光電子學

1、,光電子學,,,,,,,,,,何大偉 教授博導 電話: 51688018dwhe@bjtu.edu.cn,北京交通大學光電子技術研究所（一號教學樓206室）,課程編號：70L304Q課程層次： 學位主干課學分：３ 總學時：48,《光電子學》Optoelectronics,gdzx2012@sohu.com,10%《光電子學相關知識綜述》業(yè)余時間30% 期中閉卷；2學時10%《光電子學相關知識拓展》業(yè)

2、余時間30% 期末閉卷；2學時20% 作業(yè)，小考試10次。,課程考試成績構成：,,100,一. 光電子學二．電子向光子的過渡三．光電子學、電子學、光學關系,緒論,,光電子,將一根金屬線密封在發(fā)熱燈絲附近，通電后意外地發(fā)現，電流居然穿過了燈絲與金屬線之間的空隙。這是人類第一次控制了電子的運動，這一現象的發(fā)現，為20世紀蓬勃發(fā)展的電子學提供了生長點。,愛迪生名下1093項專利，美國、英國、法國和德國等。,在電子學領域,愛迪生,J&

3、#183;J·湯姆遜(英國),1897年英國物理學家J·J·湯姆遜實驗確立了帶負電的粒子--電子的存在,一.光電子學,在電子學領域,1901年美國科學家羅伯特·密立根測量出了電子帶電量的大小。,密立根觀察了一個又一個小油滴。最后他總結出帶電量并非連續(xù)，而是具有一級一級的固定數值。它的最小單位自然就是電子的帶電量了。(列第三位),這一杰出工作以及光電效應的相關貢獻為他贏得了1923年的諾貝爾物理學獎

4、，成為有史以來第二位得獎的美國物理學家。,密立根 (美國),在電子學領域,1899年發(fā)送的無線電信號穿過了英吉利海峽{寬240公里（150英里）}， 接著又成功穿越大西洋（7900Km），從英國傳到加拿大的紐芬蘭省。,1909年馬可尼獲得諾貝爾物理學獎?！盁o線電之父”馬可尼,無線電通信的發(fā)明，也是日后無線電廣播、電視甚至手機的先兆。,在電子學領域,馬可尼,發(fā)明了整流器。他把愛迪生及馬可尼兩位大師的發(fā)明成果結合起來，1904年，他發(fā)明

5、了真空二級管整流器。,(Fleming, Sir John Ambrose 1849～1945),把220v交流電整流成直流,在電子學領域,弗萊明,1910年，首次用于聲音的傳送系統(tǒng)。1916年，開始了新聞廣播。到本世紀的 20年代，真空電子器件推動著無線電、雷達、電視、電信、電子控制設備、電子信息處理等整個電子技術群的迅速發(fā)展。,在二極管中又加入一塊柵極，制成可以用于整流，還可以用于放大的真空三極管。三極管可以通過級使聯(lián)放大倍數

6、大增，促成了無線電通信技術的迅速發(fā)展。,在電子學領域,德弗雷斯特,1958年，半導體集成電路問世，使高速計算機得以實現，促使電子工業(yè)與近代信息處理技術發(fā)生天翻地覆的變化。,肖克萊、巴丁、布拉頓,電子學與信息技術的第一次重大變革,肖克萊由于他的半導體理論而導致了晶體管的發(fā)明，揭開了電子革命嶄新的一頁。,和科學家巴丁、布拉頓一起領受了最高的科學獎——諾貝爾物理學獎。,在電子學領域,肖克萊、巴丁、布拉頓,集成電路（integrated cir

7、cuit）是一種微型電子器件或部件。采用一定的工藝，把一個電路中所需的晶體管、二極管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起，制作在一小塊或幾小塊半導體晶片或介質基片上，然后封裝在一個管殼內，成為具有所需電路功能的微型結構；其中所有元件在結構上已組成一個整體，使電子元件向著微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面邁進了一大步。,電能作為能源具有瞬時移動性和可控制性，用于無線電通信、高速計算機，電子工業(yè)、近代信息處理、照明、動力等方面。,電子

