光電子學(xué)
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2025-11-10
光電子學(xué)的實(shí)例教程
【引言】
以氮化鎵，碳化硅和氧化鋅等為代表的第三代半導(dǎo)體材料已經(jīng)在消費(fèi)電子，5G通訊，電動(dòng)汽車，光電通信等諸多新興領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。這些寬禁帶材料同時(shí)也具有非中心對(duì)稱的晶體結(jié)構(gòu)，因而表現(xiàn)出顯著的壓電特性。然而這些材料中壓電極化電荷和半導(dǎo)體特性的耦合過(guò)程長(zhǎng)期以來(lái)被忽略。
針對(duì)壓電半導(dǎo)體中極化電荷和半導(dǎo)體特性耦合過(guò)程的研究和應(yīng)用，佐治亞理工學(xué)院及中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所的王中林院士分別于2007年和2010年首次提出壓電電子學(xué)和壓電光電子學(xué)的基本概念和原理，并建立了壓電電子學(xué)和壓電光電子學(xué)這兩大新興學(xué)科。在壓電電子學(xué)效應(yīng)中，壓電半導(dǎo)體材料受機(jī)械作用產(chǎn)生的極化電荷對(duì)金屬-半導(dǎo)體肖特基結(jié)或p-n結(jié)界面處的載流子傳輸過(guò)程進(jìn)行有效調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了將外部機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閴弘?em>電子學(xué)器件（例如晶體管，邏輯電路等）中的門控信號(hào)。在壓電光電子電子學(xué)效應(yīng)中，壓電半導(dǎo)體材料受機(jī)械作用產(chǎn)生的極化電荷對(duì)光生載流子的產(chǎn)生，復(fù)合，分離以及輸運(yùn)的過(guò)程進(jìn)行有效調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了將外部機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閴弘?em>光電子學(xué)器件（例如光電探測(cè)器，發(fā)光二極管等）中的門控信號(hào)。
壓電電子學(xué)和壓電光電子學(xué)不僅提供了豐富的基礎(chǔ)研究機(jī)會(huì)，并在人機(jī)交互、微納機(jī)電器件、傳感和自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，人工智能等領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景，由此激發(fā)了科研人員在這個(gè)領(lǐng)域的研究興趣。近年來(lái)對(duì)于壓電電子學(xué)和壓電光電子學(xué)的基礎(chǔ)及應(yīng)用研究取得了快速地發(fā)展。多種功能材料中的壓電電子學(xué)和壓電光電子學(xué)的基本效應(yīng)得到了系統(tǒng)深入地研究，相關(guān)的理論體系得以建立，諸多壓電電子學(xué)和壓電光電子學(xué)器件也被設(shè)計(jì)研發(fā)。為增進(jìn)研究者們對(duì)壓電電子學(xué)與壓電光電子學(xué)的理解以推進(jìn)其實(shí)際應(yīng)用，王中林院士組織領(lǐng)域內(nèi)研究者在2018年12月的美國(guó)材料學(xué)會(huì)會(huì)刊（MRS Bulletin）上撰寫了主題為“壓電電子學(xué)和壓電光電子學(xué)”的專刊。
展開 光電子學(xué)（optoelectronic或optronics）絕不僅僅是光子學(xué)的一個(gè)子領(lǐng)域，而是光學(xué)和電子學(xué)交叉領(lǐng)域的關(guān)鍵學(xué)科，推動(dòng)著通信、成像、傳感和能源等領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展。盡管光電子學(xué)位于兩個(gè)物理領(lǐng)域的交叉地帶，但同時(shí)又具有其獨(dú)特的器件體系，主要涉及光的發(fā)射或探測(cè)。
就此而言，光電器件（optoelectronic devices）要么使用光信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電輸出，要么采用電輸入并將其轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。光電器件也可以歸類為能量轉(zhuǎn)
這類器件對(duì)于許多高科技行業(yè)都至關(guān)重要，包括汽車、軍事和國(guó)防、航空航天、能源、醫(yī)療、消費(fèi)類電子和電信行業(yè)。
當(dāng)今的一些主要光電組件包括：
光電二極管
激光二極管
發(fā)光二極管（LED）和micro-LED
光敏電阻
太陽(yáng)能電池（光伏器件）
光纖電纜
光電晶體管
光電探測(cè)器
