绪论

等技术的发展。光电子器件主要有作为信息载体的光源 （半导体发光二极管、半导体激光器等）、辐射探测器
(各种光-电和光-光转换器)、控制与处理用的元器件（各种 反射镜、透镜、棱镜、光束分离器，滤光片、光栅、偏振片、
斩光器、电光晶体和液晶等）、光学纤维（一维信息传输、 二维图像传输光能传输、光纤传感器等）以及各种显示显 像器件（荧光管、电子束管、发光二极管、等离子体和液
1875年克尔效应(一种非线性光学效 应)，但直到激光出现之后，有了强
度高和相干性好的光源，
非线性光 学效应
• 包括光学二次谐波和高次谐波 • 光学和频与差频、 • 光学参量放大与振荡 • 光束自聚焦 • 多种受激光散射 • 以及光致击穿等等并研究开发
出许多非线性光学器件。
5．频带宽、通信容量大
无线电波
一米到一千米
/m
1014 1012 1010 108
毫米波
一米到一毫米
可
一毫米到十纳 米光波范围
红外光
见
光
紫外光
X射线
射线
宇宙射线
106
104
102 利用光子，可 用的范围很广，
1m 现在光纤通信， 充其量是从 1.2个微米到
10-2 1.7个微米， 10-4 仅仅这一段能
够传输的信息 10-6 量已经不得了， 10-8 可达75Tb/s。
它是一个最小的能量单位， 没有净质量， 不带电荷，几乎很难受电磁场的影响 速度在真空里面是每秒三十万公里。 光的频率范围： 31011到31015，比电子频 率高大概四个数量级，一万倍。
在作为信息载体的时候，它的能力有可能高 出一万倍，相应光子的波长要小一万倍。
(二).光电子的特征
光电子学的地位与作用和其特征分不开
光电子学
绪论
1883年，爱迪生在一次改进电灯的实验中，将一根金属线 密封在发热灯丝附近，通电后意外地发现，电流居然穿过了
灯丝与金属线之间的空隙。 1884年，他取得了该发明的专利权。这是人类第一次控制了 电子的运动，这一现象的发现，为20世纪蓬勃发展的电子学
提供了生长点。
1899年，马可尼发送的无线电信 号穿过了英吉利海峡，接着又 成功穿越大西洋，从英国传到
存储从磁芯--半导体集成,
运算的器件从电子管--大规 模集成电路。
信息量与日俱增, 高容量和高速度信息的发展,已 显示出电子学和微电子学的不足。
光子的速度比电子的速度快,光的频率比无线电(如 微波)的频率高, 为提高传输速度和载波密度
信息的载体必然由电子发展到光子。
电子和光子。为什么从电子发 展到光子是一个技术的进步，
加拿大的纽芬兰省。
无线电通信的发明，也是日 后无线电广播、电视甚至手 机的先兆。1909年马可尼获
得诺贝尔物理学奖。
“无线电之父”马可尼
电子学与信息技术的第一次重大 变革发生在本世纪50年代。
1958年，半导体集成电路问世， 不仅使高速计算机得以实现， 还促使电子工业与近代信息处 理技术发生天翻地覆的变化。
肖克莱、巴丁、布拉顿 肖克莱由于他的半导体理论而导致了晶体管(晶体管，本名
是半导体三极管，是内部含有两个PN结，外部通常为三个引出
电极的半导体器件)的发明，揭开了电子革命崭新的一页。
他本人也由于这一重大贡献，和科学家 巴丁、布拉顿一起领受了最高的科学
奖——诺贝尔物理学奖。
历史似乎是在重演。
➢本世纪第一个10年，真空管 问世，促使电子学的诞生；
光场之间的相互作用极弱，不会引 起传递过程中信号的相互干扰。这 些优点为光子学器件的三维互连、 神经网络等应用开拓了光明前景。
1970年．半导体 激光器在室温环境 下的连续激射获得
成功。
正在这时候，低损 耗的光导纤维的试 制又获得了成功， 光纤通信成为现实。
在通信史上，跳过了为增大信息传输量而开发的毫米 波通信阶段，直接由微波(微波是指频率为300MHz-
光子学的信息荷载量要大得多，光的 焦点尺寸与波长成反比，光波波长比 无线电波、微波短得多，经二次谐波 产生倍频，激光可使光盘存贮信息量
大幅度增加。
电子开关的响应最短为10-7～10-9秒， 而光开关的响应时间可以达到飞秒 数量级。光子不带电荷，不易发生 相互作用，因而光束可以交叉。光
子过程一般也不受电磁干扰。