8、學：正是研究電信號的控制、記錄、傳遞及其應用的一門科學。,在電子學領域,早期主要研究物質的宏觀光學特性：光的折射、反射、衍射、成像和照明等，關于光是什么？,在光子學領域,激光的出現，開始著重于研究光子與物質相互作用、光子的本質，光子的產生、傳播、探測等微觀機制。,光學向光子學方向的開拓，十分類似于電學向電子學的開拓、其科學及技術意義都十分深遠。,,1970年．半導體激光器獲得成功。,在通信史上，跳過了為增大信息傳輸量而開發(fā)的毫米波通信階

9、段，直接由微波通信轉移到光纖通信。,1970，獲得低損耗的光導纖維，光纖通信成為現實。,,在光子學領域,,,光纖通信技術的開發(fā)促進了,作為光源的激光器作為接收器件光探測器的發(fā)展,光調制器、光波導、光開關、光放大器．以及光隔離器等各種光學部件的發(fā)展。,在電子學技術中采用小尺寸的光學零部件的組合。,,在光子學領域,激光出現，對光與物質相互作用過程的研究變得異?；钴S， 半導體光電子學

10、 波導光學 導致了 激光物理學 相干光學 非線性光學等新學科涌現 學科之間交叉。,,光的電磁理論和光電效應理論從19世紀中葉的麥克斯韋到20世紀初葉的愛因斯坦光學與電子學仍作為兩門獨立的學科被研究。,遠紫外的、X光波段激光器在 生物學 化學 物理結構

11、半導體器件光刻應用開拓上。 將獲得重大進展,可調諧激光在激光分離同位素化學生物學材料科學醫(yī)學上有重要應用。,光子學領域的發(fā)展,激光朝著超快、超強、短波長、寬調諧和小型化的方向發(fā)展。,量子阱超晶格材料由于存在室溫激子，使量子效應器件具有重要的非線性光學特性，可制作,光開關光存儲光邏輯等多種功能的量子效應器件。,,光子學領域的發(fā)展,非線性導波光學的發(fā)展，在光纖通信上導致幾項重大成果：,光子學領域的發(fā)展,摻稀土光纖放大

12、器光纖孤子通信高密度波分復用(DWDM)技術光纖光柵技術，采用全光通信系統(tǒng)，傳輸速率可達100Gbit/s以上。,,光子晶體和光子材料可制成各種光子控制器件,在對光子的控制上，光的壓縮態(tài)和光子數態(tài)是將噪音壓縮到低于量子噪聲，為超高精度，超微弱信號測量和保密通信帶來新的前景。,光子學領域的發(fā)展,,激光熱核聚變和激光對原子的冷卻為物理學提供了極端物理參數：極高的溫度(2億萬K)極高的壓力(18千億個大氣壓)極低的溫度(20nK)

13、。,重大進展使美籍華人朱棣文和李遠哲分別獲諾貝爾物理學獎和諾貝爾化學獎。,分子束的激光探測為化學反應動力學研究提供重要手段,,光子學領域的發(fā)展,美國斯坦福大學物理教授, 用激光冷卻進行低溫下俘獲原子的方法。,李遠哲對化學動力學、動態(tài)學、鐳射化學等物理化學領域均有卓越成就。,真空管問世，促使電子學誕生；電子器件從真空管過渡到固體三極管，集成化，在促進電子學大發(fā)展的，形成了現代電子學的學科群體；,歷史似乎是在重演,紅寶石激光器的問世，促

14、使了光子學的誕生。激光器從諧振腔體型向著固體半導體激光器過渡，光子器件的集成化，促使了光子學的大發(fā)展，也形成了現代光子學的學科群體。,電子學領域中幾乎所有的概念、方法無一不在光子學領域中重新出現。,電子學、光子學發(fā)展的經歷,電子電路不能在同一點重疊相交，這種空間的不共容性限制了密集度的提高；集成電路的平面結構只適用于串列處理，要在信息存貯和數據處理上有突破性進展，必須發(fā)展三維并列處理機構。,電子學已經出現不能適應新的要求的征兆?

