光电子技术教材

现代光电子技术张爱玲天津理工大学计算机与通信工程学院1......现代光电子技术张爱玲1...主要参考书A.Yariv,OpticalElectronics彭江得《光电子技术基础》《现代通信光电子学(第五版)》亚里夫著，陈鹤鸣译，2004.9，电子工业出版社；《光电子学与光子学的原理及应用》（英文版），S.O.Kasap著，2001，电子工业出版社；《光电子技术基础（第二版）》，朱京平编著，科学出版社，2009.1《光电子理论与技术》马声全陈贻汉编，2005.1，电子工业出版社。2......主要参考书A.Yariv,OpticalElectron《光电子学与光子学的原理及应用》（英文版)3......《光电子学与光子学的原理及应用》（英文版)3..什么是“光电子”；什么是“光电子技术”；光电子器件“光电子技术应用”；本课程学习方法、要求。4......什么是“光电子”；4...电子学（Electronics）：研究电荷在半导体、电阻、电感、电容、纳米结构和真空管等各种材料和器件中流动的科学。光子学（Photonics）：来自与光能量的最小单位光子的概念，研究光子的产生、控制和检测的科学。光电子（Optoelectronics）：研究产生、控制和探测光的电子器件及其应用的科学。什么是光电子？

光子学和电子学存在着交叉：一方面，光子可以控制电子的运动（如光电探测器）；另一方面，电子也可以产生和控制光子的运动（如LD，电光调整器）5......电子学（Electronics）：研究电荷在半导体、电阻、电

光电子技术光电子技术是光子技术与电子技术相结合而形成的一门技术光子技术的研究对象光子的特性光子与物质的相互作用光子在自由空间或物质中的运动与控制电子技术的研究对象电子的特性电子与物质的相互作用电子在自由空间或物质中的运动与控制

光与物质中的电子相互作用及其能量相互转换的相关技术,也是光波段的电子技术光电子技术的研究对象光波段(红外线、可见光、紫外线和软X射线)6......光电子技术光电子技术是光子技术与电子技术相结合而形成的一门

绪论光电子主要研究的波长~800nm：Ti:Sapphire激光器（飞秒激光）；~1000nm：掺Nd3+、Yb3+激光器（高功率光纤激光器；~1550nm：掺Er3+激光器放大器、光纤低损耗窗口（通信）~1mm：THz波，介于微波和光之间超连续光源7......绪论光电子主要研究的波长~800nm：Ti:Sap8......8...9......9...10......10...11......11...12......12...13......13...14......14...15......15...16......16...17......17...1.2光电子技术发展简史第一阶段光电探测器问世

·1873年英国W.R.史密斯发现了硒的光电导特性(内光电效应)·1888年德国H.R.赫兹观察到紫外线照射到金属上时,

能使金属发射带电粒子

·1890年勒纳对带电粒子的电荷质比的测定,证明它们是电子,由此弄清了外光电效应的实质·1929年L.R.科勒制成银氧铯光电阴极,出现光电管·1939年苏联V.K.兹沃雷制成实用的光电倍增管18......1.2光电子技术发展简史第一阶段光电探测器问世1.2光电子技术发展简史

·40年代出现了用半导体材料制成的温差型红外探测器和测辐射热计·50年代中可见光波段的硫化镉(CdS),硒化镉(CdSe)光敏电阻和短波红外硫化铝光电探测器投入使用·1958年英国劳森等发明□镉汞(MCT)红外探测器·红外探测器自60年代以来快速发展,40多年来美、英、法等大力开发了中波(3~5μm)和长波(8~14μm)红外多元探测器,并广泛应用于夜视、侦察和制导系统等领域·1992年起各国用红外焦平面阵列在各种成像技术中取代多元探测组件·30年代末PbS红外探测器问世,室温下探测到3μm·50年代末美国将探测器用于代号为响尾蛇的空空导弹19......1.2光电子技术发展简史·40年代出现了用半1.2光电子技术发展简史·激光器诞生及发展·1916年爱因斯坦在《关于辐射的量子理论》中,提出了光的受激辐射及光放大的概念,这为激光器的产生提供了理论基础·1954年美国汤斯以制冷的氨分子作为工作物质,研制成了微波激射器稍后,苏联巴索夫和普洛霍洛夫以氟化铯为工作物质制成了微波激射器·1958年汤斯和肖诺将微波受激辐射的原理推广到红外和可见光波段,

