光电子学与光子学讲义-知识要点
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；
11
2. 光子学分子学科
光子学与光电子学第3章 光的干涉及衍射
光子学与光电子学
15
脉冲固体激光器泵浦源
脉冲固体激光器泵浦源采用脉冲氙灯，连续激 光器采用氪灯或碘钨灯。泵浦灯的发射光谱覆 盖很宽的波长范围，其中只有与激光工作物质 吸收波长相匹配波段的光可有效用于光激励。 采用放电灯激励的固体激光器如图3.1.6所示。
为了使气体放电灯发出的非相干光有效地射入 激光工作物质，聚光装置是必不可少的，通常 采用内壁镀有高反射率的椭圆柱聚光腔，激励 灯和激光工作物质棒分别置于两个焦点上。
0
（a）反射波B和原波A干涉 （b）只有满足m( /2) =L波长的 驻波才能在谐振腔内存在
vf
反射率
FSR
R = 0.8
R = 0.4
vm
v vm1 vm vm1
（c）不同反射率的 驻波强度I 和频率n 的关系
不是任意一个波长都能在谐振腔内形成驻波，对于给定的m，只 有满足式（3.1.3）的波长才能形成驻波，并记为m，称为腔 模式，如图3.1.3（b）所示。
由于气体工作物质均匀性好，输出光束的质量 相当高，其单色性和方向性一般优于固体和半 导体激光器，是很好的相干光源。
代表性的气体激光器有氦-氖（He-Ne）激光器、 氩离子（Ar+）激光器和二氧化碳（CO2）激光 器。
光子学与光电子学
17
图3.1.8 内 腔式氦氖气
体激光器
阳极
全反 射镜 0.999
半导体材料两端的解理面，如普通半导体激光器 由部分反射电介质镜构成的法布里-玻罗谐振腔 由有源区和布拉格光栅构成的法布里-玻罗谐振腔，如 DFB 和 DBR 激光器
实现粒子数反转并产生光的 受激辐射放大
固体 气体
液体 光学激励
使工作介质实现并维持粒子 数反转，并提供发射激光的能量
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。
光电子学与光子学讲义-Chapter4-LD
dn21 1 A21 dt sp n2
dn21 1 A21 dt sp n2
（dn21）sp表示由于自发跃迁引起的由E2向E1跃迁的原子数。
A21只决定于原子本身的性质，A21就是原子在能级E2的平均 寿命的倒数A21 =1/τ2。A21也称为自发跃迁爱因斯坦系数。 特点：自发辐射时，各原子是独立进行跃迁，辐射的光子无 规律，频率、相位、方向等各不相同，能量分布在许许多多模 式上,为非相干光。
T=3000K，R21(spon)/ R21(stim)≈ 3×103 一般情况下，自发辐射远大于受激辐射，受激辐射可忽略不计。 温度上升，受激辐射增加，但仍小于自发辐射。平衡状态下很 难使受激辐射占主导地位. 当热平衡时，受激辐射率同受激吸收率的比值为：
h R21 stim n2 exp 1 R12 absorp n1 k BT
自发辐射和受激辐射还可以按经典电子论模型进行描述。原 子的自发跃迁是原子中电子的自发阻尼振荡，没有任何外加光 电场来同步各个原子的自发阻尼振荡，因而电子振荡发出的自 发辐射是相位无关的。而受激辐射对应于电子在外加光电场作 用下作强迫振荡时的辐射，电子强迫振荡的频率、相位 、振动 方向显然应与外加光电场一致。
几何偏折损耗大(高损耗腔)
两种不同的腔的理论处理方法, 设计方法不同 • 利用几何光学光线矩阵方法分析腔中的几何偏折损耗
稳定判据
0 g1g2 1 g1 g2 0
表达式
稳定腔
其中 g2
g1 1 L
R1 R2
g2 1 L
• 只适用于简单的共轴球面镜腔(直腔) • 稳定腔因腔损耗小，适用于中、 小功率激光器； • 非稳腔可用于大功率激光器中， 其优点是模体积大，还有好的横 模鉴别能力
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
光电子学复习要点
光电子学复习要点光电子学是研究光与电子相互作用的学科，其应用广泛，包括激光技术、光通信、光存储、光探测等。
以下是光电子学（南京邮电大学）的复习要点。
1.光的本质和特性：光被视为一种电磁波，具有粒子和波动性质。
光的波长、频率、能量和速度是光学研究中的基本概念。
2.光的波动性：光的干涉、衍射、偏振等特性是光的波动性的表现。
