搜索
光电子学基础参考教材：1.《OptoelectronicsandPhotonics:PrinciplesandPractices》光电子学与光子学原理与实践(S.O.Kasap著)(第二版)电子工业出版社，2013年5月2.《光电子学教程》张季熊编著华南理工大学出版社20013.《现代通信光电子学》（第六版）（美）亚里夫著陈鹤鸣等译电子工业出版社2009）一.光电子学的发展进程Optics:几何光学(Optics)电学电磁学麦克斯韦理论：光本质上也是一种电磁波波动光学(Lightwave)光电学电光学光子学(photonics)量子理论光电子学一.光电子学的发展进程Optics:几何光学——反射、折射、光学仪器波动光学——光波的传输，干涉、衍射（自身相互作用）光子学——光波的产生、吸收等与物质相互作用(与电子密切相关)Optoelectronics:光电子学的概念最早由美国科学家Loebner提出，并对电光学（Electro-optics）和光电学(Optoelectronics)严格进行了区分。电光学：输入电信号产生光信号，再通过光电耦合变为电信号输出。光电学：输入、输出是光信号，中间经过电光耦合。目前的光电子学：不再对两种情况进行区分，凡是涉及到光能和电能相互耦合和相互转化的现象，以及以光作为承载和传输信息载体所涉及的现象和规律，统称为光电子学。一.光电子学的发展进程Photonics:产生背景可以追朔到20世纪初：光的波粒二像性（黑体辐射、光电效应、康普顿效应）1905年爱因斯坦的PHOTON概念，自发辐射、受激辐射和受激吸收理论PHOTON(光子，光量子)：Thequantumofelectromagneticenergy,generallyregardedasadiscreteparticlehavingzeromass,noelectriccharge,andanindefinitelylong.(电磁能的量子，一般认为是有零质量、无电荷和不定长寿命的离散性粒子)1954年C.Townes等MASER——QuantumElectronics1960年T.MaimanLASER(Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation)——Optoelectronics1970年荷兰L.J.Poldervart提出PHOTONICS的定义为“研究光子作为信息载体的科学”,后来他又认为“光子不仅是信息载体,也是能量载体”。一.光电子学的发展进程光的波粒二像性:光的波动特性：Photonsalsohaveawavelikecharacterthatdeterminestheirlocalizationpropertiesinspaceandtherulesbywhichtheyinterfereanddiffract.光的粒子特性：Aphotonhaszerorestmassandcarrieselectromagneticenergyandmentum.Italsocarriesanintrinsicangularmomentum(spin)thatgovernsitspolarizationproperties.Thephotontravelsatthespeedoflightinvacuum(c0).Itsspeedisretardedinmatter.一.光电子学的发展进程Photonics:光子作为信息载体，能够突破电子学发展的速率瓶颈限制，使响应时间从ns量级提高到fs量级，工作频率从1011Hz提高到1014Hz，从而使高速、大容量的信息系统得以实现。光电子学已经成为信息科学的重要发展方向之一。光子作为能量载体，可提供极高功率密度的光能;形成极短的光脉冲或极精细的光束，实现极端的物理条件：极高的温度，极高的压强，极低的温度，极精密的刻划和极精细的加工，从而在信息、能源、材料、航天航空、生命科学、环境科学以及国防军事等领域中得到广泛应用。一.光电子学的发展进程1973年法国召开了光子学国际会议Theterm“LAPHOTONIQUE”wascoinedbyaFrenchphysicisttodescribetheuseofphotonsinwaysanalogoustotheuseofelectrons.1978年欧洲光子学会成立1982年美国期刊改名OSA会刊OpticsNews---OPN(Optics&PhotonicsNews)OpticsSpectra---PhotonicsSpectra1990年美国等将光子学列为国家关键技术...…1991年美国光子学专著、教科书出版：FundamentalsofPhotonics,PhotonicsDevicesandSystems一.光电子学的发展进程美国对光子学及其技术的发展与应用已予以高度重视。1991年政府将光子学列为国家发展的重点，认为光子学“在国家安全与经济竞争方面有深远的意义和潜力，并且肯定通信和计算机研究与发展的未来属于光子学领域”。欧洲近年来也相继建立了研究与发展光子学的联合机构。德国政府已确定“光子学是本世纪对保持德国在国际技术市场上的先进地位至关重要的九大关键技术之一”。日本对发展光子学及其产业极为重视，据估计日本在光子学研究方面的投资是美国的三倍以上。一.光电子学的发展进程21世纪具有代表意义的主导产业:第一是光电子产业；第二是信息通信产业；第三是健康和福利产业；第四是环境和新能源产业。一.光电子学的发展进程光子学在中国的发展70年代钱学森、龚祖同等提出,“光子学是研究光子产生、运动和转化的科学”1979年钱学森指出,光子学是一门与电子学平行的科学，并指出应组织光子学会推动这一领域的学术交流1994年北京香山科学会议讨论光子学问题96-98年国家自然科学基金委员会组织完成“光子学与光子技术发展战略研究报告”1986-国家863计划将光电子列为19个主题之一...