在這些行業(yè)中，光電器件廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，包括：
攝像頭
醫(yī)療成像/醫(yī)療傳感器（內(nèi)窺鏡等）
醫(yī)療診斷（心率監(jiān)測(cè)器等）
激光雷達(dá)和其他汽車傳感器
顯示器
遠(yuǎn)程制導(dǎo)系統(tǒng)
激光
日常電子產(chǎn)品，從智能手機(jī)和智能手表到LED照明、咖啡機(jī)和現(xiàn)代家用電器
光敏開關(guān)設(shè)備
激光打印機(jī)
“光電子學(xué)”與“電子學(xué)和光學(xué)”
傳統(tǒng)的半導(dǎo)體電子學(xué)和光學(xué)系統(tǒng)，使用電子來(lái)傳輸電磁信息信號(hào)。光電子學(xué)與傳統(tǒng)電子學(xué)有所不同，因?yàn)樗€包含來(lái)自光的信息，涵蓋紫外線、可見(jiàn)光和紅外波長(zhǎng)。
不同于對(duì)光進(jìn)行被動(dòng)調(diào)制的純光學(xué)系統(tǒng)（如反射鏡、透鏡和濾光片），光電器件會(huì)主動(dòng)地轉(zhuǎn)換光信號(hào)和電信號(hào)，從而為攝像頭、光纖、激光和光電探測(cè)器等技術(shù)提供支持。這些器件能夠更直接地與穿過(guò)光學(xué)元件的光波的電磁場(chǎng)相互作用，例如與偏振相互作用。
展開 【引言】
近年來(lái)，壓電光電子學(xué)效應(yīng)廣泛被用于各類半導(dǎo)體光電器件的性能調(diào)制，包括：太陽(yáng)能電池、發(fā)光二極管、光電二極管和光探測(cè)器等。然而，關(guān)于壓電光電子學(xué)效應(yīng)在不同器件結(jié)構(gòu)和材料體系的半導(dǎo)體光電器件中的調(diào)制作用機(jī)制研究還鮮見(jiàn)報(bào)道。更重要的是，壓電光電子學(xué)效應(yīng)不僅會(huì)產(chǎn)生使器件性能增強(qiáng)的作用，還可能會(huì)產(chǎn)生使器件性能削弱的作用，極大地限制了壓電光電子學(xué)效應(yīng)能夠達(dá)到的器件性能增強(qiáng)的最大幅度。
【成果簡(jiǎn)介】
近日，在西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院微電子學(xué)院賀永寧教授和彭文博博士講師的指導(dǎo)下，潘子健和李芳沛等研究成員以異型和同型異質(zhì)結(jié)光電二極管為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)比壓電光電子學(xué)效應(yīng)在兩種異質(zhì)結(jié)光電二極管器件中的性能調(diào)制作用，系統(tǒng)地研究了不同器件結(jié)構(gòu)對(duì)壓電光電子學(xué)效應(yīng)的影響。研究結(jié)果表明，壓電光電子學(xué)效應(yīng)能使p-n異型異質(zhì)結(jié)光電二極管器件的性能增強(qiáng)約150%，而僅能使n-n同型異質(zhì)結(jié)光電二極管器件的性能增強(qiáng)約55%。通過(guò)系統(tǒng)地分析壓電電荷對(duì)兩種器件能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)制作用，發(fā)現(xiàn)：壓電光電子學(xué)效應(yīng)在p-n異型異質(zhì)結(jié)光電二極管器件中引入了兩種增強(qiáng)器件性能的正效應(yīng)，而其在n-n同型異質(zhì)結(jié)光電二極管器件中不僅引入了一種增強(qiáng)器件性能的正效應(yīng)，還引入了兩種削弱器件性能的負(fù)效應(yīng)，因此壓電光電子學(xué)效應(yīng)對(duì)前者的性能增強(qiáng)作用更顯著。此外，有限元仿真結(jié)果表明壓電光電子學(xué)效應(yīng)對(duì)p-p同型異質(zhì)結(jié)光電二極管器件性能的調(diào)制作用與其對(duì)n-n同型異質(zhì)結(jié)光電二極管器件性能的調(diào)制作用類似。
展開 光電子技術(shù)科學(xué)是光電信息產(chǎn)業(yè)的支柱與基礎(chǔ)，涉及光電子學(xué)、光學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等前沿學(xué)科理論，是多學(xué)科相互滲透、相互交叉而形成的高新技術(shù)學(xué)科。
