《光电子技术基础》(第二版)朱京平Chap
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《光电子技术基础》课程教学大纲
《光电子技术基础》课程教学大纲一、课程基本情况课程名称（中文）：光电子技术基础课程名称（英文）：Fundamentals of Photoelectronic Technology 课程代码：B学分：2.5总学时：40理论学时：40实验学时；0课外学时：课程性质：专业课（必修课）适用专业：材料物理（光电材料）适用对象：本科先修课程：高等数学、电磁学、光学、固体物理等所属课程群：材料物理考核方式：考查、开卷，以过程考核方式记录平时成绩。
平时成绩50%，期终考试50%过程考核类课程考核方式及占比（总计100%）教学环境：课堂、多媒体开课学院：材料科学与工程学院课程网站（可选）：二、课程简介（任务与目的,对接培养的岗位能力）本课程系统全面地介绍了光电子系统信息传递与处理各个环节的基本概念、基本原理与应用基础。
一方面注重光电子技术的基础内容，体现光电子技术的全貌；另一方面适当加入了一些相关领域的近年研究、应用成果，使其更符合光电子技术迅速发展的要求。
《光电子技术基础》可作为高等院校电子信息、电子科学与技术、光信息科学与技术等专业本科生或研究生教材，也可作为相关专业科研人员和工程技术人员的参考用书。
三、课程内容及教学要求1第1章绪论1.1 光电子技术（了解）1.2 光电子技术发展史（了解）1.3 信息光电子技术与器件（了解）1.4 光电子技术应用（了解）第2章光学基础知识与光场传播规律2.1 光学基础知识（理解）2.2 麦克斯韦方程（理解）2.3 电介质（理解）2.4 波动方程（理解）2.5 光波的表示与传播特性（掌握）2.6 高斯光束（掌握）习题第3章激光原理与技术3.1 相干光源、非相干光源与激光（理解）3.2 光与物质相互作用理论——激光产生与传播基础（理解）3.3 激光产生的条件（掌握）3.4 激光器的基本结构及输出（掌握）3.5 激光的特点（掌握）3.6 激光器的种类（了解）1主要描述课程体系结构、知识点、重点难点及学生应掌握的程度等。
《光电子技术基础》(第二版)朱京平Chap2.
其中
0
z0
z 0
z 2
1
z0
R (z)
z 1
z0 z
2
z0为瑞利(Rayleigh)距离,轴上 光强减少一半的位置。
第二十九页，编辑于星期四：十四点 十九分。
高斯光束的特性
1. 光强与功率
高斯光束的光强
I(,z)A02(0 z)2exp22(z2)
在任何点z，光强都是径向距 离 的高斯函数。中间强，向外 弱。光束的光强在轴上最大， 随增大按指数减小至＝(z) 振幅下降为1/e2。(z)称为z处
位移电流和传导电流 一样都能产生环行磁场；
电位移矢量起止于存在自 由电荷的地方；
磁场没有起止点。
旋度是“矢量积” 一个矢量场在
某点的旋度描述了 场在该点周围的旋 转情况。
第十四页，编辑于星期四：十四点 十九分。
麦克斯韦方程组最重要的特点是它揭示了电磁场的内 部作用和运动规律。不仅电荷和电流可以激发电磁场 ，而且变化的电场和磁场也可以互相激发。说明电磁 场可以独立于电荷之外而存在。
3、由麦氏方程导出：
v
1
r r 00
电磁波在介质中的传播速度
真空中
r r 1
c
1
00
c v
rr
c 为电磁波在真空中的传播速度
第十一页，编辑于星期四：十四点 十九分。
E o H
讨论：
1、电矢量 E 磁矢量 H
E H k
光的传播方向k
k
即相互垂直
2、对人眼和感光仪器起作用的是 E ，光波中的振动 矢量通常指 E 。
第十六页，编辑于星期四：十四点 十九分。
