1.1 锗的性质与应用

锗作为一种典型的半导体，在红外波段(gt;1900nm)几乎透明，并且有着非常理想的光学性质，因此锗在光学器件中有着广泛的应用。其中应用最广的领域是红外光学领域。锗在中红外范围下，具有红外折射率高，红外透过波段范围宽，吸收系数小，色散率低等优点，主要用于制造军用红外装置的窗口、透镜、棱镜与滤光片的材料。而在近红外范围下，锗对近红外光又具有较强的吸收，可以用于制造红外探测器和红外成像仪的材料。

由于锗的光学常数受外界物理场的影响较大，常被用于制作光学传感器件，根据其温度与折射率的关系可以制作出温度传感器；根据其压力与折射率的关系可以制作出压力传感器。但是根据文献报道，锗的光学性质易受电场的影响，这就导致基于锗的光学传感器在某些应用场景里无法正常使用，比如对输变电设备进行监测，因此需要对锗在强电场环境下的光学常数进行研究。

随着科技的发展, 光导纤维的应用越来越多,光纤具有损耗低、容量大的特点, 在信息传递中起到重要的作用。由于光纤通信的主要传输波长在1550nm附近，若光纤材料在这一波长下吸收系数小，则可以减小光信号在光纤中传输时的损耗。锗的吸收边在1550nm附近，所以对锗在吸收边附近的光学性质的研究对于其在光纤传感中的应用有着重要的指导意义。目前掺锗光纤具有容量大、光损小、色散低、传输距离长等优良特性。

1.2锗电光效应研究现状

电光效应即在外加电场的条件下，引起材料的折射率、吸收系数的变化。可以分为两大类，一是电场直接引起介电常数的变化，其中涉及到的效应有pockels效应、Kerr效应等等；二是电场间接引起介质的光学常数比如光学折射率的变化，主要涉及到弗朗兹-凯尔迪什效应，还有等离子体色散效应。

关于锗的电光效应，特别是对于吸收边附近，相关的论文报道比较少，在2012年，M.Schmid等人利用硅基锗PIN管测量了锗在0.6eV到1.2eV,即其直接带隙附近，不同温度下的弗朗兹-凯尔迪什效应，文中得到的结论是锗的吸收系数的改变量Δα与电场能量E的关系是成周期性变化的，这种变化符合艾里函数分布，也就是说，在电场能量小于禁带宽度Eg时，吸收系数的改变量随着能量的增大而成指数增长；当电场能量大于禁带宽度时，吸收系数的改变量随着能量的增大而呈现正弦衰减的现象，而且吸收系数的改变量随着电场强度的增大而增大。

通过查阅文献，发现目前对于半导体锗的研究，相对缺乏了对锗吸收边附近的相关研究，此次课题就是在前人的基础上，对锗吸收边附近的电光效应做进一步研究。

1.3研究目的及意义

此次研究方向，就是研究在外电场条件下，锗在吸收边附近的一系列电光效应，主要是间接电光效应，即电场对锗的光学折射率的的影响。参考前人的文献资料，经过进一步的分析推导得出在外加电压的条件下，锗在吸收边附近的折射率、吸收系数等光学常数与外加电场的关系。

通过研究在外电场条件下，锗吸收边附近的光学常数的变化规律，我们就能合理的利用外加电场，将锗的吸收波长红移，从而对锗在红外器件的应用有着一定意义。锗的吸收边正好在1550nm附近，故研究出锗在吸收边的电光效应更有利于锗在通信方面的应用。另外半导体的电光效应是研究半导体性能的重要部分，而且本次研究是在前人很少研究的领域，即在吸收边附近，锗的光学常数受电场的影响，通过此次研究可以对半导体的性能有更加全面的了解。

除此之外，研究半导体的电光效应对于电光器件的设计十分重要，电光器件的一个重要特点是：可以利用相关的电光效应原理，改变电场强度，从而来调节传输光的光强度和相位信息。我们对锗的吸收边附近的电光效应的研究，对于电光调制器，电吸收调制器的相关设计有着非常重要的意义。

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容

锗是常用的红外光学材料，也是性能优异的敏感材料。关于锗在吸收区和透明区光学性质的研究已经有很多，但是吸收边附近的光学参数的理论模型和实验数据都非常缺乏，尤其对于外加电场下锗的光学参数的研究。通常认为，理想半导体中的电子不可能稳定存在于导体和价带之间，但是从量子力学的观点来看，由于隧穿效应的存在，导带和价带之间任一点都存在电子或空穴的概率，只不过通常这个概率非常小而已。弗朗兹-凯迪尔什效应认为，在半导体材料上施加电场，电子隧穿的概率会大大提高，即在导带和价带之间发现电子或空穴的概率增加，特别是在带边附近。从光子协助电子跃迁的角度来看，这意味着低于禁带宽度Eg的光子在电场的协助下，也能引起电子跃迁，从而影响材料的吸收边，将使吸收光谱向长波长方向移动，或者引起明显的吸收带尾。由于对这种类似周期性变化规律的原理并不了解，因此强电场条件下锗半导体材料的吸收系数与折射率存在一定的未知性，成为研究半导体薄膜在强电场环境中应用的障碍。