光电子技术基础1

i r , n1 sini n2 sint Snell定律
r
Er 0 Ei0
cosi cosi
[n2 [n2
sin2 i ]1 2 sin2 i ]1 2
,
t
Et 0 Ei0
cosi
k kxex kyey kzez k kx2 ky2 kz2
jk Maxwell Eq.
E、H、k相互正交 TEM波
k E0 0H0 k H0 E0
k E0 k H0 0
Ex
E0
exp
, E j(tkz) y
Ez
0
Hy
H0
exp
, H j(tkz) x
Hz
0
反射和折射
1
j 0
ez t t ez Et
波动方程
在通常的光学介质内f = 0，Jf = 0；由Maxwell方程得到：
2E
0
2E t 2
E
2H
0
2H t 2
0
A A 2A
弱导近似下： 0

2E
n2 c2
2E t 2
0
2H
n2 c2
2H t 2
0
n r ,c 1 00 v 1 0 c n
相对介电常数和折射率
在最一般情况下， εr为复二阶张量，且与众多物理量有关：
r r (r, t, E, H, S, T, )
适当选择坐标系，对于双轴晶体： 对于单轴晶体：
11 0 0
r
0
22
0
0 0 33
11 0 0
r
0
11
0
0 0 33
对于一般各向同性介质 εr 为一标量
光电子技术基础
主要参考书：
李家泽，阎吉祥，“光电子学基础” Macuse, 或 Adams 或 Snyder “光波导理论” Govind P.Agrawal, “Nonlinear Fiber Optics”. A. Yariv, “现代通信光电子学” S. O. Kasap, “Optoelectronics and Potonics” 黄章勇， “光纤通信用光电子器件和组件” S. L. Chuang, “Physics of Optoelectronic Devices” 经典综述性文献（Proc. IEEE或中文期刊上的综述文章)
电磁理论基础
Maxwell 电磁场方程
E B t D
H J f t D ρf
B 0
E：电场强度 H：磁场强度
坐标系为
D：电位移矢量
右手系统
B：磁感应强度
f：自由电荷密度
Jf：自由电流体密度
在绝缘介质内部， f = 0；Jf = 0
介质时空特性
：磁导率，真空为0，一般介质＝ 0
介质的折射率：
n r
横场和纵场
E=exEx+ eyEy+ezEz, H=exHx+eyHy+ezHz
ex
x
ey
y
ez
z
E=Et+ ezEz
H=Ht+ezHz
t ez z
Hz
1
j
0
t
ez
Et
Ez
1
j
t
ez
Ht
e
z
Et z
j0Ht
1
j
e
z
t
1
t
e
z
H
t
e
z
Ht z
j 0Et
…… 涉及领域：电磁理论，半导体物理，量子力学……
主要内容
➢ 电磁理论基础
场方程和边界条件，相对介电常数，横场和纵场，波动方程，单色平 面波，反射和折射，相速和群速，色散，能量和能流
➢ 光波导的一般理论
一维情形，弱导近似和标量波动方程，模，模的一般性质，模耦合， 非线性传输方程，一般波导结构
➢ 晶体光学和光电器件
E E// E 分别考虑平行和垂直情形
（1） Ei E
在y = 0的分界面上，电磁场切向分量连续
k i r k r r k t r， Ei0 Er0 Et0 , k i r k r r k t r， Ei0 Er0 Et0 ,
ki Ei0 k r Er0 kt Et0 ki Ei0 k r Er0 kt Et0
光电子技术概览
光电子学是以光与物质相互作用及其应用为研究对象 的一门内容极其深广的学术分支。
光电子技术是以光电子学为基础，以光的产生、控制、 传输、光信息处理、转化等有关的器件与系统为研究 对象的新型综合性技术领域。内容包括： 激光技术 导波光电子技术（光子学，光无源器件） 晶体光学与电光器件（电光、磁光、弹光、声光…） 半导体光电子器件物理与技术(LD, LED, EAM, PD…) 聚合物材料与器件
晶体的各向异性，电光、弹光、声光、磁光、热光效应及其应用
➢ 光子器件
波导光栅，耦合器，隔离器，环行器，MMI，AWG，EDFA， Raman放大器
➢ 半导体电子论基础
电子的能带和费米能级，光子与电子的相互作用，PN结器件
➢ 半导体光电子器件
异质结，LD（FP，DFB，DBR，VCSEL），MQW, LED，SOA， EAM，PD，集成
n E1 E2 0 n H1 H2 J sf n D1 D2 sf n B1 B2 0
在绝缘介质边界上，电磁场切向分量连续
电荷守恒定律
Jf
f
t
0
单位时间从空间某点单位体积内流出的电荷量等于该体积内电荷的
减少
磁导率
一般光学介质对磁场的响应与真空相同：
0
铁磁性介质的形式较为复杂
D
0E P
E
ε ：介电常数，真空为ε0， εr相对介电常数
一般情况下ε 和 均为空间和时间的函数
B H
对线性介质：
P(r,t) 0
(r,t )E(r, )d
对一般线性介质和非超快过程(>0.1ps): P 0E, 0 r , r 1
边界条件
n
1
E1H1B1D1
2
E2H2B2D2
变换到频域成为Helmholtz方程：
2E(r,) k 2E(r,) 0 2H(r,) k 2H(r,) 0
F
d
n f (t) dt n
j
n
F
f
(t)
j
n
f
( )
k
k0n, k0
c
2f
c
2
f () F f (t) f (t)e jtdt
自由空间中的单色平面波
Er E0 exp jk r Hr H0 exp jk r
v c
Snell定律：
n
n1 sini n2 sint , i r
全内反射和临界角
i
c
sin
n2 n1
Fresnel公式 Ei Ei0e jki r , Hi k i Ei 0 Er Er0e jkr r , Hr k r Er 0 Et Et0e jkt r , Ht k t Et 0