新型光电子与光纤器件1

北京交通大学光波所主讲：任国斌谭中伟电话：51684020Email：[e-mail]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1.现代通信光电子学，（美）亚里夫Yariv，电子工业出版社2.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3.光纤光学--原理与应用，廖延彪，清华大学出版社4.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5.光有源无源器件制造，刘孟华，华中科技大学出版社6.硅基光电子学，周治平，北京大学出版社7.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：1.光电子学概述2.晶体光学基础与光调制；3.半导体物理及光电器件基础；4.光纤光学基础与光纤器件；5.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。内容提要一．光电子学----学科角度二．光电子学光与电打交道的三个回合光电子学与光子学三．光电子技术光电子技术的应用光电子器件四．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。内容提要一．光电子学----学科角度二．光电子学光与电打交道的三个回合光电子学与光子学三．光电子技术光电子技术的应用光电子器件四．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0BDDJHBEffρttHBEPED0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EP0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850nm1550nm1310nmCD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νν0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νν0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0100200-202EnEm0100200-202EnEm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0100200-2020100200-202EnEm0100200-202◎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N1N2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0100200-2020100200-2020100200-2020100200-2020100200-2020100200-2020100200-2020100200-202E2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