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光电子技术
这是一篇关于光电子技术的思维导图。内容包括：光学基础知识与光场传播规律、激光原理与技术、光波导技术基础、光调制技术、光电探测技术。
编辑于2021-01-10 11:02:50- 光电子
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光电子技术基础
绪论
光电子技术
概念：光电子学是光子学与电子学想合而成的一门学课。
研究对象
光子学研究的对象
光子在自由空间或物质中的运动与控制
光子与物质的相互作用
电子学研究的对象
电子的特性
电子与物质的相互作用
电子在自由空间或物质中的运动与控制
光电子学的研究对象
光与物质中的电子相互作用及其能量相互转换的相关知识，也是光波段的电子学
光电子技术发展
孕育期（1873年-1959年）
光探测器
幼儿期（1960s）
各种激光器问世
童年期（1970s）
低损耗光纤、室温连续工作激光二极管
青少年期（1980s-1990s）
光通信网
壮年期（2000-）
3T目标
光电子器件
光源器件
光调制器件
光传输器件
光探测器件
光显示器件
光存储器件
光电子系统与器件
光源-信息加载或光控制-光传输-光信号接受-处理存储
光电子技术应用
光纤通信
光存储
光计算
在线检测
危险环境测量
激光医学
激光加工
军事应用
激光制导导弹、军用红外夜视仪成像、无人侦察机、星载合成孔径雷达系统
激光具有很强的方向性，单色性，相干性，高亮度
遥测遥感
光传感
精密计量
光学基础知识与光场传播规律
光学发展
萌芽期：公元前400年-十六世纪中期
光学现象零碎解释
几何光学期：十六世纪中期-十八世纪
折反射定律，牛顿粒子学说
波动光学期：十九世纪
惠更斯波动学说，光的电磁理论
量子光学期：二十世纪前中期
辐射的量子理论，波粒二象性
现代光学期：1960s
光电子学，傅里叶光学
波动光学时期特点
证实了干涉、衍射、偏振等典型波动光学现象
揭示了光是一种电磁波
光的波动特性及典型现象
光波的独立性
不改变各自的频率、振幅和振动方向
光波的叠加性
波动的叠加性以独立性为前提
光波的相干性
相干条件
频率相同、振动方向一致、观察时间相位差不变
光的干涉
频率相等、振动方向一致、位相差恒定
杨氏双缝干涉
菲涅尔衍射
光源与接收屏均距障碍物有限远
偏振
横波特有的性质
振动方向对于传播方向的不对称性
激光原理与技术
相干光源、非相干光源、激光
非相干光源
方向：四面八方无规则辐射
频谱：如同火花放电，是白噪声
连续性：无数衰减脉冲光的集合
强度：光波亮度很低
相干光源
方向：发散很小
频谱：单一
连续性：无限连续
亮度：极高，传输增益
在时间空间相位同步
激光
波长：紫外、可见、红外
峰值功率：>100TW量级
最高平均功率：>MW量级
调谐范围：从200nm延伸到4um
信息光电子技术对光源的要求：单色性，高速脉冲性，方向性，可调谐性，高能量密度，激光正是满足这些条件的最好的光源
光与物质相互作用理论
经典谐振子模型
光辐射场与周期性变化晶体作用
电子在原子内部运动形成固有频率w0的等幅简谐振子
光的散射，电子本征能量不变，只是入射光与散射光之间能量转换
受激发射：初始态的电子吸收一个光子跃迁到高能态，而受激电子又可放出一个同频光子回到初态。电子的本征能态将发生改变。
能解释的现象：吸收谱线的线型函数，吸收和色散的相互关系等
不能解释的现象：光放大、吸收系数与高低能态能级上粒子数差等
光载各向同性介质中的传播：光在物质中传播时，振幅指数式衰减，相位有延迟k(1+x^r/2n^2)
解决途径：从辐射量子化概念出发，利用受激跃迁几率概念
量子修正部分解释了光吸收、光放大问题
光辐射量子理论基础
共振相互作用过程
光波频率近似等于原子谐振频率，原子中电子的本征状态改变的过程。
