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《光电子器件》复习——《光电子材料与器件》. 候宏录主编本征和非本征半导体在热平衡条件下均满足浓度作用定律：按照导带底和价带顶对应位置之间的关系，有两种能带结构：直接带隙和间接带隙。通常直接带隙半导体被用来制作发光器件，而间接带隙半导体材料主要用作光电探测器。半导体材料中的电子从高能态向低能态跃迁的同时，会以光子的形式释放多余的能量，这称为辐射跃迁。根据激励方式的不同，半导体材料的发光机制有光致发光和电致发光。光致发光即半导体材料吸收更高能量的光子而再发射过程。电致发光是在半导体材料中通过电流激发引起的光发射过程。辐射产生的光子波长为式中，单位为eV。除了辐射跃迁外，还要考虑非辐射跃迁。如果非辐射跃迁过程要比辐射跃迁过程快，则只有少量光被发射出来。因此高效率的发光器件需要辐射寿命远小于非辐射寿命。主要的半导体发光材料为III-V族半导体材料。通常有GaAs、GaP、GaN、InGaN、GaAsP、GaAlAs等。（p7，室温下III-V族发光材料的发射波长范围）异质结是指由不同带隙宽度的半导体材料构成的pn结。半导体材料的折射率与带隙宽度有关，半导体材料的带隙越宽，其折射率越低。利用这种性质，通过异质结形成介质波导，将辐射复合产生的光辐射导出。发光二极管的内部量子效率定义为：单位时间内有源区产生光子数与电子-空穴对复合数之比，即式中，为有源区的光发射功率；为注入电流。通信用发光二极管主要采用GaAsP及GaAs材料制造。GaAsP发光二极管工作波长为，GaAs发光二极管工作波长为。在热平衡条件下，半导体中的电子服从费米-狄拉克统计规律：式中，给出了电子关于能量E对应量子态的概率。在半导体中实现粒子数反转，需要导带与价带的准费米能级之差不小于禁带宽度。半导体激光器的阈值条件为：为了满足光纤通信系统对带宽的要求，需要半导体激光器在高速调制条件下也能保持单模工作，即实现动态单模激光器，可采用分布式反馈半导体激光器（DFB-LD）或分布布拉格反射半导体激光器（DBR-LD）。固体激光材料由基质材料和激活离子两部分组成，其中基质材料决定了工作物质的各种物理化学性质，激活离子主要决定了工作物质的光谱性质。激活离子主要有：过渡族金属离子、2价或3价稀土金属离子（钕Nd、铒Er）、锕系离子；基质材料有玻璃、晶体和陶瓷三大类。主要的基质晶体有：氧化物晶体、磷酸盐、硅酸盐、氟化物晶体等。两种常见的激光晶体：和（p28-p29）。激光二极管泵浦固体激光器（DPSSL）的主要特点：能量转换效率高；寿命长、系统稳定可靠；热效应小、输出光束噪声特性好、频率稳定、光束质量高。3种光线传输矩阵的推导：自由空间、薄透镜和球面反射镜。（p52，作业）共轴球面腔的稳定性条件：其中，、由求得。光纤的基本结构是两层圆柱状介质，内层为纤芯，外层为包层。纤芯折射率比包层折射率稍大。光纤按照折射率可划分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤；按照传输模式划分为单模光纤和多模光纤；按照波长划分从紫外到近红外波长。阶跃型光纤的数值孔径NA：归一化频率定义为：一般地，当时，只能传输基膜，而当时进行多模传输。光在光纤中传输时，光功率随传输距离呈指数衰减。一般用分贝表示光纤的损耗。是稳态条件下单位长度上的功率衰减分贝数，即式中，为光纤长度，为时的光功率值，为长度处的光功率值。光纤损耗主要分为三类：吸收损耗、散射损耗和弯曲损耗。模间散射只存在于多模光纤中，它是由于各光线传输模式的不同而导致时延差造成的，这是因为基膜的群速度与频率有关。光纤连接器主要性能指标：插入损耗：回波损耗：光纤耦合器的主要性能指标：插入损耗：分光比：法拉第旋光效应：当一束偏振光在外加磁场作用下的介质中传播时，其偏振方向发生旋转，其旋转角度的大小与沿光束方向的磁场强度H和光在介质中传输的长度L成正比，即式中，V为韦尔代（Verdet）常数。将信息加载在激光的过程称为光调制，实现这一过程的装置称为光调制器。某些晶体或液体在外加电场作用下，其折射率会发生变化，这种现象称为电光效应。对于大多数电光晶体材料，一次效应（线性电光效应或泡克耳斯(Pockels)效应）要比二次效应（二次电光效应或克尔效应）显著。当两束偏振光通过晶体后将产生一相位差，这种由电光效应引起的双折射造成的，称为电光相位延迟。当电光晶体和入射波长确定后，相位差的变化仅取决于外加电压，即它与外加电压成比例变化。当光波的两个垂直分量、的光程差为半波长（相应的相位差为）时所加的电压，称为“半波电压”。通常以或表示。于是有按照声波频率的高低以及声波和光波作用长度的不同，声光相互作用分为拉曼-奈斯（Raman-Nath）衍射和布拉格衍射两种类型。当在KDP晶体上施加一电场E，该电场在空间上呈均匀分布，而在时间上是连续变化的，当一束光通过晶体后，将会使随时间变化的电场信号转