《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。
物理学院2011级光学专业研究生 《光电子学与光子学原理及应用》考题 1．简答题 1.1 受抑全内反射有什么特点？ (5分) 1.2 解释下图中的现象。(5分) 1.3 本征半导体、n 型半导体和p 型半导体的Fermi 能级以什么特点？? (5分) 1.4 下图是一个LD 的输出谱，解释三个谱变化的物理含义。 (5分) 1.5 下面的雪崩光电二极管中有什么特点？吸收和倍增发生在什么区域? (5分) 2．计算题 2.1 假设一个光源辐射的频率谱有一个中心频率ν0和谱宽?ν。以波长来衡量， 这个频率谱有一个中心波长λ0和谱宽?λ。显然，λ0 = c/ν0。因为?λ << λ0、?ν << ν0，利用λ = c/ν，证明：谱宽?λ和相干长度l c 满足： c 2000λννλνλ?=?=?，λλ?=?=20t c l c
对于He-Ne 激光器，λ0 = 632.8nm ，?ν ≈1.5GHz ，计算?λ。(15分) 2.2 一个介质平板波导中间薄层是一个厚度为0.2μm 的GaAs ，它夹在两个AlGaAs 层之间。GaAs 和AlGaAs 的折射率分别为 3.66和3.40。假设折射率随波长变化不是很大。截止波长是多少？(大于截止波长时波导中只能传播单模)。如果波长为870nm 的辐射(对应于带隙辐射)在GaAs 层传播，消逝波向AlGaAs 层的贯穿深度是多少？这个辐射的模场直径是多少？(15分) 2.3 内量子效率ηint 给出在正向偏置下电子空穴复合中辐射复合并引起光子发射的比例。非辐射跃迁中，电子和空穴通过复合中心复合并发射声子。由定义， nr r r int 111)(τττη+=+=非辐射复合速率辐射复合速率总复合速率辐射复合速率 τr 是少数载流子在辐射复合前的平均寿命，τnr 是少数载流子通过复合中心复合前的平均寿命。 总电流I 是由总复合速率决定的，而每秒发射的光子数(Φph )是由辐射复合速率决定的。所以，内量子效率ηint 又可以写为： e I h P e I //op(int)ph int νη=Φ==每秒损失的总载流子每秒发射的光子 其中，P op(int)是内部产生的光功率(还没有出腔外)。 对一个在850nm 发射的特定的AlGaAs LED ，τr =50ns ，τnr =100ns 。在100mA 的电流下，内部产生的光功率是多少？(15分) 2.4 一个InGaAsP-InP 激光二极管的光学腔长为200μm ，峰值辐射在1550nm 处，InGaAsP 的折射率为4。假设光学增益带宽不依赖于泵浦电流并取为2nm 。问： （1）对应于峰值辐射的模数是多少？ （2）腔模之间的间隔是多少？ （3）在这个腔中有多少模式？ （4）这个光学腔两端（InGaAsP 的晶面）的反射系数和反射率是多少？(15分) 2.5 一个商用的InGaAs pin 光电二极管的响应度曲线如下图。它的暗电流为5nA 。 (1) 在1.55μm 波长下，导致二倍暗电流的光电流的光功率是多少？在1.55μm 处，光电探测器的量子效率是多少？ (2) 在1.3μm 波长下，如果入射光功率相同，光电流是多少？在1.3μm 处，光电探测器的量子效率是多少？ (15分)
光电子学与光学
光电子学与光学 一、项目定义 项目名称：光电子学与光学 项目所属领域：基础产业和高新技术及基础科学 涉及的主要学科：微电子学与固体电子学（国家重点学科）、光学、通信与信息系统 项目主要研究方向： ●新型光电子材料、器件及其集成技术 ●有机光电子学 ●光波导及光纤器件 ●光电子器件理论研究、CAD设计及信息处理 ●非线性光学材料与系统 二、项目背景 1．项目建设意义 近年来，信息技术的蓬勃发展对人类社会产生了巨大的影响。它不但改变了人们的生活方式，而且确立了以信息产业为核心的现代产业结构。信息技术是一个包含了材料科学、计算机科学、电子科学、光学、信息获取、处理