光子學(xué)也可稱光電子學(xué)，它是研究以光子作為信息載體和能量載體的科學(xué)，主要研究光子是如何產(chǎn)生及其運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)化的規(guī)律。所謂光子技術(shù)，主要是研究光子的產(chǎn)生、傳輸、控制和探測(cè)的科學(xué)技術(shù)。現(xiàn)在光子學(xué)和光子技術(shù)在信息、能源、材料、航空航天、生命科學(xué)和環(huán)境科學(xué)技術(shù)中的廣泛應(yīng)用，必將促進(jìn)光子產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展。光電子學(xué)是指光波波段，即紅外線、可見(jiàn)光、紫外線和軟X射線（頻率范圍3×1011Hz~3×1016Hz或波長(zhǎng)范圍1mm~10nm）波段的電子學(xué)。光電子技術(shù)在經(jīng)過(guò)80年代與其相關(guān)技術(shù)相互交叉滲透之后，90年代，其技術(shù)和應(yīng)用取得了飛速發(fā)展，在社會(huì)信息化中起著越來(lái)越重要的作用。光電子技術(shù)研究熱點(diǎn)是在光通信領(lǐng)域，這對(duì)全球的信息高速公路的建設(shè)以及國(guó)家經(jīng)濟(jì)和科技持續(xù)發(fā)展起著舉足輕重的推動(dòng)作用。國(guó)內(nèi)外正掀起一股光子學(xué)和光子產(chǎn)業(yè)的熱潮。光電子技術(shù)是光學(xué)技術(shù)和電子學(xué)技術(shù)的融合，靠光子和電子的共同行為來(lái)執(zhí)行其功能，是世紀(jì)之交繼微電子技術(shù)之后迅速興起的一個(gè)高科技領(lǐng)域，在當(dāng)今信息時(shí)代愈發(fā)占有重要的關(guān)鍵地位。它圍繞著光信號(hào)的產(chǎn)生、傳輸、處理和接收，涵蓋了新材料（新型發(fā)光感光材料，非線性光學(xué)材料，襯底材料、傳輸材料和人工材料的微結(jié)構(gòu)等）、微加工和微機(jī)電、器件和系統(tǒng)集成等一系列從基礎(chǔ)到應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域。光電子技術(shù)科學(xué)是光電信息產(chǎn)業(yè)的支柱與基礎(chǔ)，涉及光電子學(xué)、光學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等前沿學(xué)科理論，是多學(xué)科相互滲透、相互交叉而形成的高新技術(shù)學(xué)科。光電子技術(shù)是繼微電子技術(shù)之后近30年來(lái)迅猛發(fā)展的綜合性高新技術(shù)。1962年半導(dǎo)體激光器的誕生是近代科學(xué)技術(shù)史上一個(gè)重大事件。
展開 集成光學(xué)是在光電子學(xué)和微電子學(xué)基礎(chǔ)上，采用集成方法研究和發(fā)展光學(xué)器件和混合光學(xué)電子學(xué)器件系統(tǒng)的一門新的學(xué)科。集成光學(xué)的理論基礎(chǔ)是光學(xué)和光電子學(xué)，涉及波動(dòng)光學(xué)與信息光學(xué)、非線性光學(xué)、半導(dǎo)體光電子學(xué)、晶體光學(xué)、薄膜光學(xué)、導(dǎo)波光學(xué)、耦合模與參量作用理論、薄膜光波導(dǎo)器件和體系等多方面的現(xiàn)代光學(xué)內(nèi)容；其工藝基礎(chǔ)則主要是薄膜技術(shù)和微電子工藝技術(shù)。集成光學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，除了光纖通信、光纖傳感技術(shù)、光學(xué)信息處理、光計(jì)算機(jī)與光存儲(chǔ)等之外，還有其他領(lǐng)域，如材料科學(xué)研究、光學(xué)儀器、光譜研究等。
一、集成光學(xué)優(yōu)點(diǎn)
1.與離散光學(xué)器件系統(tǒng)的比較
離散光學(xué)器件是將體型光學(xué)器件固定在大型的平臺(tái)或光具座上，構(gòu)成光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的大小大約是1m2的數(shù)量級(jí)，光束的粗細(xì)大約為1cm的程度。除了體積龐大之外，組裝、調(diào)整也比較困難。集成光學(xué)系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：
①.光波在光波導(dǎo)中傳播，光波容易控制和保持其能量。
②.集成化帶來(lái)的穩(wěn)固定位。如上所述，集成光學(xué)期待在同一塊襯底上制作若干個(gè)器件，因而不存在離散光學(xué)器件所具有的組裝問(wèn)題，這樣就可以保持穩(wěn)定的組合，從而它對(duì)振動(dòng)和溫度等環(huán)境因素的適應(yīng)性也比較強(qiáng)。
③.器件尺寸和相互作用長(zhǎng)度縮短；相關(guān)的電子器件的工作電壓也較低。
④.功率密度高。沿波導(dǎo)傳輸?shù)?em>光被限制在狹小的局部空間，導(dǎo)致較高的光功率密度，容易達(dá)到必要的器件工作閾值和利用非線性光學(xué)效應(yīng)工作。
⑤.集成光學(xué)器件一般集成在厘米尺度的襯底上，其體積小，重量輕。
2.與集成電路的比較
光集成的優(yōu)點(diǎn)可以分為兩個(gè)方面，其一是用集成光學(xué)體系（集成光路）代替集成電子體系（集成電路）；其二則與導(dǎo)光波的光學(xué)纖維和介質(zhì)平面光波導(dǎo)代替電線或者同軸電纜傳輸信號(hào)有關(guān)。
在集成光路上，各光學(xué)元件形成在一個(gè)晶片襯底上，用襯底內(nèi)部或表面上形成的光波導(dǎo)連接起來(lái)。
展開 