引入了激光的概念·1960年梅曼研制成功了世界的一台激光器——红宝石激光器.随后,

各种固体、气体、液体、半导体激光器相继出现.同时从第一台激光器诞生之日起,人们就开始探索激光的应用.激光的军事应用被优先考虑·1961年第一台激光测距仪问世第二阶段红宝石激光器望远镜式激光测距仪20......1.2光电子技术发展简史·激光器诞生及发展·1916年爱1.2光电子技术发展简史第三阶段·低损耗光纤问世·1966年英籍华人高锟等提出了实现低损耗光纤的可能·1970年美国研制出损耗为20dB/KM的石英光纤和室温下连续工作的激光二极管,使光纤通信成为现实,这一年被公认为“光纤通信元年”·90年代初光纤放大和波分复用技术诞生·80年代初日本,美国,英国相继建成全国干线光纤通信网21......1.2光电子技术发展简史第三阶段·低损耗光纤问世·11.2光电子技术发展简史·光纤传感技术源于80代初.90年代初中期光纤激光器、光纤光栅等光纤元件崭露头角光纤激光器光纤光栅利用啁啾和波长同时可调谐的光纤光栅22......1.2光电子技术发展简史·光纤传感技术源于80代初.90年代1.2光电子技术发展简史·光存储技术发展很快.1972年荷兰飞利浦公司演示了模拟式激光视盘.1982年飞利浦公司同日本索尼公司合作,推出了第一台数字式激光唱机.CD,VCD,DVD迅速进入千家万户23......1.2光电子技术发展简史·光存储技术发展很快.1972年荷兰1960年，激光器的发明，获得了可靠高性能的相干光源。上世纪60年代以来，基于半导体的光产生和探测器件的发明，允许获得非常紧凑、高效的光电子器件。上世纪70、80年代，低损耗光纤和掺铒光纤放大器的出现，推动了光通信技术的发展。下一个里程碑……光子晶体？光子晶体光纤？硅基光电子集成？纳米光子学？现代光学的里程碑现代光学的发展，推动了“光子学”的出现24......1960年，激光器的发明，获得了可靠高性能的相干光源。现代光1.3信息光电子器件按信息传递的各各环节划分光源信息加载或光控制光传输处理存储光信号接收光源器件光调制器件光传输器件光探测器件光显示器件25......1.3信息光电子器件按信息传递的各各环节划分光源信息加载信息光电子技术与器件光电子器件光源器件光传输器件光非线性器件光调制与探测器件光无源器件光纤光栅耦合器二次谐波参量振荡电光调制声光调制量子型探测非量子型探测激光器--相干光源宽度光源--非相干光源光波导光纤光子晶体光纤26......信息光电子技术与器件光电子器件光源器件光传输器件光非线性器件基本器件激光器；调制器；探测器；光纤；光栅；分光器；光开关；波分复用耦合器；波长转换器；光放大器；光隔离器；环形器；光衰减器；光滤波器；显示器；移频器；……了解和认识这些器件，需要多方面的基础和专业知识；实现和应用这些系统，需要多方面的知识和技能27......基本器件激光器；波长转换器；了解和认识这些器件，需要多方面的与这些领域相关的技术就是光电子技术;支持这些技术的学科就是光电子学28......28...29......29...光电子技术应用光纤通信、传输光信息处理分光分析光应用计算光空间传输长距离、大容量、宽带数字通信模拟通信局域网通信太阳光的光纤照明光盘存储器、全息照相存储器光视频盘、光音频盘二维信息处理匹配滤波器信息处理器、激光打印机、传真机光计算机短距离简单图象通信光遥感、光开关光在线检测激光雷达、激光陀螺、激光传感光纤传感系统精密测量、全息测量、在线测量同步激光超精密分光分析大气污染气体分析、医用气体分析同位素浓度测定、同位素分析激光诊断微等离子体超快过程分析30......光电子技术应用光纤通信、传输光信息处理分光分析光应用计算光空1.4光电子技术应用