波动理论可以解释和预测光的行为。
3.光的粒子性：光的粒子性通过光量子假说解释，即光以光子的形式传播。
光谱分析和光电效应是光的粒子性的现象。
4.光的发射和吸收：光可以通过激发物质的原子或分子产生发射，被物质吸收后可以引起电子激发或转移。
5.激光的基本原理：激光是一种具有高亮度和高聚束性的光源。
激光的实现需要能级反转和光反馈的条件。
6.半导体光电子器件：半导体材料在光电子学中有着重要的应用，如光电二极管、光电晶体管、光电子倍增管等。
其工作原理是利用半导体材料的特性，将光子转换为电信号。
7.光通信系统：光通信是一种基于光信号传输的通信方式。
光纤作为信号传输媒介，光放大器和光调制器等器件实现信号的放大和调制。
8.光信息处理：光信息处理技术包括光学图像处理、光学信号处理和光学数据存储等。
利用光的并行性和高速性可以实现快速的信息处理。
9.光学成像：光学成像技术包括透镜成像、干涉成像和衍射成像等。
不同的成像方式有不同的应用场景，如显微镜、摄影和印刷等。
10.光学信息存储：光存储技术是利用光的能量和非线性特性实现信息存储。
包括光盘、激光打印和全息存储等。
以上是光电子学的复习要点，理解这些基本概念和原理，掌握相关的技术和应用，对于深入研究和应用光电子学具有重要意义。
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。
光电子知识点总结
光电子知识点总结一、光电效应光电效应是指当光照射到金属表面时，金属表面会产生电子的现象。
光电效应是光电子学的基础，也是研究光与电子相互作用的重要实验现象。
1.1 光电效应的原理光电效应的原理是光子与金属表面的电子相互作用。
当光子能量大于金属表面的功函数时，光子可以激发出金属表面的电子，使得电子逃离金属表面，形成自由电子。
这就是光电效应的基本原理。
1.2 光电效应的实验现象光电效应的实验现象包括光电流的产生和光电子动能的大小与光频率和光强度的关系。
通过实验可以验证光电效应的相关理论。
1.3 光电效应的应用光电效应的应用包括光电二极管、光电倍增管、光电导致等光电子器件。
这些器件在光学测量、光通信、光电探测、光电存储等方面有重要应用。
二、半导体光电子器件半导体光电子器件是指利用半导体材料制成的光电子器件，包括光电二极管、光电导致、激光二极管、光电晶体管等。
2.1 光电二极管光电二极管是一种能够将光信号转换成电信号的器件。
它的工作原理是当光照射到PN结上时，光子的能量被用来克服PN结的势垒，从而在PN结上产生电子和空穴对，并产生电流。
2.2 光电导致光电导致是一种利用半导体材料制成的光电子器件，它具有高速、高灵敏度的特点。
光电导致可用于光信息处理、光通信、光探测等方面。
2.3 激光二极管激光二极管是一种利用激光效应制成的光电子器件。
它具有结构简单、体积小、功耗低等优点，是激光器件中的一种重要形式。
2.4 光电晶体管光电晶体管是一种基于光电效应制成的光电子器件，广泛应用于光通信、光探测、光信息处理等领域。
三、激光技术激光技术是一种利用激光器件制造激光束，进行激光照射、激光加工、激光测量和激光信息处理等技术的总称。
3.1 激光的原理激光是一种具有相干性和高亮度的光束，它是一种特殊的光波。
激光的产生是通过将能量较高的光子能级转移到能量较低的光子能级上，使得光子能够集中到一个狭窄的空间内。
3.2 激光器件激光器件是制造激光束的主要设备，包括激光二极管、激光放大器、激光共振腔等。
光电子学知识点
一、绪论1、激光发明年份；2、什么叫光电子学、光电子技术？3、列举几种光电子技术或光电子器件，至少6种；4、典型的光电子（通信）系统由哪几部分构成。
