光電子技術(shù)及應(yīng)用結(jié)篇.ppt

激光器的物理原理,激光器組成及諧振腔的結(jié)構(gòu)與作用,激光的模式: 縱模-橫模,基本概念,形成穩(wěn)定激光振蕩的條件,基本概念:,1. 能級(jí) 2. 粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 3. 吸收 4. 自發(fā)輻射 5. 受激輻射,激光器的組成,1. 工作物質(zhì) 2. 諧振腔 3. 泵浦源,本實(shí)驗(yàn)室的YAG激光器的腔體結(jié)構(gòu)圖,激光器分類及其工作物質(zhì),固體激光器： 紅寶石激光，鈦寶石激光，銣玻璃激光 液體激光器：染料激光器 (可見光區(qū)寬范圍可調(diào)諧) 氣體激光器：He-Ne激光器，CO2激光器 半導(dǎo)體激光器：GaAs, AlGaAs , InGaAs（紅外局部可調(diào)諧） 光纖激光器: 摻稀土 自由電子激光器： 相對(duì)論電子 X射線激光器：類氦離子，類鋰離子,什么是發(fā)光二極管（LED）？,發(fā)光二極管是由數(shù)層很薄的攙雜半導(dǎo)體材料制成，一層帶過量的電子，另一層因缺乏電子而形成帶正電的“空穴”，當(dāng)有電流通過時(shí)，電子和空穴相互結(jié)合并釋放出能量，從而輻射出光芒。,光纖通信系統(tǒng)的基本組成,單向傳輸?shù)墓饫w通信系統(tǒng)，包括發(fā)射、接收和作為廣義信道的基本光纖傳輸系統(tǒng)。,基本光纖傳輸系統(tǒng)的三個(gè)組成部分,1、光發(fā)送機(jī) 組成框圖：,結(jié)構(gòu)參數(shù)：發(fā)送功率，dbm概念,光源光譜特性：輸出光功率足夠大，調(diào)制頻率足夠高，譜線寬度和光束發(fā)散角盡可能小，輸出功率和波長穩(wěn)定， 器件壽命長,光源： 發(fā)光二極管（LED）：自發(fā)輻射，輸出光功率小，譜寬，穩(wěn)定，長壽命（107），價(jià)低，適用于小容量、短距離傳輸系統(tǒng)。 激光二極管（LD）：受激輻射，輸出光功率大，譜窄，波長穩(wěn)定，長壽命（105至106），價(jià)高，適用于大容量、長距離傳輸系統(tǒng)。 光調(diào)制器：目前采用強(qiáng)度調(diào)制（由于光源頻譜不純，尚未實(shí)現(xiàn)相干光通信）；分內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制，對(duì)于數(shù)字調(diào)制，用光脈沖的有無代表數(shù)字信息（0和1）。,光發(fā)射機(jī),電信號(hào)對(duì)光的調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方式 直接調(diào)制 用電信號(hào)直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電流，使輸出光隨電信號(hào)變化而實(shí)現(xiàn)的。 這種方案技術(shù)簡單，成本較低，容易實(shí)現(xiàn)，但調(diào)制速率受激光器的頻率特性所限制。 外調(diào)制 把激光的產(chǎn)生和調(diào)制分開，用獨(dú)立的調(diào)制器調(diào)制激光器的輸出光而實(shí)現(xiàn)的。 外調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)制速率高，缺點(diǎn)是技術(shù)復(fù)雜，成本較高，因此只有在大容量的波分復(fù)用和相干光通信系統(tǒng)中使用。 ,圖 1.5兩種調(diào)制方案 (a) 直接調(diào)制； (b) 間接調(diào)制(外調(diào)制), 2. 光纖線路 功能：是把來自光發(fā)射機(jī)的光信號(hào)，以盡可能小的畸變(失真)和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C(jī) 組成:光纖、光纖接頭和光纖連接器 低損耗 “窗口”：普通石英光纖在近紅外波段，除雜質(zhì)吸收峰外，其損耗隨波長的增加而減小，在0.85 m、1.31 m和1.55 m有三個(gè)損耗很小的波長“窗口”，見后圖。 