非谐振相互作用
引起散射等物理现象，导致光传播中折射率等变化
三种跃迁（重点）
光量子与物质相互作用
自发辐射，受激吸收，受激辐射三种跃迁
爱因斯坦关系
一般热平衡条件下，受激辐射很弱，自发辐射占优。
光谱线展宽
谱线展宽对自发跃迁无影响，即自发辐射g（v）不受影响
对受激辐射：粒子束改变与粒子体系B21，g（v），辐射场pv有关。不同粒子体系、不同类型辐射场受激辐射效果不同。
受激辐射下光谱线展宽的类型
均匀展宽
包括：自然展宽，碰撞展宽和热振动展宽等
特点：引起展宽的机理对于每一粒子都相同；任一粒子对谱线展宽的贡献都一样
每个发光粒子都已洛伦兹线型发射
非均匀展宽
包括：多普勒展宽，残余应力展宽。
特点：粒子体系中粒子发光只对谱线内中心频率对应部分有贡献；可以区分线型函数某一频率范围是由哪些粒子发光所致；线型函数为高斯函数形式：PPT P83
光与物质相互作用经典结果的量子修正
经典谐振子模型
能解释的现象
吸收谱线的线型函数，吸收和色散的相互关系等
不能解释的现象
光放大、吸收系数与高低能态能级上粒子数差等
解决途径
从辐射量子化概念出发，利用受激跃迁几率概念
量子修正部分解释了光吸收、光放大问题
光与物质相互作用的量子解释
经典理论量子修正部分解释了受激发射问题，从本质上把握受激发射：必须用纯量子的观点
两种情况下光与粒子体系的相互作用
单色辐射场与粒子体系相互作用
谱线展宽，相互作用中光场频率v^不一定需精确等于v0，但二者差越小受激跃迁几率越大
连续辐射光场与粒子体系相互作用
入射光谱很宽——只有频率等于v0的部分才能引起受激辐射
激光产生的条件
必要条件
粒子数反转分布
粒子数正常分布
粒子数反转分布
在工作物质中建立粒子数反转分布状态是形成激光的必要条件
减少振荡模式数
激光要求：高能、方向性很好、单色性很好
谐振腔轴向光束，来回反射，轴向得到放大——形成激光振荡，输出强度高
满足干涉相长条件的光得到加强，频率得以筛选——模式数目减少
偏轴角较大光束——由侧面逸出激活介质，不能形成激光振荡
谐振腔（开腔：放大、选膜）
a、受激发射：使入射光强增加
受激发射占支配地位
实质
方向发散——强度难以很大
模式多样——单色亮度难以很强
b、受激吸收：使光束强度减弱
充分条件
起振条件
起振条件——阈值条件
产生激光振荡条件：I4>=I0
激光振荡反转粒子数阈值：通过泵浦，使N2>N1,且满足如上反转阈值要求时，光强才逐渐加强，谐振腔内才开始形成激光振荡
稳定振荡条件
增益饱和效应：G恰好等于损耗时，稳态振荡建立，激光稳定输出
激光器的基本结构及输出
基本结构
激光工作物质——提供形成激光的能级结构体系，激光产生的内因；
泵浦源
提供形成激光的能量激励，激光形成的外因；
介质一般处于粒子数正常分布状态——必须用外界能量来激励工作物质实现反转分布
泵浦
概念：外界作用使粒子从低能级进入高能级从而实现粒子数反转分布的过程
泵浦方式因工作物质的能级系统结构而定
1、光激励方式：利用激光工作物质泵浦能级的强吸收性质将这种光能转化成激光能。效率不高
2、气体光放电或高频放电方式：用光激励技术难度大，效率低，故多采用气体放电中的快速电子直接轰击或共振能量转移完成粒子数反转。
3、直接电子注入方式：半导体激光器直接电注入就可以完成粒子数反转，且效率高。
4、化学反应方式：通过化学反应释放的能量完成相应粒子数反转的泵浦方式。一般具有功率大的特点。
泵浦源：将粒子从低能态抽运到高能态的装置，形成激光的外因。
光学谐振腔——为激光器提供反馈放大机构，提高受激发射强度、方向、单色性。
1、未获得激光输出提供必要条件——减少模式振荡数
2、对激光频率（高单色性）、功率（高亮度）、光束发散角（方向性好）及相干性等有着很大影响。
a、稳定强；b、非稳定腔
为激光器提供反馈放大机构——放大与选模