与传输等多门学科的综合性的技术领域。信息技术对经济建设、国家安全乃至整个国家的发展起着关键性的作用，它是经济发展的“倍增器”和社会进步的“催化剂”，是体现一个国家综合国力和国际竞争力的重要标志。在迄今为止的人类历史上，没有一种技术象信息技术这样能够引起社会如此广泛、深刻的变革，在20世纪末和21世纪前半叶，信息技术乃是社会发展最重要的技术驱动力。 目前，全球信息业飞速发展，要在国际竞争舞台立于不败之地，必须有自主知识产权的技术和产品，必须有具有创新能力的人才队伍，能够创造出具有世界先进水平的研究成果。我国是发展中国家，与经济发达国家相比，在发展高技术、推进产业化过程中，不可避免地会遇到更多的困难和障碍，在发挥优势实现跨越式发展中，必须要以坚强的国家意志为基础，发挥政府导向作用，调动各方面积极性，实行统筹规划，集中资源，以保证信息技术实现跨越式发展。建设一个有自主技术、高度发达的光通信、光存储、光显示等信息产业是至关重要的。 光子已成为信息的重要载体，光电子学与光学作为信息技术的重要组成部分之一，已经越来越引起人们的重视与关注。人们不断地探索着光的本质，研究光子的产生、传输、存储、显示和探测的机理与技术。近年来，随着与化学、材料科学、微电子学、凝聚态物理学、磁学等学科
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。 A：如果光从旅行的玻璃，什么是反射系数和相对于入射光的反射光的强度？ B：如果光从玻璃行进到空气中，什么是反射系数和相对于入射光的反射光的强度？ C：什么是在一个以上的外部反射偏振角？你会怎么做一个宝丽来设备，基于偏振角偏振的光？ 如果我们从玻璃板上反射光，保持入射角在56.3（我们可以使用反射光将与电场分量垂直于入射面偏振。的透射光将在该领域更大入射平面上，也就是说，这将是部分偏振光。通过使用堆栈玻璃板1可以增加透射光的偏振（这种类型的桩的感光板的偏振片的是在1812年发明了多米尼克fjarago） 当光入射在半导体的表面上，就变成部分地反射。局部反射是在太阳能电池，其中透射光能
第一章 光辐射与发光源 教学目的 1、掌握光波在各种介质中的传播特性。 2、了解光度学基本知识。 3、了解热辐射基本定律 教学重点与难点 重点：光波在电光晶体、声光晶体中的传播特性。 难点：光度学基本知识。 1.1电磁波谱与光辐射 1. 电磁波的性质与电磁波谱 光是电磁波。 根据麦克斯韦电磁场理论，若在空间某区域有变化电场E （或变化磁场 H ），在邻近区域将产生变化的磁场H （或变化电场E ），这种变化的电场和变化的磁场不断地交替产生，由近及远以有限的速度在空间传播，形成电磁波。 电磁波具有以下性质： ⑴ 电磁波的电场E 和磁场H 都垂直于波的播方向，三者相互垂直，所以 电磁波是横波。H E 、和传播方向构成右手螺旋系。 ⑵ 沿给定方向传播的电磁波，E 和H 分别在各自平面内振动，这种特性称为偏振。 ⑶ 空间各点E 和H 都作周期性变化，而且相位相同，即同时达到最大，同时减到最小。 ⑷ 任一时刻，在空间任一点，E 和H 。 ⑸ 电磁波在真空中传播的速度为c =，介质中的传播速度为 υ=
电磁波包括的范围很广，从无线电波到光波，从X射线到g射线，都属于电磁波的范畴，只是波长不同而已。目前已经发现并得到广泛利用的电磁波有波长达104m以上的，也有波长短到10-5nm以下的。我们可以按照频率或波长的顺序把这些电磁波排列成图表，称为电磁波谱，如图1所示，光辐射仅占电波谱的一极小波段。图中还给出了各种波长范围（波段）。 图1 电磁辐射波谱 2. 光辐射 以电磁波形式或粒子（光子）形式传播的能量，它们可以用光学元件反射、成像或色散，这种能量及其传播过程称为光辐射。一般认为其波长在10nm~1mm，或频率在3′1016Hz~3′1011Hz范围内。一般按辐射波长及人眼的生理视觉效应将光辐射分成三部分：紫外辐射、可见光和红外辐射。一般在可见到紫外波段波长用nm、在红外波段波长用mm表示。波数的单位习惯用cm-1。 可见光。通常人们提到的“光”指的是可见光。可见光是波长在390~770nm 范围的光辐射，也是人视觉能感受到“光亮”的电磁波。当可见光进入人眼时，人眼的主观感觉依波长从长到短表现为红色、橙色、黄色、绿色、青色、蓝色和紫色。 紫外辐射。紫外辐射比紫光的波长更短，人眼看不见，波长范围是1~390nm。细分为近紫外、远紫外和极远紫外。由于极远紫外在空气中几乎会被完全吸收，