一.光电子学的发展进程两年一次的“全国光子学学术会议”自1996年在深圳召开第一届以来，每两年定期举办一次，先后在西安、昆明、绵阳、黄山、重庆、长春、南昌、成都举行，每届会议都有来自全国各高校和研究院所的众多代表参加会议，在我国光子学领域已形成了重要的影响，成为光子学领域的一个重要会议。“第十届全国光子学学术会议”于2016年9月18-21日在西安唐城宾馆召开。光电子学：是研究光子和电子的相互作用以及光能和电能相互转换的有关现象、规律及应用的科学。光电子学的发展得益于光学、电磁学、量子力学、电动力学、固体物理学、材料科学、微电子学、计算科学、微机械加工技术、近代化学等学科和技术（光、机、电、计、材）的发展成就，它的发展又为其它学科提供了支撑，极大地促进了相邻学科的交叉与发展。二.光电子学的内容与特点二.光电子学的内容与特点光电子学与光电子技术傅立叶光学激光与红外物理学非线性光学强光光学效应电光效应磁光效应弹(声)光效应半导体光电子学光电转换效应发光效应非线性光学效应导波光学非线性光学效应介质导波效应光电子学混频移频锁模调激光Q光载波源复用传感调制偏转开关光信号加载反馈中继偏振隔离耦合波导光信号传输存储全息滤波共轭频谱卷积相关逻辑延迟放大补偿整形解调光信号处理探测显示光信号接收光电子技术•电子学及电子信息科学技术已经成熟。电子作为信息的载体已经成为本世纪信息领域的主要特征和标志，并为人类社会做出了巨大贡献。因此，人们又常将20世纪冠之以电子时代的美誉。•如从1883年爱迪生的著名实验算起，其发展进程是：电学----电子学----电子技术----电子工程----电子产业•目前电子学领域的发展已受到一些“瓶颈”的制约和限制。三.光子学与电子学三.光子学与电子学信息技术要求“更多”、“更快”、“耗能更少”地处理信息从上图可以看出，电子处理技术从电子管发展到半导体集成电路过程中，电子器件逐渐小型化，处理速度高速化，耗能越来越少，处理单位信息（1bit）的成本不断降低。随着技术发展要求的提高，信息处理硬件的极限开始显现出来科学家们想到了光学技术，利用光信息处理技术的超高速、大容量、低能耗的特点进行信息处理。三.光子学与电子学表1光子与电子的比较特征电子光子静止质量(m)m00运动质量(m)mehν/c2传播速度小于光速(c)等于光速(c)时间特性具时间不可逆性具一定的类时间可逆性空间特性高度的空间局域不具空间局域性粒子特性费米子(费米统计)玻色子(玻色统计)电荷-e0自旋l(h)/2l(h)三.光子学与电子学光子具有的优异特性：•光子具有极高的信息容量和效率•光子具有极快的响应能力•光子系统具有极强的互连能力与并行能力•光子具有极大的存储能力三.光子学与电子学四.光电子学、光子学相关学术领域•光电子学物理基础研究•激光物理学•信息光电子学•生物光子学及激光医学•微光机电集成系统(MEMS)•光电子武器•微波光子学•有机光子学与材料•光化学与分子动力学•能源……四.光电子学、光子学相关学术领域信息光电子学的主要内容光信号产生LDLED信号调制信息传输光纤通信，空间光通信,计算机光互连，全光通信网络，海底光缆通信……信息获取光探测,光学传感,光纤传感,图象遥感信息处理光交换,光计算、波长变换等信息存储光盘(LDCDVCDSVCDDVD)全息存储技术,近场光学存储技术信息显示激光打印和印刷,大屏幕平板显示,3D显示全色LED,液晶,PDP,电致发光显示…五.光电子学发展方向与趋势1970s：异质结半导体材料（LD室温工作）石英光导纤维（损耗1dB/km〕(高锟，1968预言)光纤通信奠定基石光电器件更新换代1980s：量子阱半导体材料（QW激光器）期待新一代光电功能材料的突破!！!1990s：稀土掺杂光纤（掺铒光纤放大器）光通信技术的革命光电功能材料进展光电子技术的突破量子化（材料的量子结构化）---采用量子阱、应变量子阱、超晶格、量子线、量子点等人构改性的材料集成化（器件的集成化）---采用单片集成或混合集成技术实现PIC和OEIC。光子晶体结构（结构改变特性）---光的半导体。五.光电子学发展方向与趋势材料的量子结构化实现手段：能带工程---通过几何微结构的改变实现能带结构的改变带隙工程极低阈值,温度特性好带结构工程窄线宽,高调制速率（器件）带偏移工程新的器件工作原理...支撑技术：晶体外延生长工艺---MBE,MOCVD,CBE细微加工工艺---电子束光刻,反应离子刻蚀(RIE)聚焦离子束注入与刻蚀,纳米级图形超微细加工等五.光电子学发展方向与趋势集成化是器件发展水平的标志集成光发射器：LD+EAMod.，LD+Driver(HBT)集成光接收器：PIN+FET,BalancedHeterodyneReceiver多波长光光源：DFBarray+Star+SOA…,五.光电子学发展方向与趋势集成化是器件发展水平的标志困难:光子器件尺寸mm-cm级－波导弯曲损耗ThermoopticphaseshiftersWaveguidegratingswithinterleavechirp10cm五.光电子学发展方向与趋势光子晶体结构三维一维二维d介电常数周期分布的介质形成光子能带，禁止带隙(PBG)频率的光传播DiamondDefectstate缺陷能级在包层带隙中，缺陷态的光受带隙限制d二维结构参量:孔径－d周期－芯径－光子晶体光纤是带缺陷(纤芯)的二维光子晶体光子能带五.光电子学发展方向与趋势光子晶体的发展进程1987年提出光子带隙(PBG)概念1990年PBG计算机论证1991年微波PBG实验论证1996年第一根TIR光子晶体光纤1997年第一根PBG光子晶体光纤OFC情况论文：2001：6，2002：15国家：2001：4，2002：81993年制造出第一块半导体三维光子晶体1998－2000年光子晶体光纤研究热2000年第一家光子晶体光