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光電子學(xué)的最新內(nèi)容
從事硅基光電子學(xué)研究二十余年，研制出硅基和氮化硅基陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器件，性能達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。承擔(dān)863計(jì)劃、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目10余項(xiàng)，發(fā)表SCI論文60余篇，申請(qǐng)發(fā)明專利10余項(xiàng)。獲得教育部自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，排名第四。目前擔(dān)任中法PHOTONET光電子國(guó)際合作研究網(wǎng)絡(luò)中方聯(lián)絡(luò)人、《半導(dǎo)體光電》期刊編委。
Ansys | 什么是光電子學(xué)？1個(gè)月前
光電子學(xué)與電光學(xué)
光電子學(xué)也與電光器件相關(guān)，但這兩類光-電混合器件之間存在一定區(qū)別。
光電器件和電光器件都可以與光波和電場(chǎng)相互作用，但它們的相互作用方式有所不同。光電器件可以實(shí)現(xiàn)電信號(hào)與光信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換，而電光器件的核心在于電場(chǎng)如何利用器件中材料的光學(xué)屬性來(lái)控制、調(diào)制和操縱光。電光器件的一些示例包括光開關(guān)、調(diào)制器和高頻放大器。
[3] 周治平.硅基光電子學(xué)[M].科學(xué)出版社,2021.
[4] 牛超群, 龐雅青, 劉智, 等. 中紅外硅基調(diào)制器研究進(jìn)展 (特邀)[J]. 紅外與激光工程, 2022, 51(3): 20220021-1-20220021-11.
[5] 夏鵬輝. 高速硅光調(diào)制器及其集成芯片研究[D]. 浙江大學(xué), 2023.
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參考文獻(xiàn)：
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Broadband optical modulators: science, technology, and applications[J]. 2011.
Petrov V M, Agruzov P M, Lebedev V V, et al.
【Lumerical系列】無(wú)源器件-端面耦合器1丨綜述4個(gè)月前
深圳市摩爾芯創(chuàng)科技有限公司（MoorEDA Technology Limited）專注于為硅基光電子、電力電子、高科技半導(dǎo)體等行業(yè)提供先進(jìn)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）和計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）協(xié)同解決方案；提供從光學(xué)、光電子學(xué)、電磁場(chǎng)、結(jié)構(gòu)、流體、多物理場(chǎng)耦合等全面的工業(yè)軟件應(yīng)用解決方案和咨詢服務(wù)。
【Lumerical系列】無(wú)源器件-端面耦合器1丨綜述4個(gè)月前
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Lumerical光子集成電路光電元件設(shè)計(jì)4個(gè)月前
深圳市摩爾芯創(chuàng)科技有限公司提供從光學(xué)、光電子學(xué)、電磁場(chǎng)、結(jié)構(gòu)、流體、多物理場(chǎng)耦合等全面的工業(yè)軟件應(yīng)用解決方案，歡迎聯(lián)系申請(qǐng)軟件試用。
參考
1.Xu Wang, et al., Opt. Lett., 39, 5519 (2014) https://doi.org/10.1364/OL.39.005519
2.R.
激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2023, 60(9): 0922001.
Ansys Lumerical | 光子 PDK 合作代工廠速覽4個(gè)月前
深圳市摩爾芯創(chuàng)科技有限公司（MoorEDA Technology Limited）專注于為硅基光電子、電力電子、高科技半導(dǎo)體等行業(yè)提供先進(jìn)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）和計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）協(xié)同解決方案；提供從光學(xué)、光電子學(xué)、電磁場(chǎng)、結(jié)構(gòu)、流體、多物理場(chǎng)耦合等全面的工業(yè)軟件應(yīng)用解決方案和咨詢服務(wù)。
