，可以实现对光的传播、发射和操控的精确控制。
纳米光子学技术的制备方法包括溶液法、化学合成法、等离子体刻蚀法等多种技术手段。
这些方法在纳米结构的制备方面都取得了显著的进展。
第三章纳米光子学技术的应用领域3.1 信息存储与传输纳米光子学技术在信息存储和传输方面具备巨大的潜力。
纳米结构的制备精度可以实现高密度的信息存储，而纳米光子学设备的小型化和高速传输的特点使其在信息传输中具有独特的优势。
基于纳米光子学技术的光学存储器和光纤通信系统已经在现实中得到广泛应用。
3.2 生物医学纳米光子学技术在生物医学领域也有着广泛的应用。
纳米粒子的特殊光学性质使其可以用于生物标记和药物递送等领域。
通过纳米光子学技术，可以实现对单个分子的探测和分析，从而为生物医学研究提供了强有力的工具。
3.3 能源与环境纳米光子学技术在能源与环境领域也有着重要的应用。
纳米光子学材料可以应用于太阳能电池、光催化和光致化学反应等领域，为清洁能源的开发和环境保护提供了新的思路。
第四章纳米光子学技术的挑战与展望4.1 技术挑战纳米光子学技术的研究面临一些技术挑战。
光子计算机技术的研究与开发
光子计算机技术的研究与开发前言：计算机技术的不断发展，已经成为现代社会的不可或缺的一部分。
传统的计算机技术已经无法满足日益增长的数据处理和计算需求。
因此，科学家们正广泛探索各种新的计算机技术，以提高计算机的性能和能效。
其中，光子计算机技术是一种前景非常广阔的新兴计算机技术，已经成为当前计算机领域的热点之一。
第一章光子计算机技术的发展和背景1.1 传统计算机技术的局限性传统计算机技术已经走过了几十年的时间，已经有很多方面取得了很大的进步。
但是在处理大量数据和计算复杂问题的时候，传统计算机技术仍然存在严重的局限性。
主要表现为以下几个方面：（1）能耗过高，计算速度慢。
（2）在处理大量数据时存在瓶颈。
（3）在面对带宽和延迟问题时遇到挑战。
（4）现有计算机的传输距离有限。
1.2 光子计算机技术的优势相比于传统计算机技术，光子计算机技术具有以下几个优势：（1）计算速度快：光子计算机技术采用了光子器件进行计算，光速的极限使光子计算机可以在瞬间完成计算任务。
（2）能耗低：光子计算机技术大大降低了能耗，因为光子电路可以避免传统计算机电路中的功率损耗。
（3）容量大：光子计算机技术采用的是光子芯片，可以容纳大量的计算元件，因此可以处理大量的数据。
（4）传输距离远：光子计算机技术的光子信号可以在大距离范围内传输，其传输延迟也非常小。
第二章光子计算机技术的原理2.1 光子计算机的基础结构光子计算机主要由以下几个部分组成：模块信号的光源，数据输入输出接口，光子器件（基元件、中间传感器），处理器和控制器等。
其中，在受到输入数据后，模块信号的光源向输入数据信号传输波长和能量，数据输入输出接口负责光子信号的输入和输出，控制器则负责整个计算过程的控制。
2.2 光子计算机的工作原理光子计算机技术实现跟传统计算机的工作原理不同，它是基于光信号的计算法则。
光子计算机技术是通过光子器件进行计算，光子芯片和光子基元件是光子计算的基础元器件。
关于《Nanophotonics》一书的介绍与评价
关于《Nanophotonics》一书的介绍与评价张立彬（教育部南开大学外国教材中心副教授）陆文强（南开大学物理科学学院博士、副教授）由美国巴法罗大学化学系（Department of Chemistry,University at Buffalo）Paras N.Pradsd教授主编的《Nanophotonics》（纳米光子学）于2004年由John Wiley&Sons,Inc公司(Hoboken，New Jersey)出版，并在加拿大同时出版，全书共415页。
[1]该书包含纳米光子学的基本原理和涉及纳米技术、光子学和生物学等集成的各种应用，是一本概念宽泛的涉及多学科的基础参考资料。
一、前言纳米光子学主要研究纳米结构中电子与光子的相互作用及其器件，是一门光子技术与纳米电子技术相融合而开拓出的崭新学科。
纳米制造技术是21 世纪的关键技术之一, 基于纳米制造技术的微纳结构将引起光子技术的巨大进步。
在集成电路、光波导、生物光子学等方面纳米光子技术都有很大的应用前景。
纳米光子学是近期国内外研究的热点领域, 已取得众多科技成果。
超常介质(metamaterial) 指的是具有天然物质不具有的特性的人造物质/结构, 如介电常数和磁导率同时为负的介质(这时介质的折射率小于零, 能够放大倏逝波, 从而实现“超透镜效应”, 极大地提高了透镜成像的分辨率)。