国际光学与光子学会SPIE简介 SPIE成立于1955年，致力于推动以光为基础的技术，服务了超过170个国家。SPIE 每年组织或赞助近25个大型技术论坛、展览以及培训项目，范围遍及北美、欧洲、亚洲及澳洲。 1957年，出版了第一期SPIE报刊，举办了第一届国家技术研讨会。 1960年，SPIE报刊刊登了第一组技术论文。 1963年，SPIE举办了第一届研讨班形式的会议并出版了第一批会议记录。 1973年，总部从Redondo Beach迁往加州的Palos V erdes。 1975年，协会收入达到50万美元，实现了财政自给。 1977年，成立了协会金牌奖。总部迁往华盛顿Bellingham。 1995年，举办了成立40周年庆典。合作赞助了在西安举办的国际传感器应用与电子器件展览会。 2000年，SPIE会员Zhores I. Alferov因在半导体异质结构和高速光电子学方面的贡献获得诺物理学奖。 2003年，SPIE数字图书馆启动，提供了期刊和会议纪要的七万篇文献。 现在的光学和光电子学大都围绕信息光学展开研究。在集成光信息处理方面，有光计算、光学互连、衍射光学等前沿领域；在成像方面，较热门的技术有光学计算机断层成像和三维共焦成像系统；在光学传感器方面，人们越来越关注三维传感技术；新一代的全息术和光学信息处理技术也亟待开发。同时，信息光学的材料和装置也成为了热门领域。更加偏向应用领域的还有人机接口与显示技术。当然还有很多基础理论问题，如非线性光学、超快光学现象、散射、位相共轭等。 Statement of Purpose SPIE is an international society advancing an interdisciplinary approach to the science and application of light. About the Society SPIE is the international society for optics and photonics founded in 1955 to advance light-based technologies. Serving approximately 180,000 constituents from more than 170 countries, the Society advances emerging technologies through interdisciplinary information exchange, continuing education, publications, patent precedent, and career and professional growth. SPIE annually organizes and sponsors approximately 25 major technical forums, exhibitions, and education programs in North America, Europe, Asia, and the South Pacific. In 2010, the Society provided more than $2.3 million in support of scholarships, grants, and other education programs around the world.
1 光电子器件按功能分为哪几类，每类大致包括哪些器件？ 2 （1）光的基本属性是__波粒二象性___，光的粒子性典型现象有_光的反射____、__折射____以及______等。光波动性的典型体现有______、______、______等。 （2）两束光相互干涉的条件______、______、_______，最典型的干涉装置有_____、______。两束光干涉相消的条件______。 3 激光器的基本结构包括哪些，其中激光产生的充分条件和必要条件分别是什么？（激光工作介质激励源谐振腔）p63p71 4 简述激光的特点以及激光产生的条件。 方向性单色性相干性亮度大 受激辐射：首要条件，也是必要条件，但还不是充分条件。 工作物质必须具有亚稳态能级 粒子数反转谐振腔增益大于损耗 5 试简述为什么二能级系统不能产生激光。 P69 6 试以一个三能级原子系统为例，说明激光产生的基本原理。 P70 7 光纤的基本结构是什么，光纤传输光的基本原理是什么？P126 射线理论认为，光在光纤中传播主要是依据全反射原理。光线垂直光线端面射入，并与光纤轴心线重合时，光线沿轴心线向前传播。 光的波长必须在一定范围内才能实现传输，光纤中常用的波长有850纳米，1320纳米及1550纳米三个波段。 根据传输方式不同光纤分为多模光纤及单模光纤。多模光纤的直径为50/62.5μ
