课件光电子技术及新型材料4.7-5.1节

14.7半导体光调制器Si基光调制器是通过Si晶体的电光效应实现的。对于Si材料来说，由于晶体呈现对称性，在没有应变的纯净Si中会产生非线性电光效应。在波长为1-2μm范围内，折射率的变化与外加电场的关系如下4.65式中,e为电子电量，n为折射率，M为等效质量，x为平均振荡位移。Si材料折射率变化与外加电场的关系2通常在半导体材料中，采用热光效应和载流子注入两种方式来改变折射率和光吸收系数，并有以下关系4.664.67Si的热光效应认为，温度变化引起折射率变化式中me和mh为导带中电子和空穴的有效质量；△Ne和△Nh为电子和空穴浓度的变化；μe和μh为电子和空穴的迁移率。基于热光效应的Si基光调制器目前利用热光效应可以实现Si基光调制器，是通过在Mach-Zehnder干涉仪的一个臂上淀积NiCr薄膜加热器实现光波导折射率的变化。下图为改进型热光调制器3基于载流子吸收调制器如下图，它是一个单模脊型波导结构，由p+_n_n+结组成，可以实现相位调制。

这个零件对偏振不敏感。4化合物半导体光调制器垂直腔反射式光调制器也称非对称F-P腔光调制器。器件结构是在n-GaAs衬底上用分子束外延方法逐次生长出以下各层：500nm厚GaAs缓冲层，20个周期DBR层。此外利用化合物半导体材料可以制成电子耗尽控制吸收的光调制器，这种调制器的工作机理是建立在载流子耗尽引起的光吸收的变化基础上。5机理原因分析当外电场变化时，吸收区的耗尽区的耗尽宽度随之变化，引起光吸收的变化。而引起光吸收变化的主要原因在于：导带或价带内电子或空穴数减少使得带与带之间或带与杂质能级之间的跃迁概率增加；离化杂质屏蔽效应的减弱导致杂质能级移动。耗尽层内电场引起F-K反应。吸收区是n-GaAs层，随着所加电场的变化，可得到耗尽层范围较大的电场变化，从而得到较宽的调制带宽。6光的波粒二象性光的本质？粒子性光子说波动性§5.1辐射度与光度学基础电磁波：又称电磁辐射，是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式传递能量和动量，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面。电磁辐射的载体为光子。§5.1辐射度与光度学基础辐射度学或称辐射测量，是测量电磁波所传递的能量（电磁辐射能）或测量与这一能量特征有关的其它物理量的科学技术。表示辐射能的大小，基本量是辐射功率或辐射通量，单位是瓦。辐射度学适用于整个电磁波谱，主要用于X光、紫外光、红外光以及其他非可见的电磁辐射。所涉及的论题包括辐射能的基本概念、辐射能的传输、变换以及仪器的辐射度学校准或标定。光度学适用于波长在0.38μm~0.78μm范围内的电磁辐射－可见光波段，它使用的参量称为光度学量。描述光辐射能为人眼接受所引起的视觉刺激大小的强度，是生理量。光度学量的基本量是光通量，单位是流明（lm）。可见光是能引起人的视觉的那部分电磁波发射光波的物体称为光源可见光的波长范围约为390～770nm10390nm紫770nm红§5.1电磁波谱与光辐射§

光辐射

11光色波长(nm)频率(Hz)中心波长(nm)

红770~622660

橙622~597610

黄597~577570

绿577~492540

青492~470480

蓝470~455460

紫455~390430可见光七彩颜色的波长和频率范围人眼最为敏感的光是黄绿光，即附近。§5.1电磁波谱与光辐射§

光辐射

国际单位制的7个基本单位量的名称单位名称单位符号长度米m质量千克Kg时间秒S电流安（培）A热力学温度开（尔文）K物质的量摩（尔）mol发光强度坎（德拉）cd12§1.2辐射度学与光度学基本知识§1辐射量

国际单位制的辅助单位立体角:球面面积除以球半径的平方称为立体角1球面度等于自圆球面上切取一面积与球半径平方相等的球面所张球心角的立体角:1sr＝1m2/m2＝1量的名称单位名称单位符号平面角planeangle弧度radianrad立体角solidangle球面度steradiansr13第1章光辐射、发光源与光传播基本定律§1.2辐射度学与光度学基本知识§1.2.1辐射量

141）、辐射能以辐射形式发射或传输的电磁波能量：Qe单位：焦耳（J）§1.2辐射度学与光度学基本知识§1.2.1辐射量

152）、辐射通量单位时间内该辐射体所辐射的总能量辐射通量又称辐射功率，单位：瓦特（W）。§1.2辐射度学与光度学基本知识§1.2.1辐射量

5.1163）、辐射强度RadiantIntensity表示点辐射源在不同方向上的辐射特性在给定方向上包含该方向的立体角内辐射源所发出的辐射通量dφ除以该立体角dΩ，单位为W/Sr§1.2辐射度学与光度学基本知识§1.2.1辐射量

5.2若点辐射源是各向同性的，即其辐射强度在所有方向上均匀分布，则5.3174）、辐射出射度Me

辐射源单位发射面积发出的辐射通量单位：瓦每平方米（W/m2）§1.2辐射度学与光度学基本知识§1.2.1辐射量

5.4186）、辐射照度辐射照度(Irradiance)：在辐射接收面上一点的辐射照度E等于投射在包括该点的一个面元上的辐射通量dφ除以该面元的面积dS。单位：瓦/平方米（W/m2）§1.2辐射度学与光度学基本知识§1.2.1辐射量