光电子技术像其它高新技术一样,始终收到军方的高度重视.在军事方面的应用不可忽视1.军事方面的应用1983年,美国总统提出的战略防御倡议(SDI),包括高能激光武器,基于红外焦平面阵列的星载预警系统,以及许多光电子器件和整机系统1991年的海湾战争,以美国为首的多国部队广泛使用了各种星载、机载和车载光电子装备,包括高分辨可见光和红外侦察照相机、激光半主动制导航弹、红外成像制导导弹、电视和红外制导航弹、红外夜视、夜间低空导航和目标侦察红外系统、激光测距和目标指示器、激光致盲武器、激光光点跟踪器、激光告警器、红外对抗装置等激光制导导弹红外夜视仪31......1.4光电子技术应用光电子技术像其它高新技术1.4光电子技术应用1995~1996年的波黑战争中,北约部队的战场无人侦察机频繁出动,它装备了合成孔径雷达和高分辨率CCD摄像机。一种无人侦察机32......1.4光电子技术应用1995~1996年的波1.4光电子技术应用2.激光器及其应用(1)激光通信(2)激光加工(3)激光医学(4)激光核聚变

原子能的获得有两种方法,一种是重原子核的裂变,如铀235的裂变(原子弹和核电站);一种是轻原子核的聚变,主要是氢原子同位素氘的聚变反应(氢弹,太阳内部运动)

氘存在于海水中.利用高能脉冲激光并聚焦在直径百分之几到千分之几毫米范围内,产生几百万度高温、几百万个大气压和每平方厘米几千万伏的强电场,要采用多束这样的高能激光来实现点火条件

美国科学院建议建造“诺瓦”升级系统,称为国家点火计划(NIF).该计划于1996年启动,预计2021年将开始建造演示反应堆.这中间的关键技术就是更高水平的激光技术33......1.4光电子技术应用2.激光器及其应用(1)激光通信(1.4光电子技术应用3.CCD器件及其应用(1)文字阅读与图像识别条码识别,货币识别,传真机(2)遥感系统地球表面监视,地球资源勘探,气象和环境监测等(3)天文学应用空间望远镜,陆基望远镜,跟踪行星,进行天文观察,探测宇宙射线,监视黑洞,探索空间奥秘(4)水下应用探索海洋奥秘,探测和开采海底矿藏,监视鱼群动向等1985联美国和法国的联合水下探险队在海下4000米深处发现钛矿1991年意大利使用水下电视摄像机,变焦镜头彩色摄像机等在水下拍摄到1980年因空难坠毁于地中海331.78米海底的一架意大利民用客机的残骸碎片图像34......1.4光电子技术应用(1)文字阅读与图像识别条码识别,货币1.4光电子技术应用3(7)交通监控应用(5)医学应用医用内窥镜,数字化X射线摄像(6)工业检测和机器人视觉医用内窥镜机器人35......1.4光电子技术应用3(7)交通监控应用(5)医学应用(61.4光电子技术应用4.光纤技术及其应用(1)光纤传感器(2)光纤图像传输内窥镜5.光存储

以光盘为代表的光学存储技术飞速发展.光带、光卡是很有希望的光存储技术

如果记录数据量不高,一般的光盘都能满足要求.但是某些领域,记录数据量要大很多.美国宇航局早在80年代末就开始了星载光盘数据采集记录系统的研究计划.记录数据量达20GB