近几年来, 国内外书籍都介绍了纳米光子学这门新兴学科。
国内相关书籍较少，科学出版社于2010年出版的何赛灵、戴道锌编著的《微纳光子集成》，以236页的篇幅比较系统的介绍了光子集成理论以及制备技术。
[2]另外，2010年，张镇西等人对《Nanophotonics》进行了翻译工作，西安交通大学出版社出版了本书中文翻译版本《纳米光子学》，[3]可以作为理解原著的重要参考书目。
国外相关书籍则比较多：2006年Cambridge University Press出版的Lukas Novotny与Bert Hecht主编的《Principles of Nano-Optics》以539页的篇幅，对纳米光学中的重要概念做出了深入浅出的解析[4]；2008年CRC Press/Taylor & Francis出版的Motoichi Ohtsu编写的《Principles of Nanophotonics》以228页的篇幅，通过光学近场介绍了一种独特的理论模型来描述系统内部物质间的相互作用[5]；2008年National Academies Press,出版的National ResearchCouncil (U.S.) Committee on Nanophotonics Accessibility and Applicability 编写的《Nanophotonics: accessibility and applicability》以218页的篇幅简要介绍了纳米光子学的基本原理[6]。
光子学基础
光 纤 通 信
光纤通信使互联网 从初期的军用研究 普及到全社会和千 家万户
通信容量
Gb/s 1000
光纤通信带宽发掘史
波分复用技术!
WDM 点 对点
WDM 点 对点
WDMBandwidth Mining ! WDM全光网？
100
(Multi- Wavelength P to P)
10
1.0
单波长点对点 (Single Wavelength P to P)
1. 光子的特性
（3）光子具有极强的互联能力与并行能力 电子之间有相互作用，它们之间无法交联， 成为限制电子信息处理速率与容量的一个 主要因素。另外，在电子技术中，电子信 息也只能串行提取、传输和处理，这是另 一个限制电子信息处理速率和容量的主要 因素。 光子不带电，具有良好的空间相容性。
1. 光子的特性
2. 光子学的提出
1970年在第九届国际高速摄影会议上，荷兰科学家 Poldervaart首次提出关于光子学的定义规范，他 认为，光子学是“研究以光子为信息载体的科学。 1973年 法国举办了一次国际光子学会议，出版了« 光子学»一书，汇集了半导体激光、材料的非线性 效应等会议论文。 1978年第13届国际高速摄影会议更名为国际高速摄 影和光子学会议。
激光医疗
激光和光纤
（传像光纤和传能量光纤）
可 能帮助找寻到攻 克 危害人类的 心赃病,癌症 等 疾病的方法 激光 诊断, 手术和治 疗： 激光层析造影 激光荧光 诊断 光动力学治疗(PDT)技术 激光 心赃 打孔 激光光纤内窥镜手术
...
量子信息科学
量子力学曾经间接地导致晶体管，激光等的发 明, 但是它并未作为一种“资源”而直接应用. 量子信息学是量子力学“资源” 的直接应用, 是量子力学与信息科学相融合的交叉学科。
光电子学第一章
一、光波和光子
光的粒子性—光子
光是粒子 它具有能量E 和动量P
按爱因斯坦假设 能量 E=h，因为E=mc2
P E h h
子运动，使其减速，从而降
光学粘胶的实验系统
低了原子温度。
1995年，24pK(2.4×10-11K)
一、光波和光子
日本的“伊卡洛斯”太阳帆
“太阳帆”是“依靠太阳辐射加速的星 际风筝-飞行器 ”的缩写，发音听起来
很像是希腊神话人物伊卡洛斯 （Icarus），他曾借助鸟羽飞翔。
美国“光帆1号”
由特种铝材和太空塑料制成，总重量 不超过4.5公斤。由四个小帆板组成， 530．93平方米，厚度小于50μm，光压
h h 1.781010 (米)
2mE 2mk BT
常温下中子的波长大约比光波长小三个数量级。
一、光波和光子
粒子的波动性
速度为10米/秒的棒球，质量为1.0kg。试求其德布洛
意波长?
h p
h mv
6.61034焦耳 秒 1.010千克米/ 秒
6.6 1035 米
电子显微镜的线分辨率约等于德布洛意波长，使用的 电压为100仟伏，求这台电子显微镜的理论极限?
