課件光電子技術及新型材料4.7-5.1節(jié)

14.7半導體光調制器Si基光調制器是通過Si晶體的電光效應實現(xiàn)的。對于Si材料來說，由于晶體呈現(xiàn)對稱性，在沒有應變的純凈Si中會產(chǎn)生非線性電光效應。在波長為1-2μm范圍內，折射率的變化與外加電場的關系如下4.65式中,e為電子電量，n為折射率，M為等效質量，x為平均振蕩位移。Si材料折射率變化與外加電場的關系2通常在半導體材料中，采用熱光效應和載流子注入兩種方式來改變折射率和光吸收系數(shù)，并有以下關系4.664.67Si的熱光效應認為，溫度變化引起折射率變化式中me和mh為導帶中電子和空穴的有效質量；△Ne和△Nh為電子和空穴濃度的變化；μe和μh為電子和空穴的遷移率?；跓峁庑腟i基光調制器目前利用熱光效應可以實現(xiàn)Si基光調制器，是通過在Mach-Zehnder干涉儀的一個臂上淀積NiCr薄膜加熱器實現(xiàn)光波導折射率的變化。下圖為改進型熱光調制器3基于載流子吸收調制器如下圖，它是一個單模脊型波導結構，由p+_n_n+結組成，可以實現(xiàn)相位調制。

這個零件對偏振不敏感。4化合物半導體光調制器垂直腔反射式光調制器也稱非對稱F-P腔光調制器。器件結構是在n-GaAs襯底上用分子束外延方法逐次生長出以下各層：500nm厚GaAs緩沖層，20個周期DBR層。此外利用化合物半導體材料可以制成電子耗盡控制吸收的光調制器，這種調制器的工作機理是建立在載流子耗盡引起的光吸收的變化基礎上。5機理原因分析當外電場變化時，吸收區(qū)的耗盡區(qū)的耗盡寬度隨之變化，引起光吸收的變化。而引起光吸收變化的主要原因在于：導帶或價帶內電子或空穴數(shù)減少使得帶與帶之間或帶與雜質能級之間的躍遷概率增加；離化雜質屏蔽效應的減弱導致雜質能級移動。耗盡層內電場引起F-K反應。吸收區(qū)是n-GaAs層，隨著所加電場的變化，可得到耗盡層范圍較大的電場變化，從而得到較寬的調制帶寬。6光的波粒二象性光的本質？粒子性光子說波動性§5.1輻射度與光度學基礎電磁波：又稱電磁輻射，是由同相振蕩且互相垂直的電場與磁場在空間中以波的形式傳遞能量和動量，其傳播方向垂直于電場與磁場構成的平面。電磁輻射的載體為光子。§5.1輻射度與光度學基礎輻射度學或稱輻射測量，是測量電磁波所傳遞的能量（電磁輻射能）或測量與這一能量特征有關的其它物理量的科學技術。表示輻射能的大小，基本量是輻射功率或輻射通量，單位是瓦。輻射度學適用于整個電磁波譜，主要用于X光、紫外光、紅外光以及其他非可見的電磁輻射。所涉及的論題包括輻射能的基本概念、輻射能的傳輸、變換以及儀器的輻射度學校準或標定。光度學適用于波長在0.38μm~0.78μm范圍內的電磁輻射－可見光波段，它使用的參量稱為光度學量。描述光輻射能為人眼接受所引起的視覺刺激大小的強度，是生理量。光度學量的基本量是光通量，單位是流明（lm）?？梢姽馐悄芤鹑说囊曈X的那部分電磁波發(fā)射光波的物體稱為光源可見光的波長范圍約為390～770nm10390nm紫770nm紅§5.1電磁波譜與光輻射§

光輻射

11光色波長(nm)頻率(Hz)中心波長(nm)