通常（线性）情况下： P E o
《光电子技术基础》(第二版)Chap
光电效应定义
当光照射在物质上时，物质吸收光能并释放电 子的现象。
光电效应分类
包括外光电效应、内光电效应和光生伏特效应。
光电效应原理
光子能量大于物质禁带宽度时，光子被吸收并使电子从价带跃迁至导带，形成 光电子。
光电器件的工作原理
光电子发射
当光照射在物质上时，电子从物质表面逸出的现 象。
光生电流
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ光电器件受到光照时，产生光生电流的原理。
激光的波长与颜色
激光的波长取决于所使用的物质， 不同的物质产生不同波长的激光， 因此激光可以有多种颜色。
激光器的种类与结构
固体激光器
固体激光器使用固体材料作为增益介质，常见的有晶体和玻璃激光器。 其结构包括增益介质、泵浦源和光学谐振腔等部分。
气体激光器
气体激光器使用气体作为增益介质，常见的有氦氖激光器和二氧化碳 激光器。其结构包括放电管、反射镜和光学谐振腔等部分。
光通信系统的组成与原理
1 2
光源
用于产生光信号，常用的光源有激光器和发光二 极管。
光调制器
将电信号转换为光信号，常用的调制方式有直接 调制和间接调制。
3
光纤
传输光信号的介质，具有低损耗、高带宽等优点。
光通信系统的组成与原理
光检测器
将接收到的光信号转换为电信号，常用的检测器有光电二极管和 雪崩光电二极管。
射。
光的干涉与衍射
光的干涉
01
两束或多束相干光波在空间相遇时，会因相位差叠加产生干涉
现象。
光的衍射
02
光波在传播过程中遇到障碍物时，会绕过障碍物边缘产生衍射
现象。
干涉与衍射的应用
03
干涉和衍射现象在光学仪器、通信等领域有广泛应用，如干涉
当光照射在物质上时，物质吸收光能并释放电 子的现象。
光电效应分类
包括外光电效应、内光电效应和光生伏特效应。
光电效应原理
光子能量大于物质禁带宽度时，光子被吸收并使电子从价带跃迁至导带，形成 光电子。
光电器件的工作原理
光电子发射
当光照射在物质上时，电子从物质表面逸出的现 象。
光生电流
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ光电器件受到光照时，产生光生电流的原理。
激光的波长与颜色
激光的波长取决于所使用的物质， 不同的物质产生不同波长的激光， 因此激光可以有多种颜色。
激光器的种类与结构
固体激光器
固体激光器使用固体材料作为增益介质，常见的有晶体和玻璃激光器。 其结构包括增益介质、泵浦源和光学谐振腔等部分。
气体激光器
气体激光器使用气体作为增益介质，常见的有氦氖激光器和二氧化碳 激光器。其结构包括放电管、反射镜和光学谐振腔等部分。
光通信系统的组成与原理
1 2
光源
用于产生光信号，常用的光源有激光器和发光二 极管。
光调制器
将电信号转换为光信号，常用的调制方式有直接 调制和间接调制。
3
光纤
传输光信号的介质，具有低损耗、高带宽等优点。
光通信系统的组成与原理
光检测器
将接收到的光信号转换为电信号，常用的检测器有光电二极管和 雪崩光电二极管。
射。
光的干涉与衍射
光的干涉
01
两束或多束相干光波在空间相遇时，会因相位差叠加产生干涉
现象。
光的衍射
02
光波在传播过程中遇到障碍物时，会绕过障碍物边缘产生衍射
现象。
干涉与衍射的应用
03
干涉和衍射现象在光学仪器、通信等领域有广泛应用，如干涉
光电子学基础 教学大纲