15、??,電子學領域遇到的問題,當電子通信容量達到最大限度而不能繼續(xù)擴大時，人們把目光轉向波長更短的光波。,然而，歷史卻并沒有簡單地重演。,電子開關的響應10-7～10-9秒，而光子開關可以達到飛秒。光子屬于玻色子，不帶電荷，光束可以交叉。光子過程一般不受電磁干擾。,光場之間的相互作用極弱，不會引起傳遞過程中信號的相互干擾。,這些優(yōu)點為光子學器件的三維互連、神經網絡等應用開拓了光明前景。,光焦點尺寸與波長成反比，光波波長短，激光可使存貯信息

16、量大幅度增加。,,期待著在電子學中采用光子技術,想得到更多的信息量、更高的演算速度，用現存電子技術是不可能實現的。,光信號傳輸方式要比用電布線好得多， 超并行計算機的配線方式,,信息量及演算速度需求趨勢,半導體光電子學非線性光學波導光學,,光纖通訊光纖傳感光盤信息存儲顯示光信息處理,,深度和廣度上蓬勃發(fā)展,特別,互相滲透，而且還與數學、物理、材料等基礎學科交叉形成新的邊沿領域。,光子學領域的發(fā)展現狀,,多學科綜合發(fā)展，一

17、門綜合性交叉學科便從現代信息科學中脫穎而出,光電子學是研究光頻電磁波場與物質中的電子相互作用及其能量相互轉換的學科，一般理解為“利用光的電子學”。,光電子學是研究紅外光、可見光、紫外光、X-射線直至γ射線波段范圍內的光波、電子的科學，是研究運用光子、電子的特性，通過一定媒介實現信息與能量轉換、傳遞、探測、處理及應用的一門科學。,光電子學的定義,光的吸收和發(fā)射激光光輻射的控制光輻射的探測光波導光電子集成光電子應用,光電子學,融

18、入了信息流的各個環(huán)節(jié)中, 正是這種結合為光電子信息產業(yè)的產生與發(fā)展提供了廣闊的天地。,信息的采集、處理、傳輸、顯示等環(huán)節(jié)中不可缺少的重要技術支撐,,,,,,光電子學是電子技術在光頻波段的延續(xù)與發(fā)展。 現代化發(fā)展，使各學科所擁有的信息量逐日猛增，微電子在實現 超高速，超大容量，超低功耗方面遇到了極大的困難。,二．電子向光子的過渡,20世紀, 電子學和微電子學技術發(fā)展促進了計算機、通信及其他電子信息技術的更新?lián)Q代,(一). 光電子

19、的產生,信息量與日俱增, 高容量和高速度信息的發(fā)展,已顯示出電子學和微電子學的不足。光子的速度比電子的速度快,光的頻率比無線電(如微波)的頻率高, 為提高傳輸速度和載波密度,運算的器件從電子管--大規(guī)模集成電路。,通信從長波--微波,,存儲從磁芯--半導體集成,,,,信息的載體必然由電子發(fā)展到光子。,,21世紀,一個新的詞匯—“光谷”,作為信息和能量載體的光電子,在光顯示、光存儲和激光上, 對經濟建設、社會變革、國家安全及整個社會發(fā)展

20、起著難以估量的關鍵作用。,“硅谷”代表微電子信息產業(yè),“光谷”代表光電子信息產業(yè)。,電子具有質量，負電荷,電子統(tǒng)計分布屬于費米子特性。速度比光速小很多。頻率1011Hz，波長1000?m。作為信息載體, 因帶有電荷受到電磁場干擾。傳輸時受到電阻、電容的時延，傳輸頻率受到限制。,對電子來說,為什么從電子發(fā)展到光子是一個技術的進步？,最小的能量單位，沒有凈質量，不帶電荷，幾乎很難受電磁場的影響速度在真空里面是每秒三十萬公里。光的

