(集成光电子学导论)复习

考试题型及分值1.填空题：10空，每空2分，共20分。

2.概念题：5个，每个3分，共15分。

3.判断正误：10个，每个2分，共20分。

4.简答题(包含推导或者证明)：7题，每题6~8分，共45分。

C1 概论1.什么是集成光路？集成光电子学的概念。

·.1969年，美国贝尔实验室(Bell Lab)的S. E. Miller首先提出了“集成光学”的概念。

–通过集成，原先庞大的光电子系统可以被缩小至几个平方厘米的尺寸范围内。

–由于所有器件都在衬底上固定，因此制成之后，即无需装调(震动影响小)。

–光信号限定在光纤或者光波导中传播(不受空气扰动、潮湿、灰尘的影响)。

2.最早提出"集成光学"概念的是？S. E. Miller首先提出了“集成光学”的概念3.1970年对集成光电子学而言有重要意义的几项技术进展是什么？(1) AlGaAs双异质结半导体激光器实现室温条件下连续工作。

(2)光刻技术获得突破性进展(3)光纤损耗突破20dB/km下限。

(4)1987年：光子晶体概念的提出。

4.用光子作为信息载体，相比于电子，具有哪些优势？(1).光子为玻色子，不带电荷，不像电子那样存在相互排斥的电磁作用。

在空间中不同的光可以平行或者交叉传播而不相互干扰。

因此光信号的传输具有高度的并行性。

(2).相比于电子，光子振荡频率要高出几个数量级，因此具备非常强的载频能力。

(3).光子的强度、振幅、偏振、相位等多种物理量均可作为信息载体，因此设计灵活性很高。

5.集成光路相比于分立器件构成的空间光路有何优势？(1) 集成带来的稳固定位：集成是在同一块衬底上制作若干个器件，因此不存在第二代器件面临的组装问题，所有器件位置固定，对振动和温度等环境因素的适应性较强。

(2) 易于调制导波光：集成光路使用的光波导属于单模波导，利用电光效应(EO),声光效应(AO),热光效应(TO)可以很好地实现光调制。

(3) 工作电压低，相互作用长度短。

《光电子学》复习讲义2014第一部分：光电物理基础【1】基本概念1)本征吸收：半导体吸收一个能量大于禁带宽度Eg的光子，电子由价带跃迁到导带，这样的过程称为本征吸收。

2)激子吸收：在半导体中受激电子与空穴构成的新系统可以看成一种“准粒子”，并称之为激子。

激子可以通过所含电子和空穴的复合而辐射光子和声子，其中能发射光子的激子复合过程对提高发光效率有很大的实用意义。

3)杂质吸收：杂质吸收有三种情况，1：从杂质中心的基态到激发态的激发可以引起线状吸收谱。

2：电子从施主能级到导带或从价带到受主能级的吸收跃迁。

3：从价带到施主能级或从被电子占据的受主能级到导带的吸收跃迁。

4)费米能级的概念：P225)热平衡状态下本征和杂质半导体的费米能级图1-14 P246)非平衡态载流子的产生、复合图1-157)直接复合：自由电子直接由导带回价带与空穴复合8)间接复合：自由电子和空穴通过晶体中的杂质、缺陷在禁带中复合9)非本征吸收：包括杂质吸收自由载流子吸收激子吸收晶格吸收10)本征发光：导带电子和价带空穴复合所产生的发光现象11)激子发光：激子在运动过程中，将能量从晶体的一处运输到另一处，电子空穴复合发光的过程称为激子发光。

12)杂质发光：杂质发光有三种发光方式，1：电子从导带到施主能级或从受主能级到价带的跃迁，主要是无辐射跃迁。

2:电子从导带到受主能级或从施主能级到价带。

3：施主受主对的辐射跃迁13)内光电效应：表现为光电导和光生伏特效应。

14)外光电效应：即光电子发射效应（金属或半导体受光照射，如果光子能量足够大可以使电子从材料表面逸出的现象）15)金属逸出功：电子从金属中逸出需要的最小能量16)电子亲和势：导带体上的电子向真空逸出时所需要的最小能量17)光电发射第二定律：光电发射体发射的光电子最大动能随入射光频率的增大而线性增加，与入射光强无关。

18)辐射度量:与物理学对电磁辐射度的规定完全一致，适用于整个电磁波段19)光度量：以人的视觉特性为基础建立，只适用于可见光波段20)偏振光及偏振度：振动方向与传播方向不对称性叫做偏振，具有偏振性的光叫做偏振光。