光子动量：
c c
光子质量： m E h 1
c2 c
光子质量与波长成反比
一、光波和光子
粒子的波动性
1924年法国物理学家德布洛意(de Broglie)在光的二象性的 启发下，提出实物粒子，例如：电子、原子、中子等也具 有波粒二象性的假设。粒子的能量E和动量P与 “粒子波” 的频率ν和波长λ之间，德布洛意借用了光子的波粒二象关 系式把物质波也表示为：
光子的发展历程
光子的发展历程光子的发展历程可以追溯到19世纪末至20世纪初的电磁辐射研究。
以下是光子发展的一些重要里程碑：1. 1887年，德国物理学家荷兴根(Hermann von Helmholtz)提出了电磁辐射波动理论。
他认为光是一种由电磁场振荡产生的波动现象。
2. 1900年，德国物理学家普朗克(Max Planck)提出了量子理论。
他认为辐射与吸收的能量是离散分布的，而不是连续的。
这一理论的提出奠定了光子学的基础。
3. 1905年，爱因斯坦(Albert Einstein)在解释光电效应时引入了光子的概念。
他认为光是由粒子状的能量量子组成，并且每个能量量子被称为光子。
这一理论解释了光电效应中电子被光子激发的现象。
4. 1917年，美国物理学家、诺贝尔奖得主康普顿(Arthur Compton)发现了光的散射现象，并提出了著名的康普顿散射理论。
他的研究证明了光子具有粒子的特性，并且与物质相互作用时会发生散射。
5. 1924年，法国物理学家德布罗意(Louis de Broglie)提出了波粒二象性理论。
他认为光子既可以表现出波动特性，也可以表现出粒子特性。
这一理论为量子力学的发展提供了重要的基础。
6. 1987年，美国物理学家菲利普斯(William D. Phillips)和德国物理学家温纳(Reinhard Genzel)以及美国物理学家加尔宾(Eric Allin Cornell)实现了玻色-爱因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensate)的实验，该实验证明了光子能够表现出波动性以及粒子性。
以上是光子发展的几个重要历程，这些研究对于我们对光子以及其在光学、电子学和通信等领域的应用有着重要的意义。
电子信息科学技术导论 第2版第一章课后答案
1-7简述你所使用或了解的信息技术应用热点。
答：量子计算机、5G通信、物联网以及人工智能等等方面，根据个人理解情况回答。
1-4什么是信息技术？它包括哪些主要技术？它的发展趋势怎样？
答：信息技术是在信息科学的基本原理和方法的指导下扩展人类信息功能的技术，是对信息进行采集、传输、存储、处理、应用的各种技术之和。
信息技术主要包括传感技术、通信技术、计算机技术和控制技术。
未来信息技术的发展趋势：（1）核心技术是光电子技术，信息技术在经历电子、光电子发展之后，会逐渐步入以光子学为研究和发展重点的新阶段。（2）微电子技术向系统集成方向发展，未来集成电路产品的集成度会更高，芯片面积会更大，特征尺寸会更小，系统会更加完善。（3）网络技术向多业务、高性能大容量方向发展。（4）计算机技术向多媒体、智能化方向发展。
信息不同于消息，消息只是信息的物理表现，信息是消息的内涵。
信息不同于信号，信号是与消息相对应的物理量，是消息的物理载体。信号携带信息，但不是信息本身。
信息不同于数据，数据是对客观事物进行记录并可以鉴别的符号，是客观事物的属性、数量、位置及其相互关系等的抽象表示。数据是信息记录的基础，信息一般通过数据来表示，信息加载在数据之上，并对数据做出具有含义的解释。
答：信息科学是研究信息及其运动规律的科学，是由信息论、控制论、计算机科学、仿生学、系统工程与人工智能等学科互相渗透、互相结合而形成的。
信息科学的主要研究内容可归纳为：（1）探讨信息的基本概念和本质；（2）研究信息的数值度量方法；（3）阐明信息感知、识别、变换、传递、存储、检索、处理、再生、表示、施效（控制）等过程的一般规律；（4）揭示利用信息来描述系统和优化系统的方法和原理；（5）寻求通过加工信息来生成智能的机制和途径。
光学发展简史教案
光学发展简史教案第一章：引言教学目标：1. 了解光学的基本概念和发展历程。
2. 掌握光学的应用领域和重要性。
教学内容：1. 光学的基本概念：光的定义、光的特性。
2. 光学的发展历程：古代光学、近现代光学、现代光学。
3. 光学的应用领域：照明、通信、医疗、能源等。
教学活动：1. 引入话题：通过展示光的传播现象，引发学生对光学的兴趣。