21、頻率范圍：　3?1011Hz到3?1015Hz，比電子頻率高大概四個數量級，相應的波長要小一萬倍　作為信息載體時，攜帶信息能力有可能高出一萬倍。,對光子來說,光子是怎么產生的？,三種現象在物理上看起來是很簡單，但是他們了不起。,,,LED發(fā)光二極管,,光電探測器，把光照到器件上就可以變成電流。,激光的工作基本原理,,E2-E1=hν,基于以上效應稱為光電子效應。但實際我們感興趣不是這個電子，而是產生的光子。,根據量子力學的原理，光

22、子既是一個粒子又是一個波,有的時候稱之為光子技術,這是它的兩重性,在光通信中也稱之為光波技術,,,光電子學的地位與作用和其特征分不開,,波長短(同電子技術相比)， 亦即頻率高。,它的各種優(yōu)點都同這個根本特點分不開。,,(二).光電子的特征,光波與微波對比,長波為1mm和1m， 差3個量級短波為10nm和1mm，差4個量級。,光電子涉及的 角分辨率 距離分辨率和

23、 光譜分辨率,比微波高得多。,,,1．角分辨率高,雷達的角分辨率(最小可分辨角)由下式決定,??＝?/2L,波長5cm的脈沖雷達，用1．5m天線時，其角分辨率約為l。 (0．0174rad)。,(波長10．6?m)激光雷達用10．6cm天線，其角分辨率l×10-4 rad，是微波雷達的1／174，其天線直徑為微波雷達1／14。,,,?為雷達波長；L為天線口徑尺寸,,對于無源光電探測系統(tǒng)(紅外系統(tǒng)和可見光CCD攝像系統(tǒng))，基

24、于同樣的理由，角分辨率亦很高。,用小天線得到高的角分辨率，其原因是激光波長遠短于微波。,,若微波脈沖寬度為l? s，則信號帶寬為lMHz，距離分辨 率為150m。,2．距離分辨率高,脈沖雷達的距離分辨率由下式決定,激光測距儀來說，一般脈沖寬度約10ns，相當于信號帶寬100MHz，距離分辨率為1．5m，比微波雷達高100倍。,R＝c/2B,c光速；B雷達信號帶寬(脈沖寬度的倒數),高精度激光測距系統(tǒng)，其脈沖寬度100ps，信號帶寬達10

25、GHz，距離分辨率達1．5cm。,,,對距離大于6000km的人造衛(wèi)星進行激光測距時，距離分辨率可優(yōu)于1mm。,光譜學研究原子分子等的能級結構能級壽命電子組態(tài)分子幾何形狀化學鍵性質等,3．光譜分辨率高,常規(guī)光譜學中，光譜線的相對寬度一般為百萬分之一(10-6)，而且光源強度很弱，限制了光譜研究的深入發(fā)展。,物質結構知識的科學，也是化學分析中進行定性與定量分析的手段。,,譜線的相對寬度減小了許多量級，光源亮度又增加了許多量級，

26、形成了具有極高光譜分辨率和極高探測靈敏度的激光光譜學。,若用脈寬為皮秒(ps)或飛秒(fs)級的超短激光脈沖作光譜光源，就可以探測和研究超快現象，如光合作用這樣在若干皮秒或飛秒內發(fā)生的變化。,激光作為光譜光源以來(特別是寬帶可調諧激光),當滿足光波的電場強度可以同原子、分子或凝聚態(tài)物質中束縛電子的庫侖場相比較時可以觀察到物質與強相干光相互作用的一系列新的光學現象，統(tǒng)稱為非線性光學現象。,4．非線性光學效應強,1875年克爾效應