光电子学基础一、课程说明课程编号：080907Z10课程名称（中/英文）：光电子学基础／Fundamentals of Optoelectronics课程类别：专业选修课学时/学分：32／2先修课程：大学物理，半导体物理适用专业：微电子制造工程教材、教学参考书：1. Bahaa E.A Saleh.《Fundamentals of Photonics》, Wiley-Interscience Publication，2005年2. 朱京平主编，《光电子学基础》，科学出版社，2004年二、课程设置的目的意义微电子制造技术与装备专业本科生的专业选修课。
本课程的目的在于使学生掌握光电子学的基本概念和基础知识，了解光电子技术的全貌及在各个领域的应用等。
为今后从事微电子光电子制造、精密微光机械、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、掌握较为系统的光电子基础理论和实践能力的高级工程技术人才。
三、课程的基本要求本课程将给予学生在光电子学领域的最基础的专业教育与训练，要求学生掌握半导体物理的概念、激光振荡和放大的理论、激光技术、波导和光纤的基本特性，以及典型光电器件和光电系统的作用特性。
通过物理概念和工程应用实例的介绍，以及课后的实践，培养学生综合分析、解决问题和动手的能力，为将来从事光机电技术领域的科研、开发和应用工作奠定知识基础。
四、教学内容、重点难点及教学设计第1章课程介绍(2学时)讲授光电子的发展与趋势介绍本课程的授课内容，给出讲课大纲；第2章光学基础(4学时)学习本课程应具备的最基本光学基础知识融会贯通。
重点复习掌握体现光的粒子性与波动性的各种物理现象及相关概念与理论分析，掌握光学基础知识，包括光的基本属性。
第3章高斯光束和光学谐振腔(4学时)(1)重点与难点：高斯光束：高斯光束的基本性质；高斯光束q参数的变换规律(ABCD法则)；高斯光束的聚焦与准直；高斯光束的自再现变换与稳定球面腔；高斯光束模式的匹配。
《光电子技术基础》(第二版)朱京平Chap7
7.2阴极射线显示
7.2.1发光机理 1 复合发光 晶态发光体：复合发光，特点：能量吸收 在基质中进行，而能量辐射则在激活剂上 产生，即发光过程在整个晶体内完成。由 于全过程中晶体内伴随有电子和空穴的漂 移或扩散，从而常常产生特征性光电导现 象，因而这类发光一般又称光电导型发光。
晶态发光体的能带结构示意图
7.1.3色度坐标系与彩色重现
1 色度坐标系 (1) CIE-RGB计色系统 该系统规定：波长700nm、光通量为1lm的红 光为一个红基色单位，用(R)表示；波长 546.1nm、光通量4.5907lm的绿光为一个 绿基色单位，用(G)表示；波长435.8nm、 光通量0.0601lm的蓝光为一个蓝基色单位， 用(B)表示；等量的RGB能配出等能白光；
2 分立发光
分立发光机理的位形坐标模型
• 当一束高能（≥１keV）粒子打到某一固体上时， 小部分(约10%)被反向散射，剩余部分穿透到固 体中并在其中失去能量，使图中处于基态1上位置 A处的电子吸收外界高能量子而跃迁到激发态2上 A' A' 位置 处。由于电子在 处不稳定，因而必然经 由状态B’下降到激发态能量最低点 。当电子从 G' 激发态 跃迁到基态G点时，便发生发光现象。 G' • 其特点是，能量吸收和辐射均发生在晶体单分子 中的激活剂附近，即发光中心上，因而称为短时 非光电导型发光，俗称荧光。
7.1.2发光、色彩与视觉——(3) 视觉
人眼彩色视觉特性包括： (1)人眼有三种锥状色感细胞，分别对红、绿、蓝最 敏感； (2)人眼具有空间混色特性，指同一时刻当空间三种 不同颜色的点靠得足够近，使得人眼不能分辨出 其各自颜色，而只能感觉到其混合色的特性 (3)人眼具有时间混色特性，指同一空间不同颜色的 变换时间小于人眼的视觉惰性时，人眼不能分辨 出其各自颜色，而只能感觉到他们的混合色； (4)人眼具有生理混色特性，指两只眼睛同时分别观 看两种不同颜色的同一景象时，人眼不能分辨出 其各自颜色，而只能感觉到他们的混合色