二、光与物质相互作用基础1、光的本性，传播时表现为波动性，与介质相互作用时表现为粒子性；2、对于线性、均匀、各向同性介质，极化率χ为标量；而在各向异性介质中，电极化强度矢量P 和外电场E 不再平行，此时极化率χ变为二阶张量：0i ij j P E εχ=3、P 、D 、E 之间的关系4、辐射度量和光度量的区别5、辐射通量、光通量之间的换算关系6、亮度和照度的区别7、能带理论基本概念（价带、导带、禁带、禁带宽度）三、光波导（30分）1、平面介质波导的结构（各层名称），各层介质的折射率关系；对称波导、非对称波导；2、各层中的场分布：波导层中横向（光受限的方向）为驻波场，纵向为行波场；衬底和覆盖层中横向为振幅成指数规律衰减的消逝场，纵向为行波场；消逝系数、穿透深度3、全反射时界面的相移公式；（不要求记忆，但要会用）4、横向传播常数、纵向传播常数；有效折射率（模折射率）5、模式本征方程，m 为模序数；本征方程的图解（画图说明对称波导基模不会截止）6、模式截止条件：02k n β=，c θθ=；截止波长；模式数量；单模传输条件；（注意对称波导和非对称波导的区别）7、TE 模、TM 模的含义；8、光纤的结构参数：直径2a 、数值孔径、相对折射率、弱导条件、归一化频率、单模条件；9、偏射光线的纵向传播常量01cos k n βϕ=，其中ϕ为轴线角，即光线和光纤轴的夹角；偏射光线可分为三类：非导引光线、导引光线（即导模）和泄露光线，对应θ和ϕ的范围要知道。
10、光纤的损耗公式 dB/km1、光调制概念；改变哪些参数可以使光携带信息？类型：内调制、外调制；2、波矢面、折射率椭球、折射率面；3、正、负单轴晶体的定义；4、利用折射率椭球确定o光和e光的偏振方向、以及对应的折射率；5、给出电光系数矩阵，会写出加电场之后的新的折射率椭球方程（原主轴坐标系中）；会判断新椭球和旧椭球相比，主轴是否发生了倾斜；6、KDP晶体z向（光轴）加电场后的新主轴折射率大小，以及感应主轴的方位；7、横向电光效应、纵向电光效应；对KDP晶体来说，两种效应各有什么优缺点；（纵向电光效应结构简单、工作稳定，不受自然双折射影响，但半波电压较高，且需要制作透明电极；横向电光调制通过选择晶体长度和厚度可以大大降低半波电压，缺点是存在自然双折射的相位延迟，受温度影响较大，需要采取组合调制方式来消除，导致结构复杂化）8、电光相位延迟公式，半波电压的公式，电光系数的测量方案设计9、KDP纵向调制器的调制特性曲线，知道透过率随偏压变化的函数表达式；、加1/4波知道应该工作在什么区域；如何实现？两种方法。
光子学知识点
光子学知识点光子学是研究光和光的行为的科学领域，它涵盖了光的产生、传播、操纵和检测等方面的知识。
光子学在现代科技和工程中扮演着重要的角色，它的应用涵盖了通信、能源、医疗、材料科学等众多领域。
本文将以以下几个方面介绍光子学的知识点。
一、光子学基础知识1. 光的本质和特性：光是一种电磁波，具有波粒二象性。
它可以在真空中传播，速度为光速。
光的频率和波长决定了它的颜色和能量。
2. 光学元件：光学元件是用来控制和操纵光的器件，常见的有透镜、棱镜、偏振器等。
它们可以对光进行聚焦、分散、偏振等操作。
3. 光学传播和衍射：光可以在介质中传播，并且会发生衍射现象。
衍射是光波遇到障碍物或通过小孔时发生的弯曲和干涉现象。
4. 光与物质的相互作用：光与物质之间存在着相互作用，主要包括吸收、散射、干涉和折射等。
物质的光学性质（如折射率）会影响光的传播和操控。
二、光的产生与检测1. 光的产生：光可以通过多种方式产生，常见的是激光的产生。
激光是一种高度聚焦、单色、相干的光束，它具有独特的性质和广泛的应用。
2. 光的检测：光可以通过光电效应被探测和测量。
光电效应是光的能量被物质吸收后激发电子从固体表面发射出来的现象，常见的探测器包括光电二极管、光电倍增管等。
三、应用领域1. 光通信：光子学在通信领域的应用极为广泛，光纤通信成为现代通信的主要方式，具有高带宽、低衰减和抗干扰等优势。
2. 激光技术：激光技术在医疗、测量、加工等领域有重要应用，如激光手术、激光雷达、激光切割等。
3. 光学显微镜：光学显微镜是一种通过光的折射和衍射原理观察样品的工具，广泛应用于生物医学、材料科学等领域。
4. 太阳能光伏：光子学在太阳能光伏领域的应用有助于提高光伏电池的效率和成本效益。
5. 其他应用：光子学还在光储存、显示技术、光学传感等方面有深入研究和实际应用。
结语光子学作为一门重要的科学学科，对我们的生活和科技发展产生着深远的影响。
本文从光子学的基础知识、光的产生与检测以及应用领域等几个方面介绍了相关的知识点。
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-Chapter3-LED
2、动态平衡下的pn结
两个有关运动的概念：