m，而单模光纤的直径为8.5μm 8 什么是光调制过程，其大体上可分为哪几类，激光外调制的种类包括哪些？P147 9 什么是内光电效应和外光电效应，内光电效应和外光电效应代表器件分别有哪些，是每种效应各举一例说明之。P200 外部光电效应：金属表面通过吸收入射光子流的能量从而释放电子，形成光生电流（真空光电二极管，光电倍增管）内部光电效应：通过吸收入射光子产生自由电荷载流子，例如PN结光电二极管，PIN光电二极管，雪崩光电二极管 10 光电探测技术的物理效应有哪些？ P198 11 试论述光敏电阻器件中，光照强度与光电导率变化的关系。 12 试论述液晶的特点，以及液晶显示器的工作原理。 P257利用液晶的电光效应来工作在两块透明电极基板间夹持液晶状 态，当液晶厚度小于数百微米时，界面附近的液晶分子发生取向并保持有序性，当电极基板上施加受控的电场方向后就产生一系列电光效应，液晶分子的规则取向随即相应改变。液晶分子的规则取向形态有平行取向、垂直取向、倾斜取向三种，液晶分子的取向改变，即发生了折射率的异向性，从而产生光散射效应、旋光效应，双折射效应等光学反应。这就是LCD图像电子显示器最基本的成像原理
光电子学与光学 一、项目定义 项目名称：光电子学与光学 项目所属领域：基础产业和高新技术及基础科学 涉及的主要学科：微电子学与固体电子学（国家重点 学科）、光学、通信与信息系统 项目主要研究方向： ?新型光电子材料、器件及其集成技术 ?有机光电子学 ?光波导及光纤器件 ?光电子器件理论研究、CAD设计及信息处理 ?非线性光学材料与系统 二、项目背景 1.项目建设意义 近年来，信息技术的蓬勃发展对人类社会产生了巨 大的影响。它不但改变了人们的生活方式，而且确立了以信息产业 40
为核心的现代产业结构。信息技术是一个包含了材料科学、计算机科学、电子科学、光学、信息获取、处 41
吉林大学“十五” “ 211工程”重点学科建设项目论证报告 理与传输等多门学科的综合性的技术领域。信息技术对经 济建设、国家安全乃至整个国家的发展起着关键性的作用，它是经济发展的倍增器”和社会进步的催化剂”，是体现一个国家综合国力和国际竞争力的重要标志。在迄今为止的人类历史上，没有一种技术象信息技术这样能够引起社会如此广泛、深刻的变革，在20世纪末和21世纪前 半叶，信息技术乃是社会发展最重要的技术驱动力。 目前，全球信息业飞速发展，要在国际竞争舞台立于不败之地，必须有自主知识产权的技术和产品，必须有具有创新能力的人才队伍，能够创造出具有世界先进水平的 研究成果。我国是发展中国家，与经济发达国家相比，在发展高技术、推进产业化过程中，不可避免地会遇到更多的困难和障碍，在发挥优势实现跨越式发展中，必须要以坚强的国家意志为基础，发挥政府导向作用，调动各方面积极性，实行统筹规划，集中资源，以保证信息技术实现跨越式发展。建设一个有自主技术、高度发达的光通信、光存储、光显示等信息产业是至关重要的。 光子已成为信息的重要载体，光电子学与光学作为信 息技术的重要组成部分之一，已经越来越引起人们的重视 与关注。人们不断地探索着光的本质，研究光子的产生、传输、存储、显示和探测的机理与技术。近年来，随着与化学、材料科学、微电子学、凝聚态物理学、磁学等学科 42
电子工程系学科设置? 通信与信息系统 信号与信息处理 电磁场与微波技术? 物理电子学 电路与系统 电子工程系教学工作? 年本科开课目录? 年研究生课程目录? 各研究所教研室介绍 信息光电子研究所? 一、情况介绍和研究方向 二、年在研的科研项目? 三、课题组介绍（) 通信与微波研究所? 一、情况介绍和研究方向 二、年在研的科研项目? 三、课题组介绍（) 通信技术方向 电磁场与微波技术方向? 高速信号处理与网络传输研究所 一、情况介绍和研究方向 二、年在研的科研项目 网络与人机语音通信研究所? 一、情况介绍和研究方向? 二、年在研的科研项目 三、研究方向(）? 图象图形研究所 一、情况介绍和研究方向 二、年在研的科研项目
三、联系方式? 电路与系统教研室 一、情况介绍和研究方向? 二、年在研的科研项目? 三、研究方向()
电子工程系学科设置 专业设置 本科生专业： ?电子信息科学类 研究生专业： 一级学科???二级学科 电子科学与技术???物理电子学 ????电路与系统 ??????微电子学与固体电子学 ??????电磁场与微波技术 信息与通信工程??通信与信息系统 ??????信号与信息处理 ????电子与通信工程（工硕） 通信与信息系统 学科方向：通信与信息系统 研究课题:、信息传输与接入 、数字信号处理与终端技术 、无线通信技术与系统 、通信网络与交换技术 、通信与信息系统的仿真与集成 依托国家重点实验室及相关学术领域： 微波与数字通信国家重点实验室、集成光电子学国家重点实验室 系内:微波与天线、信息光电子与光电子学、电路与系统、信号与信息处理 跨系、所:微电子学研究所、计算机科学与技术系、自动化系、电机工程与应用电子技术系、工程力学系、材料科学与工程系
