光电子学导论

《光电(子)技术导论》教学大纲课程名称：光电子技术导论/ Introduction of Optoelectronics学时/学分：24/1.5先修课程：大学物理适用专业：全校公选开课学院（部）、系(教研室)：理学院物理科学与技术系一、课程的性质与任务本课程为面向全校各专业开设的一门自然科学类的公共选修课。

通过本课程的学习，学生可以掌握光电子学的基本概念和基本方法。

开阔学生的多学科视野，激发学生的学习兴趣。

在初步了解光电子技术中的实际问题和应用的同时，让学生了解光电子技术的最新进展。

二、课程的教学内容、基本要求及学时分配（一）教学内容1．光学基础知识电磁波谱。

光的波粒二象性：光的波动属性－光波；光的粒子属性－光子。

光波的表示：振幅、频率、相位以及光波的偏振。

光的反射和折射：反射定律和折射定律。

2．光子的产生－激光器光与物质中电子相互作用过程：受激吸收、自发辐射和受激辐射。

激光的特性：单色性、方向性、相干性和高亮度。

激光器的结构及其工作原理。

激光的应用。

3．光波的传输－光波导（光纤）光波导的概念及其类型。

光纤的基本知识概述：光纤的材料、类型、导光原理；光纤的传输特性及其光纤的制作工艺。

4．光信息的传输－光通信光纤通信的发展历程。

光纤通信系统的构成：光发射机、光纤系统和光接收机。

光纤通信系统中常用的光电子器件：光纤连接器、耦合器、衰减器、调制器、光开关等。

激光无线通信：激光无线通信系统的构成、特点及其应用。

5．光信号的探测－光电探测器光电效应：内光电效应和外光电效应。

光电导效应及其应用：光敏电阻及其应用。

光生伏特效应：光电二极管、光电三极管、光电池以及象限探测器和位置敏感器件。

光电子发射效应：光电倍增管。

6．图像信息的光电变换－图像传感器真空成像器件：像管和摄像管。

固体成像器件及：电荷耦合器件（CCD）和互补金属氧化物半导体成像器件（CMOS）。

数码相机的基本结构和工作原理。

7．光显示技术阴极射线管显示、等离子显示、LED显示、电致发光显示和液晶显示。

光电子专业导论论文光纤技术的发展光波是一种电磁波，在１９世纪末就有人尝试用光信号传送话音，但是，由于当时的光源相干性很差；光波在大气中传播受气候影响严重，很难获得长距离的稳定通信，这成为光通信领域的两大难题。

