光电子学与光子学讲义-Chapter0-perface
光电子 和 光子学原理 第一章 2014-03-6
光从一个更稠密介质n1和一个不太致密的介质N2之间的边界处的全内反射是伴随着在边界附近的介质2的渐逝波传播。
发现这一波的函数形式，并与距离的讨论如何将其因人而异进入介质2。
其具有的Y衰减为振幅。
注意，被忽略，因为它意味着光波在介质2的振幅，因此强度的增长。
这里考虑的行波的一部分，这是在z波矢，即，沿边界。
从而渐逝波在z 传播。
此外，这意味着该传输系数。
必须是这是一个实数，并且是相变所指示的复数。
注意，不，但是，改变传播沿z和沿y中的渗透的一般表现。
B 强度，反射率，透射率它是经常需要计算的反射波和透射波的强度或照度当光在指数n1的介质行进，入射在一个边界，在那里的折射率变化到n2。
在某些情况下，我们简单地在垂直入射那里是在折射率的变化感兴趣的..对于光波行进机智速度v与相对介电常数ε的介质时，光强度L是在电场振幅e作为定义的。
这里表示在每单位体积的场的能量。
当由速度v乘以它给在该能量通过一个单位面积传输的速率。
反射率R的措施，以使入射光和反射光的强度可以单独用于电场分量平行和垂直于入射面被定义。
虽然反射系数可以是复数，可以表示相位变化，反射率是一定表示强度变化的实数。
复数幅度限定在其产品而言，其复数共轭。
由于玻璃介质具有大约1.5的折射率，这意味着通常在空气- 玻璃表面上的入射辐射的4％被反射回透射吨涉及发射波到以类似的方式对反射入射波的强度。
我们必须，但是，考虑到透射波是在一个不同的媒介，也是其相对于边界方向与入射波的不同折射。
对于垂直入射时，入射光和透射光束是正常和透射率被定义.光的部分反射和透射部分必须经过叠加。
例：疏介质反射光的（内部反射）光的光线是行驶在折射率为n1的玻璃介质=1.45变为事件折射率n2=1.43的密度较小的玻璃介质。
假定光线的自由空间波长为1微米。
A 一个我应该为TIR最小入射角是什么？B 什么是当a =85，反射波的相位变化- 90？考虑光在法向入射上的折射率1.5与空气的折射率1的玻璃介质之间的边界处的反射。
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-作业答案(第1、2章)13版.doc
第一章1.10 Refractive index(a) Consider light of free-space wavelength 1300 nm traveling in pure silica medium. Calculate the phase velocity and group velocity of light in this medium. Is the group velocity ever greater than the phase velocity?(b) What is the Brewster angle(the polarization angle qp) and the critical angle(qc) for total internal reflection when the light wave traveling in this silica medium is incident on a silica/air interface. What happens at the polarization angle?(c) What is the reflection coefficient and reflectance at normal incidence when the light beam traveling in the silica medium is incident on a silica/air interface?(d) What is the reflection coefficient and reflectance at normal incidence when a light beam traveling in air is incident on an air/silica interface? How do these compare with part (c) and what is your conclusion?1.18 Reflection at glass-glass and air-glass interfaceA ray of light that is traveling in a glass medium of refractive index n1=1.460 becomes incident on a less dense glassmedium of refractive index n2=1.430. Suppose that the free space wavelength of the light ray is 850 nm.(a) What should the minimum incidence angle for TIR be?(b) What is the phase change in the reflected wave when the angle of incidence qi =85 ° and when qi =90° ?(c) What is the penetration depth of the evanescent wave into medium 2 when qi =85 ° and when qi =90° ?(d) What is the reflection coefficient and reflection at normal incidence (qi =0 ° )when thelight beam traveling in the glass medium (n=1.460) is incident on a glass-air interface?(e) What is the reflection coefficient and reflectance at normal incidence when a light beam traveling in air is incident on an air/-glass interface (n=1.460)? How do these compare with part (d) and what is your conclusion?1.20 TIR and polarization at water-air interface(1) Given that the refractive index of water is about 1.33, what is the polarization angle for light traveling in air and reflected from the surface of the water?