二能级系统——即使有入射光等激励也不能实现粒子数反转分布，不饿能做激光工作物质
激光器：一个能量转换器件，将泵浦源输入的能量转变为激光能量
输出
1、输出功率
外界激光增强时，激光器输出功率增加，但不管激光强弱，稳态工作时激光器G总是稳定在Gth。
a、均匀加宽
b、非均匀加宽
2、输出模式
a、有确定的频率
b、振幅的空间相对分布是确定的，不随时间改变。
c、相位的空间相对分布是确定的，不随时间改变
横模阶数：垂直腔轴平面内的振幅分布
横模——高斯分布
纵模阶数：光腔轴向形成的驻波节点数目
纵模——腔长确定后，不管频率为多少，频率间隔都不变
激光的特点
1、方向性极好
2、单色性极好
3、相干性
a、时间相干性
b、空间相干性
4、亮度
激光器的种类
按功率分：超大功率、大功率、中功率、小功率激光器
按输出激光连续性状况分：连续激光器、脉冲激光器
按泵浦方法分：光泵浦激光器、电泵浦激光器
一般按激光工作物质的类型来划分
1、气体激光器
大多能连续工作，激励过程中涉及能级较固定，采用气体放电中的电子碰撞激发
气体激光器可分为：直流放电型、横向放大大气压型、波导型
a、原子气体激光器
工作物质：中性气体原子
典型代表：He—Ne激光器
特点：单色性好，谱线宽度很窄，频率稳定度高，方向性好，发散角小，相干长度达几十公里。
b、离子气体激光器
工作物质：粒子气体
代表：Ar^激光器
缺点：所需泵浦功率高，需加冷却水，热交换器等
用途：彩色电视、全息照相、信息存储、快速排字、理论研究、医学、柒料激光器泵浦源。
c、分子气体激光器
工作物质：中性气体分子
代表：CO2激光器
特点：效率高、功耗强、工作稳定、单色性好、波长适于光通信
d、准分子激光器
工作物质：稀有气体或稀有气体与卤素气体的混合气体
用途：分光、激光加工、光刻的光源
准分子：激发态很稳定，基态不稳定立即分解，可获得理想反转分布
特点
要求脉冲宽度为几十ns高速放电——很难维持放电的长期稳定性
必须用耐腐蚀材料制作，并要定期更换气体——卤素气体活性很强，气体容易恶化
2、液体及固体激光器
a、液体激光器
工作物质：液体
分类：无机液体激光器和有机液体激光器
代表：柒料激光器
优点：波长连续可调、价格低、增益高、效率较高、制备易、激光均匀性好、输出功率可与固体和气体激光器相比、可循环操作、利于冷却
代表：若丹明6G燃料激光器
泵浦：波长稍短于激光器输出波长的光泵
b、固体激光器
工作物质：生长期间为人为掺入杂质原子的晶体
特点：体积小、结构稳、易维护、输出功率大且适于调Q产生高功率脉冲、锁模产生超短脉冲
代表：红宝石激光器、Nd：YAG、钛蓝宝石激光器
Nd：YAG激光器
激活介质：YAG+以杂质形式出现的稀土金属离子Nd3+
优点：受激辐射跃迁几率大、泵浦阈值低、易连续发射
3、半导体激光器
工作物质：半导体材料
泵浦：电流注入
特点：输入能量最低，效率最高，体积最小，重量最轻，可以直接调制，结构简单，与集成电路生产工艺兼容，价格低廉，可靠性高，寿命长等
a、同质结半导体激光器
工作物质：由半导体材料构成的有源区：III—V族化合物，如GaAs、InP直接带隙结构；导带底与价带顶都在K空间的同一位置，注入的电子—空穴带间的光跃迁。
粒子数的反转分布——通过 p—n结正向大注入途径来实现
自发辐射—粒子反转—受激发射—激光产生
阈值电流：半导体激光器产生激光输出所需的最小注入
b、异质结半导体激光器
由两种不同带隙的半导体材料薄层，如GaAs和AlGaAs，所组成的一种夹心结构。高带隙势垒可以阻止注入载流子向注入端深层扩散，从而增加反转粒子数密度。
优点：有源层厚度薄、阈值电流密度低、内部损耗低、电—光转换量子效率高、可通过改变输出波长等。
c、量子阱半导体激光器
量子阱半导体激光器：有源区由多个夹层状量子阱结构重叠而构成的半导体激光器。
应变量子阱阵列激光器：略微改变重叠层材料的晶格常数可使量子阱的材料层形成应变，由此构成的激光器。
