光电子器件理论与技术

1. 光电子器件理论与技术 主讲人：娄淑琴 shqlou@bjtu.edu.cn

2. 光和电 第一个回合 电学（或电子学）和光学（或光子学）在表面看来是两个独立的学科。在深入研究的过程中，人们发现两者有着非常密切的内在联系。 光与电打交道的第一个回合是19世纪60年代麦克斯韦提出的光的电磁波理论，他明确指出无线电波和光波都是电磁波。

3. 频率，Hz 102 101 104 107 1010 1013 103 105 106 108 109 1011 1012 1014 1015 SHF EHF ELF VF VLF LF MF HF VHF UHF 频段划分 可见光 无线电、电视 微波 红外 电力、电话 光纤 卫星/微波 FM无线电 AM无线电 传输介质 光纤 同轴电缆 双铰线 106 107 104 101 10-2 10-5 105 103 102 100 10-1 10-3 10-4 10-6 自由空间波长，m 通信波段划分及相应传输媒介

4. 电子技术的发展 电子学的发展，实质上就是人们不断地开拓电磁波谱并加以应用的历史。近一个世纪以来，从最简单的二极管、三极管，到后来相继发明的束射功率管、闸流管、微波三四极管、行波管、返波管、奥罗管、回旋管等，从而使电磁波波谱由长波、中波、短波、超短波直至微波、毫米波及亚毫米波波段，并正在向更短的波长进军，以期与激光器件向长波长方向迈进相配合，共同占领从亚毫米波与远红外波之间的空白波段（THz波段)。

5. 近二十多年发展的相对论电子学，使得利用自由电子产生的受激辐射——自由电子激光器更臻完善，进一步证实早已为人们所接受的光波也是电磁波的科学结论。近二十多年发展的相对论电子学，使得利用自由电子产生的受激辐射——自由电子激光器更臻完善，进一步证实早已为人们所接受的光波也是电磁波的科学结论。 • 从微波波段拓展到光频波段受激辐射的产生与放大的研究过程中，逐步发展出量子电子学这一新兴的交叉学科，标志着电子学与光学的相互渗透、相互融合进入到一个新的阶段，并为光子学的建立奠定基础。

6. 第二个回合 光与电打交道的第二个回合是1905年爱因斯坦将量子论用于解释光电效应，并提出了光子的概念。他明确提出当光作用于物质时，光是以“光子”（光的能量会集成一个个的“能包”）作为最小单位进行的。光电探测器（光转电）和半导体激光器（电转光）分别是光子——电子转换器和电子——光子转换器，它们是光电相互依存和相互转化的典型例子。

7. 电子学的发展过程：从真空管器件的真空电子学以晶体管为基础的固体电子学以集成电路为标志的微电子学。电子学的发展过程：从真空管器件的真空电子学以晶体管为基础的固体电子学以集成电路为标志的微电子学。 • 光子学也将有类似的发展过程：多元化的各种类型的激光器、光电探测器，其中半导体激光器相当于电子学中的晶体管，并将向以微光子器件及光子集成器件为标志的微光子学的方向发展。

8. 半导体物理的发展促成光电效应的应用，从光电池、光电探测器，发展到发光二极管和半导体激光器，于是形成了以光电元件及其应用为主要内容的狭义的光电子学。而光纤在通信中的成功应用又出现光波技术（Optics Wave Techn.）和导波光学技术（Wave guide optics）等分支学科。

9. 第三个回合 光与电打交道的第三个回合是1960年激光的发明(激光的理论基础是：1917年爱因斯坦在辐射理论中提出受激发射的概念)。激光是光学上的一项重大革命，也是20世纪最主要的重大科学发明之一。激光器(LASER)是电子学中微波量子放大器(MASER)在波长上的延伸。激光器的发明不仅提供了光频波段的相干电磁波振荡源，而且对时至今日的无线电频率下的许多电子学的概念、理论和技术原则上均可延伸到光频波段，如振荡、放大、倍频、混频、参量、调制、信息处理、通信、雷达以至计算机等 。

10. 光学和电子学两个学科的相互交融，促成了光子学的建立，可以说光子学是发展到现阶段的光学。由于激光的发明，低损耗光纤的研制成功和半导体光电器件的发展，使光学迅速进入近代高新技术舞台，并对近代科学技术和人类社会生活产生巨大的影响。 如上所述,光子学在形成过程中出现了若干新的学科名称：量子电子学、光电子学、光波技术等。这些学科名称、本质和内涵是相容的，因此，人们拟用覆盖学科范围更为广泛的光子学加以概括，如同电子学是发展到现阶段的电学那样。其对应的产业可名为光子产业或光电子产业。

11. 把现阶段的光学称为光子学还有一个重要含义:它标志着在发展和应用前景上与电子学占有同样重要的地位。把现阶段的光学称为光子学还有一个重要含义:它标志着在发展和应用前景上与电子学占有同样重要的地位。 光电子学是研究作为信息载体和能量载体的光子的产生﹑控制﹑探测及其应用的技术科学，是近代科学技术发展的带头科学之一。 实际上，光电子学是涉及学科面宽，技术密集程度高的一门技术科学，它的发展水平代表着一个国家科学技术发展的水平和综合实力。

12. 光电子技术 光电子技术是信息技术发展的关键技术, 随着半导体光电子器件和光纤两大基础元件在原理和制造工艺上的突破，光子技术与电子技术开始结合并形成了具有强大生命力的信息光电子技术和产业。 光电子器件及其集成技术广泛应用于全光通信网络系统、光传感、国防设备等领域中。 本门课程主要从光子信息控制器件、光子源器件、光电探测成像器件，光无源器件等方面研究光电子器件理论与相关技术。

13. 主 要 内 容 • 光控器件的理论基础 • 各种类型的光控器件 • 半导体激光器和放大器 • 光纤光栅和阵列波导光栅 • 光探测器

14. 主 要 参 考 文 献 Amnon Yariv, Optical Electronics in Modern Communications, 1997. S.O. Kasap, Optoelectronics and photonics, 2001. 谢敬辉等 物理光学教程 北京理工大学出版社 2005 黄章勇，光纤通信用光电子器件和组件,北京邮电大学出版社,2001. 宋丰华，现代光电器件技术及应用 国防工业出版社 2004. 唐天同等 集成光电子学 西安交通大学出版社 2005. 李川等 光纤光栅：原理、技术与传感应用 科学出版社. 林学煌，光无源器件，人民邮电出版社，1998. 陈根祥，光波技术基础，中国铁道出版社，2000. 石顺祥，光电子技术及其应用，电子科技大学出版社，2000.