光电子学导论
(集成光电子学导论)第六章常见光波导材料与结构
1 cm = 10 000 微米
1、空气净化
From Intel Museum
三道防线: ✓环境净化（clean room） ✓材料清洗（wafer cleaning） ✓吸杂（gettering）
光电所
• 投资4000万元的光电子学研究所实验大楼坐落在深圳大学文山湖畔。这是 一座设施先进、功能完善、配套齐全、专业化水准高的现代化实验大楼，总 面积8200平方米，其中有1200平方米的百级和万级净化实验室，有电子级超 纯水制备系统、各种特殊气体的供送系统以及相应的安全保障和环保设施等。 投资6000万元购置的先进科研仪器设备，构建了显微分析、光谱分析、超快 诊断技术、光电子材料、生物光子学、等离子体显示、应用光学、电子学等 10多个测试实验室和真空光电子器件、半导体光电子材料与器件、平板显示 器件、有机电致发光材料、纳米光电子材料等10多个工艺实验室。主要大型 仪器设备有：金属有机化合物气相沉积（MOCVD）系统、微波等离子体增 强化学气相沉积（MPECVD）系统、等离子体增强化学气相沉积（PECVD） 系统、磁控溅射系统、反应离子刻蚀机、光刻机、高精度丝网印刷机、大型 高精度点胶机、高精度喷砂机、多功能镀膜机、扫描探针显微镜、扫描电子 显微镜、台阶轮廓测试仪、三维视频显微镜、真空紫外单色仪、紫外/可见/近 红外光谱仪、飞秒激光器、皮秒激光器、荧光光谱测试仪、激光拉曼谱仪、 高分辨X射线衍射仪、变磁场霍尔测试仪、多光子激发荧光显微成像系统、高 速示波器、逻辑分析仪和数字电路开发系统等，以及光学设计分析、多物理 场分析等大型软件。这些硬件条件，为建设一流的光电子学研究所奠定了坚 实的基础。
半导体激光器，探测器，放大器， 电光调制器
目前最好的电光调制器，声光调制 器
光电子技术导论
《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。
(集成光电子学导论)第六章常见光波导材料与结构
芯层/包层材 料
Ge:SiO2 /SiO2 Si/SiO2
芯层/包层折 射率差 0-0.5%
50-70%
损耗dB/cm @1550nm 0.05
0.1
3.2
inP、GaAs/ ~100%
3
空气
2.2
Ag(Ti):LiNbO 0.5%
0.5
3/ LiNbO3
1.3-1.7
都是聚合物， 0-35%
0.1
不同材料矩形单模波导的宽度
SiO2：n=1.44 Ge： SiO2：n=1.45
两种波导的 优缺点？
SiO2：n=1.44
5~6 μm
220nm
30~40μm
Si： n=3.4
500nm
做出的器件尺寸大，但与光 纤耦合损耗很小
做出的器件尺寸很小，但与 光纤耦合损耗大
如希望对光纤耦合损耗小：不同材 料的光波导结构
靠配比改变
折射率差
波导折射率与模式
n2 θc
n1
n2
sin c
n2 n1
同样厚度 的硅波导 和二氧化 硅波导哪 个能有更 多模式？
为什么通常希望 波导厚度与模使式用单模波导？
Helmholtz equation:
[ 2 xk0 2n22]U (x)0
x nclad ncore nclad
n nclad ncore
平面光波导的类型
1-d 光限制
cladding core
nlow nhigh
cladding
nlow
平板波导
氧化硅、聚合物
2-d 光限制 硅、三五族
core
nlow
nhigh
cladding
光电子材料导论第一章 信息处理技术和材料-全光波长转换-PPT资料22页
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Extd Signals
XPM SOA Converters
XPM
Schematic of monolithic integrated asymmetric MZI-SOA wavelength converter
四波混频全光波长转换
All-optical wavelength converters:
Semiconductor optical amplifiers(SOA) in cross gain modulation (XGM)
Cross phase modulation (XPM), Four wave mixing (FWM), bistable lasers
Incorporating saturable absorbers, injection locked Y-lasers; FWM in optical fiber.
XGM in SOA
Principle
Use SOA gain saturation characteristic.
A cw signal at the desired output wavelength is modulated by the gain variation, so after the SOA it carries the same information as the intensity modulated input signal.
• Large wavelength span for both input and output signals.
• Possibility for same input and output wavelengths (no conversion).