《光电子技术基础》(第二版)朱京平Chap9
9.1光存储与光盘
光盘经历了四代： 光盘经历了四代：
(1)只读存储光盘（ROM，Read Only Memory） 只读存储光盘（ 只读存储光盘 ， ） 数据在光盘生产过程中刻入，用户只能从光盘中反复读取数据。 数据在光盘生产过程中刻入，用户只能从光盘中反复读取数据。 制造工艺简单，成本低，价格便宜，其普及率和市场占有率最高。 制造工艺简单，成本低，价格便宜，其普及率和市场占有率最高。 常见的有： 常见的有：LD、CD-Audio、CD-ROM、 VCD、DVD-Audio、DVD-ROM、DVD-Video。 (2)一次写入多次读出光盘（WORM，Write Once Read Many） 一次写入多次读出光盘（ 一次写入多次读出光盘 ， ） 具有写读功能，用专用CD－ 刻录机向光盘中一次性写入数据 但写入后不可擦除。 刻录机向光盘中一次性写入数据， 具有写读功能，用专用 －R刻录机向光盘中一次性写入数据，但写入后不可擦除。 常见的有： － 、 常见的有：CD－R、DVD－R － (3)可擦重写光盘（REWRITE，简写作 可擦重写光盘（ 可擦重写光盘 ，简写作RW) 用户除可读写信息外，还可将盘上记录信息擦除，然后再写入新信息； 用户除可读写信息外，还可将盘上记录信息擦除，然后再写入新信息； 擦与写需两束光、两次动作： 擦激光”先将信息擦除，另一束“写激光” 擦与写需两束光、两次动作：“擦激光”先将信息擦除，另一束“写激光” 将新信息写入 (4)直接重写光盘（OVERWRITE，简写作 直接重写光盘（ 直接重写光盘 ，简写作OW） ） 实现的功能与可擦重写光盘一样， 擦激光” 写激光”为同一束光， 实现的功能与可擦重写光盘一样，但“擦激光”与“写激光”为同一束光，在写入新 信息的同时旧信息自动被擦除，无需两次动作。 信息的同时旧信息自动被擦除，无需两次动作。 ROM与WORM应用最广，RW已商用化，OW光盘尚待完善 与 应用最广， 已商用化， 应用最广 已商用化 光盘尚待完善
《光电子技术基础》(第二版)朱京平Chap8
8.1.3 改进回波损耗的方法
出发点：光通信系统中需回波损耗 甚至>60dB 出发点：光通信系统中需回波损耗>40dB,甚至 甚至 手段：光纤端面形状改变，或镀增透膜(减小菲涅耳损耗 减小菲涅耳损耗) 手段：光纤端面形状改变，或镀增透膜 减小菲涅耳损耗 球面接触(PC) 球面接触
将装有光纤的插针体端面加工成 曲率半径25~60mm的球面，两 的球面， 曲率半径 的球面 插针接触时纤芯间隙接近于0， 插针接触时纤芯间隙接近于 ， 达到“物理接触” 达到“物理接触”，则端面间隙 损耗和菲涅耳损耗将为0， 损耗和菲涅耳损耗将为 ，从而 后向反射光大大减小。 后向反射光大大减小。 ——可使回波损耗达到 可使回波损耗达到50dB以上 可使回波损耗达到 以上
ILd = −10 lg e
V
− ( d / w)2
≈ 4.34(d / w) 2
其中 w = 0.65 + 1.619 + 2.879 a 3/ 2 6
V
令错位损耗为0.1dB 令错位损耗为
∆ 多模渐变光纤芯径50µ 、 算得横向错位2.46µm; 统计值 µm 多模渐变光纤芯径 µm、 = 1% ，算得横向错位 µ 统计值3µ
性能
实现光路接续，保证光纤网络90%以上光通过。 以上光通过。 实现光路接续，保证光纤网络 以上光通过
