《光电子器件及其应用（第二版）》主要介绍光传输器件（如光隔离器、光环形器、光波导器件、定向耦合器、光纤光栅器件、光开关、光滤波器、光子晶体、拓扑光子晶体器件）、光接收器件（如光热探测器、外光电效应探测器、光电导探测器、光伏探测器、电荷耦合器、光伏电池器件）、光发射器件（如发光二极管、激光二极管、动态单模激光器、量子阱激光器、光纤激光器、光放大器）与光显示器件（阴极射线管、液晶显示器与等离子体显示器）的基本结构、工作原理、相关应用。

第1章光电子器件基础
　　光是什么？如何被感知、表征？光在固体介质中传输时，其物理量会如何变化？光在固体介质表面是如何被反射与折射的？这些问题是处理光电子器件时必会遇到的*基本的问题。这些问题的解答与运用构成光电子器件基础。
　　1.1光的主要信息特征
　　导引：
　　光具有波粒二象性。
　　从波动角度看，光波是一种电磁横波，沿Z方向传播的单频简谐光波可表达为
　　（1-1-1a）
　　（1-1-1b）
　　式中，E是电场强度矢量①；H为磁场强度矢量；Eo为电场强度矢量振幅；H。为磁场强度矢量振幅。许多情况下，电场强度是影响人眼慼受和使照相底片慼光的主要原因，所以常将电场强度矢量称为光矢量。v是光振动的频率；2是光波的波长。根据光在真空中的波长从小到大排列，可把电磁波分为y射线、X射线、紫外光（5～400nm）、可见光（400～760nm）、红外光（760nm～600pm）、无线电波等②。光的强度与光矢量振幅的平方成正比。
　　从粒子角度看，在真空中频率为v沿z方向传播的单频光是一束射向z方向的光子流。每个光子的能量E与动量P依次为
　　（1-1-2a）
　　（1-1-2b）
　　式中，m是光子质量（光子静质量为0）；c是真空中的光速（3x108m/s）；h是普朗克常量；k是z方向单位矢量。设单位时间内通过垂直于光传播方向的单位横截面积的光子数为N，则光的强度为
　　（1-1-3）
　　本课程讨论的光电子器件均在电磁波谱中的可见光、红外光与紫外光波长范围内工作。人眼对紫外光、红外光无明度感觉，对可见光的感受却比较丰富。除了有明度感受
　　外，还有色调与色饱和度感受。在较强的光照射与较弱的光照射下，人眼的感受也有差异，依次称明视觉与暗视觉。这主要是由于人眼中有两种视神经细胞:圆锥视神经细胞（视锥细胞）与圆柱视神经细胞（视杆细胞）。视锥细胞负责在明亮状态下观察外界，视杆细胞负责在灰暗状态下观察外界。人眼对单波长（频率）可见光的颜色感受可参见表1-1-1。
　　1.1.1单频光的主要信息特征
　　原则上，光波的频率、波长、相位、振幅、偏振方向均可携带信息。如我们可以定义光矢量水平偏振为0，竖直偏振为1，用光矢量的偏振方向来携带信息；我们也可以用光振动振幅小表示0，光振动振幅大表示1。后者正是传统光通信、光信息存储的主要逻辑依据。光振动振幅大，就是光强大，相同的照射面积，对应的光功率就大。所以我们称，在传统意义上，光功率是单频光的主要信息特征。
　　在传统的光纤通信中，使用的是红外光，一般用光功率的强弱来携带信息1与0，如图1-1-1所示。我们可以约定光功率大记为1，光功率小记为0，于是图1-1-1中的读数（按时间先后）为10101101001（非归零码）。光纤中传输的光功率P可通过专用功率计测定。一般地，光功率的单位采用国际单位制中的瓦特（W）。但在实际应用时，也常用毫瓦（mW）、微瓦（gW）来表示①。光纤中传输的光功率也常用毫瓦分贝（dBm）、微瓦分贝（dBg）来表示。与之间的换算关系如下：
　　（1-1-4a）
　　（1-1-4b）
　　式中，lg是以10为底的常用对数。换算是简单的，比如输出1mW就等于输出0dBm与，输入10dBm就等于输入10mW与40dBg。
　　探究:
　　**代光纤通信用的光波长为。
　　在光检测方面，电磁辐射对敏感单元面积上的投射，
　　称辐照度，其单位为瓦特/米2（W/m2），用字母Ee表示，
　　如1.0W的光功率均匀投射到2.0mm2的探测器敏感单元表面上时，其辐照度Ee=5.0x105W/m2。倒过来，若投射到探测器敏感单元表面的辐照度为1.0x10-5W/m2，敏感面面积为8.0叫2，辐射功率即为8.0x10-17W；若是可见光，则常用照度Ev来表示，其单位是勒克斯（lx）。