① 扩散运动 —— P型和N型半导体结合在一起时，由于交界 面（接触界）两侧多子和少子的浓度有很大差别，N区的电子 必然向P区运动，P区的空穴也向N区运动，这种由于浓度差 而引起的运动称为扩散运动。扩散运动形成扩散电流（ID）。 ② 漂移运动 —— 在扩散运动同时，PN结构内部形成电荷 区（或称阻挡层，耗尽区等），在空间电荷区形成的内建电 场的作用下，少子会定向运动产生漂移，即N区空穴向P区漂 移，P区的电子向N区漂移。漂移运动形成漂移电流（IT） 。
注：单独的n型和p型半导体是电中性的。
三种半导体的能带结构
本征半导体 n型半导体 p型半导体
载流子——在半导体 内运动的电荷载体。 “载流子”导电是 半导体所特有的。 多子---在N型半导体中，
将自由电子称为多数 载流子，简称多子； 少子---在N型半导体中， 空穴称为少数载梳子， 简称少子。
np ni 都是成立的。 对所有情况： 掺杂会使费米能级移动。 在轻掺杂情况下电子态数远大于电子 数，可以不考虑Pauli原理，电子分布 近似服从波尔兹曼分布，为非兼并半 导体（n<<Nc, p<<Nv），如上图。 在重掺杂情况下电子态数接近电子数， 需考虑Pauli原理，电子分布服从费米 -迪拉克分布，为兼并半导体（n>Nc, p>Nv），如右图。
(f)
x
nno ni
(c)
PE(x) eVo Hole PE(x)
npo
pno
x=0 x
net (g) 势垒区电场减弱，破坏了载流子的扩散运动和漂移运动之间原有的平衡，它 M 消弱了漂移运动，使扩散电流大于漂移电流。所以在加正向偏压时，产生了从 Electron PE(x) eNd –Wp n区向p区的电子净扩散流以及从 p区向n区的空穴净扩散流。 (n –eV o 区被空穴复合的
光子学与光电子学第6章 光电效应及应用
光子学与光电子学
11
光探测器
光子学与光电子学
12
一种43Gb/s DQPSK双平衡接收机
光子学与光电子学
13
6.2.1 PIN光敏二极管 1. 工作原理
简单的 PN 结光敏二极管具有两个主 要的缺点。
首先，它的结电容或耗尽区电容较大， RC 时间常数较大，不利于高频调制。
其次，它的耗尽层宽度最大也只有几微 米，此时长波长的穿透深度比耗尽层宽 度 W 还大，所以大多数光子没有被耗尽 层吸收，因此长波长的量子效率很低。
光电效应的主要应用是光探测器和光伏电池等。 光探测器是吸收入射光子能量后把光信号转变为 电信号，产生光生电流；而光伏电池是将太阳能 转换为电能。
光子学与光电子学
1
第6章 光电效应及应用
6.1 光探测概述 6.2 光探测器 6.3 光伏电池
光子学与光电子学
2
6.1.1 光探测原理
如果把光子能量大于hv的光波照射到占据低能 带的电子上，则电子吸收该能量后被激励跃迁 到较高的能带上。在半导体结上外加电场后， 就可以在外电路上取出处于高能带上的电子， 使光能转变为电流，如图6.1.1（b）所示，这就 是光探测器件。
光子学与光电子学
4
图6.1.2a PN结光检测原理说明
(a) 反 向 偏 置 的PN 结 当 光 入 射 时 , 光 生 电, 子
电极
空穴对分别向N区和P
区漂移，在外电路产 生光生电流
入射光
Pin
hv >Eg
抗反射膜
+
SiO2
Ip
P+ N h+
e-
E 耗尽区
W
输出电压 RL Vout
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
光子学与光电子学第7章 电光磁光声光效应及应用
光子学与光电子学
10
横向线性电光效应强度调制器工作原理
当外加电压为零时，Ex 和 Ey 分量在晶体中传输，经历着相同的折 射率变化，因此晶体的偏振光输出 I0 与输入相同。根据马吕斯（Malus）
定律，检偏器的输出光强由式（5.2.2）给出，即 I I0 cos 2 ，由于检 偏器和起偏器成正交状态， = 90o，所以探测器探测不到光。
（c）沿y方向施加电场Ea 时， LiNbO3晶体z轴截面的折射率 nx变为n,x，ny变为n,y，尽管主 轴没有旋转方向
事实上，我们必须考虑沿晶体某个方向施加的电场，对光在给定传输 方向上的折射率的影响。
在LiNbO3晶体中，沿z方向（光轴）传输的光波，不加外电场时，x方 向和y方向经历相同的折射率（nx= ny = no），不管偏振态如何变化， 如图7.1.1（a）所示。
