光电子学与光子学——原理与实践（第二版）

本书是光电子和光子学领域的经典教材， 主要内容包括光的波动性、 介质波导与光纤、 半导体学与发光二极管、 受激辐射器件——光放大器和激光器、 光电探测器和图像传感器、 光的偏振和调制等。每章除了基本内容外， 还给出了一些附加专题来适当介绍先进技术和产品化光电子器件的实例， 扩大和深化读者对基本内容的理解。本书力求采用尽可能少的数学推导而强调通过物理概念来说明原理， 提供了许多例题和习题， 使得基本概念与实际器件相联系。本书可作为光电子科学与技术、 电子科学与技术、 物理电子学专业本科生的教材或研究生的教学参考书， 同时也适合从事相关行业的科技工作者和教师阅读。

S. O. Kasap 是加拿大萨斯喀彻温大学电气工程系教授以及加拿大电子材料与器件首席科学家。他于1976年、1978年和1983年在伦敦大学帝国理工学院分别获得学士、硕士和博士学位。他的研究兴趣涵盖了光电子材料与器件的许多方面，如光子晶体光纤布拉格光栅、光通信、医疗成像、半导体器件的电气噪声特性等。S．O．Kasap已在国际权威期刊发表多篇论文。他还是英国电气工程师学会（IEE）、英国物理学会和英国材料学会的会士。目前，他是Journal of Materials Science的副主编。

目 录第1章 光的波动性1.1 均匀介质中光的波动性1.2 折射率和色散1.3 群速度和群折射率1.4 磁场、 辐照度和坡印廷矢量1.5 斯涅耳折射定律和全反射（TIR）1.6 菲涅耳方程1.7 增透膜和介质镜1.8 光的吸收和复折射率1.9 时间相干性和空间相干性1.10 波的叠加和干涉1.11 多波干涉和光学谐振腔1.12 衍射原理选学专题1.13 干涉仪1.14 薄膜光学——薄膜中光波的多次反射1.15 平板内光波多次反射和非相干波1.16 光的散射1.17 光子晶体习题第2章 介质波导与光纤2.1 对称平面介质平板波导 2.2 平面波导中的模间色散和波导色散2.3 阶跃折射率分布光纤2.4 数值孔径 (Numerical Aperture)2.5 单模光纤中的色散2.6 色散位移光纤和色散补偿（Dispersion Modified Fibers and Compensation）2.7 比特率、 色散及电学和光学带宽2.8 渐变折射率（GRIN）光纤2.9 光纤的衰减损耗2.10 光纤的制造选学专题2.11 波分复用： WDM2.12 光纤和DWDM中的非线性效应2.13 布拉格光纤（Bragg Fibers）2.14 光子晶体光纤——多孔光纤2.15 光纤布拉格光栅和传感器习题第3章 半导体学与发光二极管3.1 半导体概念和能带概述3.2 半导体的统计分布3.3 非本征半导体3.4 直接带隙和间接带隙半导体： E-k能带图3.5 pn结原理 3.6 pn结的反向电流 3.7 pn结动态电阻和电容3.8 复合寿命3.9 pn结的能带图3.10 异质结3.11 发光二极管（LED）： 基本原理3.12 量子阱高亮度LED3.13 LED材料和结构3.14 LED的效率和光通量3.15 LED的基本特性3.16 光纤通信应用的LED3.17 荧光粉和白光LED选学专题3.18 LED电子技术习题第4章 受激辐射器件——光放大器和激光器4.1 受激辐射、 光子放大、 激光器4.2 受激辐射率和辐射截面4.3 掺铒光纤放大器4.4 气体激光器： He-Ne激光器4.5 气体激光器的输出光谱4.6 激光振荡： 阈值增益因子和增益带宽4.7 光增益曲线加宽及其线宽4.8 脉冲激光器： 调Q（Q开关）和锁模技术4.9 半导体激光器原理4.10 异质结半导体激光器4.11 量子阱器件4.12 激光二极管的基本特性4.13 稳态半导体速率方程： 激光二极管方程4.14 单频半导体激光器4.15 垂直腔面发射激光器4.16 半导体光放大器选学专题4.17 超辐射LED和谐振腔LED： SLD和RCLED4.18 激光器直接调制4.19 全息技术习题第5章 光电探测器和图像传感器5.1 pn结光电二极管原理5.2 肖克莱拉莫定理和外光生电流5.3 吸收系数和光电探测器材料5.4 量子效率和响应度5.5 pin光电二极管5.6 雪崩光电二极管5.7 异质结光电二极管5.8 肖特基结光电探测器5.9 光电晶体管5.10 光电导探测器和光电导增益5.11 基本光电二极管电路5.12 光电探测器的噪声5.13 图像传感器选学专题5.14 光伏器件： 太阳能电池 习题第6章 光的偏振与调制6.1 光的偏振6.2 各向异性介质中的光传播现象： 双折射现象6.3 双折射光学器件6.4 旋光效应和圆双折射6.5 液晶显示器6.6 电光效应6.7 集成光调制器6.8 声光调制器6.9 法拉第旋光效应和光隔离器6.10 非线性光学和二次谐波产生选学专题6.11 琼斯矢量习题附录A 高斯分布附录B 立体角附录C 基本辐射度和光度学附录D 重要的数学公式附录E 部分定义与基本公式附录F 符号和缩写