(2) consider a diver in sea pointing a flashlight towards the surface of the water. What is the critical angle for the light beam to be reflected from the water surface?1.22 phase changes on TIRConsider a lightwave of wavelength 870nm traveling in a semiconductor medium (GaAs) of refractive index 3.6. It is incident on a different semiconductor medium (AIGaAs) of°. Will this result in total internal refractive index 3.4, and the angle of incidence is 80reflection? Calculate the phase change in the parallel and perpendicular components of the reflected electric field?1.25 Goos-Haenchen phase shiftAray of light that is traveling in a glass medium(1) of refractive index n1 =1.460 becomes incident on a less dense glass medium(2) of refractive index n2=1.430. Suppose that the free space wavelength of the light ray is 850nm.the angle of incidence(9=85 . Estimate the lateral Goos-Haenchen shift in the reflected wave for the perpendicular field component. Recalculate the Goos-Haenchen shift in the secondmedium has n2=1 (air). What is your conclusion?Assume that the virtual reflection occurs from a virtual plane in medium B at a distance d that is roughly the same as the penetration depth.Note that d actually depends on the polarization ,the direction of the field,but we will ignore this dependence.第二章作业习题：2.7Dielectric slab waveguide Consider a dielectric slab waveguide that has a thin GaAs layer of thickness 0.25 /w between two AIGaAs layers. The refractive index of GaAs is3.6 and that of the AIGaAs layers is 3.40. What is the cut-off wavelength beyond which only a single mode can propagate in the waveguide, assuming that the refractive index does not vary greatly with thewavelength? If a radiation of wavelength 860 nm (corresponding to bandgap radiation) is propagating in the GaAs layer, what is the penetration of the evanescent wave into the AIGaAs layer? What is the mode field width (MFW) of this radiation? Point out the effect of change of radiation wavelength (为on the MFW.2.9 Dielectric slab waveguide Consider a planar dielectric waveguide with a core thickness 10/m,ni=1.4446, n2=1.4440. Calculate the V -number, the mode angle 劣for m=0 (use a graphical solution, if necessary), penetration depth, and mode field distance (MFW=2 c(^2 9, for light wavelengths of 1.0 /xn and 5 /jn. What is your conclusion? Compare your MFW calculationwith 2»o =2a (V +1 )/V .The model angle 3is given as &=88.85?for ^=1 /m and ^=88.72 ?for ^=1.5 仰for the fundamental mode m=0.2.10 A multimode fibe r Consider a multimode fiber with a core diameter of 60 /m, core refractive index of 1.47, and a cladding refractive index of 1.45 both at 870 nm. Consider operating this fiber at ^=870nm.(e) Calculate the numerical aperture.(f) Find out the normalized core-cladding index difference.