优点：阈值电流小，功耗更低，输出功率更高，发射光谱更纯，温度特性更好，噪音更低，相应速度更快，波长范围宽。——为现代光信息系统提供了一个优质且实用的光源。
光波导技术基础
平面介质光波导中光的传播
光密介质中的波场—导波（重点）
介质：无源/无荷/线型/均匀/各向同性/不导电/无损
入射光：均匀平面波
波只沿z向传播功率，如同被界面引导，称导引波，简称导波。
非均匀平面波、横电磁波、x向驻波、z向导波
入射波电矢量平行界面时，为TM波，分析方法同上。
光疏介质中的波长—消逝波
光疏媒质中合成电场特性
1、等相位面垂直于界面，等振幅面平行于界面，二者互相垂直，为非均匀平面波。
2、振幅沿界面法向按指数衰减——消逝场，p：消逝系数，消逝长度：波长衰减到边界值1/e的厚度。（消逝场透射深度很小）
3、沿z方向为行波，其波场集中在x=0附近较小的范围Lp内，好像贴着表面传播。
光波导：光被约束在中间媒质层中沿z向传播
平面介质光波导中光导波的几何分析
导波沿轴向均匀传播的条件
1、全反射
2、横向相位匹配
光纤的基础知识
光纤：光导纤维的简写，是一种圆柱对称的介质波导。由传导光的纤芯（折射率n1）和外包层（折射率n2）两同心圆的双层结构组成，且n1>n2.
光纤的主要结构
自内向外：纤芯—包层—涂覆层
核心部分：纤芯和包层，构成介质光波导，实现光的传输
涂覆层：又称被覆层，对裸光纤提供机械保护
光纤在通信系统的优势
1、频带宽，传输容量大。
2、损耗低，传输距离远，损耗受温度影响小，同时在部分频段内损耗和频率无关
3、重量轻，体积小，不易受到电磁干扰，且安全性、保真性都远好于电缆
4、成本低，生成光纤的原料石英来源广泛，价格便宜
光纤的分类
按折射率分
阶跃折射率光纤
n1为常数，折射率仅在n1、n2分界面上发生突变
渐变折射率光纤
n1是光纤半径r的函数，即从中心到r=a折射率是渐变的
按制作材料分
石英光纤
通信
玻璃光纤
使用较少
塑料光纤
短距离传输
按传输模式+折射率分
单模光纤
多模渐变光纤
多模阶跃光纤
光纤的结构参数
直径
纤芯直径2a，包层直接2b，总粗<150um
数值孔径N.A
PPT104
相对折射率
归一化频率（V）
折射率分布n（r）
光在光纤波导中的传播（分析部分）
子午光线
入射角通过圆柱轴线，且大于临界角时，光将在柱面上不断发生反射，形成曲折光线，传导光线的轨迹始终处于入射光线于轴线决定的平面内。
偏射光
入射光不通过圆柱波导轴线时，传导光线将不再同一平面内，而按空间折线传播。
光场分布
偏射光线m阶模式的最大允许入射角
非导引光线
引导光线
泄露光线
光调制技术
晶体结构与基本概念
晶胞：晶体中常取一个以格点为顶点、以三个基本平移矢量a，b，c为三个相邻棱边的平行六面体作为晶体的基本重复单元。
3大晶族-7大晶系-14种布拉菲格子
凡无高次旋转轴的晶体属低级晶族，有一个高次旋转轴的晶体属中级晶族，有一个以上旋转对称轴的晶体属于高级晶族。
晶体的基本性质
自限性
所谓自限性是指晶体具有自发地形成封闭的凸几何多面体的能力
晶面角守恒
晶面角守恒是指同一品种的晶体，两个对应晶棱间的夹角恒定不变
均匀性
均匀性是指晶体在不同位置上具有相同的物理性质
各向异性
各向异性是指晶体的宏观性质随观察方向的不同而不同
对称性
晶体的对称性是指晶体的几何形态由于晶体内部结构在某些不同的方向或在同一方向的不同位置存在着规则的重复性，从而体现出的在一些不同方向上自相重合现象的特性
最小内能性
无论使质点间的距离增大或减小都将导致相对势能的增加，因为晶体具有最小的内能
光在晶体中的传播
光轴
两层曲面通常有四个公共点，通过原点和这些公共点连线方向传播的两个波有相同的相速度，这些方向称为光轴。
折射率椭球
x^2/n1^2+y^2/n2^2+z^2/n3^2=1，这个方程代表一个椭球，因而称折射率椭球。
晶体的双折射