第一章 1.10 Refractive index (a) Consider light of free-space wavelength 1300 nm traveling in pure silica medium. Calculate the phase velocity and group velocity of light in this medium. Is the group velocity ever greater than the phase velocity? (b) What is the Brewster angle(the polarization angle qp) and the critical angle(qc) for total internal reflection when the light wave traveling in this silica medium is incident on a silica/air interface. What happens at the polarization angle? (c) What is the reflection coefficient and reflectance at normal incidence when the light beam traveling in the silica medium is incident on a silica/air interface? (d) What is the reflection coefficient and reflectance at normal incidence when a light beam traveling in air is incident on an air/silica interface? How do these compare with part (c) and what is your conclusion? 1.18 Reflection at glass-glass and air-glass interface A ray of light that is traveling in a glass medium of refractive index n1=1.460 becomes incident on a less dense glassmedium of refractive index n2=1.430. Suppose that the free space wavelength of the light ray is 850 nm. (a) What should the minimum incidence angle for TIR be? (b) What is the phase change in the reflected wave when the angle of incidence qi =85 ° and when qi =90° ? (c) What is the penetration depth of the evanescent wave into medium 2 when qi =85 ° and when qi =90° ? (d) What is the reflection coefficient and reflection at normal incidence (qi =0 ° )when the light beam traveling in the glass medium (n=1.460) is incident on a glass-air interface? (e) What is the reflection coefficient and reflectance at normal incidence when a light beam traveling in air is incident on an air/-glass interface (n=1.460)? How do these compare with part (d) and what is your conclusion? 1.20 TIR and polarization at water-air interface