　　对于可见光，光功率也常用光通量来代替，光通量的单位是流明（lm）。1W的波长为560nm的光辐射，对应的光通量为683lm。若是1W的波长为600nm的光辐射，则对应光通量为0.750x683=512lm，这里的0.750是视图1-1-2光视见函数见函数的值。图1-1-2所画出的是光视见函数*线。其中V（A）是明亮照明下的视见函数，对应视锥细胞工作；V'⑷是弱照明状态下的视见函数，对应视杆细胞工作。
　　表1-1-2是人眼的明视见函数值。若光的波长不是恰为表1-1-2中所示的值，则可用线性内插法计算它的视见函数值。如A=614nm的光的视见函数值为0.631+（614-610）x（0.503-0.631）/（620-610）=0.580。若是1lm的光通量均匀照射在1m2上，则对应1lx。若是100lx的光照射在3.0mm2光敏面上，则对应光通量为3.0X10lm。表1-1-3所列为自然界的常见照度数量级。
　　思考:
　　人眼作为人体光探测器宫对不同的电磁辐射有着不同的敏感性，其他光探测器是否也存在类似现象？
　　在光显示方面，常用三种方法来调节光通量的大小（灰度）。**种方法是直接控制发光物体（显示单元）的发光强度。比如，阴极射线管中用控制射到荧光粉上的电子束剂量的大小来控制荧光粉的发光强度。电子束剂量大，发光单元就亮；电子束剂量小，发光单元就暗。第二种方法是控制显示单元的发光时间。将显示周期分为个子场，其中第N个子场有2N—1个发光脉冲，设每个发光脉冲有相等的光通量，则显示单元能显示2n级灰度。如若将显示周期分为8个子场，则显示单元共能显示256个灰度等级。第1、2、3、4、5、6、7、8子场拥有的光脉冲数目依次是1、2、4、8、16、32、64、128个，通过控制各子场是否参与发光，可控制0~255共256级的灰度显示。若一个显示周期中，第1子场、第5子场、第7子场发光，而其他子场不发光，则在一个显示周期中有1+16+64=81个发光脉冲参与显示。反过来，若要在一个显示周期中有122个发光脉冲参与显示，则只要控制第7子场、第6子场、第5子场、第4子场、第2子场参与发光显示即可，64+32+16+8+2=122。第三种方法是控制显示单元的发光面积。如欲实现5级的灰度显示，可将发光单元的空间面积分为相等的4块，控制这4块发光面积是否参与发光可实现0、1、2、3、4共5级灰度显示。
　　1.1.2复合光的信息特征及其表示
　　复合光的光谱分布可用光谱功率函数P（X）来描述。P（X）表示波长2附近单位波长范围内的光功率。于是，复合光总光功率
　　（1-1-5）
　　复合光的光通量
　　（1-1-6）
　　当受光面积为W，则照度为
　　（1-1-7）
　　在彩色显示方面，人眼对彩色的感受有三种效果：明度、色调与色饱和度。明度是人眼感受到的彩色的总的明亮程度。色调对应彩色的光谱主波长。色饱和度是彩色光所显示的颜色深浅程度或纯洁程度。对于同一色调的彩色光，色彩越纯，饱和度就越高。
　　饱和度越低，色彩就越浅。人眼这种对颜色的三种感受是由于人眼的视网膜上有三种颜色敏感的视锥细胞，它们分别对红色（R）、绿色（G）和蓝色（B）光敏感。如图1-1-3呈示了人眼红、绿、蓝三种视锥细胞的单色视见函数复合成明视见函数的原理。其中蓝色视见函数放大了20倍，将红、绿、蓝三色的视见函数值相加就成为总的明视见函数（明度*线）值。
　　实验表明，绝大部分颜色对人眼的刺激效果可用红R（700nm）、绿G（546.1nm）、蓝B（435.8nm）三原色光按不同的比例强度混合来表示（三刺激理论）。颜色C可表示为
　　（1-1-8）
　　式中，三原色红（R）对应光通量为1lm的波长为700nm的红光、三原色绿（G）对应光通量为4.5907lm的波长为546.1nm的绿光、三原色蓝（B）对应光通量为0.0601lm的波长为435.8nm的蓝光；R、G、B依次为颜色C中等效的拥有三原色（R）（G）（B）的份额。当R=G=B=1时，颜色C是光通量为5.6508lm的白光。若每种颜色的份额用0~255中的整数来表示，就可显示256x256x256种颜色，即可显示1677万种以上的颜色。其中，R=G=B=0时为黑色，R=G=B=255时为*亮的白色，0　　（1-1-9）
