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第1章 概述和理论基础 1

1.1 概述 1

1.1.1 光子学 1

1.1.2 光电子学 3

1.1.3 光电子器件进展情况 5

1.1.4 光电系统发展概况 8

1.2 光的本质 13

1.2.1 光的波动性 13

1.2.2 光的粒子性 14

1.3 均匀介质中的光波 16

1.3.1 平面电磁波 16

1.3.2 麦克斯韦波动方程 18

1.3.3 相速度和折射率 19

1.3.4 群速度和群折射率 21

1.4 相干 23

1.5 光电子学基础知识 25

1.5.1 能带理论 25

1.5.2 半导体对光的吸收 27

1.5.3 载流子的产生、复合、扩散和漂移 29

1.6 复习思考题和习题 31

第2章 光波在光纤波导中的传输 32

2.1 光与介质的相互作用 32

2.1.1 斯奈尔定律和全反射 32

2.1.2 内／外反射 34

2.1.3 抗反射膜 39

2.1.4 古斯-汉森相移和分光镜 40

2.2 平板介质波导 41

2.2.1 光波在波导中传输的条件——全反射和相长干涉 41

2.2.2 单模和多模平板波导——V参数 42

2.2.3 TE模、TM模和HE模 43

2.3 光线光学分析光纤传光原理 44

2.3.1 渐变（GI）多模光纤传光原理 45

2.3.2 数值孔径和受光范围 46

2.3.3 光线光学分析光纤模式 48

2.4 导波光学分析光纤传光原理 50

2.5 光纤的基本特性 54

2.5.1 基模传输条件 54

2.5.2 场结构和模式兼并 55

2.5.3 双折射效应和偏振特性 55

2.5.4 模场半径 56

2.5.5 纤芯和包层中的光功率分配 57

2.6 光纤的传输特性 58

2.6.1 光纤色散 58

2.6.2 光纤衰减 60

2.6.3 光纤比特率 61

2.6.4 光纤带宽 62

2.7 光纤衰减的补偿——掺铒光纤放大器 63

2.7.1 掺铒光纤放大器的构成 63

2.7.2 EDFA工作原理及其特性 64

2.8 复习思考题和习题 67

第3章 光的干涉及衍射 69

3.1 光的干涉及应用 69

3.1.1 从机械谐振到光学谐振 69

3.1.2 法布里-珀罗光学谐振腔 71

3.1.3 固体激光器 74

3.1.4 气体激光器 76

3.1.5 染料激光器 77

3.1.6 化学激光器 78

3.1.7 碱金属蒸气激光器 78

3.1.8 法布里-珀罗滤波器 79

3.1.9 半导体激光器 82

3.1.10 半导体光放大器——没有反馈的F-P光学谐振腔 86

3.1.11 马赫-曾德尔滤波器 88

3.1.12 马赫-曾德尔干涉滤波复用／解复用器 89

3.1.13 从电介质镜到光子晶体 90

3.1.14 介质薄膜光滤波解复用器 91

3.1.15 自由电子激光器 92

3.2 光的衍射及应用 94

3.2.1 夫琅和费衍射 94

3.2.2 衍射光栅 96

3.2.3 反射光栅解复用器 98

3.2.4 阵列SOA集成光栅腔体波长可调激光器 99

3.2.5 布拉格光栅 100

3.2.6 光纤光栅滤波器 100

3.2.7 分布反馈激光器——布拉格光栅的应用 101

3.2.8 波长可调激光器／光放大器 104

3.2.9 垂直腔表面发射激光器 105

3.2.10 光纤激光器 106

3.3 阵列波导光栅器件 109

3.3.1 AWG星形耦合器 109

3.3.2 阵列波导光栅（AWG）的工作原理 110

3.3.3 AWG复用／解复用器 112

3.3.4 AWG多频激光器 113

3.3.5 AWG滤波器 114

3.3.6 AWG光分插复用器 115

3.3.7 AWG PLC多信道光接收机 116

3.3.8 AWG用于LED频谱分割多波长光源 117

3.3.9 AWG用于ONU无色WDM-PON 117

3.4 光纤转速传感器——光纤陀螺 118

3.4.1 真空中的萨格奈克效应 118

3.4.2 光纤中的萨格奈克效应 119

3.4.3 光纤陀螺 121

3.5 全息技术 125

3.6 复习思考题和习题 126

第4章 光的偏振及应用 128

4.1 偏振的基本概念 128

4.2 光纤的偏振特性和偏振模色散 130

4.3 偏振复用／相干接收技术和系统 131

4.3.1 相干检测偏振分集接收 131

4.3.2 偏振复用／相干接收传输系统 132

4.3.3 偏振复用／相干接收无中继传输试验系统 133

4.4 偏振复用的应用 135

4.4.1 偏振复用正交频分复用（OFDM）光纤传输系统 135

4.4.2 偏振复用将低速信号提升到高速信号 135

4.4.3 偏振复用提高光信噪比 137

4.4.4 偏光式3D眼镜 137

4.5 复习思考题 138

第5章 光的双折射效应及应用 139

5.1 光的双折射效应 139

5.1.1 各向同性材料和各向异性材料 139

5.1.2 光的双折射效应原理 139

5.1.3 双折射的几种特例 140

5.1.4 晶体的双色性 141

5.1.5 光纤双折射效应 142

5.2 双折射器件——偏振器件 142

5.2.1 相位延迟片和相位补偿器 142

5.2.2 起偏器和检偏器 144

5.2.3 尼科尔棱镜——一种起偏器 145

5.2.4 渥拉斯顿棱镜——一种偏振分光器 146

5.2.5 偏振控制器 146

5.3 液晶显示器件——双折射和偏振的应用 147