半导体光电子学 一、1.声子：晶格振动的能量量子，假想粒子，与晶格振动相联系，不能独立存在。 光子：传递电磁相互作用的规范粒子，无静止质量，具有能量和动量，能够独立存在。 2.量子阱：两种禁带宽度不同的但晶格匹配的单晶半导体薄膜以极薄的厚度交替生长，使得宽带隙材料中的电子和空穴进入两边窄带隙半导体材料的能带中，好像落入陷阱，这种限制电子和空穴的特殊能带结构被形象地称为量子阱。 超晶格：当量子阱结构中单晶薄层的厚度可与德布罗意波长或波尔半径相比拟时，由于量子尺寸效应，量子阱之间会发生很强耦合效应。 3.光子晶体：是指具有光子带隙特性的周期性电介质结构的人造晶体。 纳米线：一种具有在横向上被限制在100纳米以下，纵向无限制的一维结构材料。 4.施主杂质：半导体中掺杂的杂质能够提供电子载流子的特性。 受主杂质：半导体中掺杂的杂质能提供空穴载流子的特性。 杂质能级：半导体中掺入微量杂质时，杂质原子附近的周期势场受到干扰并形成附加的束缚状态，在禁带中产生附加的杂质能级。 5.激子复合：所谓激子是指处于束缚态的电子和空穴，激子复合的能量将以光的形式 释放。 俄歇复合：电子和空穴复合后将能量传递给另一个电子或空穴的现象。有 CHCC（复合后的能量给导带的电子并使其激发到导带更高能态）和 CHHS（复合后的能量给价带的空穴并使其激发到自旋-轨道裂带上）过 程。 二、采用能带图和文字描述导体，半导体和绝缘体的异同。 导体：价带全满，导带部分填充 半导体：价带全满，导带全空，但是禁带宽度较窄，电子易于激发到导带中去。 绝缘体：价带全满，导带全空，禁带宽度较大 三、光波导结构的实例，并进一步说明光波导在光电器件中的工作原理。 光波导主要有平面波导和条形波导，而条形波导又有增益波导，折射率波导，分布反馈波导实例： 如折射率波导：有源区和两侧限制区的折射率不同，有源区两侧解理面构成反射镜，在有源区电子受激发射出的光子由于有源区和限制区折射率的不同构成全反射，将光场限制在有源区内，光子只能在两侧解理面来回反射，激发出更多的光子，并在输出方向上传播。 四、双异质结未加偏压和加偏压的能带图 双异质结在激光器中的作用： (1)pn结处于正向电压时，异质结势垒降低，n区电子能够越过势垒和隧穿势垒而注入窄
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。 6．理解双异质结实现高亮度LED的原因。 第四章
Nature Photonic | VOL 4 | SEPTEMBER 2010 Graphene photonics and optoelectronics F. Bonaccorso, Z. Sun, T. Hasan and A. C. Ferrari 石墨烯在光学和电子学方面的丰富的特性引起了广泛关注。除灵活性、鲁棒性和环境稳定性之外，石墨烯还具有高移动性和光透明性。目前的研究焦点是其基础物理和电子器件。但是，我们认为其真正的潜力在于光子学和光电子学方面，其独特的光学和电子性质的结合可以得到充分利用，甚至在没有带隙的情况下，利用狄拉克电子的线性色散也能实现超宽带可调谐性。最近的一些研究成果显示了石墨烯在光子学和光电子学方面的兴起，从太阳能电池和发光器件到触摸屏、光电探测器和超快激光器。 1、引言 电子在石墨烯二维结构中运动时，其能量和动量之间满足线性关系，从而表现为无质量的狄拉克费米子[1-3]。因此，石墨烯的二维带电粒子气的电子特性可由相对论狄拉克方程来描述（而不是有着有效质量的非相对论薛定谔方程[1,2]），其类似于粒子的载流子具有零 质量和约为1610-?s m 的等效的“光速”。 石墨烯具有各种为二维狄拉克费米子所特有的输运现象，如特定整数和分数量子霍尔效应[4,5]，甚至当载流子的浓度趋于零时[1]，也具有约为h e /42 的“最低”电导率，以及Berry ’s 相所带来的具有π相移的Shubnikov –de Haas 振荡[1]。在悬浮样品中观测到的迁移率（μ）高达112610--s V cm 。将此特性与室温下的近弹道输运相结合，使石墨烯在纳米电子材料方面有潜在的应用[6,7]，特别是在高频方面[8]。 石墨烯也有显著的光学性质。例如，尽管它仅有单原子厚度，但具有光学可视性[9,10]。其透射率（T ）可根据细微结构的参数来表示[11]。狄拉克电子的线性色散带来了宽带方面的应用。由于泡里阻塞而观测到饱和吸收[12,13]。非均衡载流子导致热照明[14,17]。化学和物理处理也能导致发光[18,21]。上述这些性质使石墨烯成为了理想的光子和光电材料。 2、电子和光学特性 2.1 电子特性 单层石墨烯（SLG ）的电子结构可用紧束缚哈密顿算符来描述[2,3]。由于键和反键σ-带在能量上完全分离（>10ev 在布里渊区中心Γ），可在半经验计算中将其忽略，仅保留剩