(集成光电子学导论)绪论
生物光子学：超小样品检测芯片 纳米光子学 (纳米尺度检测及加工) 光逻辑处理与光计算
其他领域:
光学仪器 光学材料处理 光谱研究等
集成光电子学的理论基础
两大理论基础：物理光学和光电子学 还涉及：电磁场与电磁波、信息光学、
非线性光学、半导体物理基础、晶体光 学、薄膜光学、导波光学、微电子工艺 基础
英国海底光缆枢纽
思考：对比光缆和 电缆的使用环境， 有什么区别，为什 么？
光传输的优势
电磁干扰小 无电流短路及接地问题 无静电火花 尺寸小重量轻 价格便宜
光电子集成的终极应用目标之一是光计算机，以光作为载体， 实现个人计算机，将提高现有计算机速度100-1000倍，存储容 量提高一百万倍。目前美国，英国，以色列等国家都积极开展 相关研究。Intel等芯片厂商已经取得突破性进展。
另一个问题
既然光信号和电信号传输速 度相同，为什么我们说光通 信比电子通讯更具优势呢？
教科书关于光通信好的答案
光纤传输带宽约10GHz甚至更高， 而同轴电缆仅50MHz左右。因此利 用光纤可传输的信号大约为同轴电 缆的104倍。
请问你是否已经理解了这段话的含义呢？
为什么带宽大就能支持更快的传输速 度，带宽是什么含义？
从下面的图片能对集成光电子 有什么感性认识？
为什么集成芯片越来越小？
Intel为Apple设计的新一代USB传输芯片，使用集成光互连技术，可实现 6.25 Gbit/s的数据传输速度
与现有USB电信号数据传输相比： USB 1.1 1.5Mbit/s USB 2.0 60Mbit/s
思考：为什么光互连芯片数据交换 速度大幅提高？
通过这么课学什么？两个要点
分组大作业：分别利用BPM和FDTD方 法完成两个典型集成光电子学器件的设 计，锻炼大家的团队协作能力，及实际 问题解决能力。
半导体光电子学导论作业1
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。
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。
光电子学导论
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。
光电子信息导论课程教学大纲
教学内容 光的波动
特性 介质波导
和光纤 课题讨论 半导体科 学和发光 二极管 课题讨论 光放大器 和激光器 课题讨论 光探测器 和图像传 感器 课题讨论 光的偏振 和调制 课题讨论
Байду номын сангаас
学时 6 6 2 7
2 7 2 6
2 6 2
教学方式 作业及要求 基本要求
授课
2‐3 题作业
熟悉
授课
2‐3 题作业
熟悉
课堂讨论
课程教学大纲（course syllabus）
*学习目标 (Learning Outcomes)
1．加深学生对物理现象特别是光物理和半导体物理本质的理解。 2．拓展学生了解光电子领域的前沿基础应用。 3．提高学生整体素养，为其开展实验物理奠定良好的基础。
*教学内容、进度 安排及要求
(Class Schedule &Requirements)
光电子信息导论课程教学大纲
课程基本信息（Course Information）
课程代码
学时
学分
（Course Code）
PH328
（Credit Hours）
48
（Credits）
3
课程名称
光电子信息导论
（Course Name）
Introduction to optoelectronics
课程性质 (Course Type)
习题
授课
2‐3 题作业
专业 熟悉
考查方式 课堂提问 和作业 课堂提问 和作业 PPT 报告 课堂提问 和作业
课堂讨论 专题论述
授课
2‐3 题作业
课堂讨论 专题论述
授课
2‐3 题作业
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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。
•光交换器件：包括可调谐波长转换器、波
长选择器、路由选择器（模块）等。
•光子集成器件：包括光路集成器件和实用
化光电子集成模块等。
•光存储器件：包括蓝绿光480纳米波长GaN 半导体激光器和650纳米波长红光半导体激光器，高密、高效、高速的母盘刻录和新型光记录介质等技术。
•大功率激光器：包括大功率半导体激光器（DPSSL）及大规模集成组件，以及光有源器件、光无源器件、光交换器件、光子集成器件、光存储器件、大功率激光器。
光电子的发展前景，技术领域，研究动向，产业前景等方面
21世纪是信息经济时代，信息产业将成为支柱产业，而信息产业的发展却与光电子技术的发展有着紧密的联系
激光及全息技术是光电子技术研究
中的重点
多年来,激光技术与应用发展迅猛,已与多个学科相结合形成多个应用技术领域,比如光电技术,激光医疗与光子生物学,激光加工技术,激光检测与计量技术,激光全息技术,激光光谱分析技术,非线性光学,超快激光学,激光化学,量子光学,激光雷达,激光制导,激光分离同位素,激光可控核聚变,激光武器等等
传统的全息摄影技术本质上是一种模拟的非实时性的繁琐的纯光学技术,近年来兴起的数字信息处理技术及其有关器件设备(计算机, 数码摄像机,CCD 器件,新型液晶显示屏,空间光调制器,因特网等)和自动化控制技术不断冲击传统的全息摄影技术,一些全息公司(如美国斑马图像公司等)推出了数字激光全息图,使它有了新发展.
光电子的发展空间大，应用广，在大力发展目前以比较成熟的光子材料及器件的同时,也应该投入大量的人力、财力,研究开发那些具有广阔市场前景、有望形成新型经济增长点的光子材料和器件,主要涉及到光催化环保材料、稀土发光材料、红外焦平面阵列材料与器件、新型光电子信息处理与传感材料与器件以及其他一大类非线性光学材料与器件等。