固体光电子学-绪论

火炬（希腊） 火炬（希腊）
声音信号传输： 声音信号传输：击鼓鸣金 其它方式：信鸽，旗语， 其它方式：信鸽，旗语，驿站等 近代：电报（莫尔斯，1837年） 近代：电报（莫尔斯，1837年
电话（贝尔，1876年 电话（贝尔，1876年） 无线电（马可尼，1901年 无线电（马可尼，1901年）
现代：卫星通信（宇宙无线电通信） 现代：卫星通信（宇宙无线电通信）
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参考书籍
傅竹西编著， 《固体光电子学》 ，傅竹西编著，中国科技 固体光电子学》 大学出版社， 大学出版社，1999年 年 光电子技术基础》 朱京平编著， 《 光电子技术基础 》 ， 朱京平编著 ， 科学出 版社， 版社，2003年 年 光电子学》 滨川圭弘，西野种夫编， 《 光电子学 》 ， 滨川圭弘 ， 西野种夫编 ， 于 广涛译，科学出版社， 广涛译，科学出版社，2002年 年 光电子技术》 安毓英，刘继芳， 《 光电子技术 》 ， 安毓英 ， 刘继芳 ， 李庆辉 电子工业出版社， 编，电子工业出版社，2002年 年 光电子学导论》 雅里夫著，李宗琦译， 《光电子学导论》，A 雅里夫著，李宗琦译， 科学出版社， 科学出版社，1983年 年
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第五章 光信息处理
本章内容： 本章内容：
光电子学的优点之一： 光电子学的优点之一：信息直接和视觉发生联 可用于图像的处理 图像的处理， 系，可用于图像的处理，即用二维或者三维的 方式来识别光信息 前几章叙述光的发射、传输、 前几章叙述光的发射、传输、调制和接收都是 研究对光的时序信号的处理， 时序信号的处理 研究对光的时序信号的处理，把光波看成波长 很短的电磁波， 很短的电磁波，找到和普通电子学的对应关系 二维光信息处理体现了光的视觉作用 内容：光信息的二维处理技术 二维处理技术、 内容：光信息的二维处理技术、二维信号和时 序信号的相互转换 以及光信息的显示 相互转换， 显示和 序信号的相互转换，以及光信息的显示和记录
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100~1000THz, 波长3µ 波长 µm~300nm
光通信与电通信
通信泛指将信息从一处传到另一处 信息通常是被调制到一个载波上 光通信常采用较高载波频率（ 光通信常采用较高载波频率 （ 100THz， ， 位于电磁波谱近红外区域） 位于电磁波谱近红外区域），通常被称为 光波系统以区别于微波系统。 光波系统以区别于微波系统。 在电信系统中， 在电信系统中，要传送的信号为模拟或者 数字形式的电信号。对于模拟信号， 数字形式的电信号。对于模拟信号，其信 号电流随时间做连续变化。 号电流随时间做连续变化。
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光波的优点
光波相比微波具有的优点
比微波波长短 通信频带更宽 承载更大的信息量
启发了人们用光子代替电子来传播信息
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光通信的优点
信息量猛增， 信息量猛增，光通信成为人们关注的课题 光通信的优点
抗干扰能力强 保密性好 记录密度大 可传播二维图像
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光电子学的概念
什么是光电子学？
光电子学：研究利用光子代替电子 光子代替电子来传播 光电子学：研究利用光子代替电子来传播 信息的一门应用科学。 信息的一门应用科学。
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第四章 光的接受和探测
本章内容： 本章内容： 光的接受包括：光的探测和信号解调 光的接受包括：光的探测和信号解调 接受包括 探测和信号 两大部分 探测器是将光信号变为实时的电信号 探测器是将光信号变为实时的电信号 的器件 解调是从经过调制的激光载波中提取 解调是从经过调制的激光载波中提取 信息的过程 讨论光信息技术中常用的接受和探测 方法； 方法；重点研究半导体探测器
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光通信的历史
烽火台、 烽火台、 火炬等 信号弹
遇到困难：1.通信距离有限（空气中直线传播） 通信距离有限（ 遇到困难：1.通信距离有限 空气中直线传播） 2. 调制问题 解决之道：光纤（60年代 年代）； 解决之道：光纤（60年代）； 激光器（60年代 年代） 激光器（60年代）
现代光通信
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传输容量
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第三章 半导体中的光发射
本章内容： 本章内容：
光通信的光源：发光二极管和 光通信的光源：发光二极管和半导体激光器 人工光源按辐射机理：平衡态辐射，黑体辐射、 人工光源按辐射机理：平衡态辐射，黑体辐射、 白炽灯，热辐射；非平衡态辐射， 白炽灯，热辐射；非平衡态辐射，电子在能级 上的分布偏离了热平衡态的分布； 上的分布偏离了热平衡态的分布； 非平衡态辐射：合适的能级结构；激发和 非平衡态辐射：合适的能级结构；激发和辐射 辐射：自发辐射；受激辐射， 辐射：自发辐射；受激辐射，由外界具有确定 频率、位相和偏振态的激发光引起，相同的位 频率、位相和偏振态的激发光引起， 相同的传播方向、 相、相同的传播方向、相同的偏振态和相同的 频率，激光。 频率，激光。
通信距离有限——难以实现长距离通信 难以实现长距离通信 通信距离有限
光不能穿越障碍物（在空气中直线传播） 光不能穿越障碍物（在空气中直线传播） 光衰减的非常厉害（大气对光的吸收） 光衰减的非常厉害（大气对光的吸收） 气候等因素的影响