(g) Calculate the V-number for the fiber and estimate the number of guided modes.(h) Calculate the wavelength beyond which the fiber becomes single-mode.(i) Calculate the modal dispersion △ T and hence the bit rate x distance product.2.12 Single mode fiber Consider a fiber with a S1O2-13.5% GeOz core of diameter of 6 Wi and refractive index of 1.47 and a cladding refractive index of 1.46 both refractive indices at 1300 nm where the fiber is to be operated using a laser source with a half maximum width (FWHM) of 2 nm.. (j) Calculate the V -number for the fiver.(k) what is the maximum allowed diameter of the core that maintains oprations in single-mode?(l) Calculate the wavelength below which the fiber becomes multimode.(m) C alculate the numerical aperture.(n) Calculate the maximum acceptance angle.(o) Obtain the material dispersion and wavelength dispersion and hence estimate the bit rate x distance product ( B x L) of the fiber.。
光子学与光电子学第1章 概述及理论基础
光子学与光电子学
10
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和并行能力
电子有电荷，因此电子与电子之间存在库伦作 用力，这就使得它们彼此间无法交连。而光子 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 。
（4）光子具有极大的存储能力 光子除能进行一维、二维存储外，还能完成三 维存储。如把频率维算上，可用于存储的参量 更多，因此光子具有极大的存储能力。
光子学与光电子学
光子学与光电子学
17
图1.1.2a从光电技术衍生出多种学科和 应用领域
信息 光电技术
材料 光电技术
通信 光电技术
光电技术
……
生物 光电技术
军事 光电技术
光子学与光电子学
18
图1.1.2b 光电产业
光显示 产业
光纤通信 产业 光电子材料 产业
光机电
光电产业
光电子检测
一体化产业
产业
光存储 军用光电子
光子学和光电子学的发展简史如表1.1.1所示。
光子学与光电子学
9
光子学研究内容
光子学是研究以光子为信息或能量载体的科学。 电子学是关于电子及其应用的科学，与电子学 类比，光子学被广义定义为关于光子及其应用 的科学。
在理论上，光子学研究光子的量子特性，研究 光子与分子、原子、电子以及与光子本身在相 互作用时出现的各种效应；
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2. 光子学分子学科
纳米光电子学复习讲义.docx
1、从三维到零维的态密度态密度推导:三维：为「概括ii 抻侧鳗分布状况.引人定义为正常 中能V E 附近刺位能址间隔内的电予志散.假设在能址E-E-dE 向无限小的能量间隔内有田、个电子忘.*M «（E ＞为A *号体片侑底成偷带顶附近.尊能■近位为球形.*i 电子志 4 4空间的分布职均与的.密度为V （2X ）1. M 中V 隹品体体机. 代此。
能址E - E + dE 何的电干杰散为（分割以导带底或价借KI 为能ttTA ＞=盘1_牛二1 —三二 ‘（2K F A •2 A，我'（会）"'盹 即只白有效质量为"I •的导带电F 或价带空穴在刺但体枳内的急密度＜（£）为邮＞ =!（芸广即 ⑷⑶式《413）盘明移价宙m 成铮带成附近.能右*度陆能址注携变 It."带边£ = 0处杰密度也为0.Quantum Well 半#体#带和价带中的电干建缴洋常浦集, 彬成用连技分布.Bulk Quantum Wire Quantum Dot二维（量子阱）:6, 6, Q 2、/7 + + TT 叭％ V ，z) + /(x, y, z\f(x,y,z) = E 叭x, y, z) dy Qz ) tl f —y/(z)+ E 此)2m dz叭 x, y)=A exp{ik x x + ik Y y) E =——―—• ZmU y/(x,^) = i//(x + L,y + L )= A expz^^ + L )+k y (y + £))=J (exp i(k x x + Ze v y)exp i{k x L + 如1))= “(x, j ，)exp ，(kxl+ k y L ) v £2 mEN =——— 1 dN _ 1 d (L 2mE yU~dE~lF~dE\ltl^ t 一维（纳米。
以 tt fn 站构中.电子在1和y 方向上的运命受胃限制.只 厦沿匚方向n 由近功.h 2 2in dx m 7t Tr P （E ）二 2 m Ti 2成为市一维体系.殳八、方向上的幼阱均为无阳株方们阱.阱童分割为“、b.明它的整5以、岐1°且1,1<¥V(r)= < (4-24))g |1|>品・或lyl>¥根8■胃到体事的It函敷民/(r)= r‘ 二:心工L：,，〈中..J e 。
光电子学与光子学的原理及应用复习(2011)
第五章 光电探测器
重点：
1. 2. 3. 4.
Pn结光电探测器基本原理， 量子效率和响应度 Pin光电探测器 探测器的噪声 散粒噪声，热噪声，SNR，NEP
第六章 太阳能电池
重点：
1.
光生伏打效应
第七章 偏振和光调制
重点：
1. 2. 3. 4. 5.
偏振：线偏振，圆偏振和椭圆偏振 双折射率 位相延迟片， 电光效应 集成电光调制器 Mach-Zehnder调制器，
重点：
1. 2.
3.
半导体统计特性 Eg = np ) 电子和空穴密度，直接、间接带隙， N c N v exp(− = ni2 pn结能带图 开路、正偏、反偏下的能级图
第四章 激光
重点：
1. 2. 3. 4.
