固体光电子学-绪论

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第四章 光的接受和探测ຫໍສະໝຸດ Baidu
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
固体光电子学 ——
绪 论
李美成
材料楼830室,86418745, 室 材料楼 , mcli@hit.edu.cn
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
2
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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光电子学的研究范围
光电子学的研究范围涉及光通信和光信 息科学的所有有关问题,包括: 息科学的所有有关问题,包括:
光的发射 光的调制 光的传输和耦合 光的探测和接收 光信息的处理——记录和显示等 光信息的处理 记录和显示等
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光电子学的形成与发展
早期光通信的方式(烽火,旗语,灯光信号) 早期光通信的方式(烽火,旗语,灯光信号) 遇到的问题
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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
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
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)
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
7
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
8
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。
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
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第一章 光在波导中的传输
本章内容: 本章内容: 光在波导中的传播特性和规律( 光在波导中的传播特性和规律(主要是 介绍光在平面波导中的传播) 介绍光在平面波导中的传播) 光纤知识(圆形波导) 光纤知识(圆形波导)
什么是波导? 什么是波导?
所谓波导,在光学技术上应该叫光波导, 所谓波导,在光学技术上应该叫光波导, 它是指传导光波的介质。 它是指传导光波的介质。 英语 waveguide
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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
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
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
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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。
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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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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
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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)
光纤通信
3
电磁波谱在通信技术中的应用
105 107 109 1011 1013 1015 1017 1019
330km
2003km
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
4
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。
概念的提出
最早在1959年,由Loebner(洛伯纳)提出 年 最早在 (洛伯纳) 将电光学和光电学严格区分
现在已不严格区分电光学和光电学 凡涉及到光能和电能相互耦合和相互转换的现 象,以及光作为承载和传输信息的载体所涉及 到的现象和规律,统称为光电子学 到的现象和规律,统称为光电子学 (optoelectronics) )
体积小 能量密度大 频率高 激励方式简单 容易和光纤或平面波导耦合 使光通信趋于实用化 使集成光学和光计算机等设想更加现实
光纤和半导体激光器——光电子学的两大支柱 光电子学的两大支柱 光纤和半导体激光器 它们的出现促进了光电子学的形成和发展
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光电子学的形成与发展
在光通信和光信息领域, 在光通信和光信息领域,半导体器件应用越来 越广泛,出现许多优异特性的半导体光电器件, 越广泛,出现许多优异特性的半导体光电器件, 对光电子学的发展举足轻重 随着半导体工艺的改进和新材料的开发, 随着半导体工艺的改进和新材料的开发,半导 体器件在光电子学领域越来越重要 光电子学的发展离不开新型光电功能器件的发 展,离不开尖端技术的发展 因此, 因此,本课围绕各种固体尤其是半导体光电子 器件的功能和特性来讲述光电子学的基本原理 和应用
5
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
6
传输容量
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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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