第四章1. 电子跃迁的种类自发辐射、受激吸收和受激辐射2. 半导体激光器效率的各种定义和表达式，会求半导体激光器的发射波长。

半导体激光器的定义：(a) 功率效率：(b)内量子效率:(c)外量子效率:(d)外微分量子效率:定义为阈值以上每对复合载流子发射的光子数，表示为半导体发射波长计算：3. DFB和DBR激光器在结构和工作上有何不同？如何求它们的发射波长？结构：DFB由靠近有源区的波导层上沿长度方向制作的Bragg衍射光栅提供周期性的折射率改变，DBR根据波导功能进行分区设计，光栅的周期性沟槽放在有源波导两外侧的无源波导上，从而避免了光栅制作过程中可能造成的晶格损伤。

工作：DFB激光器的增益区同光栅区重叠，当驱动电流改变时，输出功率和发射波长同时改变；而DBR激光器的反射器和增益区分离，所以可以分别控制DBR激光器的输出功率（通过改变流过激射区的电流）和发射波长（通过改变流过光栅段的电流）。

发射波长的求解方法：1、 假设 是允许DFB发射的模式，此时,式中m是模数，L是衍射光栅有效长度2、 DBM：4. PIN光电检测器的基本参数及定义（1） 波长响应（光谱特性）(a) 上截止波长：；(b)下截止波长(当入射光波长太短时，光子的吸收系数很强，使光电转换效率大大下降。

)（2）光电转换效率(a)量子效率：入射在检测器上的一个光子所产生对光电流有贡献的光生载流子数目。

(b) 响应度：（3）响应速度：常用响应时间(上升时间和下降时间)来表示。

输入阶跃光功率时，光生电流脉冲由前沿最大幅度的10％上升到的90％，后沿的90％下降到10％的时间定义为脉冲上升时间和下降时间。

（4）光电二极管的暗电流 暗电流是指无光照时光电二极管的电流。

暗电流的随机起伏会形成暗电流噪声，对于PIN二极管它是一个主要噪声源。

（5）工作范围（波长响应范围）5. APD的工作原理：碰撞电离、雪崩倍增（填空）光生的电子空穴对经过高电场区时被加速。

第一章概论1.1集成光学的概念集成光学的理论基础是光学和光电子学，涉及波动光学与信息光学、非线性光学、半导体光电子学、晶体光学、薄膜光学、导波光学、耦合模与参量作用理论、薄膜光波导器件和体系等多方面的现代光学内容；其工艺基础则主要是薄膜技术和微电子工艺技术。

1.2集成光学的特点离散光学元件系统的缺点：体积和重量大、稳定性差和光束的调准困难。

集成光学系统的优点：①光波在光波导中传播，光波容易控制和保持其能量②集成化带来的稳固定位。

对振动和温度等环境因素的适应性比较强，最大优点。

③器件尺寸和相互作用长度缩短；相关的电子器件的工作电压也较低。

④功率密度高。

⑤体积小、重量轻。

集成光路代替集成电路的优点：1.带宽增加；2.光子器件中光子运动速度比电子器件中运动速度高得多，且没有导线电容和电感对频率的限制；3.实现“波分多路复用”；4.实现多路开关；5.尺寸小，重量轻，功耗小6.成批制备经济性好，可靠性高。

7.降低成本（制造、应用、维护、升级）1.4 研究集成光学的意义（开放题）1.信息光电子技术改变着人类的生存和发展方式，在未来的信息社会中必将扮演重要的角色，成为21世纪的基石和支柱之一。

2.信息光电子技术也是保障国防安全的核心技术之一。

3.光电子技术在信息领域的应用中迅速发展且有独特的优势。

4.集成光学集中并发展了光学和微电子学的固有技术优势，将传统的由分立器件构成的庞大的光学系统变革为集成光学系统。

5.集成光学系统作为现代光电子学的一个重要分支，研究集成光学十分重要。

第二章平面介质光波导和耦合模理论用于集成光学中的光波导根据结构分为平板波导和条形波导。

平面波导（仅在x方向具有折射率差）条形光波导（在x、y方向上限制光场）平板波导由三层介质构成：波导层：中间层，介质折射率n1最大覆盖层：上包层，折射率n3＜n1衬底层：下包层，折射率n2＜n1。

n2=n3，称为对称型平板波导。

反之，称为非对称型波导。

在集成光学中使用的最多的是埋入型波导。

一、名词解释1、光弹效应：在一定条件下，当外力或振动作用于弹性体产生热应变时，弹性体的折射率n 发生变化，呈现双折射性质，这种有内应力的透明介质中o 光和e 光折射率不相等,它与应力分布有关。

这种现象即为光弹性效应。

2、横模、纵模：光场中振荡的光波模式可用mnqTEM 表示，其中m,n 表示激光束的横向分布（空间）状态，即横模； 把由整数q 表示的且激频率满足2q cql νη=的腔内纵向稳定光场分布为激光的纵模。

