新型光电子与光纤器件1

新型光电子与光纤器件北京交通大学光波所主讲：任国斌谭中伟电话：51684020Email：gbren@注意事项考核：平时课堂表现和出勤情况：10％；研究性和综合性大作业成绩：30％；期末考试成绩：60％。答疑：光波所308参考书目现代通信光电子学，（美）亚里夫Yariv，电子工业出版社光电子学与光子学的原理及应用，S.O.Kasap著.电子工业出版社光纤光学--原理与应用，廖延彪，清华大学出版社光子器件物理，ShunLienChuang(庄顺连)著，贾东方等译，出版社：电子工业出版社光有源无源器件制造，刘孟华，华中科技大学出版社硅基光电子学，周治平，北京大学出版社光电二极管及其放大电路设计，JeraldGraeme，科学出版社课程目的与任务

光电子技术是“光子技术”与“电子技术”相结合的产物，是继微电子技术后兴起的一门高新技术，目前已成为信息科学的重要支柱。主要内容包括：光电子学概述晶体光学基础与光调制；半导体物理及光电器件基础；光纤光学基础与光纤器件；光电子学及光子学前沿与动态。光电子技术概述21世纪——光电子信息时代光电子技术研究对象：从红外波、可见光、紫外光、X射线直至伽马射线波段范围内的光波电子技术是研究运用光子和电子的特性，通过一定媒介实现信息与能量转换、传递、处理及应用的科学。以光电子学为理论基础，以光电子元器件为主体。光子技术与电子技术相结合的光电子技术主要研究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，以光源激光化、传输波导化、手段电子化、现代电子学中的理论模式和电子学处理方法化为特征，是一门新兴的综合交叉学科。内容提要光电子学----学科角度光电子学光与电打交道的三个回合光电子学与光子学光电子技术光电子技术的应用光电子器件光电产业的发展

一、国务院学位委员会、教育部：学科专业简介物理电子学主要研究:光子学、光电子学、导波光学、光纤通信与光信息处理技术、微波电子学和相对论电子学、薄膜与表面技术、真空科学与技术,以及信息显示技术等电路与系统微电子学及固体电子学电磁场理论与微波技术主要研究:电磁波(包括光波)的产生、传输、与媒质的相互作用以及检测理论和方法,电磁辐射散射的理论与技术,无线电理论和技术,微波电路和光路系统的理论、分析、仿真、设计及应用,以及环境电磁学和计算电磁学等电子科学与技术分为四个二级学科：国务院学位委员会、教育部：学科专业简介以光学为主的,并与信息科学、能源科学、材料科学、生命科学、空间科学、精密机械与制造、计算机科学及微电子技术等学科紧密交叉和相互渗透的学科它包含了许多重要的新兴学科分支：激光技术、光通信、光存储与记录、光学信息处理、光电显示、全息和三维成像、薄膜和集成光学、光电子和光子技术、激光材料处理和加工、弱光与红外热成像技术、光电测量、光纤光学、现代光学和光电子仪器及器件、光学遥感技术以及综合光学工程技术光学工程属于工学学科门类之中的其中一个一级学科，光学工程不再下设二级学科电子技术、光子技术及光电子技术电子技术：包括真空电子技术、气体电子技术、固体电子技术等，主要研究电子的特性与行为及其在真空或物质中的运动与控制。光子技术:研究光子的特性与行为及其与物质的相互作用以及光子在自由空间或物质中的运动和控制。光电子技术：是电子技术与光子技术相结合而形成的一门新兴的综合性的交叉学科，主要研究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。光电子技术的特征光电子技术的特征：光源激光化、传输波导化、手段电子化、电子学中的理论模式和处理方法光学化。光电子技术与微电子技术共同构成了信息技术的两大重要支柱。内容提要光电子学----学科角度光电子学光与电打交道的三个回合光电子学与光子学光电子技术光电子技术的应用光电子器件光电产业的发展光与电打交道的第一个回合光与电打交道的第一个回合是光的电磁波动论的出现和确立1864年，Maxwell发表《电磁场的动力学理论》将所有电磁现象概括为一组偏微分方程组，预言了电磁波的存在，并确认光也是一种电磁波，从而创立了经典电动力学，奠定了辉煌的电磁理论基础。1888年，Hertz证实了电磁波的存在。12“是牛顿以来，物理学最深刻和最富有成果的工作”——A.Einstein13Maxwell理论的微分表述方程1—Faraday电磁感应定律方程2—Ampere环路定律+位移电流方程3—Gauss定律方程4—磁通连续定律+无自由磁荷1+2—电磁波的传播3+4—电磁波与物质的作用电场和磁场的伴随产生；正交性；对称性；Maxwell方程完美的体现了物理与数学的结合！电子技术的发展电子学是建立在电磁学的基础上发展起来的，实质上就是人们不断地开拓电磁波谱并加以应用的历史。一个多世纪以来，从最简单的二极管、三极管，到后来相继发明的束射功率管、闸流管、微波三四极管、行波管、返波管、奥罗管、回旋管等，使电磁波波谱由长波、中波、短波、超短波直至微波、毫米波及亚毫米波波段拓展，并正在向更短的波长进军。1415电磁波段划分及应用16电磁波谱主要形成手段波长范围目前主要应用光波红外线热体激光0.76μm-2μm雷达、导航、光纤通信可见光电弧灯0.4μm-0.76μm紫外线汞灯0.03μm-0.4μm医用、照相制版X射线X射线管0.1nm-0.03μm医用、探伤、物相分析伽马射线加热器行波管1.0pm-0.1nm探伤、物相分析电磁波段划分及应用近红外频率波长(真空)1.62291.00.8um0.60.41.81.4UV1.2THz1934610.2353骨干网城域网局域网850nm

