现代光电技术的发展及探讨

天津大学网络教育学院

专科毕业论文

题目：现代光电技术的发展及探讨完成期限：2013年7 月5 日至2013年11 月5 日

学习中心福建共赢年级

专业光电子技术指导教师

姓名学号112211473011

摘要

光电子是指光波波段，即红外线、可见光、紫外线和软X射线（频率范围

3×1011Hz~3×1016Hz或波长范围1mm~10nm）波段的电子。在经过80年代与其相关技术相互交叉渗透之后，90年代，其技术和应用取得了飞速发展，在社会信息化中起着越来越重要的作用。本篇论文以光电子技术作为核心，阐述了光电子产生的原理，光电子在现代技术的应用以及近年光电子技术的新的研究与发现。最后对现代光电子技术在未来的发展方向进行了思考和探讨。

关键字：光电子；技术；应用；发展

现代光电技术的发展及探讨

一、光电子

（一）光电子产生的原理

光（电磁波）束具有粒子性而电子流（尤其是高能电子流）具有波动性，所以光电子的传播方式大致与光的传播方式相同。所以我首先总结一下光的传播[1]。

从波动性的方面讲：1. 光的传播是首先一种横波的传播，电场、磁场的振动方向与传播方向两两正交由右手螺旋定则确定，由此导致了光的偏振性；2. 光的传播满足费马的最快路径原理，由此导致了折射定律，也就有了光电子技术中常用的晶体双折射现象；3. 光的波动性决定了光能够干涉衍射。从粒子性的方面讲：1. 光子有能量，有质量，有动量，所以在扭曲的引力场中会弯曲，并且在内光电效应中会有一个最小频率以及反向截止电压；2. 光子有自旋，且自旋的量子数为整数。从光子与电子传播的区别方面：最关键的区别在于光的传播不必有介质且可在非金属导体中传播而电子的传播必须有金属导体传导。

光孤子是光电子，孤立波的特性就是传播很远的距离而不减弱。我们数学中最常用的两个例子是神经中信号的传导由Hudgkin-Huxley Equation确定界面是孤立子以及浅水波KdV (Kortweg-de Vries)的界面也是孤立子。在光纤的反常色散区，由于色散和非线性效应相互作用，可产生一种非常引人注目的现象－光学孤子。孤子是一种特别的波，它可以传输很长的距离而不变形，特别适用于超长距离、超高速的光纤通信系统[2]。

（二）光电子种类和光电子学

光电子是光子和电子的结合的一种电磁波，电磁波可以按照频率由小到大划分为以无线电波、微波、紫外线、可见光、红外线、x射线、γ射线等。光波代替无线电波作为信息载体，实现光发射、控制、测量和显示等。通常有关无线电频率的几乎所有的传统电子学概念、理论和技术，如放大、振荡、倍频、分频、调制、信息处理、通信、雷达、计算机等，原则上都可延伸到光波段。

由光学和电子学相结合而形成的新技术学科。电磁波范围包括X射线、紫外线、可见光和红外线。它涉及将这些辐射的光图像、信号或能量转换成电信号或电能，并进行处理或传送；有时则将电信号再转换成光信号或光图像。它以光波代替无线电波作为信息载体，实现光发射、控制、测量和显示等。通常有关无线电频率的几乎所有的传统电子学概念、理论和技术，如放大、振荡、倍频、分频、调制、信息处理、通信、雷达、计算机等，原则上都可以延伸到光波段。在激光领域中，激光器提供光频的相干电磁振荡源，光电子学是指光频电子学。光电子学有时也狭义地专指光- 电转换器件及其应用的领域。光电子学还包括光电子能谱学。它是利用光

电子发射带出的信息来研究固体内部和表面的成分和电子结构，如X射线光电子能谱学和紫外光电子能谱学。

（三）光电效应

光照射到金属上，引起物质的电性质发生变化。这类光变致电的现象被人们统称为光电效应（Photoelectric effect）。光电效应分为光电子发射、光电导效应和阻挡层光电效应，又称光生伏特效应。前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应[3]。

1、外光电效应

在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象叫做外光电效应[4]。2、内光电效应

当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象。分为光电导效应和光生伏特效应（光伏效应）[5]

（1）光电导效应

在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化。当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强，光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。

（2）光生伏特效应

“光生伏特效应”，简称“光伏效应”。指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。它首先是由光子（光波）转化为电子、光能量转化为电能量的过程；其次，是形成电压过程。有了电压，就像筑高了大坝，如果两者之间连通，就会形成电流的回路。

光伏发电，其基本原理就是“光伏效应”。太阳能专家的任务就是要完成制造电压的工作。因为要制造电压，所以完成光电转化的太阳能电池是阳光发电的关键。简单来说就是在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、三极管。

（3）光子牵引效应

当光子与半导体中的自由载流子作用时，光子把动量传递给自由载流子，自由载流子将顺着光线的传播方向做相对于晶格的运动。结果，在开路的情况下，半导体样品将产生电场，它阻止载流子的运动。这个现象被称为光子牵引效应。

二、光电子技术

光电子技术[optoelectronic technology] 激光在电子信息技术中的应用形成的技术。光电子技术确切称为信息光电子技术[4]。光电子技术又是一个非常宽泛的概念，它围绕着光信号的产生、传输、处理和接收，涵盖了新材料（新型发光感光材料，非线性光学材料，衬底材料、传输材料和人工材料的微结构等）、微加工和微机电、器件和系统集成等一系列从基础到应用的各个领域。光电子技术科学是光电信息产