2. 讲解光的定义和特性：介绍光的传播、反射、折射、干涉等基本现象。
3. 介绍光学的发展历程：讲解古代光学的发展，如托勒密的光学理论；近现代光学的发展，如牛顿的光学实验；现代光学的发展，如激光技术的应用。
4. 探讨光学的应用领域：通过展示光的通信、医疗、能源等应用实例，让学生了解光学在现实生活中的重要性。
作业：1. 复习光学的基本概念和特性。
2. 研究光学在通信、医疗、能源等领域的应用案例。
第二章：古代光学教学目标：1. 了解古代光学的发展和贡献。
2. 掌握古代光学理论的基本原理。
教学内容：1. 古代光学的发展：古希腊、阿拉伯、中国等文化对光学的发展。
2. 古代光学理论：光的传播、反射、折射等现象的解释。
教学活动：1. 回顾光的传播现象：通过实验或图片展示，让学生复习光的传播。
2. 讲解古代光学的发展：介绍古希腊、阿拉伯、中国等文化对光学发展的贡献，如托勒密的光学理论。
3. 讲解古代光学理论的基本原理：解释光的传播、反射、折射等现象的解释，如反射定律、折射定律。
作业：1. 复习古代光学的发展和贡献。
2. 理解古代光学理论的基本原理。
第三章：近现代光学教学目标：1. 了解近现代光学的发展和重要成果。
2. 掌握近现代光学实验和理论的基础知识。
教学内容：1. 近现代光学的发展：牛顿的光学实验、光的波动说、光谱分析等。
2. 近现代光学理论的基础知识：光的波动说、光的粒子说、光的干涉和衍射等现象的解释。
教学活动：1. 回顾光的传播现象：通过实验或图片展示，让学生复习光的传播。
2. 讲解近现代光学的发展：介绍牛顿的光学实验，如光的折射定律；讲解光的波动说，如杨氏双缝干涉实验；介绍光谱分析的应用。
oe2010_01
光电子系统
光纤通信系统 光纤传感系统
光电子学（2010秋） 王志
绪论
光电子技术涉及的领域
光通信系统
光源：半导体激光器 光电调制器 导波介质：光纤 光纤放大器：EDFA，补偿损耗 信号整形：补偿色散等影响 光电探测器：PIN光二极管、光电倍增管 波分复用器件：WDM、OADM
光子集成回路PIC（Photonic Integrated Circuit）
根据系统功能的要求把许多相同的或不同的光器件（光电子器件）优化 集成在一个芯片上，组成高密度的二维面阵，从而实现光信息传输与交 换处理等功能。
光电子集成回路OEIC（Optoelectronic Integrated Circuit）
电子学 Electronics
•光子可以控制电子的运动（如光电探测器、光电池）； •电子也可以产生和控制光子的运动（如半导体激光器，电光调制器）
光电子学（2010秋） 王志
绪论
光电子学主要研究的波长
~ 1mm：THz波，介于微波和光之间
~ 800nm：Ti:Sapphire激光器（飞秒激光）； ~1000nm：掺Nd3+、Yb3+ 激光器（高功率光
WDM
光电子学（2010秋） 王志
绪论
光电子技术涉及的领域
SLED
FFP-TF
A
B
10%
F 3dB
FFP-TF Driver GC
PD
PD
+-
Subtracter
3dB C 3dB D
FBG arrays
科学光单元教案
科学-光-单元-教案第一章：光的概述教学目标：1. 了解光的定义和特性。
2. 掌握光的传播方式和速度。
3. 理解光的反射和折射现象。
教学内容：1. 光的定义和特性：介绍光是一种电磁波，具有波动性和粒子性。
2. 光的传播方式：讲解光的直线传播和波动传播。
3. 光的速度：介绍光在真空中的速度为299,792,458米/秒。
4. 光的反射和折射现象：解释光的反射定律和折射定律。
教学活动：1. 引入光的定义和特性，引导学生思考光的日常生活中的应用。
2. 通过实验或图片展示，让学生观察光的传播方式和效果。
3. 讲解光的速度，引导学生进行相关计算练习。
4. 通过实验或模拟实验，让学生观察光的反射和折射现象。
第二章：光的折射教学目标：1. 理解折射现象的原理。
2. 掌握折射定律及其应用。
3. 能够计算光的折射角度。
教学内容：1. 折射现象的原理：介绍光从一种介质进入另一种介质时速度改变导致方向改变的现象。
2. 折射定律：讲解斯涅尔定律，即n1sin(θ1) = n2sin(θ2)，其中n1和n2分别为两种介质的折射率，θ1和θ2分别为入射角和折射角。
3. 折射定律的应用：介绍透镜和眼镜的制作原理。
4. 计算光的折射角度：引导学生进行折射角度的计算练习。
教学活动：1. 引入折射现象的原理，引导学生思考折射在日常生活中的应用。
