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1、,光电子学,何大伟 教授博导 电话: 51688018 ,北京交通大学光电子技术研究所 （一号教学楼207室）,课程编号：70L304Q 适用专业： 光信息科学与技术专业， 电子信息以及光通信专业 课程层次及学位课否： 学位主干课 学分：4 总学时：64 讲课学时：44 执笔人：何大伟 编写日期：2009.4,光电子学 Optoelectronics,10%综述； 20%期中闭卷； 10%（小论文）； 40%期末闭卷； 10%作业。,课程考试成绩构成：,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
2、，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。,一.光电子学,绪论,愛迪生名下擁有1093項專利，包括美國、英國、法國和德國等。,这一生长点上的第一只蓓芽就是弗莱明发明的整流器。他把爱迪生及马可尼两位大师的发明成果结合起来，着手研究真空电流的效应。1904年，他发明了真空二级管整流器。,(Fleming, Sir John Ambrose 18491945),发明了真空二级管整流器,1910年，德福累斯特首次把它用于声音的传送系统。1916年，在他的主持下，建立了第一个广播电台，开始了新闻广播。 到本世纪的 20年代，真空电子
3、器件已经成为广播事业与电子工业的心脏，它推动着无线电、雷达、电视、电信、电子控制设备、电子信息处理等整个电子技术群的迅速发展。,1906年，美国人德弗雷斯特在弗莱明的二极管中又加入一块栅极，制成可以用于整流，还可以用于放大的真空三极管。 在研究中发现，三极管可以通过级联使放大倍数大增，这使得三极管的实用价值大大提高，从而促成了无线电通信技术的迅速发展。,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，从英国传到加拿大的纽芬兰省。,“无线电之父”马可尼,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。,1958年，半导体集成电
4、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,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。,肖克莱由于他的半导体理论而导致了晶体管的发明，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。,19-20世纪，电磁学得到了飞跃的发展不断开发了各种电的应用技术。,电能作为能源具有瞬时移动性和可控制性,广泛用于照明、动力等方面,电子学正是研究电信号的控制、记录、传递及其应用的一门科学。,本世纪第一个10年，真空管问世，促使电子学的诞生； 从20年代到60年代，电子器件
5、从真空管过渡到固体三极管， 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；,历史似乎是在重演。,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密集度的提高；集
6、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，实现非定址的联想记忆(associative momery)，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?,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。,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。,然而，历史却并没有简单地重演。,电子开关的响应最短为10-710-9秒，而光子开关的响应时间可以达到飞秒数量级。光子属于
7、玻色子，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。,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。,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，直接由微波通信转移到光纤通信。,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。,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,光调制器、光波导、光开关、光放大器以及光隔离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
8、组合。,光通信原理示意图,光技术的发展没能够超过电子技术的发展,期待着在电子学中采用光技术。,想得到更多的信息量、更高的演算速度，用现存电子技术是不可能实现的。,光信号传输方式要比用电布线好得多， 超并行计算机的配线方式，,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。,激光出现，对光与物质相互作用过程的研究变得异常活跃， 半导体光电子学 波导光学 导致了 激光物理学 相干光学 非线性光学等新学科涌现 学科之间交叉。,光的电磁理论和光电效应理论 从19世纪中叶的麦克斯韦到20世纪初叶的爱因斯坦 光学与电子学仍作为两门