　　式中，
　　（1-1-10）
　　上述颜色模型称为RGB相加色混合模型，被广泛用于照明、视频、显示器等相关领域。拓展：
　　伪彩色显示：在印刷制版、遥感和医学图像处理中，有时图像仅仅是一张灰度变化的单色图，并无真实的色彩。为了增强人眼的感受，将一定灰度值的地方用一定颜色着色，不同的灰度与不同的颜色对应，可形成一张感受深刻的彩色图片。
　　对于染料、涂料等领域，常用C（青色）、M（品红）、Y（黄色）、K（黑色）相减色模型进行描述。
　　1.2光在介质中的传输特性
　　光在介质中传输时，光波的波阵面向前推进，光波的振幅会发生改变。光在某些介质中传播时，其光矢量的振动方向还会发生旋转。
　　1.2.1光的材料色散
　　复合光通过三棱镜时，不同颜色（波长）的光被三棱镜折向不同的方向，形成棱镜色散光谱。这主要是因为材料的折射率》是光的频率（或波长）的函数，频率不同，折射率也不同。研究结果表明，光在透明介质中传播时，其折射率随波长的减小（频率的增加）而增加，称正常色散。折射率与波长的关系可由柯西公式来表达
　　（1-2-1）
　　式中，A、B、C为与具体材料有关的常数。介质在其他的一些波段中，折射率随波长的增加而增加，这种色散关系称反常色散。反常色散往往伴随较大的选择性吸收。
　　色散将引起光信号波形的畸变，对光信号的正确传输产生干扰，甚至引起误码。色散限制了准确进行光通信的传输速率。或者说，为了保持通信质量，光信号的有效传输距离将受到色散的限制。称Dn为材料色散系数，它的单位为ps/（km？nm）①。由于光源发出的光有一定的波长宽度AA，所以，光源发出的光脉冲在传输距离L后的时延差Ar可表达为
　　（1-2-2）
　　式中，材料色散系数Dn可表示为
　　（1-2-3）
　　式中，c为真空中的光速。对于光纤通信，除了材料色散外，还存在其他色散形式，如波导色散、模间色散与偏振色散。光纤通信中，光电子探测器能分辨的光信号时延差Ar应小于BT，即
　　（1-2-4）
　　式中，T是光信号周期；B是与光信号类型（模拟信号、数字信号）和信号码型（归零码、非归零码）等有关的常数。如对于非归零码的数字信号，B=0.7;对于归零码的数字信号，B=0.35。
　　【例1-2-1】己知光源波长2=0.85^m，半功率光谱宽度

目录
前言
第1章 光电子器件基础 1
1.1 光的主要信息特征 1
1.1.1 单频光的主要信息特征 2
1.1.2 复合光的信息特征及其表示 4
1.2 光在介质中的传输特性 6
1.2.1 光的材料色散 6
1.2.2 光的增益与衰减 7
1.2.3 某些旋光材料的旋光性 10
1.3 光在介质表面的反射与折射 13
1.3.1 菲涅耳公式 13
1.3.2 全反射 17
1.3.3 双折射 20
习题1 25
第2章 光传输器件 28
2.1 光隔离器 光环形器 28
2.1.1 光隔离器 28
2.1.2 光环形器 34
2.2 光波导器件 39
2.2.1 平面光波导 39
2.2.2 条形光波导 42
2.2.3 光波导的应用 48
2.3 定向耦合器 49
2.3.1 耦合模理论 49
2.3.2 定向耦合器的基本结构与工作原理 50
2.3.3 定向耦合器的应用 53
2.4 光纤光栅器件 54
2.4.1 布拉格光纤光栅 54
2.4.2 长周期光纤光栅 59
2.4.3 啁啾光纤光栅 61
2.4.4 光纤光栅的主要应用 61
2.5 光开关 光滤波器 62
2.5.1 光开关 62
2.5.2 光滤波器 66
2.6 光子晶体器件 70
2.6.1 电子晶体 70
2.6.2 光子晶体 72
2.6.3 光子晶体光纤 73
2.7 拓扑光子晶体 76
2.7.1 拓扑光子晶体的起源 76
2.7.2 拓扑光子晶体的分类 77