光纤的出现改变了这一状况。

世界光纤通信发展史光纤的发明，引起了通信技术的一场革命，是构成21世纪即将到来的信息社会的一大要素。

我国光电子行业:在科研上起步较早，也有一批水平较高的应用成果，其中光纤通信的发展尤快。

在国防上的应用也开展较早，如靶场用的激光、红外、电视等光测设备，以及红外导引装置、红外热像仪、激光测距仪、微光夜视仪等。

但民用市场开发较晚，真正能形成较大生产规模的产品不多。

我国在"八五"计划期间对一些光电器件企业进行了技术改造，已在"九五"计划中产生了效益。

例如，12英寸彩色液晶显示屏已经在1996年投产。

国家重大成套通信设备2.5Gbps同步数字系列（SDH）光通信系统，于1997年研制开发成功，现已广泛应用于国家通信骨干网的建设。

光电子的发展历程与成就史光发射机光发射机的功能是把输入电信号转换为光信号,并用耦合技术把光信号最大限度地注入光纤线路。

光发射机由光源, 驱动器和调制器组成,光源是光发射机的核心。

目前广泛使用的光源有半导体发光二极管(LED)和半导体激光二极管(或称激光器)(LD), 以及谱线宽度很小的动态单纵模分布反馈(DFB)激光器。

有些场合也使用固体激光器,例如大功率的掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器。

光发射机把电信号转换为光信号的过程(简称为电/光或E/O转换),是通过电信号对光的调制实现的。

直接调制和间接调制用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流,使输出光随电信号变化而实现的。

这种方案技术简单,成本较低,容易实现,但调制速率受激光器的频率特性所限制。

间接调制(外调制)把激光的产生和调制分开,用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。

半导体光电子学导论第一章 半导体中光子-电子的相互作用6.推导伯纳德-杜拉福格条件，并说明其物理意义。

对于电子从价带向导带的受激吸收，其跃迁速率为)()()1(1212hv P hv f f B r red v v ρ-= （1） 而电子从导带向价带的受激发射的跃迁速率为)()()1(2121hv P hv f f B r red c c ρ-= （2）当被光子激励的半导体能带系统处在平衡态下并忽略导带电子自发辐射复合的影响时，受激发射与受激吸收速率是相等的，即有2112r r =。

但在有电子注入等非平衡条件下，就有可能使2112r r <，并令净r 为受激发射与受激吸收的速率之差，即2112r r r -=净 （3）将式（1）和式（2）代入式（3）可得)())((21hv P f f hv B r v c red -=ρ净 （4） 其中已考虑了爱因斯坦关系2112B B =，因为在净的受激发射下，必定有0>净r ，即式（4）必须满足V c f f > （5） c f 和v f 分别代表导带和价带中某一能量c E 和v E 为电子所占据的几率： 1)]exp(1[--+=Tk F E f B c c c （6） 1)]exp(1[--+=Tk F E f B v v v （7） 其中c F 和v F 为准费米能级，用来描述导带与价带载流子的分布。

将式（6）和式（7）代入式（5），并考虑到hv E E c v -=（hv 为光子能量），则有 )exp()exp(Tk F E T k F hv E B c c B v v ->-- （8） 或者更简单的表述为hv F F v c >- （9）对于带间跃迁的受激发射，需满足g E hv ≥，故式（9）还可以写为g E F ≥∆ （10） 式（7）及其演变式（8）和（9）即伯纳德-杜拉福格条件。

它是半导体中产生受激发射的必要条件，也可称为半导体激光器的粒子数反转条件，是半导体激光器得以成功的理论基础。

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。

光电子学导论光电子材料及器件典型应用光电子材料定义：在光电子技术领域应用的，以光子、电子为载体，处理、存储和传递信息的材料。

已使用的光电子材料主要分为光学功能材料、激光材料、发光材料、光电信息传输材料（主要是光导纤维）、光电存储材料、光电转换材料、光电显示材料（如电致发光材料和液晶显示材料）和光电集成材料光纤光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具光纤的应用高分子光导纤维开发之初，仅用于汽车照明灯的控制和装饰。

现在主要用于医学、装饰、汽车、船舶等方面，以显示元件为主。

在通信和图像传输方面，高分子光导纤维的应用日益增多，工业上用于光导向器、显示盘、标识、开关类照明调节、光学传感器等•通信应用：多股光导纤维做成的光缆可用于通信，它的传导性能良好，传输信息容量大，一条通路可同时容纳数十人通话•医学应用：光导纤维内窥镜可导入心脏和脑室，测量心脏中的血压、血液中氧的饱和度、体温等。

用光导纤维连接的激光手术刀已在临床应用，并可用作光敏法治癌•传感器应用：光导纤维可以把阳光送到各个角落，还可以进行机械加工。

计算机、机器人、汽车配电盘等也已成功地用光导纤维传输光源或图像•光纤艺术应用：由于光纤的良好的物理特性，光纤照明和LED照明已越来越成为艺术装修美化的用途•光纤井下探测技术•光有源器件：包括10Gb/s光发送接收模块，光放大器（宽光谱、高增益、低噪声掺铒光纤放大器EDFA，掺谱光纤放大器PFDA，拉曼光纤放大器，1.55微米波长半导体光放大器SOA），10Gb/s 1.3～1.55微米波长可调谐光纤光栅分布反馈式（DFB）激光器，共振腔Si基和InGaNAs基可调谐窄带探测器，1.3微米波长垂直腔面发射激光器（VCSEL）。