译 者 序当今世界信息技术飞速发展， 已成为推动社会发展的重要因素。光电子学与光子学作为信息技术的基础， 是从事光电子相关领域学习和研究的广大师生和科技工作者必须掌握的一门专业知识。光电子学与光子学相关技术的理论研究和器件设计、 制造， 对促进信息技术的发展和应用具有重要的现实意义和理论价值。本书译自S.O.Kasap 教授撰写的英文原版经典教材Optoelectronics and Photonics: Principles and Practices， Second Edition。第二版对第一版的内容进行了全新的修订,引入了许多近年来新的实践范例。本书的最大特点是内容丰富， 图文并茂， 理论与实践紧密结合， 深入浅出， 避免了烦琐的数学推导， 注重物理概念及原理的阐述， 读者学习前无须具备麦克斯韦方程组推导的数学知识。同时，本书还给出了大量最新研究应用案例， 时代感强。本书的主要内容为： 第1章介绍了光的波动性， 对光的折射率和色散、 群速度和群折射率、 斯涅耳折射定律和全反射、 时间相干性和空间相干性、 波的叠加和干涉及衍射原理等基本概念进行了阐述。第2章简单叙述了介质波导与光纤的色散等基本特性及光纤的制造工艺。第3章为半导体学与发光二极管， 对半导体物理学的能带图、 半导体的统计分布、 直接带隙和间接带隙半导体、 pn结、 异质结、 发光二极管(LED)的基本原理和应用等进行了详细介绍。第4章为受激辐射器件——光放大器和激光器， 简要介绍了各种光放大器和激光器的工作原理和结构。第5章介绍了各种光电探测器和图像传感器的结构、 基本特性和工作原理。第6章为光的偏振与调制， 对光的偏振、 旋光效应、 双折射、 液晶显示、 电光效应、 光调制、 非线性光学和二次谐波产生等光学现象和效应进行了阐述。同时在各章后补充部分以选学专题的形式给出了可进一步深入学习的议题。S.O.Kasap教授是加拿大萨斯喀彻温大学电气工程系资深教授和加拿大电子材料与器件首席科学家， 具有丰富的教学和实践经验。本书受到广大师生和相关科研工作者的好评， 同时发行了第二版的国际版， 在国际上享有很高的声望。本书译者罗风光教授在华中科技大学光学与电子信息学任院长， 从事光电子、 光通信领域的科研与教学工作， 主持或参与了多项国家973、 863、 国家自然科学基金等科研项目， 承担了本科生、 研究生的《光电子学导论》、 《半导体物理》、 《信息技术导论》、 《光通信与光交换技术》、 《光网络技术与器件》等课程的教学工作， 积累了丰富的教学与实践经验， 为本书的翻译奠定了良好的基础。在本书的翻译过程中， 得到了博士生杨柳， 硕士生贺成、 杨东堂、 敬泽安、 丁露、 徐赐坚、 李可的大力帮助， 特别是硕士生贺成参与了本书的初译、 多次修改及审定工作， 在此表示衷心的感谢。同时也要感谢我的家人在本书的翻译工作期间给予的无私帮助和理解支持。由于译者的水平有限， 加之时间较为仓促， 本书的翻译难免存在错误和不足之处， 敬请广大读者指正。译 者2015年11月前 言本书的第一版出版于12年以前。当时本书作为简明教材供三年制工程学或应用物理学本科学生使用。 本书强调定性的解释并主要依赖于直观推导过程。最终结果是， 本书第一版被用于四年制选修课程， 甚至用于研究生光电子课程。因此， 许多在该层次教课的教师迫切需要更好的推导过程， 更加严格、 更好的解释， 当然也需要更多的专题与问题。我们不止一次察觉到， 第一版中一些直觉上简单的推理是有问题的， 因此第二版本质上几乎是从头到尾对本书内容进行了全面的修订， 它将更加严谨、 更好地阐释问题， 但在数学细节上不会有过多赘述。新版引入了许多新的激动人心的实践范例及大量新的问题。考虑到12年间该领域发生的很多变化， 本书也必须完全现代化， 把这些年的研究进展囊括到本科课程中。