光电子学与光子学讲义-Chapter0-perface

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)
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。
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.
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.
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
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)
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。
一. 光电子学的发展进程
Optoelectronics:
光电子学的概念最早由美国科学家Loebner提出，并 对电光学（Electro-optics）和光电学(Opto electronics) 严格进行了区分。 电光学：输入电信号产生光信号，再通过光电耦合变 为电信号输出。 光电学：输入、输出是光信号，中间经过电光耦合。 目前的光电子学：不再对两种情况进行区分，凡是涉 及到光能和电能相互耦合和相互转化的现象，以及以 光作为承载和传输信息载体所涉及的现象和规律，统 称为光电子学。
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
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
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
三. 光子学与电子学
三. 光子学与电子学
表1
光子与电子的比较
特


征
电
子
光
子
静止质量(m)
运动质量(m) 传 播 速 度 时 间 特 性 空 间 特 性
m0
me 小于光速(c) 具时间不可逆性 高度的空间局域
0
hν/c2 等于光速(c) 具一定的类时间可逆性 不具空间局域性


粒 子 特 性
一. 光电子学的发展进程
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属 于光子学领域”。 欧洲近年来也相继建立了研究与发展光子学的联 合机构。德国政府已确定 “光子学是本世纪对保持德 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”。 日本对发展光子学及其产业极为重视，据估计日 本在光子学研究方面的投资是美国的三倍以上。

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
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。
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”。
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)
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…
光电子学基础
参考教材：
1.《Optoelectronics and Photonics: Principles and Practices》
光电子学与光子学原理与实践 (S.O. Kasap著)(第二版)
电子工业出版社，2013 年5月 2.《光电子学教程》张季熊 编著 华南理工大学出版社 2001 3.《现代通信光电子学》（第六版） （美）亚里夫著 陈鹤 鸣等译 电子工业出版社 2009 ）
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，
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、ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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。
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.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
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)