内容简介
《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。
目录
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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
试读
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