第二版中的特点、 变化及修订第二版是完全不同于第一版的修订版， 对于书中内容进行了大量的特性扩充和加强。● 所有章节都完全重新修订和扩充。● 所有章节都加入大量光子学领域的现代专题。● 本书增加了适用于高级课程或者可供两学期使用的选修专题。● 各章节中加入了更多新的范例和题解， 章节的结尾加入了许多实用的习题， 这些习题涵盖了基本概念到构建更高级的应用。● 为了更好地阐释概念， 第一版中的图示及插图几乎全部修订和重绘了。● 为了更明确地传达概念， 第二版增加了大量新的图示说明。● 为了增加本书的可读性并展示典型的现代光子/光电子器件， 第二版适当插入了很多照片。● 第一版第7章关于太阳能光伏的内容作为一个选修专题合并到新版的第5章， 这样可以涉及更多与光子学有关的专题。● 书中避免了高级、 复杂的数学推理， 取而代之的是重点强调概念及工程应用。● 给出了光子学中有用的和基本的方程并进行了解释， 且应用于范例和习题中， 从而让学生对器件的这些典型值具有更好的理解。● 应读者要求， 为避免过多重复， 在第二版中尽量避免了很多交叉引用， 从而使各个章节能被跳过。● 新版更多强调实践及工程范例， 谨慎考虑到大多数大学在本科层次已经开设了各种光子学/光电子学课程。● 采用本书作为教材的教师广泛使用PPT展示教学促进了第二版的发展。PPT幻灯片使用了多彩的图文演示， 包括附加的彩色图片。附加的幻灯片能突出显示基本的概念和公式， 并提供了大量的范例和题解。老师可以通过与出版商联系来获取本书的PPT。● 第二版同样在广泛使用的《教师专用版解决方案手册》中获得帮助， 该手册可通过与出版商联系来获取。 第二版继续作为光电子材料与器件专业系列课程的第一门课程， 可开设成为半学期或者一学期的课程， 适用于电气工程、 工程物理、 材料科学与工程系大三或者大四本科生。结合选修部分专题， 第二版还可以作为研究生阶段的入门教材。通常适用于不了解麦克斯韦方程组的学生。尽管第二版中提及麦克斯韦方程组以让学生有所了解， 但麦克斯韦方程组很少涉及原理的推导过程。第二版适用于已有一年或者两年基础物理和现代物理学习基础的学生， 学生大致了解几何光学、 干涉和衍射等基本概念， 而不知道菲涅耳方程及群速度和群折射率的概念。通常光电子学课程开设在半导体器件课程之后， 或者两者同时开设。也许在与基本半导体科学相结合的课程中， 学生将会接触基本的量子力学概念。在第二版中， 大多数专题首先给出定性解释， 从而使读者在数学推导之前理解基本概念。在数学知识方面， 我们引入了矢量、 复数和偏微分的方法， 但没有涉及傅里叶变换。一方面， 第二版需要涉及尽可能多的内容。但在另一方面， 专业工程认证要求学生能够解决数值问题并能够进行“设计计算”。在编纂本书过程中， 我尽量照顾到工程学位认证的要求。但是要解决数值问题， 提供设计计算并导出每个方程， 又不让课本篇幅扩展到让人无法忍受的地步显然是不可能的。因此， 在舍弃了很多专题的同时也涉及了更多其他的专题， 毫无疑问， 我个人的取舍很大程度上影响了这本书。我还要感谢两位特别的同事的意见和帮助， 他们分别是多伦多大学的Harry Ruda和蒙特利尔工程学院的Raman Kashyap。 我们认识很久了， 这两位绅士阅读了很多手稿， 并在最终的版本中提出了宝贵建议。没有一书是完美的， 我只能在读者的参与下不断改进、 完善， 请广大读者给予批评指正。尽管无法逐一回复评论和建议， 我确实会阅读所有的邮件信息并采纳好的建议和意见。 实际上第一版就有很多教师写信帮我指出一些改进方案， 以及很多我个人无法完全消除的错误， 希望第二版能更好地满足他们的要求。有个经典的古老格言这样说（有点意译）：“一个好的图抵得上一千字， 但糟糕的图需要一千字来解释。”我用了一个称为“帆布”（Canvas）的软件包尽可能清晰地绘制第二版中几乎所有的艺术线条图， 如果有错误都是我的过失， 如果发现图表有误请给我发邮件。所有第三方图片和照片都经过授权， 非常感谢培生教育集团能从版权持有人那里帮我认真获取这些授权。如果对第二版还满意， 甚至期待第3版， 请直接将评价和推荐发给培生高等教育集团的电气工程主管编辑， 地址是：One Lake Street, Upper Saddle River, NJ 07458, USA。要让我们听到您的心声， 这是最好的方式了。Safa [email protected]萨斯卡通（Saskatoon）(2012年3月)