9、独立的学科被研究。,半导体光电子学 非线性光学 波导光学,20世纪70年代以来， 半导体激光器和光导纤维技术的重要突破导致以,光纤通讯 光纤传感 光盘信息存储 显示 光信息处理,深度和广度上蓬勃发展,特别,互相渗透，而且还与数学、物理、材料等基础学科交叉形成新的边沿领域。,激光朝着超快、超强、短波长、宽调谐和小型化的方向发展。 远紫外的X光波段激光器,在 生物学 化学 物理结构 半导体器件光刻应用开拓上。 将获得重大进展,可调谐激光在 激光分离同位素 化学 生物学 材料科学 医学上有重要应用。,例如,半导体超晶格材料和量子阱结构与器件的研究,量子阱超晶格材料由于存在室温激子，使量子效应器件具有
10、重要的非线性光学特性，可制作,使量子阱激光器的阈值电源电流密度从103A/cm2下降到10-4/cm2量级，极大地降低了功耗；,光开关 光存储 光逻辑等多种功能的量子效应器件。,非线性导波光学的发展，在光纤通信上导致几项重大成果： 掺稀土光纤放大器 光纤孤子通信 高密度波分复用(DWDM)技术 光纤光栅技术，采用全光通信系统，传输速率可达100Gbit/s以上。,光导纤维最初仅作为光传输介质用于光通讯系统， 利用光纤的偏振和相位敏感特性制成的光纤传感器， 又进一步推动了对特种光纤的研究，并成功地制成了光纤激光器。,单晶光纤，有可能将有源和无源光电子功能器件与光纤波导融为一体。,光子晶体和光子材
11、料可制成各种光子控制器件。,在对光子的控制上，光的压缩态和光子数态是将噪音压缩到低于量子噪声，为超高精度，超微弱信号测量和保密通信带来新的前景。,激光热核聚变和激光对原子的冷却为物理学提供了极端物理参数： 极高的温度(2亿万K) 极高的压力(18千亿个大气压) 极低的温度(20nK)。,重大进展使美籍华人朱棣文和李远哲分别获诺贝尔物理学奖和诺贝尔化学奖。,分子束的激光探测为化学反应动力学研究提供重要手段,1997年度的诺贝尔物理学奖授予美国斯坦福大学物理教授朱棣文,以表彰他们发明了用激光冷却进行低温下俘获原子的方法。,1986年度诺贝尔化学奖获得者,李远哲对化学动力学、动态学、镭射化学等物理化
12、学领域均有卓越成就。,在这种多学科综合发展的推动下，一门新的综合性交叉学科便从现代信息科学中脱颖而出，这就是。,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。,光的吸收和发射 激光 光辐射的控制 光辐射的探测 光波导 光电子集成 光电子应用,光电子学,融入了信息流的各个环节中, 正是这种结合为光电子信息产业的产生与发展提供了广阔的天地。,信息的采集、处理、传输、显
13、示等环节中不可缺少的重要技术支撑,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。,二电子向光子的过渡,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,(一). 光电子的产生,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,运算的器件从电子管-大规模集成电路。,通信从长波-微波,存储从磁芯-半导体集成,信息的载体必然由电子发展到光子。,21
14、世纪,一个新的词汇“光谷”,作为信息和能量载体的光电子,在光显示、光存储和激光上, 对经济建设、社会变革、国家安全及整个社会发展起着难以估量的关键作用。,“硅谷”代表微电子信息产业, “光谷”代表光电子信息产业。,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。,对电子来说,电子和光子。为什么从电子发展到光子是一个技术的进步，而且也是技术发展的趋向？,对光子来说,它是一个最小的能量单位， 没有
15、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。,光子是怎么产生的？,三种现象在物理上看起来是很简单，但是他们了不起。,LED发光二极管,光电探测器，把光照到器件上就可以变成电流。,激光的工作基本原理,E2-E1=h,基于以上原理的这些效应称之为光电子效应。 但实际我们感兴趣不是这个电子，而是产生的光子。所以真正的主角应该是光子。,根据量子力学的原理， 光子既是一个粒子又是一个波，,有的时候称之为光子技术,这是它的两
16、重性,在光通信中也称之为光波技术,光电子学的地位与作用和其特征分不开,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。,(二).光电子的特征,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。,1角分辨率高,雷达的角分辨率(最小可分辨角)由下式决定,/2L,波长5cm的脉冲雷达，用15m天线时，其角分辨率约为l。 (00174rad)。,(波长106m)激光雷达用106cm天线，其角分辨率l10-4 rad，是微波雷达的1174，其天线直径为微波雷达114。,为雷达波长；L为天线口径尺寸,对于无源光电探测系统(红外系统和可见光CCD摄像系统)，基于同样的理由，角分辨率亦很高。,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。,若微波脉冲宽度为l