2.7.3 拓扑光子晶体的应用 82
习题2 85
第3章 光接收器件 91
3.1 光接收器件核心要素 91
3.1.1 半导体的光吸收过程 91
3.1.2 直接带隙与间接带隙半导体的吸收边 93
3.1.3 禁带宽度受温度与电场强度的影响 96
3.2 光电子探测器概述 97
3.2.1 光电子探测器的定义与分类 97
3.2.2 光电子探测器的性能参数 99
3.2.3 光电子探测器的光学变换系统 102
3.3 光热探测器 104
3.3.1 热敏电阻 106
3.3.2 热释电探测器 109
3.4 外光电效应探测器 113
3.4.1 真空光电管与充气光电管 113
3.4.2 光电阴极 114
3.4.3 光电倍增管 117
3.4.4 光电倍增管的应用 121
3.5 光电导探测器 122
3.5.1 光敏电阻的主要特性参数 122
3.5.2 光敏电阻的结构 124
3.5.3 光敏电阻的应用基础 125
3.5.4 光敏电阻的应用 128
3.6 光伏探测器 129
3.6.1 光电池 130
3.6.2 光电二极管 133
3.7 电荷耦合器件 140
3.7.1 MOS单元的电荷存储能力 140
3.7.2 电荷转移 141
3.7.3 电荷检测 142
3.7.4 信号电荷的注入 142
3.7.5 线阵CCD 143
3.7.6 用线阵CCD测量不透明线材直径 144
3.8 其他光电子探测器 145
3.8.1 光敏三极管 145
3.8.2 四象限探测器 147
3.8.3 位置敏感元件 149
3.8.4 偏振光探测器 153
3.9 光伏电池 154
3.9.1 光伏电池发展历史与现状 154
3.9.2 硅基光伏电池 155
3.9.3 薄膜光伏电池 156
3.9.4 有机光伏电池 157
3.9.5 染料敏化光伏电池 157
习题3 158
第4章 光发射器件 163
4.1 光发射材料 163
4.1.1 光发射与光吸收之间的关系 163
4.1.2 半导体发射光谱的特点 164
4.1.3 非辐射复合 167
4.2 半导体发光二极管 169
4.2.1 发光二极管的芯片结构 169
4.2.2 发光二极管的主要输出特性 176
4.2.3 发光二极管的应用 177
4.3 半导体激光器 179
4.3.1 半导体激光器受激放大条件 180
4.3.2 F-P LD的波导结构 182
4.3.3 F-P LD的输出特性 183
4.3.4 F-P LD的激光输出模式 185
4.3.5 F-P LD的应用 189
4.4 动态单模半导体激光器 191
4.4.1 分布反馈半导体激光器 192
4.4.2 分布布拉格反射型激光器 195
4.4.3 光栅外腔单模激光器 196
4.5 量子阱激光器 197
4.5.1 超晶格 197
4.5.2 量子阱激光器的特征 198
4.5.3 量子线与量子点激光器 205
4.6 光纤激光器 206
4.6.1 稀土掺杂光纤激光器的工作物质 206
4.6.2 光纤激光器的泵浦方式 209
4.6.3 光纤激光器的选模技术 210
4.7 光放大器 214
4.7.1 半导体光放大器 215
4.7.2 掺铒光纤放大器 218
4.7.3 拉曼光纤放大器 220
4.7.4 光放大器的应用 221
习题4 223
第5章 光显示器件 228
5.1 阴极射线管 228
5.1.1 单色阴极射线管 228
5.1.2 彩色阴极射线管 231
5.2 液晶显示器 233
5.2.1 液晶基础知识 233
5.2.2 扭*向列型液晶显示器 235
5.2.3 超扭*向列型液晶显示器 237
5.2.4 薄膜晶体管液晶显示器 238
5.3 等离子体显示器 240
5.3.1 气体放电基本知识 240
5.3.2 单色等离子体显示器 241
5.3.3 彩色等离子体显示器 243
习题5 246
参考文献 248
附录1 耦合模方程的推导 249
附录2 光电子探测器的噪声 251
附录3 有关思考、探究的参考答案 254
附录4 课时安排建议 259