光子學與光電子學：從基礎到應用

第1章概述和理論基礎 1
1.1概述2
1.1.1光子學2
1.1.2光電子學4
1.1.3光電子器件進展情況7
1.1.4光電系統發展概況9
1.2光的本質14
1.2.1光的波動性——麥克斯韋預言了電磁波的存在14
1.2.2光的粒子性——普朗克提出量子概念，愛因斯坦提出單色光的最小單位是光子16
1.3均勻介質中的光波18
1.3.1平面電磁波——光場泛指電場，光程差和相位差18
1.3.2麥克斯韋波動方程——統一電磁波的理論獲得了極大的成功20
1.3.3相速度和折射率23
1.3.4群速度和群折射率24
1.4相幹——相幹光、非相幹光、各種光源比較25
1.5光電子學基礎知識28
1.5.1能帶理論28
1.5.2半導體對光的吸收——光探測器、激光器、光放大器基礎30
1.5.3載流子的產生、覆合、擴散和漂移——光電、光導、光伏效應器件基礎32

第2章光的幹涉——激光器、濾波器和慣性導航光纖陀螺 34、
2.1光的幹涉——激光器及激光武器35
2.1.1幹涉是自然界普遍存在的現象——水波幹涉、繃緊弦線、電波諧振35
2.1.2法布里珀羅光學諧振腔——兩塊平行的反射鏡35
2.1.3固體激光器——戰術激光武器38
2.1.4氣體激光器——氣體放電實現粒子數反轉41
2.1.5染料激光器——光泵浦液體工作物質42
2.1.6化學激光器——化學反應使腔內粒子數反轉的氣體激光器43
2.1.7堿金屬蒸氣激光器——半導體激光泵浦的氣體激光器43
2.1.8半導體激光器——基於法布里珀羅光學諧振腔44
2.1.9半導體光放大器——沒有反饋的法布里珀羅光學諧振腔47
2.1.10自由電子激光器——高能定向電子束（工作介質）產生激光輻射49
2.2光的幹涉——光濾波器、調制器和波分覆用器51
2.2.1法布里珀羅濾波器——基本型、光纖型、級聯型51
2.2.2馬赫曾德爾幹涉儀——經不同路徑傳輸的兩束光幹涉53
2.2.3光纖水聽器系統——基於馬赫曾德爾幹涉的反潛聲吶的核心部件55
2.2.4馬赫曾德爾光調制器——外加電場控制兩個分支光波的相位差55
2.2.5從電介質鏡到光子晶體——從一維晶體到三維晶體56
2.2.6介質薄膜光濾波解覆用器——利用光幹涉選擇波長58
2.3光的衍射——光柵解覆用器、激光器和濾波器59
2.3.1夫瑯禾費衍射——平面波（準直光）衍射59
2.3.2衍射光柵——折射率周期性變化的任何物體61
2.3.3反射光柵解覆用器——光柵對不同波長光的衍射角不同62
2.3.4陣列波導光柵腔體波長可調激光器——可精確設置發射波長位置63
2.3.5布拉格光柵——一列平行半反射鏡64
2.3.6光纖光柵濾波器——折射率周期性變化的光柵反射共振波長附近的光65
2.3.7分布反饋激光器——布拉格光柵應用於激光器66
2.3.8光柵波長可調激光器——外部光柵、布拉格光柵改變波長68
2.3.9垂直腔表面發射激光器——激光腔體兩端面由電介質鏡組成69
2.3.10光纖激光器——激光武器70
2.4陣列波導光柵（AWG）器件——覆用器、濾波器和多波長收發機73
2.4.1AWG星形耦合器——相位中心區、光柵圓羅蘭圓中心耦合區73
2.4.2AWG的工作原理——多波長光經不同路徑在終點幹涉74
2.4.3AWG覆用/解覆用器——經過不同光程傳輸後的光幹涉76
2.4.4AWG濾波器——數字調諧、功率均衡77
2.4.5AWG平面光波導多信道光接收機——解覆用器+陣列光探測器+前置放大器78
2.4.6AWG用於多波長光源——對寬譜光分割78
2.4.7AWG用於光網絡單元無色WDMPON——ONU無光源或使用寬譜光源79
2.5光纖陀螺——飛機、導彈、艦船、坦克等慣性導航79
2.5.1真空中的薩尼亞克效應——兩束光在環路中相對傳輸後幹涉80
2.5.2光纖中的薩尼亞克效應——順、反時針傳輸光的相位差與角速度和光纖長度成正比81
2.5.3光纖陀螺——航天、航空、航海、兵器等領域應用廣泛82
2.6激光武器85
2.6.1戰術激光武器85
2.6.2戰略激光武器86
2.6.3激光器種類87
2.7全息技術——利用光的幹涉記錄並重現物體真實三維圖像88