受激辐射，粒子数反转， 激光振荡 增益线型，阈值增益，激光模式 DBR 全息
光电子学与光子学的原理及应用
复习
第一章：光的波动特性
重点内容：
1. 2. 3. 4. 5.
相速度和群速度 全反射 时间和空间相干性 F-P谐振腔 衍射
第二章 介质波导和光纤
重点：
1. 2. 3.
波导方程： 阶跃折射率光纤： 光纤V值，N.A.，色散， 比特率和色散 比特率距离积
第三章 半导体科学和LED
生物光子学光子学与光谱学基础课件PPT
掺铒钇铝石榴石激光器（Er:YAG）
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2.5 分子能级结构与光谱
另外一些描述吸收衰减的参量：
• 振动能级光谱
– 拉曼光谱的缺点： • 拉曼散射的效率很低：一般来说，在105个光子中，只有一个 光子可以产生散射。（因此使用激光作为光源） • 拉曼光谱比IR光谱的灵敏度低，因而在固态、液态或者不含 水的有机分子研究中，经常使用IR光谱来获得关于结构的详 细信息； • 如果被测样品中具有自体荧光，则荧光信号强度要比Raman 散射信号大许多数量级，因而背景荧光会淹没Raman谱带。
• 振动能级光谱
– 拉曼散射：入射和散射光子的能量差为分子振动 能级差； • Stokes拉曼散射：散射光子的频率低于入射 光子（v>v） ，分子从低振动能级跃迁到高振 动能级； • 反Stokes拉曼散射：散射光子的频率高于入 射光子（v<v），分子从较高振动能级跃迁到 较低振动能级；
28
2.5 分子能级结构与光谱
吸收率：
透射率： 光学密度：
T和OD考虑了光通过介质时由于吸收和散射而造成的总的强度 损失；如果吸收占主导地位，则OD=A。
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2.5 分子能级结构与光谱
• 电子能级吸收光谱
– 典型的吸收光谱表示为T相对于v或的曲线，或A相对
于v的曲线; – v定义为吸收谱带最大吸收值一半处的宽带。
吸收光谱的两种表示
• 荧光激发光谱（吸收光谱）
– 激发光谱给出关于激发分子到一个产生最大荧光的能 态的信息；
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。
生物光子学2-光子学与光谱学基础01
17
2.2 光的本质－波粒二象性
光
电磁波 光粒子
3
第2章 光子学与光谱学基础
本章内容
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 光在界面上的反射和折射 光的本质－波粒二象性 光子的吸收、发射和散射 光波的干涉和衍射 分子能级结构与光谱 激光与非线性光学
2.1 光在界面上的反射和折射
• 光入射到两种折射率不同的介质的分界面将发生反射和折 射，分别遵守反射定律和斯涅耳定律。
29
2.2 光的本质－波粒二象性
• 作为粒子的光：光子
– 光子的量子化能量被用于描述物质对光的吸收、发射 或散射。
– 光子作为粒子还携带动量：
– 当光子被另一个粒子散射而改变方向或当它被一个介 质表面折射时，可以利用光的动量。
– 光子的传播方向的改变产生一个动量的改变并能产生 一个可捕捉粒子的力。——此原理被用于生物细胞的 光学捕获并成为光镊操作的基础。
2.1 光在界面上的反射和折射
全内反射的应用
海市蜃楼是由光的折射和全反射原理所生成。
光线从较密的介质（冷空气）进入到较疏的介 质（近地面的热空气）——下现蜃景；反之出 现上现蜃景。
上现蜃景
下现蜃景
10
2.1 光在界面上的反射和折射
全内反射的应用
全反射棱镜：横截面
是等腰直角三角形的棱 镜。
自行车尾灯
– 19世纪末，由于电磁波学说不能解释黑体辐射现象，普朗克在 1900年发表了量子论，爱因斯坦推广普朗克的量子论，在1905 年发表了光子学说，圆满解释了光电效应；随着康普顿效应的 发现，光子说得到实验支持又重新兴起。