27、(一種非線性光學效應)，但直到激光出現之后，有了強度高和相干性好的光源，,包括光學二次諧波和高次諧波 光學和頻與差頻、 光學參量放大與振蕩 多光子吸收 光束自聚焦 多種受激光散射 非線性光譜效應 各種瞬態(tài)相干效應 以及光致?lián)舸┑鹊炔⒀芯块_發(fā)出許多非線性光學器件。,,非線性光學效應,光子的頻率，與光傳輸的速度和光的波長有關。正是由于光子具有很寬范圍的波長，頻率或者能量，所以它能夠帶的信息量，比電子大得多。,5．頻帶寬、通信

28、容量大,光子可用的范圍很廣，光纖通信充其量是從1.2?m到1.7?m。，僅這一段能夠傳輸的信息量達75Tb/s。,長的電磁波范圍,一毫米到十納米光波范圍,光電子學是電子技術在光頻波段的延續(xù)與發(fā)展。,電磁波譜與可見光范圍,電磁波譜及其應用,,光波頻率比微波頻率高10萬倍，它的帶寬與通信容量也提高10萬倍,一個光波通道帶寬占用光波頻率的百分之一，在光波通道上可通上億路電話，或者是10萬路電視節(jié)目,,一個微波通道帶寬約占據微波頻率的百分之一

29、。在微波通道上可通過上千路電話和一路彩色電視節(jié)目。,視覺:人每一秒鐘可以看到60幅，彩色的、三維空間的，整個視覺能力可以達到30Gb/s，,從生物信息角度看，人類需要多少信息?兩個最重要的感覺，聽覺\視覺。,人的聲音大概從幾十赫茲到幾千赫茲，他響應的信息量大概可以到達10.4Gb/s。,聽覺和視覺總需要40.4Gb/s。,,,106兆，109千兆（常用G表示），Terabit是1012，用太或T表示。,在21世紀，人類對信息的需求到底有

30、多大？,信息的容量今后要達到十的十二次方的位。信息傳輸的速率達到每秒太位，Tb/s。信息存儲的密度達到一個Tb, Tb/cm2。信號的頻率達到十的十二次方赫茲, THz。,如此大的信息量，只有依靠光子技術的發(fā)展才能實現。,三．光電子學、電子學、 光學關系,光電子學既然是光波段的電子學，必然同電子學和光學技術有著十分密切的關系。,電學 在19世紀 電氣化 電子學 微電子學 將人類帶入信息社

31、會,電學和光學都是具有悠久歷史的學科,光學 是從20世紀60年代， 激光,激光與物質相互作用 光纖通信 光子學 對光學及其他科學技術和社會生活產生革命性的影響。,是19世紀60年代麥克斯韋提出的光的電磁波動理論。 麥克斯韋明確提出無線電波和光波都是電磁波譜大家族中的一員。,光與電打交道的第一個回合,電學和光學有著密切的內在聯(lián)系,是1905年愛因斯坦將量子論用于解釋光電效應。,光與電打交道的第二個回合.,

32、激光 器是電子學中微波量子放大器(MASER)在波長上的延伸。,激光器是光頻波段的相干電磁波振蕩源。,光與電打交道的第三個回合,,1917年愛因斯坦在輻射理論中提出受激發(fā)射。是1960年激光的發(fā)明--激光的理論基礎:,激光的出現使得,電子學的基本概念,,放大與振蕩調制與解調直接探測與外差探測倍頻、和頻與差頻參量放大與振蕩等等,移植到了光電子學中,,無線電振蕩器，直流電為激勵源，三極管為放大器件，電感線圈和電容器構成的槽路作為諧振

33、器。,無線電波段、微波波段和光波段的波段不同，相應器件在結構上差異很大,微波振蕩器直流電為激勵源，以磁控管為放大器件，諧振腔也在磁控管里面，形狀是一個空腔。,光振蕩器， 激勵源是脈沖氖燈，放大介質就是紅寶石晶體， 諧振腔是一對平行的高反射率板。,以振蕩器為例各波段都有激勵源、放大介質和諧振腔。,,天線也是這樣無線電各個波段、微波各個波段天線都不一樣，而光波段的天線基本上是各種經典的望遠鏡,功能相似而結構迥異,