第3章光的偏振——高速光纖通信系統 90
3.1偏振的基本概念——晶體只允許某一特定方向上的光通過91
3.1.1線偏振光91
3.1.2圓偏振光92
3.2光纖的偏振特性和偏振分集接收94
3.2.1光纖的偏振特性——制造缺陷或彎折扭曲致纖芯折射率不等94
3.2.2相幹檢測偏振分集接收——輸出與偏振無關95
3.3偏振覆用相幹接收系統95
3.3.1偏振覆用光纖傳輸系統95
3.3.2偏振覆用相幹接收無中繼傳輸試驗系統——實驗室已進行了11000 km距離傳輸96

第4章光的雙折射效應——偏振器和液晶顯示器 98
4.1光的雙折射效應概述99
4.1.1各向同性材料和各向異性材料99
4.1.2光的雙折射效應——各向異性晶體使非偏振光折射成兩束正交的線偏振光99
4.1.3雙折射的幾種特例——光相位調制器和液晶顯示器100
4.1.4晶體的雙色性——對光的吸收取決於光波傳輸的方向和偏振態102
4.1.5光纖雙折射效應——光纖圓柱對稱性受到破壞的非均勻應力引起102
4.2雙折射器件——偏振器件102
4.2.1相位延遲片和相位補償器102
4.2.2起偏器和檢偏器104
4.2.3尼科耳棱鏡 —— 一種起偏器105
4.2.4沃拉斯頓棱鏡 —— 一種偏振分光器105
4.2.5偏振控制器——用光纖雙折射控制偏振106
4.3液晶顯示器件——雙折射和偏振的應用107
4.3.1液晶的雙折射效應和偏振特性——液晶快慢軸兩個方向傳輸的折射率不等107
4.3.2扭曲雙折射向列相液晶顯示器件——外加電場使液晶分子轉變排列方式實現對線偏振光調制110
4.3.3超扭曲向列相液晶顯示器件114
4.3.4超扭曲向列相液晶顯示器件的色彩技術——液晶像素調制白色背光源光，濾色器獲得三基色，不同比例三基色光混合115
4.3.5有源矩陣驅動液晶顯示器件——無串擾、顯示質量高116
4.3.6液晶顯示器應用及前景118
4.4立體眼鏡119
4.4.1縱橫檢偏器3D眼鏡119
4.4.2扭曲液晶光門3D眼鏡119

第5章光電效應——光探測器、太陽能電池 120
5.1光探測概述121
5.1.1光探測原理——光的受激吸收121
5.1.2響應度和量子效率121
5.1.3響應帶寬——受限於結電容和負載電阻組成的時間常數122
5.2光探測器——光電效應把光信號轉變為電信號123
5.2.1PN結光敏二極管123
5.2.2PIN光敏二極管——擴大增益帶寬、提高量子效率124
5.2.3雪崩光敏二極管——倍增光生電流126
5.2.4單行載流子光探測器——只有電子充當載流子可減小渡越時間128
5.2.5波導光探測器——內量子效率高、響應速度快129
5.2.6肖特基結光探測器——金屬半導體金屬（MSM）結構130
5.2.7紫外光探測器131
5.2.8光敏晶體管——具有光生電流增益的光探測器132
5.3太陽能電池——光電效應把光能轉化成電能133
5.3.1太陽能電池概述133
5.3.2太陽能電池發展歷史135
5.3.3太陽能電池工作原理——載流子擴散建立內部電場，引起載流子漂移在外電路產生開路電壓136
5.3.4太陽能電池IV特性138
5.3.5太陽能電池的等效電路141
5.3.6太陽能電池的並聯和串聯——串聯提高輸出電壓，並聯提高輸出電流142
5.3.7溫度對光伏電池的影響——輸出電壓和效率隨溫度下降增加144
5.3.8太陽能電池材料、器件種類和提高效率的措施145
5.3.9聚光太陽能電池150
5.3.10商用太陽能電池技術指標和特性曲線152