分类： 分类：
永久性：采用熔接法、 永久性：采用熔接法、粘接法或固定连接器来实现 活动性，光纤活动连接器。 活动性，光纤活动连接器。
指标
插入损耗(简称插损 、回波损耗(简称回损 以及谱损耗、 简称回损)、 插入损耗 简称插损)、回波损耗 简称回损 、以及谱损耗、 简称插损 背景光耦合、串扰、带宽等等； 背景光耦合、串扰、带宽等等； 对于活动光纤连接器还有重复性和互换性
《光电子技术基础》(第二版)朱京平Chap8
8.1.3 改进回波损耗的方法
出发点：光通信系统中需回波损耗 甚至>60dB 出发点：光通信系统中需回波损耗>40dB,甚至 甚至 手段：光纤端面形状改变，或镀增透膜(减小菲涅耳损耗 减小菲涅耳损耗) 手段：光纤端面形状改变，或镀增透膜 减小菲涅耳损耗 球面接触(PC) 球面接触
将装有光纤的插针体端面加工成 曲率半径25~60mm的球面，两 的球面， 曲率半径 的球面 插针接触时纤芯间隙接近于0， 插针接触时纤芯间隙接近于 ， 达到“物理接触” 达到“物理接触”，则端面间隙 损耗和菲涅耳损耗将为0， 损耗和菲涅耳损耗将为 ，从而 后向反射光大大减小。 后向反射光大大减小。 ——可使回波损耗达到 可使回波损耗达到50dB以上 可使回波损耗达到 以上
8.1.1 光纤连接器主要指标 (3)重复性与互换性 光纤连接器主要指标— 重复性与互换性 • 重复性
光纤（光缆）活动连接器多次插拔后插入损耗的变化情况， 光纤（光缆）活动连接器多次插拔后插入损耗的变化情况， 表示。 用dB表示。 表示
• 互换性
连接器插头与转换器两部分的任意互换或有条件互换的性能 指标，可以考核连接器结构设计和加工工艺的合理性， 指标，可以考核连接器结构设计和加工工艺的合理性，也是 表明连接器实用化的重要标志，用户和厂家一般要求互换连 表明连接器实用化的重要标志， 接器的附加损耗应限制在小于0.2dB的范围内。 的范围内。 接器的附加损耗应限制在小于 的范围内
单模光纤芯径10µ ， 算得横向错位0.72µm; 统计值 µm。 单模光纤芯径 µm， = 0.3% ，算得横向错位 µ 统计值0.8µ ∆
——理论与实践符合良好 理论与实践符合良好
8.1.2 影响插入损耗的各种因素 光纤倾斜损耗 影响插入损耗的各种因素(2)光
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—体现：晶体具有一定的熔点、凝固点
5.2光在晶体中的传播
5.2.1晶体的极化率与介电系数
介质极化强度P与入射光强度 E：
P 0 E
晶体在不同方向上的极化率 不同，P不再与E同向，
表现为极化率 成为二阶张量，具有九个分量：
11 12 13 21 22 23
31 32 33
晶体构造示意图 (a)金刚石结构（Ge、Si晶体） (b) 闪锌矿结构（GaAs晶体）
• 晶格
– 点阵：
• 基元用结点代替，则晶体可看成一些相同结点在空 间有规则周期性无限分布形成的集合，称点阵。
– 晶格
• 通过点阵中的结点可以做许多平行的直线簇和平行 的平面簇，构成一种格子结构，称为晶格，
– 格点
– 所选择的平行六面体应该能够反映整个空间点阵的对称性，以及 平行六面体的对称性应与空间点阵的对称性一致。
– 平行六面体上棱与棱之间的直角关系应力求最多。 – 平行六面体的体积应最小
c(z)
1
b(y)
ki a(x)
• 晶胞常数
– 用来描述晶体学原胞的三个棱长a0、b0、c0以 及它们之间的夹角、、这六个参数
• 空间点阵学说与空间群理论结合，形成了 近代关于晶体几何结构的完备理论 。
5.1.1晶体结构与基本概念 ➢ 晶体
