光电子学与光子学讲义-知识要点
光电子 和 光子学原理 第一章 2014-03-6
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。
光子学与光电子学第1章 概述及理论基础
光子学与光电子学
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1. 光子具有的优异特性
（1）光子具有极高的信息容量和效率 （2）光子具有极快的响应能力 （3）光子具有极强的互连能力和并行能力
电子有电荷，因此电子与电子之间存在库伦作 用力，这就使得它们彼此间无法交连。而光子 无电荷，彼此间不存在排斥和吸引力，具有良 好的空间相容性 。
（4）光子具有极大的存储能力 光子除能进行一维、二维存储外，还能完成三 维存储。如把频率维算上，可用于存储的参量 更多，因此光子具有极大的存储能力。
光子学与光电子学
光子学与光电子学
17
图1.1.2a从光电技术衍生出多种学科和 应用领域
信息 光电技术
材料 光电技术
通信 光电技术
光电技术
……
生物 光电技术
军事 光电技术
光子学与光电子学
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图1.1.2b 光电产业
光显示 产业
光纤通信 产业 光电子材料 产业
光机电
光电产业
光电子检测
一体化产业
产业
光存储 军用光电子
光子学和光电子学的发展简史如表1.1.1所示。
光子学与光电子学
9
光子学研究内容
光子学是研究以光子为信息或能量载体的科学。 电子学是关于电子及其应用的科学，与电子学 类比，光子学被广义定义为关于光子及其应用 的科学。
在理论上，光子学研究光子的量子特性，研究 光子与分子、原子、电子以及与光子本身在相 互作用时出现的各种效应；
11
2. 光子学分子学科
光子学与光电子学第3章 光的干涉及衍射
光子学与光电子学
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脉冲固体激光器泵浦源
脉冲固体激光器泵浦源采用脉冲氙灯，连续激 光器采用氪灯或碘钨灯。泵浦灯的发射光谱覆 盖很宽的波长范围，其中只有与激光工作物质 吸收波长相匹配波段的光可有效用于光激励。 采用放电灯激励的固体激光器如图3.1.6所示。
为了使气体放电灯发出的非相干光有效地射入 激光工作物质，聚光装置是必不可少的，通常 采用内壁镀有高反射率的椭圆柱聚光腔，激励 灯和激光工作物质棒分别置于两个焦点上。
0
（a）反射波B和原波A干涉 （b）只有满足m( /2) =L波长的 驻波才能在谐振腔内存在
vf
反射率
FSR
R = 0.8
R = 0.4
vm
v vm1 vm vm1
（c）不同反射率的 驻波强度I 和频率n 的关系
不是任意一个波长都能在谐振腔内形成驻波，对于给定的m，只 有满足式（3.1.3）的波长才能形成驻波，并记为m，称为腔 模式，如图3.1.3（b）所示。
由于气体工作物质均匀性好，输出光束的质量 相当高，其单色性和方向性一般优于固体和半 导体激光器，是很好的相干光源。
代表性的气体激光器有氦-氖（He-Ne）激光器、 氩离子（Ar+）激光器和二氧化碳（CO2）激光 器。
光子学与光电子学
17
图3.1.8 内 腔式氦氖气
体激光器
阳极
全反 射镜 0.999
半导体材料两端的解理面，如普通半导体激光器 由部分反射电介质镜构成的法布里-玻罗谐振腔 由有源区和布拉格光栅构成的法布里-玻罗谐振腔，如 DFB 和 DBR 激光器
实现粒子数反转并产生光的 受激辐射放大
固体 气体
液体 光学激励
使工作介质实现并维持粒子 数反转，并提供发射激光的能量
光电子学与光子学讲义-知识要点资料
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。
光电子学与光子学讲义-Chapter4-LD
dn21 1 A21 dt sp n2
dn21 1 A21 dt sp n2
（dn21）sp表示由于自发跃迁引起的由E2向E1跃迁的原子数。
A21只决定于原子本身的性质，A21就是原子在能级E2的平均 寿命的倒数A21 =1/τ2。A21也称为自发跃迁爱因斯坦系数。 特点：自发辐射时，各原子是独立进行跃迁，辐射的光子无 规律，频率、相位、方向等各不相同，能量分布在许许多多模 式上,为非相干光。
T=3000K，R21(spon)/ R21(stim)≈ 3×103 一般情况下，自发辐射远大于受激辐射，受激辐射可忽略不计。 温度上升，受激辐射增加，但仍小于自发辐射。平衡状态下很 难使受激辐射占主导地位. 当热平衡时，受激辐射率同受激吸收率的比值为：
h R21 stim n2 exp 1 R12 absorp n1 k BT
自发辐射和受激辐射还可以按经典电子论模型进行描述。原 子的自发跃迁是原子中电子的自发阻尼振荡，没有任何外加光 电场来同步各个原子的自发阻尼振荡，因而电子振荡发出的自 发辐射是相位无关的。而受激辐射对应于电子在外加光电场作 用下作强迫振荡时的辐射，电子强迫振荡的频率、相位 、振动 方向显然应与外加光电场一致。
几何偏折损耗大(高损耗腔)
两种不同的腔的理论处理方法, 设计方法不同 • 利用几何光学光线矩阵方法分析腔中的几何偏折损耗
稳定判据
0 g1g2 1 g1 g2 0
表达式
稳定腔
其中 g2
g1 1 L
R1 R2
g2 1 L
• 只适用于简单的共轴球面镜腔(直腔) • 稳定腔因腔损耗小，适用于中、 小功率激光器； • 非稳腔可用于大功率激光器中， 其优点是模体积大，还有好的横 模鉴别能力
光电子学与光子学的原理及应用复习(2011)
第五章 光电探测器
重点：
1. 2. 3. 4.