《光子学与光电子学》 习题及题解 原荣 邱琪 编著 第1章 概述和理论基础 1-10 计算每个脉冲包含的光载波数 考虑工作在1 550 nm 波长的10 Gb/s RZ 数字系统，计算每个脉冲有多少个光载波振荡？ 解：已知λ = 1.550 μm ，所以光频是Hz 101.93514×==λc f ，光波的周期是 1T f ==5.168×10?15 s 。 已知数字速率是10 Gb/s RZ 码，所以脉冲宽度是T = 1/(10×109) = 10?10 s ，所以在该脉冲宽度内的光周期数是 19349015.168/101510ele =×==??T T N 1-11 计算LD 光的相干长度和相干时间 单纵模LD 的发射波长是1550 nm ，频谱宽度是0.02 nm ，计算它发射光的相干时间和相干长度。 解：由题可知，λ = 1550×10?9 m ，Δλ = 0.02 × 10?9 m ，从式（3.1.18）可知 ()()Hz 102.5100155/1031020.0/929 892×=××××=Δ=Δ??λλc v 于是，相干时间是 019104)102.5/(1/1?×=×=Δ≈Δv t s 或者 0.4 ns 相干长度是 12.010*******c =×××=Δ=?t c l m 或者 12 cm 与LED 相比（见例1.3.4），LD 的相干长度是LED 的6.3×103倍。
第2章 光波在光纤波导中的传输 2-14 平面电介质波导中的模数 平面电介质波导宽为100 μm ，，490.11=n 084.12=n ，使用式（2.2.6）估算波长为1.55 μm 的自由空间光入射进该波导时，它能够支持的模数。并把你的估算与下面的取整公式进行比较 1π2Int +?? ????=V M 解：全反射的相位变化不能够大于π，所以φ /π 小于1。对于多模波导，φ>>V ，式（2.2.6） ()π2π2V V m ≈?≤φ。利用已知的参数和式（2.2.7），可以计算V 值如下： ()()21.3648.149.1105.11050π2π212 266212221=?×××=?=??n n a V λ 此时()06.23π/21.362π2=×=≤V m ，把0=m 模算上，就有24个模。利用取整公式可以算出该波导能够支持的模数()()23136.212Int 1π2Int =+×=+=V M 。 该题和例2.2.1比较，因为074.12=n 变为084.12=n ，波长由1.0 μm 变为1.5 μm ，所以波导能够支持的模数也减少了。 2-15 计算保证只有一个TE 模工作的AlGaAs 对称平板波导的最大中心厚度 已知自由空间波长λ = 0.85 μm ， 计算保证只有一个TE 模工作的AlGaAs 对称平板波导的最大中心厚度。波导参数为n 1 = 3.6，n 2 = 3.55。 解：由式（2.2.9）可得到最大平板厚度为 μm 711.055.36.3258.02222221c =?=?=n n d λ 2-16 数值孔径计算 接收机PIN 光电二极管的光敏面是2 mm ，使用1cm 的透镜聚焦，透镜和PIN 管之间为空气，计算接收机的数值孔径。 解：因为n 0 = 1，光敏面d = 1 mm ，透镜焦距f = 10 mm ，d /2f <<1, 所以sin α≈ tan αmax max ，由式（2.3.5）可得到 NA = sin αmax ≈ tan αmax = d /2f = 0.05 对应的最大接收角αmax 为2.87o （见图2.2.6），总接收角为2αmax = 5.74o 。 2-17 平板波导的数值孔径和接收角计算 有一个对称的AlGaAs 平板波导，已知中心介质n 1 = 3.6，与其相邻的介质n 2 = n 3 =3.55，
《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。