– 组成物质的微粒（原子、分子或离子）或微粒群在空
间按照一定的规则周期性排列形成的一种晶态固体。
➢ 基元
– 构成晶体的无限重复的微粒或粒子群，是晶体的基本 结构单元，称为基元。
晶体实物图
第五章 光调制技术----光信息系统的 信号加载与控制
5.1 晶体光学基础 5.2 光在晶体中的传播 5.3 电光调制 5.4 声光调制 5.5 磁光调制
• 光调制
– 通过改变光波的振幅、强度、相位、频率或偏振等参 数，使传播的光波携带信息的过程。
• 功能
– 在光通信系统中实现从电信号到光信号的转换
• 配位数：
– 晶格点阵中某一格点相邻的格点数。 – 面心立方格子配位数12，体心立方格子为14。
• 原子致密度：
– 晶体内原子所占体积和晶胞总体积之比。 – 面心立方格子致密度0.74，体心立方格子0.68。
5.1.2晶体的基本性质
1. 自限性
指晶体自发形成封闭凸几何多面体的能力。 晶面、晶棱、顶点间关系：晶面数+顶点数=晶棱数+2
指晶体的几何形态由于晶体内部结构在某些不 同方向或在同一方向的不同位置存在着有规则 的重复性。
6. 最小内能性（长程有序性）
晶体内部规则排列的质点间引力与斥力平衡， 所有质点均处于平衡位置，形成一种规则排列 的长程有序结构。此时，无论使质点间的距离 增大或减小都将导致相对势能的增加，因而晶 体具有最小的内能。
其中，、、为晶面与晶轴相交的截距。
h' k' l'
七大晶系、十四种布拉菲格子、三大晶族
• 七大晶系
– 根据晶胞常数的特点，可将晶体分为七种类型
• 布拉菲格子
– 每一晶系由可以按照节点在其中的分布规律再 细分成四种可能形式的晶格。布拉菲证明这28 种形式中，只能有14种独立的空间格子
– 低级晶族：无高次旋转轴的晶体 – 中级晶族：有一个高次旋转轴的晶体 – 高级晶族：有一个以上高次旋转对称轴的晶体
• 晶格常数与晶轴
– a0、b0、c0称为晶体原胞的晶格常数，其方向 代表晶轴方向。
c(z)
1
b(y)
ki a(x)
• 晶面 晶体点阵可从各个方向划分成许多组平行且
等距离的平行点阵，这些平行点阵所处的 平面称为晶面，晶面方向由密勒指数（hkl） 标记，h、k、l是互质的整数，其比有关系：
h:k:l 1 : 1 : 1 h k l
➢利用KDP晶体在电场作用下的双折射效应 也可以制作电光调制器；
➢利用Pokels效应也可以制作电光调制器；
➢利用超声波作用下介质折射率周期性变化 的声光效应可以制作声光调制器；
➢利用法拉第效应可以制作磁光调制器与光 隔离器。
➢利用强磁场中激光的Zeeman效应可以进行 超细光谱分析与激光稳频。
5.1晶体光学基础
于是，
Pi ij 0 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ j
P1
11 12 13 E1
P2 0 21 22 23 E2
P3
31
32
E 33
• 晶格中的结点就成为晶格中格点。
• 晶胞
– 晶格中以一个格点为顶点、其上发出的三个基本平移 矢量a、b、c为三个相邻棱边，形成一个平行六面体— —晶体的基本重复单元：晶体学原胞，简称晶胞
– 平移矢量代表晶胞棱边的长与取向，晶棱长即平移矢 量应为该取向上的最小重复长度，称为晶胞的周期。
• 选择原则
振幅调制
调制光波的参量 相位调制
偏振调制
• 内调制
– 将调制信号直接注入激光器，从而改变输出激 光的参数的调制方式
• 外调制
– 在激光谐振腔以外的光路上放置调制器，将待 传输信号加载到调制器上，使输出光的特性随 信号而变的调制方式
➢1875年，英国的Kerr发现了电光效应中的 Kerr效应，利用这一效应制作的Kerr盒是一 种用途广泛的电光调制器；