横向线性电光效应的优点是我们可以分别独立 地减小晶体厚度 d 和增加长度 L，前者可以增 加电场强度，后者可引起更多的相位变化。
光子学与光电子学
8
7.1.3 电光强度调制器
在图7.1.2（a）所示的相位调制器中，在 相位调制器之前和之后分别插入5.2.2节 介绍的起偏器（polarizer）和检偏器 （Analyzer），我们就可以构成强度调 制器，如图7.1.3所示，起偏器和检偏器 的偏振方向相互正交。起偏器偏振方向 与y轴有45o角的倾斜，所以进入晶体的 Ex和Ey光幅度相等。
光子学与光电子学
2
7.1.1 电光效应
电光效应是外加电场引起各向异性晶体材料折射率改变的效应。
对于一个入射偏振光，施加的电场强度E对折射率n的影响可用E
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
光电子学与光子学讲义-Chapter0-perface
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，
光子具有极高的信息容量和效率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光子具有极大的存储能力光电子学物理基础研究光电子学物理基础研究激光物理学激光物理学信息光电子学信息光电子学生物光子学及激光医学生物光子学及激光医学微光机电集成系统微光机电集成系统memsmems光电子武器光电子武器微波光子学微波光子学有机光子学与材料有机光子学与材料光化学与分子动力学光化学与分子动力学能源能源信息光电子学的主要内容信息光电子学的主要内容光信号产生光信号产生ldledldled信号调制信号调制信息传输信息传输光纤通信空间光通信光纤通信空间光通信计算机光互连全光通信网络计算机光互连全光通信网络海底光缆通信海底光缆通信信息获取信息获取光探测光探测光学传感光学传感光纤传感光纤传感图象遥感图象遥感信息处理信息处理光交换光交换光计算波长变换等光计算波长变换等信息存储信息存储光盘光盘ldcdvcdsvcddvdldcdvcdsvcddvd全息存储技术全息存储技术近场光学存储技术近场光学存储技术信息显示信息显示激光打印和印刷激光打印和印刷大屏幕平板显示大屏幕平板显示3d3d显示显示全色全色ledled液晶液晶pdppdp电致发光显示电致发光显示
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
《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。
6．理解双异质结实现高亮度LED的原因。
第四章
1．了解自发辐射、受激吸收和受激辐射概念、激光产生的条件和模式的概念，熟悉光学谐振腔的功能和特点。
2．理解半导体激光器粒子数反转的条件，和实现方法。
3．掌握PN结激光器的激射原理、稳态激射条件和特征，阈值状态的定义和特征。
4．理解半导体激光器的主要性能参数，掌握计算阈值电流、功率转换效率、斜效率、外量子效率和外差分量子效率、空间模式、光束发散角、纵模、线宽的物理意义
5．边发射半导体激光器发射光束存在的缺陷。
6．实现半导体激光器单纵模工作可采用哪几种方法？
7．降低半导体激光器阈值电流的两种方法。
8．掌握宽接触半导体激光器和条形激光器、增益导引(gain guided)激光器与折射率导引（index guided）激光器掌握增益导引(gain guided)激光器与折射率导引（index guided）激光器结构上的差别，折射率导引激光器的优点
9．了解DFB、DBR单模半导体激光器在结构上的特点。
10．了解量子阱中载流子的运动状态特点，为什么量子阱半导体激光器易实现窄线宽激射。
11．了解垂直腔型面发射激光器的结构特点及性能优势。
第五章
1. 理解光增益谱宽和放大器带宽。
2. 掌握EDFA的组成、基本原理和主要性能参数特征。
3. 掌握SOA的基本原理及其特点, 理解LD与SOA的异同。
4. 了解RFA的原理、特点和主要参数。
第六章
1．了解光电效应的分类与特点。
2．掌握PN结光电二极管的基本工作原理和优缺点。
3．掌握PIN光电二极管的原理和较PN光电二极管的性能改进
4．理解光电二极管的响应速度主要由哪些因素所决定。
5．了解雪崩光电二极管的工作原理。
6．理解光电探测器各参数的物理意义。