目前,一盘标准磁带可以存储110MB数据,而同样规格的光带,则可以存储27GB的信息.专家根据科学技术的发展估计,到本世纪末,将带基厚度由0.076mm减薄到0.025mm,存储容量将达到200GB

从外形看,光卡很像磁卡或者IC卡.一般光卡的容量相当于350片IC卡,或者4万片磁卡

36......1.4光电子技术应用4.光纤技术及其应用(1)光纤传感器光电子产业光电子仪器与应用37......光电子产业光电子仪器与应用37..光电子产业光通信系统WDM光源：半导体激光器光电调制器导波介质：光纤光纤放大器：EDFA，补偿损耗信号整形：补偿色散等影响光电探测器：PIN光二极管、光电倍增管波分复用器件：WDM、OADM38......光电子产业光通信系统WDM光源：半导体激光器38..光纤通信网络光电子产业39......光纤通信网络光电子产业39..课程目的与任务光电子学（Optoelectronics）技术是光学技术和电子学技术的融合，靠光子和电子的共同行为来执行其功能。上世纪60年代激光技术的产生，极大地推动了光电子技术的发展。以往把光电子学技术和产业归于电子学技术和产业，国外也有归到光学技术和产业（日本）。最近光子学（Photonics）技术的兴起，也有的把光学、光电子学和光子学技术合并在一起，称光科学技术，其产业基地称“光谷”。光电子技术主要应用于两个方面：光子作为信息的载体，应用于信息的探测、传输、存储、处理和运算，称信息光电子技术；光子作为能量的载体，作为高能量和高功率的束流（主要是激光束），应用于材料加工、医学治疗、太阳能转换、核聚变等，称能量光电子技术。40......课程目的与任务光电子学（Optoelectronics）技术课程目的与任务本课程讲解了光电子技术的基本知识，主要是与通信相关的知识。包括光学的基础知识（光的波粒二相性）、光与物质相互作用（光的吸收与辐射）、光源（激光原理与技术）、光波导理论、光调制技术、光通信无源器件以及光电探测技术。41......课程目的与任务本课程讲解了光电子技术的基本知识，主要是与通信考核出勤10%作业30%考察60%42......考核出勤10%42...光学的基础知识（光的波粒二象性,光的电磁理论）光与物质相互作用（光的吸收与辐射）光源（激光原理与技术）光波导理论—光纤—光子晶体光纤非线性效应—频率变换调制与解调光通信无源器件—光纤光栅光电探测技术。本门课程的主要内容43......光学的基础知识（光的波粒二象性,光的电磁理论）本门课程的主要光的性质

对光本性的认识，最早牛顿提出粒了说，惠更斯提出波动说。光的直线传播和反射支持粒子说，光的干涉、衍射支持波动说。后来，麦克斯韦的电磁波理论既可解释光的直进和反射，又可解释光的干涉、衍射及光的有限速度，这样一点波动说取得绝对胜利。但是上世纪，又发现了一些波动说不能解释的实验现象，如黑体辐射的光谱。普朗克因此提出光量子理论，稍后，爱因斯坦改进了光量子理论，他们的理论表明光的波动理论不是一个完全可靠的理论。狄喇克提出的电磁辐射的量子化理论把波动理论和量子理论结合起来了，大大加深了对光的本性的认识。44......光的性质对光本性的认识，最早牛顿提出粒了说，惠更斯提出波动光的波粒二象性光的干涉、衍射、偏振等现象，说明光在传播过程中具有波动性；黑体辐射、光电效应说明光在与物质相互作用时具有粒子性；不能把光的波动性和粒子性看成相互抵触和排斥的两种概念，波粒二象性是光在不同场合下表现出来的两种真实属性。45......光的波粒二象性光的干涉、衍射、偏振等现象，说明光在传播过程中光的性质光是一种电磁波光波的振幅、偏振、波长、频率光波的位相、相速光波的能量密度光波的干涉与衍射光的粒子性光子的速度、能量、动量、质量光子的自旋角动量光子的统计分布46......光的性质光是一种电磁波46..光子和电子是两种具有波粒二象性的基本粒子，也是本门课程的主要研究对象。两种粒子具有本质的不同，如：光子是玻色子，满足玻色-爱因斯坦分布，电子是费米子，满足费米-狄拉克分布；光子不带电荷，电子带有电荷等。但是在量子描述中，两种粒子展现出许多相似之处。下面将两种粒子进行对比。光子与电子