所谓双折射是指光在各向异性介电晶体中传播时，分为两束偏振方向不同的光，向两个方向折射。
电光效应
当光介质两端所加外加电场较强时，介质内的电子分布状态将发生变化，以制介质的极化强度以及折射率也各向异性地发生变化，这种现象称为电光效应
条件
1、外加电场相对光场为低频 2、所研究介质为无对称中心地晶体 3、外加电场沿着某一介质电主轴作用于晶体
泡克耳斯效应：平面偏振光沿着处在外电场内的压电晶体的光轴传播时发生双折射现象,且两个主折射率之差与外电场强度成正比,这种电光效应即为泡克耳斯效应。
克尔效应：是指介质在电场作用下，沿平行和沿垂直于电场方向偏振的光波的折射率n‘和n”发生不同的变化，且它们之间的差值Δn正比于电场的二次方，从而出现感应双折射现象。
横向电光效应
下面我们分外加电场平行和垂直光轴两种情况分析KOP晶体受电场作用后地折射率变化情况，并定义入射光波矢方向与外加电场一致地电光效应称为纵向电光效应，而称波矢方向垂直于外场地电光效应为横向电光效应。
电光调制
这种基于电光效应的原理对光进行的调制就称为电光调制
半波电压
它是表征电光晶体调制特性的一个重要参数，其数值越小，表明在相同的外加电压条件下可以获得的相位延迟就越大，因而调制器的调制效率也就越高
电光延迟
p173页，第一项表示天然双折射造成的相位差，第二项由电光效应引起，为电光延迟
声光调制
弹光效应
物理机制：晶体在应力的作用下发生下形变时，分子间的相互作用力发生改变，导致介电常量e（及折射率n）的改变，从而影响光波在晶体中的传播特性。
声光衍射
拉曼奈斯衍射
在低声频和相互作用长度（声场厚度）不太大的情况下，发生拉曼奈斯衍射。
布拉格衍射
声柱内部入射光的传播方向已不是直线方向，产生的周期结构不只是相位光栅：光不仅受相位扰动，还受振幅扰动。
磁光调制
磁光效应
是在磁场作用下本来不具有炫光效应的晶体发生的一种人为的旋光效应，其偏振面的旋转与光的传播方向无关
天然旋光效应与磁光效应的本质区别在于
光束返回通过天然旋光介质时，旋转角度与正向入射时相反，因而往返通过介质的总数效果时偏转角为零；而由于磁制旋光与磁场方向有关，而与光的传播方向无关，因而光往返通过法拉第旋光物质时，偏转角度增加一倍。
光电探测技术
光探测器性能参数
量子效率
又称量子产额，是指每一个入射光子所释放的平均电子数。
响应度
灵敏度
噪声等效功率
探测度
光谱响应
频率响应
直接探测与外差探测
直接探测法
能检测光强及光强的变化，是非相干辐射的唯一探测方法，而对相干辐射进行直接探测具有简单、方便、室温运转等优点，但它不能反映光载波频率及相位的变化，因为探测灵敏度低，信噪比差。
外差探测法
可以消除背景噪声和暗电流的影响，大大提高探测灵敏度，达到近乎理想量子极限，它不仅可以探测光强调制信号，还可用于频率或相位调制波的探测，但外差探测系统复杂，对信号光与本振光要求均很高，技术难度大，成本高。
光电探测的物理效应
光电效应
是入射光的光子与物质中的电子相互作用并引起原子或分子的内部电子状态改变的效应。
外光电效应
金属或半导体受光照时，若入射光子能量hv足够大，它就和物质当中的电子相互作用，使电子从材料表面逸出，这种现象就称为光电发射效应，也称外光电效应。
内光电效应
光电导效应
光电导效应使光照变化引起半导体材料电导变化的现象。
光伏效应
光伏效应指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。
光热效应
温差电效应
当两种不同的导体或半导体材料两端并联熔接时，在接点处可产生电动势，这种电动势的大小和方向与该接点处两种不同材料的性质和接点出温差有关，如果把这两种不同材料连接成回路，当两接头温度不同时，回路中即产生电流，这种现象称为温差电效应。
热释电效应
热电晶体的自发极化矢量随温度变化，从而使入射光可以引起电容器电容改变的现象称为热释电效应。