2. 晶面角守恒
同一品种晶体不论其外形如何，晶面间交角总是确定的
3. 均匀性
指晶体在不同位置上具有相同的物理性质。 晶格中所有格点都在三维空间以原胞为单位周期性排列 ——每个原胞周围的格点情况均一样——均匀性
4. 各向异性
– 指晶体的宏观性质随观察方向的不同而不同。
– 本质：晶体沿不同晶轴方向晶格常数不同， 即：晶格中各向格点的排列方式不同
• 目的
– 对所需处理的信号或被传输的信息作某种形式的变换， 使之便于理解、传输和检测
• 光调制器：
– 利用光和物质相互作用所产生的效应来控制光波的强 度或相位的器件
二 、光调制分类
调制位置
内调制(直接调制) 外调制(间接调制)
电光调制 声光调制
物理效应
磁光调制 其他 (如:电吸收调制)
调制形式
模拟调制 数字调制 脉冲调制
– 典型表现：
解理：晶体受力后破裂总沿一个确定方向发生
双折射：当一束光射入某些晶体时，出射光会分为两 束偏振方向不同的光，向两个方向折射。
– 标志晶体中光波传播的相速度与光的偏振状态与光的传 播方向有关。对于一定的传播方向，一般有两个可能的 相速度值，它们相应于光波的两种互相正交的偏振态。
5. 对称性
5.2光在晶体中的传播
5.2.1晶体的极化率与介电系数
介质极化强度P与入射光强度 E：
P 0 E
晶体在不同方向上的极化率 不同，P不再与E同向，
表现为极化率 成为二阶张量，具有九个分量：
11 12 13 21 22 23
31 32 33
晶体构造示意图 (a)金刚石结构（Ge、Si晶体） (b) 闪锌矿结构（GaAs晶体）
• 晶格
– 点阵：
• 基元用结点代替，则晶体可看成一些相同结点在空 间有规则周期性无限分布形成的集合，称点阵。
– 晶格
• 通过点阵中的结点可以做许多平行的直线簇和平行 的平面簇，构成一种格子结构，称为晶格，
– 格点
– 所选择的平行六面体应该能够反映整个空间点阵的对称性，以及 平行六面体的对称性应与空间点阵的对称性一致。
– 平行六面体上棱与棱之间的直角关系应力求最多。 – 平行六面体的体积应最小
c(z)
1
b(y)
ki a(x)
• 晶胞常数
– 用来描述晶体学原胞的三个棱长a0、b0、c0以 及它们之间的夹角、、这六个参数
• 空间点阵学说与空间群理论结合，形成了 近代关于晶体几何结构的完备理论 。
5.1.1晶体结构与基本概念 ➢ 晶体
– 组成物质的微粒（原子、分子或离子）或微粒群在空
间按照一定的规则周期性排列形成的一种晶态固体。
➢ 基元
– 构成晶体的无限重复的微粒或粒子群，是晶体的基本 结构单元，称为基元。
晶体实物图
第五章 光调制技术----光信息系统的 信号加载与控制
5.1 晶体光学基础 5.2 光在晶体中的传播 5.3 电光调制 5.4 声光调制 5.5 磁光调制
• 光调制
– 通过改变光波的振幅、强度、相位、频率或偏振等参 数，使传播的光波携带信息的过程。
• 功能
– 在光通信系统中实现从电信号到光信号的转换
• 配位数：
– 晶格点阵中某一格点相邻的格点数。 – 面心立方格子配位数12，体心立方格子为14。
• 原子致密度：
– 晶体内原子所占体积和晶胞总体积之比。 – 面心立方格子致密度0.74，体心立方格子0.68。
5.1.2晶体的基本性质
1. 自限性
指晶体自发形成封闭凸几何多面体的能力。 晶面、晶棱、顶点间关系：晶面数+顶点数=晶棱数+2
指晶体的几何形态由于晶体内部结构在某些不 同方向或在同一方向的不同位置存在着有规则 的重复性。
6. 最小内能性（长程有序性）