47......光子和电子是两种具有波粒二象性的基本粒子，也是本门课程的主要光子光子与电子电子

在各向同性电介质中，对于线性、非磁性介质有：麦克斯韦方程：设：波动特征值方程：薛定谔方程：设：波函数特征值方程：48......光子光子与电子电子在各向同性电介质中，对于线性、光子光子与电子电子自由空间中传导的光子自由空间中传导电子平面波平面波动量波矢量能量色散关系动量能量/色散关系波长49......光子光子与电子电子自由空间中传导的光子自由空间中传导电子光子周期结构中的光子光子与电子电子周期结构中的电子光子晶体Vs.电子晶体光子带隙Vs.电子带隙50......光子光子与电子电子光子晶体Vs.电子晶体光子带隙Vs.电光子光子的局限光子与电子电子电子的局限1D平面波导2D条形波导3D光子晶体1D量子井2D量子线3D量子点光子和电子局限的组合51......光子光子与电子电子1D平面波导2D条形波导3D光子晶体1电子与光子的相互作用电子产生光子电子调制光子光子产生电子电子与光子52......电子与光子的相互作用电子与光子52..光电子学是研究产生、控制和探测光的电子器件及其应用的科学。光电子学包括广泛的研究领域，本课程主要研究：光波导理论、光波的调制以及光检测技术几个方面。电子和光子是本门课程研究的核心内容，尽管它们是不同类型的粒子，但是也具有许多相似的运动规律。小结53......光电子学是研究产生、控制和探测光的电子器件及其应用的科学。小光子学——现代通信光电子学（第六版）》

书代号：G0087930作译者：陈鹤鸣

出版日期：2009-06

定价：￥85.0元

出版社：电子工业出版社

ISBN：978-7-121-08793-6

丛书名：国外电子与通信教材系列

责任编辑：杨丽娟

原著者：AmnonYarivand`PochiYeh(阿曼.亚里夫波奇.耶赫)

适用对象：研究生本科教育>工学>电气信息类>通信工程

54......光子学——现代通信光电子学（第六版）》54..55......55...56......56...57......57...58......58...不导电介质中的有源波动方程无源波动方程有源扩散方程无源扩散方程恒定场59......不导电介质中的有源波动方程无源波动方程有源扩散方程无源扩散方光波的表示与传播特性1、光波的电磁表示由于有以下两个原因，通常用光波的电场分量来表示光波电磁场。(a)电磁场的磁场分量与电场分量之间有确定关系。(b)光强常用光波电场E振幅的平方来表示。光波电场为时谐单色波的表示形式：指数形式：三角函数形式：60......光波的表示与传播特性1、光波的电磁表示由于有以下两个原因，通光的波动性沿着z轴传播的平面光波61......光的波动性沿着z轴传播的平面光波61..62......62...63......63...64......64...2、各种类型的传播光波波型电场振幅光强平面波球面波柱面波抛物面波65......2、各种类型的传播光波波型电场振幅光强平面波球面波柱面波抛物设有两个振幅均为Em、频率为ω+Δω和ω-Δω的电磁波，沿+z方向传播，在色散媒质中，它们对应的相位常数是β+Δβ和β-Δβ，其表达式为

它们的合成波为

由此可见，合成波的振幅是受调制的，称为包络波。

66......设有两个振幅均为Em、频率为ω+Δω和ω-Δω的电磁波，67......67...68......68...69......69...70......70...71......71...72......72...73......73...菲涅耳公式：对于垂直于入射面的波场分量：对于平行于入射面的波场分量：