1550nm

1310nm

CD盘780nmHeNeLasers633nm光通信波长范围：约0.85至1.70μm，属于近红外区电磁波段划分及相应传输媒介10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015ELFVFVLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF

自由空间波长，m频率，Hz电力、电话无线电、电视微波红外可见光双铰线同轴电缆光纤卫星/微波AM无线电FM无线电频段划分传输介质光纤17光与电打交道的第二个回合光与电打交道的第二个回合是光电效应的发现。光电效应是Hertz在1888年发现的，但对机制不清楚。J.J.Thomson(1897年)通过对气体放电现象及阴极射线的研究发现了电子，这才认识到：光电效应是光照射到金属上，金属中电子吸收了光的能量而脱出金属表面的现象，这种电子称为光电子。18光电效应的实验规律光电效应的实验规律：(1)一定金属材料的电极对应确定的临界频率ν0。当照射光频率ν<ν0时，无论光的强度多大，照射时间多长，都不会观测到光电子从电极上逸出。(2)光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光的频率的增大而增大。(3)当频率ν>ν0的入射光照射到材料表面时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过10-9秒；光电流的强度与入射光的强度成正比。经典的电磁理论不能对以上实验规律作出圆满地解释19经典电磁理论认为光的能量正比于光的强度，则任何频率的光，只要强度足够大，照射时间足够强，都可以使电子逸出。经典电磁理论认为光强增大时，光振动的电矢量数值也增大，因此作用于电子上的力数值也增大，光电子动能也增大。经典电磁理论认为从光与金属面接触到光电子发射有可观的延迟时间。光电效应的解释1905年爱因斯坦将量子论用于解释光电效应，并提出了光子的概念。他明确提出当光作用于物质时，光是以“光子”（光的能量会集成一个个的“能包”）作为最小单位进行的。光子的能量跟它的频率ν成正比，即E=hν式中的h=6.63×10-34j·s，是普朗克常量。爱因斯坦对光电效应的解释：射向金属表面的光，实质上就是具有能量E=hν的光子流如果照射光频率过低，即光子流中每个光子能量较小，电子吸收这一光子后所增加的能量仍然小于电子脱离金属表面所需要的逸出功，电子就不能脱离开金属表面，因而不能产生光电效应。如果照射光的频率E=hν高到能使电子吸收后其能量足以克服逸出功而脱离金属表面，就会产生光电效应。20光电效应解释——意义爱因斯坦在研究光电效应时给出的光量子解释不仅推广了普朗克的量子理论，证明波粒二象性不只是能量才具有，光辐射本身也是量子化的，同时为唯物辩证法的对立统一规律提供了自然科学证据，具有不可估量的哲学意义。这一理论还为玻尔的原子理论和德布罗意物质波理论奠定了基础。