光学和光子学概述PPT讲稿
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四、光的衍射
• 1. 基本概念
• ① 衍射定义 • 光绕过障碍物偏离直线传播而进入几何阴影，
并在屏幕上出现光强分布不均匀的现象。
• ② 衍射条件
障碍物的线度和光的波长可以比拟
• ③ 衍射的分类
a. 菲涅耳衍射：近场、求和、点光源。 b. 夫琅和费衍射：远场、积分、平行光。
表2 霾、云和降水天气的物理参数
天气类型
霾M 霾L 霾H 雨M 雨L 冰雹H 积云C.1 云C.2 云C.3 云C.4
N (cm-3) 100 cm-3 100 cm-3 100 cm-3 100 cm-3 1000 m-3 10 m-3 100 cm-3 100 cm-3 100 cm-3 100 cm-3
m 0.827 N A3 / 4
(9)
式中，m为瑞利散射系数（cm-l）；N为单位体积中的分 子数（cm-1）；A为分子的散射截面（cm2）；为光波长 （cm）。
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由于分子散射波长的四次方成反比。波
长越长，散射越弱；波长越短，散射越强烈。
故可见光比红外光散射强烈，蓝光又比红光
现在您浏览的位置是第八页，共三十八页。
三、光的干涉
• 1. 基本概念 • ①光的电磁理论 • 光是某一波段的电磁波， 其速度就是电磁
波的传播速度；可见光在电磁波谱中只占很小 的一部分，波长在 390 ~ 760 nm 的狭窄范围 以内。
• ②相干条件
• 频率相同、振动方向相同、相位差恒定。
• ③干涉的分类
O2
4.7
9.6
从表1不难看出，对某些特定的波长，大气呈现出极为强烈的吸
光子学基础—第一章
光线的弯曲
1911年爱因斯坦预言光子存在运动质量，在日全 食时，掠过太阳旁的星光会被吸引而扭弯，弯曲 大约千分之二度。1919年英国日食考察队分别到 巴西和几内亚观测．证实了爱因斯坦的理论。
恒星 形成Einstain环
最近英国天文学家观察
太阳
到 “爱因斯坦环”，这种 现象被看作 “引力透镜”。
10
因此，前者可承载信息的容量起码比后者高出3～4个
量级，即千倍以上 。
16
光子具有的优异特性
光子具有极快的响应能力 ：
电子脉冲脉宽最窄限度在纳秒(ns，10-9s) ，电子通信 中信息速率被限定在Gb/s (109 bit/s )量级 。 光子脉冲可轻易做到脉宽为皮秒(ps，10-12s)量级 ，小 于10个飞秒(fs,10-15s)量级， 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)
v c
vc
23
在人们对光学现象逐渐认识过程中围绕
微粒说 波动说
光的本质是什么？
牛顿
能量子，光量子假设
普 朗 克 爱 因 斯 坦
惠更斯
几何光学
波动光学 干涉，衍射
直线传播 最简单光理论
光的波粒二向性 量子光学
麦克斯韦波动方程
进行漫长曲折讨论……
光是波
牛顿之后，光是一种波动在18、19以至20世纪 己深入人心，不会怀疑。
这是实验事实，反复测量建立起来的，但是还没人能 从经典理论推导出。 普朗克（Plank德国）1901年假设： 发射辐射的物质是 有一些谐振子组成的，这些谐振子具有的能量均以h为 单位，因此，相邻振子彼此间能量差为等间隔h 。引入 的能量子h就是光子的概念。
光子学与光电子学 教学课件 ppt 作者 原荣 第2章 光波在光纤波导中的传输
图2.2.1 在波导中传输的光波必须与它自己相 长干涉,否则相消干涉就不会建立起传输光场
n1 > n 2
A k q E k1 B
n2
y
d = 2a
z
x
q q
n1
C
光子学与光电子学 原荣 邱琪
n2
满足波导相长干涉的波导条件式