3、2M 因子:即激光光束的质量评价因子，用于评价激光的横纵模分布。

2M 因子的定义可表述为:2M ⨯=⨯实际光束的腰斑半径远场发散角基模高斯光束的腰斑半径基模高斯光束的远场发散角,显然2M 越接近1,光束质量越好。

4、模式竞争:不同纵模和横模的不同模式之间，由于增益介质的饱和效应，只允许增益最强的模式在腔内形成稳定振荡,同时由于轴向空间烧孔效应或由于不同的横模有不同的光场强度分布，使得不同模式可以利用工作物质中的不同空间位置的粒子反转数，从而形成激光场的多模振荡，即模式竞争效应。

5、高斯光束:通常情形，激光谐振腔发出的基模辐射场，其横截面的振幅分布遵守高斯函数，故称高斯光束。

222[()arctan()]()200(,,)()r r z i k z w z z fcx y z e ez ω--+-ψ=，式中c 为常数因子,且222r x y =+2k πλ=()w w z w == 其中：0w 为基模高斯光束的腰斑半径。

二、简述题1、工作物质的热效应：基本定义、分类、解决方法(举例说明）、主要产生原因?答:工作物质的热效应：由于工作物质受到泵浦激励在工作过程中将大部分能量转化为热量的现象. 分类：1、 温度梯度效应：2、 热应力双折射、（光弹效应）:一定条件下，材料受到热作用,温度改变,几何尺寸改变,引起弹性热应变,弹性体折射率变化，引发双折射。

3、 热透镜效应（热梯度，热致双折射、端面热透镜）：由于晶体棒内部热梯度和热应变光弹效应造成折射率分布不均，总结果等效与一个正汇聚作用的透镜.4、 端面膨胀引起的热透镜效应：不是有整根棒热膨胀不均匀引起的，而是端面局部区域内的长度应变造成的.主要产生原因:1、 激光工作物质的泵浦能量和荧光吸收带之间能量差通过无辐射跃迁散失到晶格中。

光电⼦导论考试复习资料普朗克是德国物理学家，量⼦物理学的开创者和奠基⼈，被尊称为 “量⼦之⽗” 1918年诺贝尔物理学奖⾦的获得者。

他的伟⼤成就，就是创⽴了量⼦理论，这是物理学史上的⼀次巨⼤变⾰。

从此结束了经典物理学⼀统天下的局⾯。

1900年，普朗克抛弃了能量是连续的传统经典物理观念，导出了与实验完全符合的⿊体辐射经验公式。

在理论上导出这个公式，必须假设物质辐射的能量是不连续的，只能是某⼀个最⼩能量的整数倍。

普朗克把这⼀最⼩能量单位称为“能量⼦”。

普朗克的假设解决了⿊体辐射的理论困难。

普朗克还进⼀步提出了能量⼦与频率成正⽐的观点，并引⼊了普朗克常数h 。

量⼦理论现已成为现代理论和实验的不可缺少的基本理论。

普朗克由于创⽴了量⼦理论⽽获得了诺贝尔奖⾦。

光的波粒⼆象性-----普朗克量⼦假设构成物体的分⼦、原⼦可视为在各⾃平衡位置附近振动的带电线性谐振⼦，这些振⼦既可以发射辐射能，也可以吸收辐射能。

谐振⼦发射和吸收辐射能量是某些分⽴状态，是最⼩能量单位 h ν的整数倍，即发射或吸收电磁辐射只能以量⼦⽅式进⾏，每个能量⼦能量为ε= h ν其中h 是普朗克常量，ν为谐振⼦的振动频率。

⼀个频率为ν的谐振⼦的最⼩能量是h ν，它与周围的辐射场交换能量时，也只能整个地吸收或放出⼀个能量⼦。

“量⼦”的概念量⼦（化）：微观世界的⼀个特殊概念，按某种规律取分⽴值的物理量。

如：电荷量⼦（化）量量⼦（化）普朗克公式：能量不连续的概念与经典物理学是完全不相容的！普朗克公式：普朗克的量⼦假设：突破了经典物理学的能量连续的观念，在物理学史上第⼀次提出了微观粒⼦能量量⼦化的概念，这对量⼦物理学的诞⽣起了极⼤的推动作⽤。

设有⼀⾳叉，其尖端的质量为0.050kg ，其频率被调到480Hz ，振幅1.0mm 。

试求⾳叉尖端振动的量⼦数。

由谐振⼦的能量公式知，谐振⼦的能量为根据普朗克量⼦假设：νnh E = ，⾳叉尖端的振动量⼦数为光电效应当光照到某些⾦属的表⾯时，⾦属内部的⾃由电⼦会逸出⾦属表⾯，这种光致电⼦发射现象称为光电效应。