晶体内部规则排列的质点间引力与斥力平衡， 所有质点均处于平衡位置，形成一种规则排列 的长程有序结构。此时，无论使质点间的距离 增大或减小都将导致相对势能的增加，因而晶 体具有最小的内能。
其中，、、为晶面与晶轴相交的截距。
h' k' l'
七大晶系、十四种布拉菲格子、三大晶族
• 七大晶系
– 根据晶胞常数的特点，可将晶体分为七种类型
• 布拉菲格子
– 每一晶系由可以按照节点在其中的分布规律再 细分成四种可能形式的晶格。布拉菲证明这28 种形式中，只能有14种独立的空间格子
– 低级晶族：无高次旋转轴的晶体 – 中级晶族：有一个高次旋转轴的晶体 – 高级晶族：有一个以上高次旋转对称轴的晶体
• 晶格常数与晶轴
– a0、b0、c0称为晶体原胞的晶格常数，其方向 代表晶轴方向。
c(z)
1
b(y)
ki a(x)
• 晶面 晶体点阵可从各个方向划分成许多组平行且
等距离的平行点阵，这些平行点阵所处的 平面称为晶面，晶面方向由密勒指数（hkl） 标记，h、k、l是互质的整数，其比有关系：
h:k:l 1 : 1 : 1 h k l
➢利用KDP晶体在电场作用下的双折射效应 也可以制作电光调制器；
➢利用Pokels效应也可以制作电光调制器；
➢利用超声波作用下介质折射率周期性变化 的声光效应可以制作声光调制器；
➢利用法拉第效应可以制作磁光调制器与光 隔离器。
➢利用强磁场中激光的Zeeman效应可以进行 超细光谱分析与激光稳频。
5.1晶体光学基础
于是，
Pi ij 0 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ j
P1
11 12 13 E1
P2 0 21 22 23 E2
P3
31
32
E 33
• 晶格中的结点就成为晶格中格点。
• 晶胞
– 晶格中以一个格点为顶点、其上发出的三个基本平移 矢量a、b、c为三个相邻棱边，形成一个平行六面体— —晶体的基本重复单元：晶体学原胞，简称晶胞
– 平移矢量代表晶胞棱边的长与取向，晶棱长即平移矢 量应为该取向上的最小重复长度，称为晶胞的周期。
• 选择原则
振幅调制
调制光波的参量 相位调制
偏振调制
• 内调制
– 将调制信号直接注入激光器，从而改变输出激 光的参数的调制方式
• 外调制
– 在激光谐振腔以外的光路上放置调制器，将待 传输信号加载到调制器上，使输出光的特性随 信号而变的调制方式
➢1875年，英国的Kerr发现了电光效应中的 Kerr效应，利用这一效应制作的Kerr盒是一 种用途广泛的电光调制器；
2. 晶面角守恒
同一品种晶体不论其外形如何，晶面间交角总是确定的
3. 均匀性
指晶体在不同位置上具有相同的物理性质。 晶格中所有格点都在三维空间以原胞为单位周期性排列 ——每个原胞周围的格点情况均一样——均匀性
4. 各向异性
– 指晶体的宏观性质随观察方向的不同而不同。
– 本质：晶体沿不同晶轴方向晶格常数不同， 即：晶格中各向格点的排列方式不同
• 目的
– 对所需处理的信号或被传输的信息作某种形式的变换， 使之便于理解、传输和检测
• 光调制器：
– 利用光和物质相互作用所产生的效应来控制光波的强 度或相位的器件
二 、光调制分类
调制位置
内调制(直接调制) 外调制(间接调制)
电光调制 声光调制
物理效应
磁光调制 其他 (如:电吸收调制)
调制形式
模拟调制 数字调制 脉冲调制
– 典型表现：
解理：晶体受力后破裂总沿一个确定方向发生
双折射：当一束光射入某些晶体时，出射光会分为两 束偏振方向不同的光，向两个方向折射。
– 标志晶体中光波传播的相速度与光的偏振状态与光的传 播方向有关。对于一定的传播方向，一般有两个可能的 相速度值，它们相应于光波的两种互相正交的偏振态。
5. 对称性