从以上公式可以解释在两种情况下光从光疏介质入射到光密介质时出现的半波损失现象。1、垂直入射2、掠入射74......菲涅耳公式：对于垂直于入射面的波场分量：对于平行于入射面的波75......75...76......76...4、光学薄膜的反射与透射性质1、单层膜

光学薄膜技术作为现代光学的核心技术在国民经济中有着十分重要的地位。从航天、卫星等空间探测器到集成电路、生物芯片、激光器件、液晶显示到集成光学、在一定程度上取决于薄膜技术的发展。

通过多次重复使用界面菲涅耳公式与多光束干涉原理，可以推导出多层光学薄膜的反射和透射性质。

膜系折射率结构为的单层光学薄膜在忽略薄膜的吸收时，薄膜的反射系数和透射系数分别为：其中为薄膜上表面相继两反射光束的相位差。nnGh77......4、光学薄膜的反射与透射性质1、单层膜光学薄膜正入射时的反射率为：(m为整数)这一结论不够全面当反射光满足相消干涉时，在正入射情况下的反射率为：可见：起增透作用；起增反作用。

要实现单层增透(增反)效果最好，需要使界面多束反射光发生相消(相长)干涉，由此得：78......正入射时的反射率为：(m为整数)这一结论不够全面当反射光满足1、要反射率为0，必须满足薄膜的光学厚度等于指定的波长的四分之一，但白光入射这个条件不能对所有的波长都同时满足，因此对助视仪式器的增透膜，常把光学厚度控制为绿光的四分之一波长，由于干涉相消反射率大大减弱，而偏离绿光波长较远的红光和紫光有较大的反射率，这就是光学镜头呈紫色的原因，膜的这种特性，在镀膜工艺中常根据膜的表面颜色来判断其光学厚度。2、当入射介质为空气时，n0=1，n2=nG，若nG为1.51，则要求膜的折射率n为1.23，在实际中很难找到这样低折射率的合适材料，再则作为膜层的材料，还要满足一些工艺上的要求。3、要反射率为0，还必须满足入射角等于零的条件，这对透镜来说，也不可能处处都满足。单层膜增透效果的三个限制因素：79......1、要反射率为0，必须满足薄膜的光学厚度等于指定的波长的四分2、双层增透膜膜系折射率结构为的双层膜系正入射时，膜层的反射率为：h1h2nGV型增透膜的反射谱对双层四分之一增透膜，也不可能使可见光谱的所有波长同时实现理想的增透效果，在指定波长处可达约100%的增透，而对其它波长则不然，双层四分之一膜的反射率随波长的变化曲线呈V型。2.1V型增透膜80......2、双层增透膜膜系折射率结构为81......81...82......82...

某些光学仪器如彩色电影，彩色电视的摄像镜头，彩色电影的放映镜头等，并不要求在某一波长处有100%的透射率，而希望在较宽的波长范围内反射率都较低而且一致，这就需要所谓的宽带增透膜。

最简单的一种宽带增透膜是让第一层为四分之一膜，第二层为二分之一膜，二分之一膜的反射率与膜的折射率无关，无论膜的折射率比基底的大还是小，在λ0处膜系的反射率和未镀二分之一膜时的反射率相同，第二层膜对波长λ0来说几乎不起作用，但是它和第一层膜的组合，能使得见光谱中两个波长处出现反射极小，这种膜系的反射率随波长的变化曲线形如W，称之为W形增透膜。W型增透膜的反射谱2.1W型增透膜83......某些光学仪器如彩色电影，彩色电视的摄像镜头，彩色3、多层高反膜HLLLLLAGHHHHH

常用的多层高反膜是一种由均为的层高折射率膜层(折射率表示为)和层折射率为的低折射率膜层交替重叠形成的膜系，常用符号表示为：

可以推出，该膜系正入射时的反射率为：可见，与相差越大，膜层数越多，增反效果越好。会有单层和双层增反膜吗？84......3、多层高反膜HLLLLLAGHHHHH常用的85......85...86..