光源激光器的發(fā)射波長和光檢測(cè)器光電二極管的波長響應(yīng)，都要和光纖這三個(gè)波長窗口相一致。 目前在實(shí)驗(yàn)室條件下，1.55 m的損耗已達(dá)到0.154 dB/km， 接近石英光纖損耗的理論極限。,3、光接收機(jī) 功能：是把從光纖線路輸出、產(chǎn)生畸變和衰減的微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并經(jīng)放大和處理后恢復(fù)成發(fā)射前的電信號(hào) 組成部分：耦合器，光電檢測(cè)器，解調(diào)器 組成框圖：,結(jié)構(gòu)參數(shù)：接收機(jī)靈敏度，定為BER10-9條件下，所要 求的最小平無接收功率。 檢測(cè)方式：直接檢測(cè)和外差檢測(cè),光檢測(cè)器的功能：光信號(hào)的解調(diào)（O/E） 光檢測(cè)器的類型：PIN光電二極管、雪崩光電二極管（APD） 光接收機(jī)的靈敏度取決于噪聲特性（包括光檢測(cè)器的噪聲和電放大器的噪聲）和誤碼率指標(biāo) APD是有增益的光電二極管適用于靈敏度要求較高的場(chǎng)合，但需采用復(fù)雜的溫度補(bǔ)償電路，故成本高；在靈敏度要求不高的場(chǎng)合，宜采用PIN管。 光接收機(jī)中還有電的放大器、自動(dòng)增益控制電路、均衡再生電路等。,光接收機(jī),光接收機(jī)：光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，恢復(fù)光載波所攜帶的原信號(hào)。,光接收機(jī)的設(shè)計(jì)比光發(fā)送機(jī)設(shè)計(jì)要復(fù)雜得多，這是因?yàn)榻邮諜C(jī)必需首先檢測(cè)到微弱的失真信號(hào)，然后根據(jù)此放大的失真信號(hào)來判斷所傳輸數(shù)據(jù)的類型。,光接收機(jī)通常由光檢測(cè)器、前置放大器、主放大器和濾波器等組成，在數(shù)字光接收機(jī)中，還要增加判決、時(shí)鐘提取和自動(dòng)增益控制等電路。,液晶器件所基于的三種光學(xué)特性,由于液晶具有單軸晶體的光學(xué)各向異性，所以具有以下光學(xué)特性： 1）能使入射光沿液晶分子偶極矩的方向偏轉(zhuǎn)； 2）使入射的偏光狀態(tài)，及偏光軸方向發(fā)生變化； 3）使入射的左旋及右旋偏光產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的透過或反射。 液晶器件基本就是根據(jù)這三種光學(xué)特設(shè)計(jì)制造的。,（3）液晶的電光效應(yīng),液晶材料在施加電場(chǎng)（電流）時(shí)，其光學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱為液晶的電光效應(yīng)。 液晶的電光效應(yīng)在液晶顯示器的設(shè)計(jì)中被廣泛采用。目前發(fā)現(xiàn)的電光效應(yīng)種類很多，產(chǎn)生電光效應(yīng)的機(jī)理也較為復(fù)雜，但就其本質(zhì)來講都是液晶分子在電場(chǎng)作用下改變其分子排列或造成分子變形的結(jié)果。,激光顯示技術(shù)分為三種類型： （一）是激光陰極射線管LCRT（Laser Cathode Ray Tube），基本原理是用半導(dǎo)體激光器代替陰極射線顯像管的熒光屏來實(shí)現(xiàn)的一種新型顯示器件。 （二）是激光光閥顯示，基本原理是激光速僅用來改變某些材料（如液晶等）的光學(xué)參數(shù)（折射率或透過率），而再用另外的光源把這種光學(xué)參數(shù)變化而構(gòu)成的像投射到屏幕上，從而實(shí)現(xiàn)圖像顯示。 （三）是直觀式（點(diǎn)掃描）電視激光顯示，它是將經(jīng)過信號(hào)調(diào)制了的RGB三色激光束直接通過機(jī)械掃描方法偏轉(zhuǎn)掃描到顯示屏上。