2. 通过实验或模拟实验，让学生观察光的折射现象。
3. 讲解折射定律及其应用，引导学生进行相关计算练习。
第三章：透镜和光学仪器教学目标：1. 了解透镜的类型和特性。
2. 掌握透镜的光学性质和应用。
3. 了解常见光学仪器的原理和构造。
教学内容：1. 透镜的类型：介绍凸透镜和凹透镜的定义和特点。
2. 透镜的光学性质：讲解焦距、放大倍数和像距等概念。
3. 透镜的应用：介绍透镜在眼镜、相机和显微镜等光学仪器中的应用。
4. 常见光学仪器的原理和构造：讲解相机、显微镜和望远镜等光学仪器的原理和构造。
教学活动：1. 引入透镜的类型和特性，引导学生思考透镜在日常生活中的应用。
光子学的发展与重点研究方向介绍
光子学的发展与重点研究方向介绍光子学是光的产生、传输和控制的学科，是物质与光相互作用的分支学科，它研究光的传播、变换和控制的规律。
近年来，光子学作为一门新兴的学科，在科研方向上取得了令人瞩目的成果。
本文将介绍光子学的发展历程以及当前的重点研究方向。
光子学的发展历程可以追溯到十九世纪末。
那时，光的波动理论已经发展得相当成熟，然而光的粒子性质仍然是个谜。
直到二十世纪初，波尔提出光的量子理论，揭示出光的波粒二象性。
这项理论的诞生使得人们对光的产生、传输和控制产生了新的认识，开启了光子学的新篇章。
在光子学的发展过程中，有几个重要的里程碑事件。
例如，激光的发明和应用是光子学史上的重要节点。
激光具有高度的单色性、方向性和相干性，它在通信、医疗、材料加工等领域有着广泛的应用。
此外，光纤通信技术的发展也为光子学的研究提供了新的机遇。
光纤通信技术利用光子学原理实现了信息传输的高速和远距离传输，极大地改变了人们的生活方式。
当前光子学的研究方向主要包括激光技术、光纤通信、光子器件和光子材料研究等。
激光技术是光子学研究中的重要方向之一、随着技术的不断进步，目前已经实现了各种类型的激光器，如气体激光器、固体激光器、半导体激光器等。
激光器的发展不仅为科学研究提供了强大的工具，还广泛应用于生物医学、材料加工、光纤通信等领域。
光纤通信是光子学的另一个重要研究方向。
随着互联网和移动通信的快速发展，人们对传输速度和带宽的要求越来越高。
而光纤通信技术能够满足这一需求，它利用光的传输优势实现了高速、远距离和大容量的信息传输。
当前的研究重点主要包括提高光纤的传输性能、增大光纤的带宽和研发新型的光纤材料。
光子器件的研究也是光子学的重点之一、光子器件是用于产生、转换、操控和探测光信号的设备。
目前，光子器件的研究主要集中在材料的制备和器件的设计优化上。
研究人员通过改变材料的性质和结构，实现对光的控制和调制。
光子器件广泛应用于光通信、光存储、光传感等领域。
光子学的发展与重点研究方向(很牛的综述)介绍
第一章光子学的发展与战略地位【目录】第一章光子学的发展与战略地位1.1 光子学的内涵1.2 光子学与电子学1.2.1 光子具有的优异特性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1.2.2 光子学与电子学的相互补充、共融与促进关系1．3光子学的发展及其意义第二章光子学的重要分支学科及其发展2.1 基础光子学2.1.1 量子光学1, 光场的量子噪声2, 光场与物质相互作用中的动量传递3, 腔量子电动力学4, 量子光学近期的研究重点2.1.2 光量子信息科学1，量子计算机2，量子密码术3，量子通信4，量子检测5，量子态的制备与操作6，量子信息科学近期的研究重点2.1.3 分子光子学1, 限域腔（量子阱、量子点等）中电子态的量子电动力学2, 有机—无机界面对光量子的增强效应3, 分子光子学中的光物理过程的研究4, 光电和电光转换原型器件研究5, 近场光学在分子光子学中的应用6, 分子光子学近期的研究重点2.1.4 超快光子学1, 超快光子学器件的研究状况2, 超快光子学中的超快过程与超快技术(1) 飞秒半导体物理(2) 飞秒化学中分子动力学过程(3) 生物光合作用的超快过程(4) 飞秒光电子技术(5) 飞秒光谱全息技术(6) 光层析(OCT)及光子成象技术3, 超快、超强激光物理4，超快光子学近期的研究重点2.1.5 非线性光子学1, 变频效应的扩展研究(1) 非线性变频效应及晶体研究向深紫外与中红外波段扩展(2) 准相位匹配(QPM)变频技术的理论与实验研究(3) 高场效应与高阶谐波的产生2, 激发态光学非线性的研究3，低维半导体材料中光学非线性增强效应研究4，有机光学非线性材料研究5，光纤材料中光学非线性效应的研究2.2 光子学器件2.2.1 