5.5195）辐射亮度Radiance辐射亮度定义为扩展源表面一点处的面元在给定方向上单位立体角、单位投影面积内发出的辐射通量，即辐射表面定向发射的辐射强度，它决定于单位面积的辐射表面所发射的通量的空间分布。在与辐射表面dS的法线成θ角的方向上，辐射亮度等于该方向上辐射强度dIe与辐射表面在该方向垂直面上的投影面积之比§1.2辐射度学与光度学基本知识§1.2.1辐射量

5.6基本辐射度量的名称、符号和定义方程名称符号定义方程单位符号辐射能焦耳J辐射能密度焦耳／立方米Jm-3辐射通量辐射功率瓦特W辐射强度瓦特／球面度Wsr-1辐射亮度

瓦特／球面度平方米Wm-2sr-1辐射出射度瓦特／平方米Wm-2辐射照度瓦特／平方米Wm-21、光通量单位时间内通过某一面积的光能量（功率）。单位：m(流明)对于明视觉：对于暗视觉：5.174★几点说明：1.对于相同的辐射能量，光视效率不同。2.“光视效率的最大值在λ=555nm处”是实验证明。3.绝大部分人眼符合此规律，略有小差异（尤其在可见光波段两端）。4.通过这个结论，可知辐射量与光度量的换算关系

—光度量；

—辐射量；Km称为明视觉最大光谱光视效能表示人眼对波长为555nm的光辐产生光感觉的效能，Km=683lm/W。V(λ)查表。5.133、发光强度:点光源在单位立体角内发出的光通量。单位：cd(坎德拉)

国际单位制中，candela(坎德拉)的定义是在1979年才更新的。

P19“1979年10月，……”

其中540×1012Hz频率所对应的波长就是555nm。4、光出射度:扩展源单位面积向2π空间发出的全部光通量。单位：lm/m2(流明)S为扩展源面积

2π空间：（半球空间）因扩展源有面积，不同于点光源，不能向下或向内辐射。5.155.185、光亮度光源在给定方向上的光亮度Lν，是在该方向上的单位投影面积上、单位立体角内发出的光通量。

单位：cd/m2

（坎德拉/平方米）∵发光强度∴光亮度又可表示为

即在给定方向上的光亮度也就是该方向上单位投影面积上的发光强度。5.165.155.166、光照度

定义:被照表面积的单位面积上接收到的光通量称为光照度.

5.18单位：Lux（勒克斯）S为被照面积。描述辐射场的基本物理量小节：辐射量光度量通量强度亮度出射度照度辐射度量和光亮度的对照表27辐射度量符号单位光度量符号单位辐（射）能QeJ光量Qvlm·s辐（射）通量或辐（射）功率ΦeW光通量Φvlm辐（射）照度EeW/m2（光）照度EvLx=lm/m2辐（射）出度MeW/m2（光）出射度Mvlm/m2辐（射）强度IeW/sr2发光强度Ivcd=lm/sr辐（射）亮度LeW/m2·sr（光）亮度光谱光视效率LvCd/m26.7自由电子激光器28自由电子激光器是一种利用自由电子的受激辐射，把相对论电子束的能力转换成相干辐射的激光器件。故自由电子激光器的工作物质就是自由电子。原理图如下29原理图如下，它由电子束注入器(电子加速器)、扭摆磁铁和光学谐振腔(主要是两个反射镜)三部分组成.扭摆磁铁由很多组磁铁构成，相邻两组磁铁的磁场方向是上下交替变化的，磁场变化的空间周期用λw表示.由电子加速器注入到扭摆磁场区的电子向z方向前进并在洛伦兹力的作用下，在x一z平面内左右往复地摆动，当电子在磁场区域内作圆弧形运动有向心加速度就会沿轨道的切线方向辐射出电磁波.λw原理图30原理简述如下：由加速器产生的高能电子经偏转磁铁注入到极性交替变换的扭摆磁铁中。电子因做扭摆运动而产生电磁辐射（光脉冲），光脉冲经下游及上游两反射镜反射而与以后的电子束团反复发生作用。结果是电子沿运动方向群聚成尺寸小于光波波长的微小的束团。这些微束团将它们的动能转换为光场的能量，使光场振幅增大。这个过程重复多次，直到光强达到饱和。31电子束与发射电磁波的位相关系如图1所示，一组扭摆磁铁可以沿z轴方向产生周期性变化的磁场．磁场的方向沿Y轴。由加速器提供的高速电子束经偏转磁铁D导入摆动磁场。由于磁场的作用．电子的轨迹将发生偏转而沿着正弦曲线运动，其运动周期与摆动磁场的相同。这些电子在XOZ面内摇摆前进．沿x方向有一加速度．因而将在前进的方向上自发地发射电磁波。辐射的方向在以电子运动方向为中心的一个角度范围内。光纤激光器32光纤激光器是以掺入某些激活离子的光纤为工作物质，或者利用光纤自身的非线性光学效应制成的激光器。光纤激光器可分为晶体激光器、稀土类掺杂光纤激光器、塑料光纤激光器和非线性光学效应光纤激光器。液体激光器液体激光器也称染料激光