2.2 平面波导中的模间色散和波导色散 A. 波导色散图和群速度 一个平板波导中存在的传输模式是由波导条件确定的。从0 导最大值的每一个m 对应于一个不同的解和一个可能的传播常数βm 。可以看到，即使是单色光波入射，每种模式都以一个不同的传播常数传播。图 2.7 的实验给人们留下的印象是，轴线光波的反射次数最少，因此到达端面的速度更快（更短）于高阶模式光波。高阶模式光波沿着波导方向z 字形曲折传播，传播路径更长。然而，这种观点有两个严重的误解。第一，波导中最重要的是能量或者信息传播的群速度V g。第二，高阶模式渗透进入包层较多，包层折射率较低，因此光波传播较快。 从第一章可以知道，群速度Vg由dω/d决定，其中ω是频率，β是传播常数。对每一一个模式m，模式角θ可以明显由式（2.1.3）的波导条件求取，即取决于光波波长（也是频率ω）和波导特性（n 1,n2,a）。因此，θ=务
(ω) , βm=kιSin m= βm ( ω)是关于ω 的函数，给定模式的群速度是关于光的频率和波导性能的函数。可以看到，即使折射率为常数 (与频率或波长无关) ，一个给定的模式群速度v g 仍然依赖于与波导结构的波导特性参数相关的频率。 根据式( 2.1.3)的波导条件，在给定折射率 (nι和n2)和波导尺寸(a)的条件下，可以计算出每个m和ω的βm值，并可以得到波导的ω 与βm 的关系图，即色散图，如图 2.10 所示。在任何频率ω 处的切线dω /d mβ 就是群速度V g O所有允许的传输模式都被包含在斜率c/n1 和c/n2 的两条线之间。截止频率3cutoff对应于当V= π /2时的截止条件 (λ =λ)c当ω >ωutoff时，波导中不只存在一个模式。从图 2.10 的实验可以直接看出两点：首先，相同频率的不同模式的群速度不同；其次，一个给定模式的群速度随着光波波长而变化。
光学薄膜技术及其应用 张三1409074201 摘要：介绍了传统光学薄膜的原理，根据薄膜干涉的基本原理及其特点，介绍了光学薄膜的性能、制备技术，研究了光学薄膜在的应用和今后的发展趋势。 关键词：光学薄膜、薄膜干涉、应用、薄膜制备 引言： 光学薄膜是指在光学玻璃、光学塑料、光纤、晶体等各种材料的表面上镀制一层或多层薄膜，基于薄膜内光的干涉效应来改变透射光或反射光的强度、偏振状态和相位变化的光学元件，是现代光学仪器和光学器件的重要组成部分。 光学薄膜技术的发展对促进和推动科学技术现代化和仪器微型化起着十分重要的作用，光学薄膜在各个新兴科学技术中都得到了广泛的应用。 本文在简单叙述薄膜干涉的一些相关原理的基础上，介绍了光学薄膜常见的几种制备方法，研究了光学薄膜技术的相关应用，并且展望了光学薄膜研究的广阔前景。 正文： 1.光学薄膜的原理 光学薄膜的直接理论基础是薄膜光学, 它是建立在光的干涉效应基础上的、论述光在分层介质中传播行为。一列光波照射到透明薄膜上，从膜的前、后表面或上、下表面分别反射出两列光波，这两列相干光波相遇后叠加产生干涉。该理论可以比较准确地描述光在数十微米层、纳米层甚至原子层厚的薄膜中的传播行为,由此设计出不同波长、不同性能、适应不同要求的光学薄膜元件。 2.光学薄膜的性质及功能 光学薄膜最基本的功能是反射、减反射和光谱调控。依靠反射功能, 它可以把光束按不同的要求折转到空间各个方位；依靠减反射功能，它可以将光束在元件表面或界面的损耗减少到极致, 完美地实现现代光学仪器和光学系统的设计功能；依靠它的光谱调控功能, 实现光学系统中的色度变换, 获得五彩缤纷的颜色世界。 不仅如此, 光学薄膜又是光学系统中的偏振调控、相位调控以及光电、光热和光声等功能调控元件, 光学薄膜的这些功能, 在激光技术、光电子技术、光通信技术、光显示技术和光存储技术等现代光学技术中得到充分的应用, 促进了相关技术和学科的发展。 3.传统光学薄膜和新型光学薄膜 3.1传统光学薄膜 传统的光学薄膜是以光的干涉为基础。光波是一种电磁波，根据其波长的不同可分成红外线、可见光和紫外线等，当光波投射到物体上时，有一部分在它表面上被反射，其余部分经折射进入到该物体中，其中有一部分被吸收变为热能，剩的部分透射。不同的物质对光有不同的反射、吸收、透射性能，光学薄膜就是利用材料对光的这种性能，并根据实际需要制造的。 传统光学薄膜就是利用材料的这种特性，对光线产生特异性行为。传统光学薄膜有反射膜、增透膜、滤光膜、纳米光学薄膜、偏振膜、分光膜、和位相膜等。 3.2新型光学薄膜 现代科学技术特别是激光技术和信息光学的发展，光学薄膜不仅用于纯光学器件，在光电器件、光通信器件上也得到广泛的应用。近代信息光学、光电子技术及光子技术的发展，对光学薄膜产品的长寿命、高可靠性及高强度的要求越来越高，从而发展了一系列新型光学薄膜及其制备技术，并为解决光学薄膜产业化面临的问题提供了全面的解决方案，包括高强度激光器、金刚石及类金刚石膜、软Ｘ射线多层膜、太阳能选择性吸收膜和光通信用光学膜等。