而且也是技术发展的趋向？
对电子来说
电子具有质量，负电荷, 电子统计分布属于费米 子特性。 速度要比光速小很多。 频率可达到10的11次方 赫兹，波长相当于1000 微米。电子是很好的信 息载体
也受到一些限制。
带有电荷受到电场干扰，
传输的时候会受到电阻、 电容的时延，它传输的
频率会受到限制。
对光子来说
二．电子向光子的过渡
光电子学是电子技术在光频波段的 延续与发展。
现代化发展，使各学科所拥有的信 息量逐日猛增，微电子在实现 超高速，超大容量，超低功耗方面 遇到了极大的困难。
(一). 光电子的产生
20世纪, 电子学和微 电子学技术发展促进 了计算机、通信及其 他电子信息技术的更
新换代
通信从长波--微波,
➢从20年代到60年代，电子器 件从真空管过渡到固体三极管
(放大器)
➢随之实现了集成化，在促进电 子学大发展的同时，光电子学、 量子电子学也随之建立和发展 起来，它们形成了现代电子学
的学科群体；
而60年代，红宝石激光器的 问世，又促使了光子学的诞生。 从60年代到90年代，激光器 从谐振腔体型向着固体半导体
脉冲雷达的距离分 辨率由下式决定
R＝c/2B
c光速；B雷达信 号带宽(脉冲宽度
的倒数)
若微波脉冲宽度为l s， 则 信 号 带 宽 为 lMHz， 距离分辨 率为150m。
激光测距仪来说，一般脉冲
宽 度 约 1 0 ns， 相 当 于 信 号 带 宽 1 0 0 MHz， 距 离 分 辨 率 为 1．5m，比微波雷达高100倍。
激光器过渡， 随之实现了光子器件的集成 化，不仅促使了光子学的大发 展，非线性光学、纤维光学、 集成光学、激光光谱学、量子 光学与全息光学也形成了现代 光子学的学科群体，目前它们
正在蓬勃发展之中。
电子学领域中几乎所有的概念、方法无一不在光 子学领域中重新出现。
电子电路不能在同一点重叠相 交，这种空间的不共容性限制了
激光测距
它的原理与无线电雷达相同，将激光对 准目标发射出去后，测量它的往返时间，再 乘以光速即得到往返距离。由于激光具有高 方向性、高单色性和高功率等优点，这些对 于测远距离、判定目标方位、提高接收系统 的信噪比、保证测量精度等都是很关键的， 因此激光测距仪日益受到重视。在激光测距 仪基础上发展起来的激光雷达不仅能测距， 而且还可以测目标方位、运运速度和加速度 等，已成功地用于人造卫星的测距和跟踪， 例如采用红宝石激光器的激光雷达，测距范 围为500～2000公里,误差仅几米。不久前， 真尚有的研发中心研制出的LDM系列测距传感 器，可以在数千米测量范围内的精度可以达 到微米级别。目前常采用红宝石激光器、钕 玻璃激光器、二氧化碳激光器以及砷化镓激 光器作为激光测距仪的光源。
24
高精度激光测距系统，其脉冲宽度 1 0 0 ps， 信 号 带 宽 达 1 0 GHz ， 距 离分辨率达1．5cm。
对距离大于6000km的人造卫星进 行激光测距时，距离分辨率可优于 1mm。
3．光谱分辨率高
激光作为光谱光源以来(特别是宽带可调谐激光)
谱线的相对宽度减小了许多量级， 光源亮度又增加了许多量级， 形成了具有极高光谱分辨率和极高探测 灵敏度的激光光谱学。
晶显示器件等）。
光电子学是研究
光频电磁波场与物 质中的电子相互作 用及其能量相互转
换的学科，
一般理解为“利用 光的电子学”。
光电子学是研究红外光、可
见光、紫外光、X-射线直至γ
射线波段范围内的光波、电 子的科学，是研究运用光子、 电子的特性，通过一定媒介 实现信息与能量转换、传递、
处理及应用的一门科学。
光子的频率，与光传输的速度和光的波长 有关。正是由于光子具有很宽范围的波长， 频率或者能量，所以它能够带的信息量，
比电子大得多。
/nm
百度文库
1106 4104 6103 1.5106 770
622 597 577 492 455 390 300 200 10
极远
远
中
近 红 橙 黄 绿 蓝 紫 近
远
极远
声频电磁振荡 长的电磁波范围。
激光测距
•确定地月距离