34、調制器、解調器、倍頻器、隔離器等等,,不同波段的,,光電子學在發(fā)展和應用前景上與電子學占有同樣重要的地位。,二者是繼承與發(fā)展和相互依存的關系。,電子學由于其信息屬性的局限性在速度、容量還是在空間相容性上都受到限制光子的信息屬性卻表現出巨大的無可爭辨的優(yōu)越性。,電子器件的響應時間一般為10-9s，電子學頻率:3?1011Hz,光子間互不干涉，具有并行處理信息的能力，可大幅度提高信息的處理速度；提高光存儲的記錄密度。,光子器件可達

35、10-9~10-12~10-15s;光波頻率在1014~1015Hz范圍,光子器件通信容量增大10000倍；,光電子器件和系統(tǒng)對光學設計、光學工藝和光學薄膜技術提出了比經典光學還要嚴格的要求,比如，對激光器諧振腔的反射鏡。,承受很高的功率密度，而不破壞。,在特定波長上具有極高(99％以上)的反射率；,在一個波長上有極高反射率，在另一個波長上有極高透射率；,整個鏡面的反射率要符合特定分布等等。,,,,,,光電子發(fā)展的需求牽引，促進了光學的

36、進步。光電子技術是電子技術同光學相結合的產物。,此外,自適應光學、二元光學、微透鏡陣列、自聚焦透鏡、費涅爾透鏡、全息元件等等都有力地支撐和促進了光電子的發(fā)展。,,光電轉換器件或電光轉換器件，都離不開電子器件，還要配以光學元件以改善其性能。,三者相互滲透、共同發(fā)展,信號經陣列中每個探測單元轉換成的電信號經處理，消除噪聲后，把并行信號變成串行信號輸出。,在陣列前加濾光片，消除雜光，加微透鏡陣列以提高投射到焦平面陣上的紅外線的利

37、用率。,,全固態(tài)相控陣雷達，將雷達主機同天線的每個單元連結起來，縮小了設備的體積、重量和功耗。,光互聯(lián)不僅可用于整機的機箱之間，還用于印制線路板之間和芯片之間。,將激光器、光電探測器等同電子線路，如放大器、調制解調器等集成在一個芯片上，不僅可大大壓縮體積重量。,為提高性能，往往將幾種傳感器組合使用,,,,信息科技和產業(yè)的發(fā)展，對光子學技術的需求與日俱增，必然促進光子產業(yè)的迅速形成和迅猛發(fā)展.,盡管光子學發(fā)展?jié)摿薮?，作為系統(tǒng)和整機、光電

38、轉換的諸多應用，電子學和電子技術仍將起著巨大的作用。,光電子學,,,,,,光電子技術,為有助于你在令人眼花嘹亂的光電子世界中找到某些清楚的線索。,將光電子學的學科內容及其相應的技術功能列成圖將每種光電物理效應與各種可能的光電子功能一一聯(lián)系起來,展望未來，光子學與電子學將更加緊密合作、互為補充、相互促進，把未來信息社會推向新的發(fā)展階段。,作業(yè),1. 什么是光電子學?2. 請說明光電子學具備的特征。3. 光電子學所研究電磁波的波長和頻率

39、范圍?4. “3T”的含義? 5. 信息存儲、傳輸的媒介為什么要由電子向光子過渡？,《光電子學教程》張季熊 華南理工大學出版社 2001年7月《光電子物理基礎》徐國昌 凌一鳴 東南大學出版社1998年8月《光電子技術基礎》 彭江得 清華大學出版社1988年出版《光電子技術》 潘英俊 鄒建 重慶大學出版社 2000年7月《光電子技術》楊經國 冉瑞江 杜定旭等    1990年12