•光无源器件：包括光连接器、光耦合器、介质膜干涉光滤波器、波分复用／解复用器、布拉格光栅、阵列波导光栅（AWG），波导光开关阵列等WDM器件。

半导体光电子学导论第二章 异质结2．若异质结由n （111,,φχg E ）型和p （222,,φχg E ）型半导体构成，并有21g g E E <、21χχ>、21φφ<，试画出n P 能带图。

4. 推导出pN 异质结电容j C 与所加正向偏压的关系，j C 的大小对半导体光电子器件的应用产生什么影响？在空间电荷区内，电中性条件成立，因此可以得到结电容的表达式为2/1221121211])(2[)(DD A D A P A D j V N N N eN x eN dV d C εεεε+== 当在异质结两边加上正向电压（即p 型相当于N 型半导体加上正电压）a V 后，它在结面两边空间电荷区上的压降分别为1V 和2V ，这时势垒高度就由原来的D eV 降低到)]()[()(2211V V V V e V V e D D a D -+-=-。

只要用)(a D V V -代替D V ，用)(11V V D -和)(22V V D -分别代替1D V 和2D V ，上式依然成立，因此便得到结电容j C 与所加正向偏压a V 的关系2/122112121]))((2[a D D A D A j V V N N N eN C -+=εεεε 结电容直接影响器件在高频情况下的使用。

5. 用弗伽定律计算As Al Ga x x -1半导体当4.0=x 时的晶格常数，并求出与GaAs 的晶格失配率。

根据弗伽定律Ac AD BC BD ABCD a y x a x y a y x xya a )1)(1()1()1(--+-+-+=易知在这里1=y ，查表得661.5==AlAs BD a a ，654.5==GaAs AD a a ，代入弗伽公式计算得)A (526.4654.5)4.01(1661.514.0)1(=⨯-⨯+⨯⨯=-++=ADBD ABCD a x y xya a6. 探讨在Si 衬底上生长出GaAs 异质结的可能性。

《光电子学导论》课程教学大纲一、教师或教学团队信息二、课程基本信息课程名称（中文）：光电子学导论课程名称（英文）：Introduction of Optical Electronics课程性质：□公共必修课√专业必修课□限选课□任选课□实践性环节课程类别*：√学术知识类□方法技能类□研究探索类□实践体验类课程代码：12109501周学时：3 总学时：48 学分: 3先修课程：光学、电磁学、高等数学授课对象：应用物理学专业三、课程简介光电子学为应用物理学专业本科生的专业选修课程，其预修课程有普通物理、电动力学、固体物理等。

本课程的目的在于使学生了解光电子学的概念，熟悉光电子学的基础知识以及实际应用。

课程系统介绍了光电子学的基本概念、基本原理和基础理论，并阐明各种效应间的内在联系，以便学生掌握光电子学基本概念、基本原理与基础理论，特别是光与物质相互作用基本理论、激光原理、光波导理论、光调制基础等，并对光电子技术的全貌有清晰的了解。

四、课程目标要求学生通过认真听讲、习题练习了解光电子学的总体发展历史、现状及动向，掌握光电子学基本概念、基本原理、基础知识和基本理论，为进一步学习激光原理、微波与导波光学、光纤技术、光纤通信等课程奠立必要的基础，为今后从事光通信、光信息处理、光传感等方面的研究开发工作提供必要的基础知识，培养出适应本世纪科技发展方向、掌握较为系统、深入的光电子基础理论和实践能力的高级工程技术人才。

五、教学内容与进度安排*第一章绪论1、课时数：3课时2、讲授内容或训练技能、重点、难点光电子学的发展史光电子学的研究内容及其发展动态光电子学的应用领域教学要求与课程安排3、学生学习任务了解：使学生对光电子学的历史沿革、发展动态，光电子学应用领域、本课程的总体结构等有一个概括的了解。

作业：小论文—调研光电子器件的种类及其应用4、教学方法内容以综述形式介绍光电子学发展史及发展现状。

5、课外学习要求（1）复习《光学》课程中偏振光学、衍射光学的部分基础知识。