紅770~622660

橙622~597610

黃597~577570

綠577~492540

青492~470480

藍470~455460

紫455~390430可見光七彩顏色的波長和頻率范圍人眼最為敏感的光是黃綠光，即附近?！?.1電磁波譜與光輻射§

光輻射

國際單位制的7個基本單位量的名稱單位名稱單位符號長度米m質量千克Kg時間秒S電流安（培）A熱力學溫度開（爾文）K物質的量摩（爾）mol發(fā)光強度坎（德拉）cd12§1.2輻射度學與光度學基本知識§1輻射量

國際單位制的輔助單位立體角:球面面積除以球半徑的平方稱為立體角1球面度等于自圓球面上切取一面積與球半徑平方相等的球面所張球心角的立體角:1sr＝1m2/m2＝1量的名稱單位名稱單位符號平面角planeangle弧度radianrad立體角solidangle球面度steradiansr13第1章光輻射、發(fā)光源與光傳播基本定律§1.2輻射度學與光度學基本知識§1.2.1輻射量

141）、輻射能以輻射形式發(fā)射或傳輸?shù)碾姶挪芰浚篞e單位：焦耳（J）§1.2輻射度學與光度學基本知識§1.2.1輻射量

152）、輻射通量單位時間內該輻射體所輻射的總能量輻射通量又稱輻射功率，單位：瓦特（W）?！?.2輻射度學與光度學基本知識§1.2.1輻射量

5.1163）、輻射強度RadiantIntensity表示點輻射源在不同方向上的輻射特性在給定方向上包含該方向的立體角內輻射源所發(fā)出的輻射通量dφ除以該立體角dΩ，單位為W/Sr§1.2輻射度學與光度學基本知識§1.2.1輻射量

5.2若點輻射源是各向同性的，即其輻射強度在所有方向上均勻分布，則5.3174）、輻射出射度Me

輻射源單位發(fā)射面積發(fā)出的輻射通量單位：瓦每平方米（W/m2）§1.2輻射度學與光度學基本知識§1.2.1輻射量

5.4186）、輻射照度輻射照度(Irradiance)：在輻射接收面上一點的輻射照度E等于投射在包括該點的一個面元上的輻射通量dφ除以該面元的面積dS。單位：瓦/平方米（W/m2）§1.2輻射度學與光度學基本知識§1.2.1輻射量

5.5195）輻射亮度Radiance輻射亮度定義為擴展源表面一點處的面元在給定方向上單位立體角、單位投影面積內發(fā)出的輻射通量，即輻射表面定向發(fā)射的輻射強度，它決定于單位面積的輻射表面所發(fā)射的通量的空間分布。在與輻射表面dS的法線成θ角的方向上，輻射亮度等于該方向上輻射強度dIe與輻射表面在該方向垂直面上的投影面積之比§1.2輻射度學與光度學基本知識§1.2.1輻射量

5.6基本輻射度量的名稱、符號和定義方程名稱符號定義方程單位符號輻射能焦耳J輻射能密度焦耳／立方米Jm-3輻射通量輻射功率瓦特W輻射強度瓦特／球面度Wsr-1輻射亮度

瓦特／球面度平方米Wm-2sr-1輻射出射度瓦特／平方米Wm-2輻射照度瓦特／平方米Wm-21、光通量單位時間內通過某一面積的光能量（功率）。單位：m(流明)對于明視覺：對于暗視覺：5.174★幾點說明：1.對于相同的輻射能量，光視效率不同。2.“光視效率的最大值在λ=555nm處”是實驗證明。3.絕大部分人眼符合此規(guī)律，略有小差異（尤其在可見光波段兩端）。4.通過這個結論，可知輻射量與光度量的換算關系

—光度量；

—輻射量；Km稱為明視覺最大光譜光視效能表示人眼對波長為555nm的光輻產(chǎn)生光感覺的效能，Km=683lm/W。V(λ)查表。5.133、發(fā)光強度:點光源在單位立體角內發(fā)出的光通量。單位：cd(坎德拉)