高速调制问题——只能在低频调制下工作 只能在低频调制下工作 高速调制问题
光纤通信
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电磁波谱在通信技术中的应用
105 107 109 1011 1013 1015 1017 1
10200m
110m
几千赫~300MHz, 100MHz~300GHz, 几千赫 波长1mm~3m 波长 波长1m~100Km 波长
光波：频率100~1000THz，波长 µm ~300nm 光波：频率 ，波长3µ 比可见光（ 比可见光（400 ~ 750THz）的频率范围要宽 ） 光纤通信采用的是近红外区的光波。 光纤通信采用的是近红外区的光波
任何通信系统追求的最终技术目标都是 要可靠地实现最大可能的信息传播容量 和传输距离。 和传输距离。 通信系统的传输容量取决于载波调制的 频带宽度，载波频率越高， 频带宽度，载波频率越高，频带宽度越 传输容量越大，携带的信息越多。 宽，传输容量越大，携带的信息越多。 传输容量 = 传输速率 × 信道数
光纤克服了光在大气中传播的问题 ——实现了不受气候干扰的长距离通信 实现了不受气候干扰的长距离通信 激光器解决了光通信的光源问题 ——第一次人工制备出了相干的单色光源 第一次人工制备出了相干的单色光源
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光电子学的形成与发展
70年代出现了室温工作的半导体激光器 年代出现了室温工作的半导体激光器 半导体激光器的优点
不经调制的光不能承载信息 普通光源是不相干光源（调制特定频率或相位的光后，其 普通光源是不相干光源（调制特定频率或相位的光后， 他频率和相位产生强烈的噪声，无法分辨信息） 他频率和相位产生强烈的噪声，无法分辨信息）
无法满足大信息量通信的要求
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光电子学的形成与发展
60年代出现了光纤和激光器 年代出现了光纤和激光器
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本课程的内容
电视信号 （声音+视像） 声音+视像） CCTV 调制 光纤 解调 接收 录像机
光源 +
调制
存储
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本课程的主要章节
光在波导中的传输
以射线光学及光的电磁理论为基础，讲述波导的结构和光 以射线光学及光的电磁理论为基础， 在平面型介质波导和光纤中的传输特性
光的调制和耦合
研究光是怎样进入波导以及怎样携带信息
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第二章 光的耦合与调制
本章内容： 本章内容：
光是怎样进入波导？ 光是怎样进入波导？ 所谓光的耦合是指光进入波导的方式， 所谓光的耦合是指光进入波导的方式，光在 耦合是指光进入波导的方式 传递以及波导中不同模式间的 不同波导间的传递 不同波导间的传递以及波导中不同模式间的 相互转换和相互作用 模的横向耦合； 模的横向耦合；光束的径向耦合 光耦合器件：棱镜耦合器；光栅耦合器； 光耦合器件：棱镜耦合器；光栅耦合器；波 导耦合器；模转换器； 导耦合器；模转换器；滤波器
固体光电子学 ——
绪 论
李美成
材料楼830室，86418745， 室 材料楼 ， mcli@
主要内容
光波和光通信的优点 光电子学的概念和研究范围 光电子学的形成和发展 本课主要章节和参考书籍
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人类传递信息的方式？ 人类传递信息的方式？
最原始的光通信：烽火台（中国） 最原始的光通信：烽火台（中国）
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第二章 光的耦合与调制
本章内容： 本章内容：
光调制的机理： 电光效应、 磁光效应和 声光 光调制的机理 ： 电光效应 、 磁光效应 和 效应； 相应的调制： 电光调制、 效应 ； 相应的调制 ： 电光调制 、 磁光调制和 声光调制 使光承载信息的方法： 使光承载信息的方法 ： 一种是直接对光源进 行调制， 内调制； 行调制 ， 内调制 ； 另一种是在光传输的路径 上设置由某种介质做成的调制器， 上设置由某种介质做成的调制器，外调制 调制器： 体调制器； 波导调制器； 开关（ 调制器 ： 体调制器 ； 波导调制器 ； 开关 （ 相 干光的空间位相） 和扫描器（ 若干开关， 干光的空间位相 ） 和扫描器 （ 若干开关 ， 连 续或间断） 续或间断）
半导体中的光发射
介绍了发光二极管和半导体激光器的工作原理和工作特性， 介绍了发光二极管和半导体激光器的工作原理和工作特性， 概括叙述了最近发展起来的量子阱激光器
光的接收和探测
讲述半导体光电探测器的工作特性和光信号的调制和接收 技术
光的记录和显示
对正在兴起的光盘及全息光记录等作了原理性介绍， 对正在兴起的光盘及全息光记录等作了原理性介绍，叙述 了光信息显示的几种方式
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第二章 光的耦合与调制
本章内容： 本章内容：
怎样携带信息？ 怎样携带信息？ 光的调制是要使光波中某种可测量参量随着信 光的调制是要使光波中某种可测量参量随着信 调制 号的变化而变化。当接收到被调制后的光波后， 号的变化而变化。当接收到被调制后的光波后， 记录下被调制参量的变化就能获得光波所传送 的信息。 的信息。 光通信用相干光，可测参量：光的强度 强度（ 光通信用相干光，可测参量：光的强度（振 ）、频率 位相和偏振态。 频率、 幅）、频率、位相和偏振态。 光调制分为：强度调制、频率调制、 光调制分为：强度调制、频率调制、位相调制 和偏振调制