光子学器件的分类1, 光子控制器件(1) 光调制与开关器件(2) 光纤器件，全光纤器件2, 光子探测器件(1) 半导体光电二极管(2) 红外探测器(3) 固体成象器件3, 光子源器件(1) 激光器件A 作为信息载体的光子源B 作为能量载体的激光器(2) 激光放大器(3) 发光器件2.2.2 新型激光器1, 激光器发展概况2, 固体激光器(1) 半导体激光器A 小功率LDB 高功率LD(2) 全固化激光器(3) 固体可调谐激光器A 固体可调谐激光材料B 掺钛蓝宝石激光器a，连续运转钛宝石激光器b，脉冲运转钛宝石激光器c，可调谐钛宝石激光器3, 高功率激光器(1) 高平均功率准分子激光器的研究(2) 高平均功率固体板条激光器4, 自由电子激光器5, 极紫外与X射线激光器6, 新型激光器的近期研究重点2.3 信息光子学2.3.1 光纤光子学1, 光导纤维—光纤(1) 光纤的主要特性A 光纤的传输损耗与色散B 光纤的非线性效应C 特种光纤(2) 掺杂光纤A 激光效应B 光致折射率变化(光折变)效应2, 光纤的主要应用(1) 信号传输波导(2) 光纤光子器件A 光纤光子源B 光子开关C 光纤传感器3, 全光纤集成4, 光纤光子学近期的研究重点2.3.2 光通信技术1, 光纤通信的发展与挑战(1) IM/DD光通信的发展(2) 现行光纤通信系统的症结与挑战2, 新一代光纤通信系统(1) 复用光纤通信(2) 光孤子通信(3) 相干光通信(4) 量子光通信3, 全光通信的发展(1) 全光纤器件与光子回路A 光纤放大器与光纤激光器B 光纤光栅光子器件C 光子回路(2) 全光纤集成与全光通信4, 光通信的相关应用领域(1) 光纤传感技术(2) 光纤网络技术5, 光纤通信技术的近期研究重点(1) 光纤通信技术的近期研究重点(2) 光纤传感技术的近期研究重点2.3.3 光子信息处理技术1, 光子信息处理的发展(1) 光信息处理A 模拟光学处理a, 特征识别的光学相关器b, 综合孔径雷达光学成像c, 光学神经网络d, 光学小波变换B 数字光学图像处理C 数字光计算及系统D 光电子处理(2) 光互连和交换技术A 光子交换网络B 电子计算机中的光互连(3) 空间光调制器及光学阵列器件(4) 光子学处理系统的微型化和集成化组装技术A 光学元件的微结构化B 光学系统的微小化C 堆栈集成D 平面光学E 双折射光学模块F 光机械组装2, 光子信息处理技术的近期研究重点2.3.4 光子存贮技术1, 光子存储技术的发展(1) 新材料、新器件为光子存储提供了发展基础和条件(2) 先进的光子存储技术开发A 双光子吸收存储B 光谱烧孔存储C 光子回波存储D 光折变存储2, 先进的光子存储系统(1) 全息数字-数据存储系统，角度/空间编码(2) 位移多路编码(3) 光折变晶体光纤数据存储(4) 大型关系数据库的体全息存储(5) 医学图象的数字体全息存储3, 光子存储技术近期的研究重点(1) 先进的光子存储材料的探索与研究(2) 光子存储技术中关键元器件的研究与研制(3) 对光子存储技术新方法、新技术的研究与探索(4) 自由空间电荷场及其波场在介质中传输的理论研究(5) 光子存储中的近场光学与光子力研究(6) 先进的实用化光子存储装置或系统的研制2.3.5 光子显示技术1, 光子显示器件2, 光子显示技术发展(1) 寻址方式的CRT(2) 以液晶显示为主导FPD技术(3) 以PDP和FED为代表的自发光平板显示(4) DMD变形微镜显示(5) VLSI显示技术3, 光子显示技术近期研究重点2.4 集成光子学与微结构集成光学2.4.1 集成光子学与微结构光子学的内涵与意义1, 半导体光子学的重大突破(1) 介质光栅反射器(DBR)(2) 量子阱超晶格人构改性多功能材料(3) 垂直腔面激光器(VCSEL)2, 半导体光子集成的内涵与进展(1) 光子功能集成A 超大容量传输波分复用激光发射器B 光频外差PIC光接收机(2) 光子面阵集成A 高密度自电光效应器件(SEED)光双稳开关集成面阵B 高密度垂直腔面发射激光器(VCSEL)集成面阵(3) 互连布线的光子集成(4) 光子集成(PIC)与光电子集成(PEIC)3, 微结构集成光学的内涵与进展4, 半导体集成光子学的基础内容(1) 介质光栅的研究(2) 非线性光学效应的利用(3) 微光学腔(4) 量子阱、超晶格(5) 应变层能带工程5, 微结构集成光学研究的基础内容(1) 超高频光栅理论与制备工艺研究(2) 波导光栅的理论与制备技术的研究(3) Si基新型光折变材料的研究(4) Si基纳米微机械器的优化设计与实现研究2.4.2 