5.3.1 液晶的双折射效应和偏振特性 147

5.3.2 扭曲向列型液晶显示器件 150

5.3.3 超扭曲向列型液晶显示器件 154

5.3.4 有源矩阵液晶显示器件 156

5.3.5 快门式3D眼镜 158

5.3.6 液晶显示器的应用及前景 159

5.4 复习思考题和习题 159

第6章 光电效应及应用 161

6.1 光探测概述 161

6.1.1 光探测原理 161

6.1.2 响应度和量子效率 162

6.1.3 响应带宽 162

6.2 光探测器 163

6.2.1 PIN光敏二极管 163

6.2.2 雪崩光敏二极管 167

6.2.3 单行载流子光探测器 168

6.2.4 波导光探测器 169

6.2.5 行波探测器 171

6.2.6 肖特基结光探测器 173

6.2.7 紫外探测器 176

6.2.8 光敏晶体管 177

6.2.9 光敏二极管负载线及前置放大器 178

6.3 光伏电池 180

6.3.1 光伏电池概述 180

6.3.2 光伏电池发展历史 182

6.3.3 光伏电池工作原理 182

6.3.4 光伏电池I-U特性 186

6.3.5 光伏电池的等效电路 190

6.3.6 光伏电池的并联和串联 191

6.3.7 温度对光伏电池的影响 194

6.3.8 光伏电池材料、器件和提高效率的措施 195

6.3.9 聚光光伏电池 199

6.3.10 商用光伏电池技术指标和特性曲线 201

6.4 复习思考题和习题 202

第7章 电光／磁光／声光效应及应用 204

7.1 电光效应及器件 204

7.1.1 电光效应 204

7.1.2 电光调制器工作原理 206

7.1.3 电光强度调制器 206

7.1.4 电光相位调制器 208

7.1.5 马赫-曾德尔幅度调制器 209

7.1.6 QPSK光调制器 210

7.1.7 电光开关 211

7.2 热电效应及热光开关 211

7.3 磁光效应及其器件 212

7.3.1 磁光效应 212

7.3.2 磁光开关 213

7.3.3 光隔离器 213

7.3.4 磁光波导光隔离器 215

7.3.5 光环形器 216

7.4 声光效应及其器件 218

7.4.1 声光效应及声光滤波器 218

7.4.2 声光调制器 220

7.4.3 声光开关 222

7.5 复习思考题和习题 222

第8章 非线性光学效应及应用 224

8.1 非线性光学效应 224

8.1.1 非线性光学效应的概念 224

8.1.2 几种光纤非线性光学效应 225

8.2 光纤拉曼放大器 228

8.2.1 光纤拉曼放大器的工作原理 228

8.2.2 拉曼增益和带宽 229

8.2.3 放大倍数和增益饱和 230

8.2.4 噪声指数 231

8.2.5 多波长泵浦增益带宽 232

8.2.6 光纤拉曼放大技术应用 233

8.3 光纤孤子通信 234

8.3.1 基本概念 234

8.3.2 光孤子通信实验系统 234

8.4 波长转换器 236

8.5 复习思考题 237

第9章 光热／光电导／光电荷效应及应用 238

9.1 光热效应及其器件 238

9.1.1 热敏效应——热敏电阻 238

9.1.2 温差电效应——热电偶原理 238

9.1.3 热释电效应——热释电探测器 239

9.2 光电导效应及应用 241

9.2.1 光敏电阻的工作原理 241

9.2.2 光敏电阻的特性 242

9.2.3 光敏电阻的偏置电路 244

9.2.4 光敏电阻的种类和应用 245

9.3 光电荷效应及应用 247

9.3.1 电荷藕合器件（CCD）的工作原理 247

9.3.2 电荷耦合摄像器件的工作原理 249

9.3.3 CCD的应用 251

9.3.4 CMOS图像传感器 251

9.3.5 图像传感器系统及色彩分离技术 253

9.3.6 CMOS和CCD摄像器件的比较 255

9.3.7 光子效应器件汇总 256

9.4 红外热成像技术 258

9.4.1 热成像机理 258

9.4.2 热探测器、光电转换和制冷 258

9.4.3 热成像装置的组成及工作原理 261

9.4.4 焦平面阵列红外探测器 262

9.5 红外技术的应用 263

9.5.1 红外侦察 263

9.5.2 红外遥感 263

9.5.3 红外告警 264

9.5.4 红外跟踪 264

9.5.5 红外制导 264

9.5.6 红外测温 266

9.5.7 红外医疗 267

9.5.8 其他应用 267

9.6 复习思考题和习题 268

第10章 发光及其显示器件 269

10.1 电致发光和光致发光 269

10.1.1 发光二极管的发光机理 269

10.1.2 LED材料和结构 270

10.1.3 光致发光——磷光体、白光LED、CRT和等离子体 272

10.1.4 LED的主要特性和应用 274

10.2 电致发光显示器件 275

10.2.1 薄膜电致发光显示 275

10.2.2 厚膜／薄膜混合电致发光显示 277

10.2.3 粉末电致发光显示 278

10.3 有机电致发光显示器件 278

10.3.1 OLED器件的结构 279

10.3.2 OLED显示的工作原理 279

10.3.3 有源矩阵OLED显示器件 280

10.4 电致发光显示器件的应用和发展前景 281

10.5 复习思考题 281

附录 282

附录A 名词术语索引 282

附录B 内容索引 292

附录C 符号注释 294

参考文献 298