21光与电打交道的第三个回合光与电打交道的第三个回合是1960年激光器的发明激光是光学历史上的一项重大革命，也是20世纪最主要的重大科学发明之一。激光器(LASER)是电子学中微波量子放大器(MASER)在波长上的延伸。激光器的发明不仅提供了光频波段的相干电磁波振荡源，而且使时至今日的无线电频率下的许多电子学的概念、理论和技术原则上均可延伸到光频波段，如振荡、放大、倍频、混频、参量、调制、信息处理、通信、雷达以至计算机等。2223激光的特点激光是受物质原子结构本质决定的光方向性好亮度高单色性好相干性好相干光非相干光与自然光，灯光有本质区别24+=+=波长功率激光的光谱普通光源的光谱激光产生前的理论储备量子概念（1900年）光子概念（1905年）原子模型（1913年）光与原子作用的三种基本过程（1916年）25普朗克爱因斯坦玻尔组成物质的原子（离子或分子）中电子在能级之间进行辐射跃迁从而使原子状态发生改变的过程。光与原子作用的三种基本过程26原子内所有电子处于可能的最低能级时，整个原子的能量最低原子内一个或多个电子吸收能量，跃迁至较高能级时基态原子激发态原子自发辐射EnEmEnEm受激吸收光子受激吸收自发辐射受激辐射自发进行，产生光子的方向，频率等是随机的。激光产生的理论基础——受激辐射受激辐射EnEm受激辐射光子和激励光子具有相同的频率，方向，相位和偏振。通过受激辐射，激励光子得到了相干放大。激光——通过受激辐射的光放大——相干光！27黎明前的黑暗还存在一个看似难以逾越的困难！受激辐射受激吸收热平衡状态下的粒子数分布

基态原子激发态原子受激吸收>受激辐射N1>N2不可能有光放大！激发态原子数E3E2E1N3N2N128基态原子数电子尽可能的占据能量较低的轨道激光产生前的思想突破50年代初，年轻的C.H.Townes独立提出了粒子数反转分布的概念。29热平衡状态下的粒子数分布粒子数反转分布激发态原子数量大于基态原子数量泵浦E3E2E1N3N2N1E3E2E1N3N2N1激光产生前的思想突破50年代初，年轻的C.H.Townes独立提出了

粒子数反转分布的概念10E1E3粒子数反转分布泵浦泵浦泵浦泵浦泵浦泵浦热平衡状态下的粒子数分布E2受激辐射>受激吸收可能产生光放大！1954年，Townes根据上述思想首次实现了氨分子微波震荡器（MASER）。粒子数反转分布E3E2E1N3N2N1热平衡状态下的粒子数分布E3E2E1N3N2N1世界上第一台激光器诞生！1960年，梅曼发明。31简化激光器结构的三要素:增益介质——能够形成粒子数反转分布的工作物质泵浦源——可以使增益介质实现粒子数反转分布谐振腔——由增益介质加两侧相互平行的反射镜构成，实现对光子的反射和筛选，并增大有效光程。激光器的工作原理32中国第一台红宝石激光器激光器的发明大量不同类型的激光器层出不穷1962年最重要的一种激光器诞生—半导体激光器。(GaAs,870nm)1977年获得可在室温下稳定工作的半导体激光器！（AlGaAs,850nm，BellLab)由于激光的发明，低损耗光纤的研制成功和半导体光电器件的发展，使光学迅速进入近代高新技术舞台，并对近代科学技术和人类社会生活产生巨大的影响。——激光器的发明标志着光电子学的兴起！34内容提要光电子学----学科角度光电子学光与电打交道的三个回合光电子学与光子学光电子技术光电子技术的应用光电子器件光电产业的发展光电子学的形成从微波波段拓展到光频波段受激辐射的产生与放大的研究过程中，逐步发展出量子电子学这一新兴的交叉学科，标志着电子学与光学的相互渗透、相互融合进入到一个新的阶段。半导体物理的发展促成光电效应的应用，从光电池、光电探测器，发展到发光二极管和半导体激光器，于是形成了以光电元件及其应用为主要内容的狭义的光电子学。光电子学是研究作为信息载体和能量载体的光子的产生﹑控制﹑探测及其应用的技术科学，是近代科学技术发展的带头科学之一。光电子学涉及学科面宽，技术密集程度高，它的发展水平代表着一个国家科学技术发展的水平和综合实力。36光子学从更广义的角度来说，光电子学属于光子学的范畴。光学和电子学两个学科的相互交融，促成了光子学的建立。光子学在形成过程中出现了若干新的学科名称：量子电子学、光电子学、光波技术等。这些学科名称、本质和内涵是相容的，因此，人们拟用覆盖学科范围更为广泛的光子学加以概括，如同电子学是发展到现阶段的电学那样。37电子学与光子学的发展过程电子学的发展过程：从真空管器件的真空电子学以晶体管为基础的固体电子学以集成电路为标志的微电子学。光子学也将有类似的发展过程：多元化的各种类型的激光器、光电探测器，其中半导体激光器相当于电子学中的晶体管，并将向以微光子器件及光子集成器件为标志的微光子学的方向发展。将现阶段的光学称为光子学还有一个重要含义:标志着它在发展和应用前景上与电子学占有同样重要的地位。38光子与电子的主要差别特征电子光子静止质量M00运动质量mehv/c2传播特性不能在自由空间传播能在自由空间传播传播速度漂移速度很小（10-4）等于光速粒子特性费米子：符合泡利不相容原理：即在一个费米子系统中，绝不可能存在两个或两个以上在电荷、动量和自旋朝向等方面完全相同的费米子玻色子：服从玻色-爱因斯坦统计；不符合泡利不相容原理，一个量子态可以容纳无穷多个玻色子39光子的优异特性光子具有极高的信息容量和效率一般可见光频率约为5×1014