–阿波罗15号在登月时带上了 一套特别设备——大型角反射 器，用来反射从地球发射过来 的激光光束，通过记录往返时 间来计算地月距离。 –激光发散角很小，其光斑半径 在月面上小于1km，而普通探 照灯的光斑在月面上会大于月 球的直径。
23
激光雷达
激光雷达，是指通过发射激光， 并通过接收到的激光信号进行遥感信 息获取。其功能和原理类似于传统的 雷达，但由于激光的指向性好，收干 扰小，所以在大气探测、军事、和地 面测量领域具有重大的应用价值。 激光雷达的主要特点：方向性好，测 角，测距精度高，不受地面杂波干扰， 体积小，重量轻，多普勒测速灵敏度 高，对等离子体的穿透能力强。 激 光雷达 ，是激光探测及测距系统的 简称。 用激光器作为辐射源的雷达。 激光雷达是激光技术与雷达技术相结 合的产物 。由发射机 、天线 、接 收机 、跟踪架及信息处理等部分组 成。发射
图1 电磁辐射波谱
10-10
光波频率比微波频率大体高10万 倍，它的带宽与通信容量也相应
可提高10万倍。
一个微波通道带宽 约占据微波频率的 百分之一。在微波 通道上可通过上千 路电话和一路彩色
电视节目。
一个光波通道带 宽占用光波频率的 百分之一，在光波 通道上可通上亿路 电话，或者是10万
路电视节目
光调制器、光波导、光放大器 等各种光学部件的发展。
在电子学技术中采用小尺寸的 光学零部件的组合。
光通信原理示意图
什么是光电子学？
• 光电子学是在电子学 的基础上吸收了光技 术而形成的一门新兴 学科。
提高了电子设 备的性能
使电子学至今未能实 现的功能获得了实现
11
光电子学optoelectronics 以光波代替无线电波作为 信息载体，实现光发射、控制、测量和显示等。通常有关无 线电频率的几乎所有的传统电子学概念、理论和技术，如放 大、振荡、倍频、分频、调制、信息处理、通信、雷达、计 算机等，原则上都可延伸到光波段。光电子学是指光频电子 学。光电子学有时也狭义地指光-电转换器件及其应用的领 域。依赖于光-电和电-光转换、光学传输、加工处理和存储
若用脉宽为皮秒(ps)或飞秒(fs)级的超短激 光脉冲作光谱光源，
就可以探测和研究超快现象，如光合作用 这样在若干皮秒或飞秒内发生的变化。
4．非线性光学效应强
当满足 光波的电场强度可以同原子、分子或凝聚态物 质中束缚电子的库仑场相比较时 可以观察到物质与强相干光相互作用的一系列 新的光学现象，统称为非线性光学现象。
在21世纪，人类对信息的需 求到底有多大？
300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长 在1米（不含1米）到1毫米之间的电磁波，对于玻璃、塑料和瓷 器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波
而使自身发热；而对金属类东西，则会反射微波)通信转移到 光纤通信。
光纤通信技 术的开发促
进了
作为光源的激光器 作为接收器件光探测器的发展
＝/2L
为雷达波长；L 为天线口径尺寸
波 长 5 cm 的 脉 冲 雷 达 ， 用 1．5m天线时，其角分辨率 约为l。 (0．0174rad)。
(波长10．6m)激光雷达用10．6cm 天线，其角分辨率l×10-4 rad，是 微波雷达的1／174，其天线直径为
微波雷达1／14。
2．距离分辨率高
波长短(同电子技术相比)， 亦即频率高。
它的各种优点都同这个根本特点分不开。
光波与微波对比
长波为1mm和1m， 差3个量级 短波为10nm和1mm，差4个量级。
光电子涉及的 角分辨率 距离分辨率和 光谱分辨率
比微波高得多。
用小天线得到高的角分辨率，其 原因是激光波长远短于微波。
1．角分辨率高
雷达的角分辨率(最小可分辨角)由下式决定
密集度的提高；集成电路的平面 结构只适用于串列处理，要在信 息存贮和数据处理上有突破性进 展，要使信息贮存密集度再提高4 个数量级，以发展人工智能，必
须发展三维并列处理机构。
电子学已经出现不能适 应新的要求的征兆???
然而，历史却并没有简单地重演。
当电子通信容量达到最大限度而 不能继续扩大时，人们很自然地 把目光转向波长更短的光波。