國際單位制中，candela(坎德拉)的定義是在1979年才更新的。

P19“1979年10月，……”

其中540×1012Hz頻率所對應的波長就是555nm。4、光出射度:擴展源單位面積向2π空間發(fā)出的全部光通量。單位：lm/m2(流明)S為擴展源面積

2π空間：（半球空間）因擴展源有面積，不同于點光源，不能向下或向內輻射。5.155.185、光亮度光源在給定方向上的光亮度Lν，是在該方向上的單位投影面積上、單位立體角內發(fā)出的光通量。

單位：cd/m2

（坎德拉/平方米）∵發(fā)光強度∴光亮度又可表示為

即在給定方向上的光亮度也就是該方向上單位投影面積上的發(fā)光強度。5.165.155.166、光照度

定義:被照表面積的單位面積上接收到的光通量稱為光照度.

5.18單位：Lux（勒克斯）S為被照面積。描述輻射場的基本物理量小節(jié)：輻射量光度量通量強度亮度出射度照度輻射度量和光亮度的對照表27輻射度量符號單位光度量符號單位輻（射）能QeJ光量Qvlm·s輻（射）通量或輻（射）功率ΦeW光通量Φvlm輻（射）照度EeW/m2（光）照度EvLx=lm/m2輻（射）出度MeW/m2（光）出射度Mvlm/m2輻（射）強度IeW/sr2發(fā)光強度Ivcd=lm/sr輻（射）亮度LeW/m2·sr（光）亮度光譜光視效率LvCd/m26.7自由電子激光器28自由電子激光器是一種利用自由電子的受激輻射，把相對論電子束的能力轉換成相干輻射的激光器件。故自由電子激光器的工作物質就是自由電子。原理圖如下29原理圖如下，它由電子束注入器(電子加速器)、扭擺磁鐵和光學諧振腔(主要是兩個反射鏡)三部分組成.扭擺磁鐵由很多組磁鐵構成，相鄰兩組磁鐵的磁場方向是上下交替變化的，磁場變化的空間周期用λw表示.由電子加速器注入到扭擺磁場區(qū)的電子向z方向前進并在洛倫茲力的作用下，在x一z平面內左右往復地擺動，當電子在磁場區(qū)域內作圓弧形運動有向心加速度就會沿軌道的切線方向輻射出電磁波.λw原理圖30原理簡述如下：由加速器產(chǎn)生的高能電子經(jīng)偏轉磁鐵注入到極性交替變換的扭擺磁鐵中。電子因做扭擺運動而產(chǎn)生電磁輻射（光脈沖），光脈沖經(jīng)下游及上游兩反射鏡反射而與以后的電子束團反復發(fā)生作用。結果是電子沿運動方向群聚成尺寸小于光波波長的微小的束團。這些微束團將它們的動能轉換為光場的能量，使光場振幅增大。這個過程重復多次，直到光強達到飽和。31電子束與發(fā)射電磁波的位相關系如圖1所示，一組扭擺磁鐵可以沿z軸方向產(chǎn)生周期性變化的磁場．磁場的方向沿Y軸。由加速器提供的高速電子束經(jīng)偏轉磁鐵D導入擺動磁場。由于磁場的作用．電子的軌跡將發(fā)生偏轉而沿著正弦曲線運動，其運動周期與擺動磁場的相同。這些電子在XOZ面內搖擺前進．沿x方向有一加速度．因而將在前進的方向上自發(fā)地發(fā)射電磁波。輻射的方向在以電子運動方向為中心的一個角度范圍內。光纖激光器32光纖激光器是以摻入某些激活離子的光纖為工作物質，或者利用光纖自身的非線性光學效應制成的激光器。光纖激光器可分為晶體激光器、稀土類摻雜光纖激光器、塑料光纖激光器和非線性光學效應光纖激光器。液體激光器液體激光器也稱染料激光