• 很显然，对于给定的m，只有一定的q 和 值才能 满足式（2.2.1） m 0, 1, 2, （2.2.1） k1d cosq m • 与q 有关，也与光波的偏振态有关。因此对于每 个m 值，将允许有一个qm和一个相对应的 m。 因 k1 2πn1 ， d = 2a， 所以满足波导相长干 涉的波导条件式（2.2.1）变成（2.2.2） （2.2.2） 2πn (2a)
光子学与光电子学教学课件ppt作者原荣第2章光波在光纤波导中的传输
第2章 光波在光纤波导中的传输
• • • • • • 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 光与介质的相互作用 平板介质波导 光线光学分析光纤传光原理 导波光学分析光纤模式 光纤的基本特性 光纤的传输特性
光子学与光电子学 原荣 邱琪
光子学与光电子学 原荣 邱琪
图2.1.3 光波从折射率较大的介质入射进入折射 率较小的介质，在边界反射和折射
光子学与光电子学 原荣 邱琪
V2 t
A'
qi qt
B'
V1 t
2.1.1
斯奈尔定律和全反射
1t 2t sinq i sinq t
A
B
从几何光学我们可以得到（见图1.3.1左上角小图）
2
2 I1 E r o o 2
光电子学与光子学讲义-Chapter1-wave nature of lightwave
复指数形式
E E0 expi (t kz 0 ) E0ei0 expi (t kz) Ec
复振幅
实际情况应取实部
E Re[Ec expi(t kz)]
如果电磁场沿任意的一个方向 k 传输，方向由k表示，k为波 矢(wave vector)，其大小等于传播常数的大小。任意一点r的 电场可以表示为：
注意：由于接收光强度的器件不能响应光频，因此实际测量到的是一个周期内的
平均能流密度（平均光强） The instantaneous irradiance can be measured only if the power meter can respond more quickly than the oscillations of the electric field.
2E 2E 2E 2E E 2 2 2 0 r 0 2 x y z t
2
结合边界条件既可求解。前面讲的平面波是方程的一个特解，球面波也是方程的 一个特解。
1. 球面波（波阵面为球面的波）
A E cos( t kr ) r
（球坐标系下）
球面波特点： （1）由点源发出，振幅随传输距离的增加而减小； （2）波阵面为球面，等相面随传输距离的增加而增 大； （ 3 ）任意一点的波矢垂直于的波阵面，且是发散的。
c0 n v
0 0
3 108 m/s
n~f,色散； n~P，非线性； n~电矢量方向，偏振。
kmedium nk0
r k0 medium 0 / n 0 / r
四. 群速度和群折射率
实际中，光源发出的光波不可能是单一波长（monochromatic wave）， 具有一定的谱线宽度，构成波包。 设一束光波中包含两个频率 两个波数
光电子学与光子学讲义PD
➢ 实际应用中，第一个过程（吸收发生在耗尽区）对光生电流的贡献最大、效 果最好。因为每一个光子的吸收都会形成电子、空穴的流动，而且避免了由于 扩散时间引起的电流相应延迟（漂移时间<扩散时间）。
光电子学与光子学讲义PD
➢ pn光电二极管的实际结构：
Chapter 6 光电探测器
光电子学与光子学讲义PD
一、 简介
➢ 光电探测器：光能或光信号转换为电能或电信号的器件，是 光接收机的核心。 ➢机理：光电效应。 ——物质在光的作用下，不经升温而直接引起物质中电子运动 状态发生变化，因而产生物质的光电导效应、光生伏特效应和 光电子发射等现象。 在理解上述定义时，必须掌握以下三个要点： 原因：是辐射，而不是升温； 现象：电子运动状态发生变化； 结果：电导率变化、光生伏特、光电子发射。 简单记为：辐射→电子运动状态发生变化→光电导效应、光 生伏特效应、光电子发射
光生伏特效应