，而处于微波波段的电波频率仅为1010Hz，则前者可承载信息容量至少比后者高3~4个数量级。光子具有极快的响应能力。电子脉冲脉宽最窄限度在纳秒量级，电通信中信息传输速率被限定在Gb/s量级光子脉冲可轻易实现皮秒量级脉宽，目前已实现飞秒量级，因此光信息传输速率可达几十、几百个Gb/s，甚至更高。40最新成果2008年，英国牛津大学的PeterMosley最近创造出了世界上最短的单光子脉冲，其持续时间为65飞秒，这大约只有此前能够得到的任何单个光子时间的1/50。研究人员还能够使光源发出的每个光子都与前一个相同。这一高度一致性对于构建光量子逻辑门，最终实现量子计算具有重要意义。41光子的优异特性光子具有极强的互连能力与并行能力。电子由于有电荷，彼此无法交连光子无电荷，彼此之间不存在排斥力和吸引力，具有良好的空间相容性。光子具有极大的存储能力。不同于电子存储，光子除能进行一维、二维存储外，也能完成三维存储。一个存储器的容量极限是由单位信息量所需最小存储介质体积决定的，对于光来说，为其波长量级，则三维存储的容量为(1/λ)3

量级。三维存储的另一个显著特点是并行存取，因此速度很快。4220世纪是微电子的世纪，21世纪将是光子的世纪。内容提要光电子学----学科角度光电子学光与电打交道的三个回合光电子学与光子学光电子技术光电子技术的应用光电子器件光电产业的发展光电子技术光电子技术是信息技术发展的关键技术,随着半导体光电子器件和光纤两大基础元件在原理和制造工艺上的突破，光子技术与电子技术开始结合并形成了具有强大生命力的信息光电子技术和产业。光电子器件及其集成技术广泛应用于全光通信网络系统、光传感、国防设备等领域中。本门课程主要从光子信息控制器件、光子源器件、典型的光无源器件、光传感技术等方面研究光电子器件理论与相关技术。44光电子技术的应用——光纤通信光纤通信容许频带宽，传输容量大，目前实验室可实现最大通信容量已达到25.6Terabit/s,相当于同时传输4亿路电话！损耗小，中继距离长且误码率低抗电磁干扰性能好；泄漏小，保密性能好节约金属材料，有利于资源合理使用45典型的光纤传输系统组成框图光电子技术的应用——光存储光盘存储：存储密度高，易于复制数据写入和读取：光盘是利用刻录槽的凹凸状态来记录二进制信息的，凹状表示“1”，凸（非凹）状表示“0”，通过激光来读取。通过编码后的二进制数据调制聚焦激光束来完成二进制信息的写入。大量复制CD光盘是利用刻录的母盘经机械压膜而完成的。46光电子技术的应用光显示液晶器件(LCD)、等离子体显示板(PDP)、发光二极管（LED）等具有高信息容量、高分辨率、高响应速度等特点光处理激光打印、复印机、传真、条码扫描器光计算机利用光子作为信息载体，具有高速、高效、高并行能力的优点光传感用光纤或光束作为敏感元件来感知，测量和获取各种信息光纤陀螺：高灵敏度，抗干扰，抗辐射4748光电子技术的典型应用领域光电子器件光源器件相干光源：激光器非相干光源：LED照明光源、显示光源光传输器件光学元件：棱镜、透镜光波导光纤49光电子器件光控制器件能够对光的振幅、强度、相位、频率、偏振、传播方向及状态等进行控制，并将各种信号加载在光载波上，完成对信息的载入传输、存储以及各种加工处理。