半导体集成光子学与微结构集成光学研究现状与发展趋势1, 半导体集成光子学的主要成就及应用发展(1)信息传输系统中的半导体光子学(2)信息入网与交换系统中的半导体光子学(3)信息处理系统中的半导体光子学(4)信息存储系统中的半导体光子学2, 微结构集成光学的研究现状(1) 二维波导结构的集成光学系统(2) 自由空间三维集成光学系统(3) 三维微结构的光、机集成2.4.3 集成光子学与微结构集成光学研究的重点与发展战略1, 集成光子学的研究重点(1) Bragg介质光栅的优化设计与多功能研究(2) 室温激子效应及光折变效应的研究(3) 微光学腔光场量子化特性及腔内光子与激子耦合过程的研究(4) 能带工程的应用研究(5)有重要应用前景的光子集成器件与集成单元的基础性研究2, 微结构集成光学的研究重点2. 5 生物医学光子学2.5.1 生物光子学1，生物系统的光子发射(1)生物系统的自发超弱发光(2) 生物超弱发光的成像(3) 生物系统与细胞之间的光通信(4) 生物系统的诱导发光2，光子技术在生物科学中的应用(1) 荧光探剂与激光扫描共焦显微术(2) 多光子荧光成像技术(3) 光钳和单分子操作2.5.2 医学光子学1，医学光子学基础(1) 光在生物组织中的传输理论研究(2) 光传输的蒙特卡罗模拟计算(3) 组织光学参数的测量方法和技术(4) 生物组织折射率及其色散关系(5) 组织光学理论工作的几点思考2，医学光子技术(1) 医学光谱技术A生物组织的自体荧光与药物荧光光谱。
1-- 绪论;第一篇—第一章：几何光学的基本原理(10物理)
1. 光的直线传播定律 在均匀介 质中，光沿直线传播 .光的直线 传播是我们日常生活中司空见 惯的现象.
2. 光的反射定律 反射光线、入 射光线总是和法线处在同一平 面(入射面)内，入射光线和反射 光线分居于入射点界面法线的 两侧，反射角等于入射角.
入射光线
i
反射光线 法线
i
i i
3. 光的折射定律 折射光线与入 射光线和法线同处在一个平面 上，入射光线和折射光线分居 于法线两侧；入射角与折射角 的正弦之比是一个取决于两介 质光学性质及光的波长的常量.
• 原子光谱结构的规律性的研究 引导到 • 黑体辐射能量的光谱分布研究 能量量子化概念的产生
普朗克提出能量量子化假设
Max Planck 1858----1947
1900年
• 光电效应的研究 ↓ 1905年 光的量子理论—光子的概念 **光具有波粒二象性！
1879----1955 Albert Einstein
2. 20世纪前的学科发展简史 ——经典光学阶段 1.1 光的微粒说
观点：光是发光体发射出的微 小粒子，所以光是沿着 直线行进的。
1642----1772 Sir Isaac Newton
它可对光的反射、折射现象 做一定的解释，但得出光的 V水>V空的结论。
对光的本性的认真探讨，应该说是从17 世纪开始。
1.2 光的机械波动说
观点：光是一种在“以 太”的弹性介质中 传播的机械波。
1629----1695
十七世纪晚期Huygens提出了 波动（纵波）理论，认为光是一 种特殊的波而不是粒子集合。
19世纪初Thomas Young和菲 涅耳等人的理论和实验工作，把光 的波动理论大大向前推进。
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光子具有的优异特性
1、光子具有极高的信息容量和效率 光子可承载信息的容量起码比电子高出
3～4个量级，即千倍以上。一个载子可承载 的信息量为信息效率。如果考虑到光子的数 字编码与光子的统计特性等，光子的信息效 率远远高出电子。
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
电子有电荷，因此电子与电子之间 存在库仑作用力，这就使得它们彼此间 无法交连。
对于光子来说，在这些方面恰恰 显示出特有的优势。光子无电荷，彼 此间不存在排斥和吸引力，具有良好 的空间相容性等，这些似乎都是光子 的“天赐秉性”。
4、 光子具有极大的存储能力
光子学的内涵
贝尔实验室著名的Ross教授为光子学作 了一个颇为广义的定义 ：
“电子学是关于电子的科学”，光子学则 应是“关于光子的科学”。
钱学森教授提出，“光子学是与电子学平 行的科学”，它主要“研究光子的产生、 运动和转化”。他还首次提出了“光子 学—光子技术—光子工业”的关于光子学 的发展模式。
光子学重要的研究领域