,光電成像器件,光電成像器件的發(fā)展、類型特性 光電成像原理與電視制式 真空攝像管 電荷耦合器件（CCD）,半導(dǎo)體結(jié)型光電器件,結(jié)型光電器件原理,圖6.1 p-n結(jié)的形成,一、熱平衡狀態(tài)下的p-n結(jié) 1、p-n結(jié)形成和幾個(gè)物理參數(shù) 形成過程：,二、光照下的p-n結(jié)： 1、p-n結(jié)光電效應(yīng)和兩種工作模式 1)p-n結(jié)光電效應(yīng),圖6.4 p-n結(jié)的光電效應(yīng),2)兩種工作模式 零電壓偏置：光照下無外加電壓，即光生伏效應(yīng)，稱光伏工作模式。,光電池,按用途分：,1、太陽能電池：用作電源 要求轉(zhuǎn)換率高，成本低；,2、測(cè)量用光電池：用于光電探測(cè) 要求線性范圍寬，光譜響應(yīng)合適，穩(wěn)定性好，壽命長,光電池一般工作在光生伏模式，也可工作在反向偏置模式，直接將光能轉(zhuǎn)換成電能。,一、光電池的原理及基本結(jié)構(gòu)： 1、原理：零偏置或反偏置下p-n結(jié)的光生伏效應(yīng),2、基本結(jié)構(gòu)： 2DR型：以p型硅做基底，n型薄層受光面 2CR型：以n型硅做基底，p型硅做受光面,1. 硅系太陽能電池,單晶硅太陽能電池 優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)化率高 (24.4%) ，技術(shù)最為成熟 缺點(diǎn)：成本高，基底厚度達(dá)350-450m。 提高轉(zhuǎn)化率的途徑：單晶硅表面微結(jié)構(gòu)處理和分區(qū)摻雜工藝 德國費(fèi)萊堡太陽能系統(tǒng)研究所保持至世界領(lǐng)先水平,半導(dǎo)體光電二極管 半導(dǎo)體光電三極管,光電二極管和光電池的主要差別：用途不同,光電池：能量轉(zhuǎn)化 提高轉(zhuǎn)化率,光電二極管：探測(cè) 靈敏度、響應(yīng)快、高量子效率,特性差異：1、響應(yīng)范圍要求不同； 2、響應(yīng)時(shí)間不同 3、工作模式不同,結(jié)構(gòu)差異,特殊的光電二極管,PIN光電二極管 雪崩光電二極管（APD） 紫外光電二極管,第5章 光電成像系統(tǒng),光電成像系統(tǒng)的基本組成,3 CMOS與CCD器件的比較,CCD攝像器件 靈敏度高、噪聲低、像素面積小 難與驅(qū)動(dòng)電路及信號(hào)處理電路單片集成，需要使用相對(duì)高的工作電壓，制造成本比較高,光信號(hào)的調(diào)制 光調(diào)制的基本概念 電光調(diào)制 聲光調(diào)制 磁光調(diào)制,激光調(diào)制與偏轉(zhuǎn)技術(shù),1. 縱向電光調(diào)制（通光方向與電場(chǎng)方向一致）,電光晶體(KDP)置于兩個(gè)成正交的偏振器之間，其中起偏器P1的偏振方向平行于電光晶體的x軸，檢偏器P2的偏振方向平行于y軸，當(dāng)沿晶體z軸方向加電場(chǎng)后，它們將旋轉(zhuǎn)45o變?yōu)楦袘?yīng)主軸x,y。因此，沿z軸入射的光束經(jīng)起偏器變?yōu)槠叫杏趚軸的線偏振光，進(jìn)入晶體后(z=0)被分解為沿x和y方向的兩個(gè)分量，兩個(gè)振幅(等于入射光振幅的1/ ）和相位都相等分別為：,圖125是一個(gè)縱向電光強(qiáng)度調(diào)制的典型結(jié)構(gòu)。,2橫向電光調(diào)制（通光方向與電場(chǎng)方向垂直） 物理光學(xué)已經(jīng)講過，橫向電光效應(yīng)可以分為三種不同的運(yùn)用方式： (1)沿z軸方向加電場(chǎng)，通光方向垂直于z軸，并與x或y 袖成45o夾角(晶體為45o-z切割)。 (2)沿x方向加電場(chǎng)(即電場(chǎng)方向垂直于x光袖)，通光方向 垂宜于x鈾，并與z軸成45o 夾角(晶體為45o -x切割)。 (3)沿y軸方向加電場(chǎng)，通光方向垂直于y軸，并與z軸成 45o夾角(晶體為45o -y切割）。 以下僅以KDP類晶體為代表講述