光调制器光偏转器光开关光双稳器件……光存储器件光盘、光驱50光电子器件——光探测器件光探测器件：利用半导体材料的光电效应来接受探测光信号的器件光电导型根据光电导效应制成，即半导体材料吸收光子，使材料中产生附加的自由电子空穴对，从而使材料的导电率增大，且随着光强的增加，导电性能增强的现象。典型器件：光敏电阻特点：均位型；无极性，工作时必须外加偏压；响应速度慢、频率响应性能差光伏型利用半导体PN结中的光生伏特效应制成，即当光照射PN结时，会使其两端产生电势差。典型器件：PIN光电二极管；雪崩型光电二极管；硅光电二极管；硅光电池……特点：结型；可以没有偏压；响应速度快，频率响应特性好其中部分类型的灵敏度很高51信息光电子器件光电子器件光源器件光传输器件光控制器件光探测器件光存储器件光盘光驱光盘塔调制器偏转器光滤波器光耦合器光开关光双穏器光隔离器光环行器波长间插器光准直器光纤连接器光衰减器光纤光栅……光电导型光伏型热伏型各种传感器相干光源非相干光源光学元件光波导光纤内容提要光电子学----学科角度光电子学光与电打交道的三个回合光电子学与光子学光电子技术光电子技术的应用光电子器件光电产业的发展光电子产业发展光电子产业是21世纪市场潜力巨大、产值迅猛增长的高新技术支柱产业。在1998年，全球光电子产业总产值实现1400亿美元；2006年底，已接近2000亿美元，据预测，2010年全球光电子产业的总产值将达到约5400亿美元，2015年将达9600亿美元，光电子产业可能会取代传统电子产业，成为21世纪最大的产业，并成为衡量一个国家经济发展和综合国力的重要标志54全球光电子市场各领域比例我国光电子产业现状优势：与集成电路产业不同，我国的光电子行业与发达国家几乎是同时起步，相对而言，技术差距比较小。目前，我国在激光、光纤、光缆、光器件上的技术和产业水平已经达到或接近国际先进水平。不少产品的国内市场主要份额已被中国厂家所占据并保持较大数量的出口，这些都为中国光电产业进一步参与国际竞争奠定了可靠的基础。光电子技术作为一项高科技技术，它对中国的意义不仅仅在于创造新的经济增长点，更重要的是为我国今后的经济发展寻找了一个新的途径，是我国力争取得国际领先地位的“战略性行业”之一。55我国光电子产业现状劣势：与集成电路等其他高科技产业一样，我国的光电产业也存在工艺技术、核心材料、关键器件与生产设备等四个关键因素落后等情况；在产业布局上，还呈现着“小、散、乱”的现状，缺乏规模化的系统配套与产业，部分重要的器件与材料依旧需要进口；由于过去计划经济的影响，光电企业与研究院所相互独立，难于取得相互支持的有利效应。56谢谢观看/欢迎下载BYFAITHIMEANAVISIONOFGOODONECHERISHESANDTHEENTHUSIASMTHATPUSHESONETOSEEKITSFULFILLMENTREGARDLESSOFOBSTACLES.BYFAITHIBYFAITH最易遭老板“炒”的15种员工广东韦邦集团李双华有人在工作中出了问题，于是首先想到的是换一家企业去