基础光子学 量子光学、分子光学、非线性光学、
超快光子学等已经成为基础光子学中逐渐 趋于成熟的分支学科，它们对技术光子学 的推动和促进作用也日趋卓然 。
光子学与电子学
电子与光子是当今和未来信息社会的两个 最重要的微观信息载子，对它们的研究分 别隶属于电子学与光子学的范畴。电子与 光子除了具有能够承载信息的共性外，它 们还有各自的个性。
光子学的内涵
1994年我国关于光子学定义、内涵及研究范围， 较为一致的见解是：
光子学是研究作为信息和能量载体的光子行 为及其应用的科学。或者广义地讲，光子学是关 于光子及其应用的科学。
在理论上，它主要研究光子的量子特性及其在与物 质(包括与分子、原子、电子以及与光子自身)的 相互作用中出现的各类效应及其规律；
电子技术中，电子脉冲脉宽最窄限度在纳 秒(ns，10-9s)量级，因此在电子通信中信 息速率被限定在Gb/s (109bit/s )量级 。
光子脉冲可轻易做到脉宽为皮秒(ps， 10-12s)量级。实际上，现在实验室的光子脉 冲宽度水平已达到小于10个飞秒(fs,10-15s) 量级。而且，近两年有望实现2～3个fs，即相 当一个光学周期的宽度。因此使用光子为信息 载体，信息速率能够达到每秒几十、几百个 Gb，甚至几个、几十个Tb(1012bit/s)都是 可能的。
电学 → 电子学 → 电子回路 → 电子集成 → 电子系统 → 电子工程→电子产业
光学 → 光子学 → 光子回路 → 光子集成 → 光子系统 → 光子工程 →光子产业
光子学发展的意义
特别是最近几年里，光子学的发展更 为引人注目。
在美国，对光子学及其技术的发展与应用 已予以高度重视。1991年政府将光子学 列为国家发展的重点，认为光子学“在国 家安全与经济竞争方面有深远的意义和潜 力，并且肯定，通信和计算机研究与发展 的未来世界属于光子学领域”。为此，美 国已建立诸多“光子学高技术研究中心”。
光子学与电子学的相互补充、共融与促进关系
光子人们在认识和利用上还不成熟， 这是其最大的薄弱点。而恰恰在这方面电 子学显示出优势。对于电子无论是在理论 上，还是在实际应用上都已相当成熟。 电 子已经深入社会，乃至家庭的方方面面。 因此有人讲，利用光子学的优越性与电子 学的成熟性相结合，即可创造出一系列新 的奇迹。在这个意义上讲，光子与电子是 一对孪生的天然伙伴。
光子学发展的意义
在欧洲，近年来也相继建立了研究与开发 光子学的 联合机构。在德国，政府已确定 “光子学是下个世纪初对保持德国在国际 技术市场上的先进地位至关重要的九大关 键技术之一”。
在日本，对发展光子学及其产业尤为重视， 特别是近些年来，日本已在光子学材料和 器件的研究与开发上显示出优势，并且对 美国和欧洲构成威胁。
光子学发展的意义
光子学即将成为“改变世界技术 的杠杆，用它可以转动世界力量的均 衡。在今后世界各国经济实力与国防 力量的较量中，光子学必定占据极其 重要的位置”。
在应用方面，它的研究内容主要包括光子的产生、பைடு நூலகம்传输、控制以及探测规律等。
光子学重要的研究领域
信息光子学(INFOPHOTONICS) ——光子学与信息科学的交叉已经形成一门新兴的
学科。 生物医学光子学(BIO-MEDOPHOTONICS)。
生物医学光子学就是用光子来研究生命的科 学，它是光子学和生命科学相互交叉、相互渗透 而产生的边缘学科。它涉及生物系统以光子形式 释放的能量与来自生物系统的光子的探测，以及 这些光子携带的有关生物系统的结构与功能信息， 还包括利用光子对生物系统进行的加工与改造。
第一章 光子学的发展与战略地位
光子学的内涵
荷兰科学家Poldervaart首次提出关于光子学的 定义规范 光子学是“研究以光子为信息载体的科学”, “以光子作为能量载体的科学”.
美国《PHOTONICS—spectra》，提出光子学是 “研究发生与利用以光子为量化单位的光，或其 他辐射形式的科学”，并认为，“光子学的应用 范围从能量的发生到通信与信息处理” 。
不同于电子存储，光子除能进行一维、 二维存储外，尚能完成三维存储。再考虑 频率“维”等，可用于存储的参量很多， 因此，可以说，光子具有极大的存储能力。
对于光来说，这个量为其波长(λ)量级， 因此，三维存储容量为(1/λ)3量级。
另外一个显著特点是并行存取，即 信息写入和读出都是“逐页”进行的， 并能与运算器并行连接，由此速度很快。 加之光子无电荷，既能防电磁干扰，读 取准确，又不产生干扰，具有保密性。 这样一些优点，都是“电子”无法与之 相媲美的。