光生伏特效应是光照使不均匀半导体或均匀半导体中产生电子和空穴， 并在空间分开而产生电位差的现象。即将光能转化成电能。
丹倍效应
由于光生载流子的扩散在光的传播Байду номын сангаас向产生电位差的现象称为光电扩 散效应或丹倍效应 。 光磁电效应
放在磁场内的均匀半导体材料受到光照射时，
如果磁场的方向垂直于xoy平面，洛伦兹力把扩
➢ 在光激发下多数载流子浓度一般改变很小，而少数 载流子浓度却变化很大。 ➢ pn结势垒区内存在自建电场（自n区指向p区）， 结两边的光生载流子受该场的作用，各自向相反方向 运动：p区的电子穿过pn结进入n区；n区的空穴进 入p区。该运动使p端电势升高，n端电势降低，于是
在pn两端形成了光生电动势。这就是光生伏特效应。
外光电效应: 是指物质受光照后而激发的电子逸出物质表面，在外
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信息技术要求“更多”、“更快” 、“耗能更少” 地处理信息 从上图可以看出，电子处理技术从电子管发展到半 导体集成电路过程中，电子器件逐渐小型化，处理速 度高速化，耗能越来越少，处理单位信息（ 1bit ）的 成本不断降低。 随着技术发展要求的提高，信息处理硬件的极限开 始显现出来 科学家们想到了光学技术，利用光信息处理技术 的超高速、大容量、低能耗的特点进行信息处理。
电 荷
费米子(费米统计)
-e
玻色子(玻色统计)
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Biblioteka 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 ……
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. 1978年 欧洲光子学会成立 1982年 美国 期刊改名
五.光电子学发展方向与趋势
光电功能材料进展 光电子技术的突破
1970s： 异质结半导体材料（LD 室温工作）
石英光导纤维（损耗 < 1dB/km〕 (高锟，1968预言) 光纤通信奠定基石 1980s： 量子阱半导体材料（QW激光器） 光电器件更新换代 1990s： 稀土掺杂光纤（掺铒光纤放大器）
二. 光电子学的内容与特点
光电子学：是研究光子和电子的相互作用以及光能 和电能相互转换的有关现象、规律及应用的科学。
光电子学的发展得益于光学、电磁学、量子力学、
电动力学、固体物理学、材料科学、微电子学、计
算科学、微机械加工技术、近代化学等学科和技术
（光、机、电、计、材）的发展成就，它的发展又 为其它学科提供了支撑，极大地促进了相邻学科的 交叉与发展。
一. 光电子学的发展进程
21世纪具有代表意义的主导产业: 第一是光电子产业； 第二是信息通信产业； 第三是健康和福利产业； 第四是环境和新能源产业。
一. 光电子学的发展进程 光子学在中国的发展
70年代 1979年 钱学森、龚祖同等提出, “光子学是研究 光子产生、运动 和转化的科学 ” 钱学森指出, 光子学是一门与电子学平行的 科学，并指出应组织光子学会推动这一领
并为人类社会做出了巨大贡献。因此，人们又常将 20 世纪冠之以电子时代的美誉。 • 如从 1883 年爱迪生的著名实验算起，其发展进程 是：电学 ---- 电子学 ---- 电子技术
---- 电子工程 ---- 电子产业
• 目前电子学领域的发展已受到一些“瓶颈”的 制约和限制。
三. 光子学与电子学
一. 光电子学的发展进程
光的波粒二像性:
光的波动特性：Photons also have a wavelike character that determines their localization properties in space and the rules by which they interfere and diffract.