第6章電光/磁光/聲光/熱電效應——光調制品、光隔離器和光開關 154
6.1電光效應——光調制器和光開關155
6.1.1電光效應原理——外電場使晶體折射率n變化155
6.1.2電光相位調制器156
6.1.3電光開關——其輸出由波導光相位差決定157
6.2磁光效應——磁光開關和光隔離器158
6.2.1磁光效應原理——強磁場使非旋光材料偏振面發生右旋轉158
6.2.2磁光開關158
6.2.3光隔離器——隔離入射光和反射光159
6.3聲光效應——濾波器、調制器和聲光開關160
6.3.1聲光效應原理——聲波引起晶體折射率周期性變化160
6.3.2聲光濾波器——聲生光柵對波長具有選擇性161
6.3.3聲光調制器——聲生光柵對入射光調制輸出衍射光波162
6.3.4聲光開關164
6.4熱電效應及熱光開關165
6.4.1熱電效應原理——外部熱源引起波導折射率n變化165
6.4.2熱光開關165

第7章非線性光學效應——光纖拉曼放大器 166
7.1非線性光學效應——由強光場引起167
7.1.1非線性光學效應概念——強電場引起電介質極化167
7.1.2幾種光纖非線性光學效應167
7.2光纖拉曼放大器——增益頻譜只由泵浦波長決定169
7.2.1光纖拉曼放大器的工作原理——拉曼散射光頻等於信號光頻169
7.2.2拉曼增益和帶寬——信號光與泵浦光頻差不同增益也不同170
7.2.3放大倍數和增益飽和172
7.2.4噪聲指數——等效噪聲比EDFA的小172
7.2.5多波長泵浦增益帶寬——獲得平坦光增益帶寬172
7.2.6光纖拉曼放大技術應用——全波段使用，與EDFA混合使用173
7.3光纖孤子通信——光纖自相位調制補償群速度色散使光脈沖波形始終維持不變174
7.3.1基本概念——光纖非線性應用的典型事例174
7.3.2光孤子通信實驗系統175

第8章光纖波導及其傳光原理 176
8.1光與介質的相互作用——光反射和折射177
8.1.1斯涅耳定律和全反射177
8.1.2抗反射膜——使入射光和反射光相消幹涉179
8.1.3光纖傳導模——TE模、TM模和HE模180
8.2光纖傳光原理181
8.2.1漸變多模光纖傳光原理——折射率分布使光線同時到達終點181
8.2.2數值孔徑和受光範圍——數值孔徑越大，接收光能力越強，但信號展寬越大182
8.2.3光線光學分析光纖傳光原理——各種傳導模沿光纖傳輸1838.2.4導波光學分析光纖傳光原理——由麥克斯韋波動方程完美解釋185
8.3光纖的基本特性187
8.3.1基模傳輸條件——V參數小於2.405188
8.3.2場結構和模式簡並188
8.3.3雙折射效應和偏振特性188
8.4光纖的傳輸特性189
8.4.1光纖色散——展寬輸入脈沖、減少光纖帶寬189
8.4.2光纖衰減190
8.5光纖衰減的補償——摻鉺光纖放大器191
8.5.1摻鉺光纖放大器的構成191
8.5.2EDFA工作原理及其特性——泵浦光能量轉移到信號光192

第9章光波通信系統——海底、空間、移動和對潛通知 195
9.1海底光纜通信系統196
9.1.1海底光纜通信系統在世界通信網絡中的地位和作用196
9.1.2海底光纜通信系統組成和分類196
9.1.3連接中國的海底光纜通信系統197
9.1.4海底光纜系統供電199
9.1.5無中繼海底光纜傳輸系統200
9.2空間光通信系統關鍵技術202
9.2.1光學天線202
9.2.2光發射機203
9.2.3光接收機207
9.2.4捕獲、瞄準和跟蹤208
9.2.5空間分集系統209
9.2.6信道209
9.3自由空間光通信210
9.3.1大氣光通信211
9.3.2星地間光通信212
9.3.3衛星間光通信215
9.4藍綠光通信——傳輸介質為海水217
9.4.1概述217
9.4.2激光對潛通信種類2189.4.3藍綠光通信系統219
9.5光纖傳輸技術在移動通信中的應用220
9.5.1光纖傳輸正交頻分覆用信號——4G、5G移動通信系統基礎220
9.5.2光纖傳輸射頻信號——HFC、OSCM、OOFDM222
9.5.3光纖傳輸碼分多址信號——3G移動通信系統基礎222