Pn结光电探测器基本原理， 量子效率和响应度 Pin光电探测器 探测器的噪声 散粒噪声，热噪声，SNR，NEP
第六章 太阳能电池
重点：
1.
光生伏打效应
第七章 偏振和光调制
重点：
1. 2. 3. 4. 5.
偏振：线偏振，圆偏振和椭圆偏振 双折射率 位相延迟片， 电光效应 集成电光调制器 Mach-Zehnder调制器，
重点：
1. 2.
3.
半导体统计特性 Eg = np ) 电子和空穴密度，直接、间接带隙， N c N v exp(− = ni2 pn结能带图 开路、正偏、反偏下的能级图
第四章 激光
重点：
1. 2. 3. 4.
受激辐射，粒子数反转， 激光振荡 增益线型，阈值增益，激光模式 DBR 全息
光电子学与光子学的原理及应用
复习
第一章：光的波动特性
重点内容：
1. 2. 3. 4. 5.
相速度和群速度 全反射 时间和空间相干性 F-P谐振腔 衍射
第二章 介质波导和光纤
重点：
1. 2. 3.
波导方程： 阶跃折射率光纤： 光纤V值，N.A.，色散， 比特率和色散 比特率距离积
第三章 半导体科学和LED
光电子学复习要点
光电子学复习要点光电子学是研究光与电子相互作用的学科，其应用广泛，包括激光技术、光通信、光存储、光探测等。
以下是光电子学（南京邮电大学）的复习要点。
1.光的本质和特性：光被视为一种电磁波，具有粒子和波动性质。
光的波长、频率、能量和速度是光学研究中的基本概念。
2.光的波动性：光的干涉、衍射、偏振等特性是光的波动性的表现。
波动理论可以解释和预测光的行为。
3.光的粒子性：光的粒子性通过光量子假说解释，即光以光子的形式传播。
光谱分析和光电效应是光的粒子性的现象。
4.光的发射和吸收：光可以通过激发物质的原子或分子产生发射，被物质吸收后可以引起电子激发或转移。
5.激光的基本原理：激光是一种具有高亮度和高聚束性的光源。
激光的实现需要能级反转和光反馈的条件。
6.半导体光电子器件：半导体材料在光电子学中有着重要的应用，如光电二极管、光电晶体管、光电子倍增管等。
其工作原理是利用半导体材料的特性，将光子转换为电信号。
7.光通信系统：光通信是一种基于光信号传输的通信方式。
光纤作为信号传输媒介，光放大器和光调制器等器件实现信号的放大和调制。
8.光信息处理：光信息处理技术包括光学图像处理、光学信号处理和光学数据存储等。
利用光的并行性和高速性可以实现快速的信息处理。
9.光学成像：光学成像技术包括透镜成像、干涉成像和衍射成像等。
不同的成像方式有不同的应用场景，如显微镜、摄影和印刷等。
10.光学信息存储：光存储技术是利用光的能量和非线性特性实现信息存储。
包括光盘、激光打印和全息存储等。
以上是光电子学的复习要点，理解这些基本概念和原理，掌握相关的技术和应用，对于深入研究和应用光电子学具有重要意义。
光电子学与光子学讲义-知识要点资料
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。
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《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。