一. 光电子学的发展进程
Photonics:
产生背景可以追朔到20世纪初：光的波粒二像性（黑体辐射、 光电效应、康普顿效应） 1905年 爱因斯坦的PHOTON概念，自发辐射、受激辐射和受激 吸收理论
PHOTON(光子，光量子)：The quantum of electromagnetic energy, generally regarded as a discrete particle having zero mass, no electric charge, and an indefinitely long. (电磁能的量子，一般认为是有零质量、无 电荷和不定长寿命的离散性粒子)
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） --采用单片集成或混合集成技术实现 PIC 和 OEIC。
光子晶体结构（结构改变特性） --光的半导体。
域的学术交流
1994年 北京香山科学会议讨论光子学问题 学与光子技术发展战略研究报告” 1986 国家863计划将光电子列为19个主题之一... 96-98年 国家自然科学基金委员会组织完成 “光子
两年一次的“全国光子学学术会议”自1996年在深圳召开第一届 以来，每两年定期举办一次，先后在西安、昆明、绵阳、黄山、 重庆、长春、南昌、成都举行，每届会议都有来自全国各高校和 研究院所的众多代表参加会议，在我国光子学领域已形成了重要 的影响，成为光子学领域的一个重要会议。“第十届全国光子学 学术会议”于2016年9月18-21日在西安唐城宾馆召开。
四.光电子学、光子学相关学术领域
信息光电子学的主要内容 光信号产生 LD LED 信号调制 信息传输 光纤通信，空间光通信,
信息获取 信息处理 信息存储
信息显示
计算机光互连，全光通信网络， 海底光缆通信 …… 光探测,光学传感,光纤传感,图象遥感 光交换, 光计算、波长变换等 光盘 (LD CD VCD SVCD DVD ) 全息存储技术, 近场光学存储技术 激光打印和印刷, 大屏幕平板显示, 3D显示 全色LED,液晶,PDP,电致发光显示…
激调锁移混 光 Q模频频 光载波源
开偏调传复 波耦隔偏中反 解整补放延逻相卷频共滤全存 显探 关转制感用 导合离振继馈 调形偿大迟辑关积谱轭波息储 示测 光信号加载 光信号传输 光信号处理 光信号接收
光电子技术
三. 光子学与电子学
• 电子学及电子信息科学技术已经成熟。电子作为信
息的载体已经成为本世纪信息领域的主要特征和标志，
材料的量子结构化
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)
OSA会刊 Optics News --- OPN (Optics & Photonics News)
Optics Spectra --- Photonics Spectra
1990年 美国等将光子学列为国家关键技术 ...… 1991年 美国 光子学专著、教科书出版：
Fundamentals of Photonics, Photonics Devices and Systems
五.光电子学发展方向与趋势
实现手段： 能带工程 --- 通过几何微结构的改变实现能带 结构的改变 带隙工程 极低阈值, 温度特性好 带结构工程 窄线宽, 高调制速率（器件） 带偏移工程 新的器件工作原理... 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)
二. 光电子学的内容与特点
光电子学与光电子技术
光电子学
激光与红外物理学 非线性光学 强 光 光 学 效 应 电 光 效 应 磁 光 效 应 弹 ( 声 光 效 应 ) 半导体光电子学 光 电 转 换 效 应 发 光 效 应 非 线 性 光 学 效 应 导波光学 介 质 导 波 效 应 非 线 性 光 学 效 应 傅立叶光学
一. 光电子学的发展进程
Optics:
几何光学(Optics)
麦克斯韦理论：光本 质上也是一种电磁波
电学
波动光学(Lightwave)
光电学 电光学
电磁学
量子理论 光子学(photonics)
光电子学
一. 光电子学的发展进程
Optics:
几何光学——反射、折射、光学仪器 波动光学——光波的传输，干涉、衍射（自身相互作用） 光子学——光波的产生、吸收等与物质相互作用(与电子密切 相关)
1954年 C. Townes 等 MASER—— Quantum Electronics 1960年 T. Maiman LASER (Light amplification by stimulated emission of radiation)—— Optoelectronics 1970年 荷兰 L.J.Poldervart 提出 PHOTONICS 的定义为“研 究光子作为信息载体的科学”, 后来他又认为“光子不仅是信息 载体, 也是能量载体”。
一. 光电子学的发展进程
Photonics:
光子作为信息载体，能够突破电子学发展的速率瓶颈限制，使
从而使高速、大容量的信息系统得以实现。光电子学已经成为信
响应时间从ns量级提高到 fs量级，工作频率从1011Hz提高到1014Hz，
息科学的重要发展方向之一。
光子作为能量载体，可提供极高功率密度的光能; 形成极短的光 脉冲或极精细的光束，实现极端的物理条件：极高的温度，极高 的压强，极低的温度，极精密的刻划和极精细的加工，从而在信 息、能源、材料、航天航空、生命科学、环境科学以及国防军事 等领域中得到广泛应用。
光的粒子特性： A photon has zero rest mass and carries electromagnetic energy and mentum. It also carries an intrinsic angular momentum (spin) that governs its polarization properties. The photon travels at the speed of light in vacuum (c0). Its speed is retarded in matter.