第10章發光及其顯示器件——電致發光和光致發光LED  224
10.1電致發光和光致發光225
10.1.1電致發光——直接把電能轉換成光能（如發光二極管）225
10.1.2電致發光LED材料和結構226
10.1.3光致發光——光能或電能激勵的高能量光子（波長短）以低能量光子發射228
10.1.4LED的主要特性和應用230
10.2電致發光顯示器件231
10.2.1薄膜電致發光顯示——摻有磷光體的薄膜電致發光231
10.2.2厚膜/薄膜混合電致發光顯示——用藍光激發紅光、綠光233
10.2.3粉末電致發光顯示234
10.3有機電致發光顯示（OLED）器件——電流驅動有機半導體薄膜材料發光和顯示234
10.3.1OLED器件的結構234
10.3.2OLED顯示的工作原理——受激分子價電子從激發態回到基態時，發出其能級差的光子235
10.3.3有源矩陣驅動OLED顯示器件235
10.4電致發光顯示器件的應用和發展前景236
10.4.1電致發光顯示器件種類及應用236
10.4.2鈣鈦礦發光二極管（PeLED）及發展前景237

第11章光熱、光電導、光電荷效應——紅外探測器、圖像傳感器和國陸離裝備應用 239
11.1光熱效應及其器件240
11.1.1熱敏效應——熱敏電阻吸收光輻射使阻值相應發生改變240
11.1.2溫差電效應——溫差電熱電偶產生溫差電動勢240
11.1.3熱釋電效應——熱釋電探測器、熱成像系統241
11.2光電導效應——紅外探測、光電控制和光電制導應用243
11.2.1光敏電阻工作原理——入射光子使材料電導率隨入射光強變化243
11.2.2光敏電阻特性244
11.2.3光敏電阻的偏置電路246
11.2.4光敏電阻種類和紅外探測應用246
11.3光電荷效應——信號處理、數字存儲和圖像傳感應用248
11.3.1電荷耦合器件（CCD）工作原理——集光/電轉換、電荷存儲、電荷轉移和自掃描等功能於一體249
11.3.2電荷耦合攝像器件工作原理——二維圖像光信號轉換為一維電信號的功能器件255
11.3.3CCD的應用——信號處理、數字存儲和圖像傳感253
11.3.4CMOS圖像傳感器——芯片上的照相機253
11.3.5圖像傳感器系統及色彩分離技術——濾波法、三色分光棱鏡法和光敏二極管色彩分離法255
11.3.6CMOS和CCD攝像器件的比較257
11.3.7光子效應器件匯總258
11.4紅外熱成像技術——紅外輻射分布轉換成可見圖像259
11.4.1熱成像機理——利用目標與背景溫度和輻射率差生成圖像260
11.4.2熱探測器、光/電轉換和制冷260
11.4.3熱成像裝置組成及工作原理262
11.4.4焦平面陣列紅外探測器263
11.5紅外技術的應用——軍事目標的偵察、制導和跟蹤264
11.5.1紅外偵察——熱像儀不受氣候、戰場環境限制265
11.5.2紅外遙感——軍用和民用機載遙感、星載遙感265
11.5.3紅外告警——對來襲威脅源探測告警、啟動反擊系統265
11.5.4紅外跟蹤——對目標搜索、發現、識別和跟蹤265
11.5.5紅外制導——導引頭紅外捕獲、跟蹤並引導導彈飛向目標266
11.5.6紅外測溫——非接觸式測溫268
11.5.7紅外醫療——紅外測溫儀和熱像儀用於疾病診斷268
11.5.8其他應用269

附錄A縮寫名詞術語 270

附錄B器件系統應用內容索引 276

參考文獻 280