第1章 概述及理论基础.ppt

光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著 * 图1.5.6 载流子的扩散和漂移 （a）光生载流子在N区和P区浓度不均匀引起扩散 （b）内部电场引起载流子漂移 载流子因浓度不均匀而发生的定向运动称为扩散； 载流子受电场的作用所发生的运动称为漂移。 * * 我 光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著 * 光程差产生相位差 光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著 * 相位差 我们经常对光波上给定时间被一定的距离分开的两点间的相位差感兴趣； 比如由马赫-曾德尔（MZ）干涉仪构成的滤波器、复用/解复用器和调制器，由阵列波导光栅（AWG）构成的诸多器件（滤波器、波分复用/解复用器、光分插复用器和波长可调/多频激光器等），以及由电光效应制成的外调制器和由热光效应制成的热光开关等； 它们的工作原理均用到这一相位差的概念，所以大家要特别给以关注，本书以后有关章节也会经常用到这一概念，并使用式（1.3.4）。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著 * 1.3.2 麦克斯韦波动方程 本质上，光是一种电磁波，一种密切相关的电场和磁场交替变化形成的偏振横波，它是电波和磁波的结合，由麦克斯韦于1867年证实。光的传播就是通过电场、磁场的状态随时间变化的规律表现出来。麦克斯韦把这种变化列成了数学方程，后来人们就叫它为麦克斯韦波动方程，这种统一电磁波的理论获得了极大的成功。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著 * 图1.3.3 电磁波的种类 （a）平面波 （b）球面波 （c）扩散波 通常波前用相位2? 或一个波长?来分开。波矢量k是波前表面P点的法线，它表示波从P点传播的方向，显然，每一点的传播矢量都是平行的。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著 * 图1.3.4 沿z方向传播的高斯光束 光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著 * 1.3.3 相速度和折射率 当电磁波在介质中传播时，振荡的电场以其波动频率极化介质的分子，产生分子偶极子。 分子偶极子在介质中的传播就是电磁波的传播。 电场和它引入的分子偶极子共轭存在，其影响是极化基理使电磁波在介质中传输要比在真空中传输延迟了一段时间。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著 * 相速度和介质折射率 光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著 * 图1.3.5 阶跃光纤波导的相速度和群速度 现在考虑传输模中的一条光线，如图1.3.5（a）所示，我们可以把电场E波矢量k分解成两个沿波导（z轴）的传输常数? 和k，光线在纤芯内以角度? 全反射，在介质中的光速? = c/n1，它是波矢量k传播的速度。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著 * 1.3.4 群速度和群折射率 光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著 * 实际上没有纯单色光，我们必须考虑波长稍微互不相同的一组光波沿z方向传输的情况。 当两个频率相差??的正弦波干涉时，它们相互作用的结果将产生一个光包络，即一个以中心频率?的振荡场，其幅度被频率为??的低频电场调制，最大幅度以波矢量?k运动，其速度称为群速度。 图1.3.6 波长略不相同的两个光波沿同一方向传输时干涉产生一个幅度以群速度运动的波包 光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著 * 图1.3.7 折射率 n 和群折射率 Ng 与波长的关系 请注意 ? = 1 300 nm 附近，群折射率 Ng 与 ? 几乎无关 光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著 * 1300 nm 附近的光以相同的群速度传播，而不会经受色散 光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著 * 例1.3.3 相速度、群折射率和群速度 光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著 * 1.4 光的相干 我们可以用下面的纯正弦波描述一个传播的电磁波 （1.4.1） 我们假定该电磁波无限扩展到所有的空间，并在所有的时间存在，如图1.4.1（a）所示。这样的纯正弦波是完全相干的，因为波上的所有点是可以预见的。完全相干可以这样理解它的含义，我们从波上某一部分的相位可以预见该波上任一其它部分的相位。例如在图1.4.1（a）中，在给定的空间位置，波形上被任一时间间隔分开的任意两点如P和Q总是相关的，因为我们可以从P点的相位预见到任一时间间隔Q点的相位，这就是时间相干。 光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著 * 图1.4.1 相干光、非相干光及其频谱 （a）正弦波是理想的相干波 (b) 非理想的正弦波，在部分时间相干 （c）白光是一种非相干光，它的频谱包括很宽的频率范围，它是理想的非相干光 。实际上的光