光電課程設計

概述：一、光源在光纖通信系統(tǒng)中，光源器件可實現(xiàn)從電信號到光信號的轉換，是光發(fā)射機以及光纖通信系統(tǒng)的核心器件，它的性能直接關系到光纖通信系統(tǒng)的性能和質量指標。光纖通信系統(tǒng)要求光源具有合適的發(fā)射波長，處在光纖的低損耗窗口之中;有足夠大的輸出功率，從而有較長的傳輸距離；有較窄的發(fā)光譜線，可以減少光纖的色散對信號傳輸質量的影響；易于與光纖耦合，確保更多的光功率進入光纖；易于調制，響應速度要快，調制失真小，帶寬大；在室溫下能連續(xù)工作，可靠性高，壽命至少在10萬小時以上。下面簡單介紹已廣泛應用的兩類半導體光源：半導體發(fā)光二極管（LED）和半導體激光二極管（LD）。1發(fā)光二極管（LED）發(fā)光二極管（LED）是低速、短距離光波通信系統(tǒng)中常用的光源。其壽命很長，受溫度影響較小，輸出光功率與注入電流的線性關系較好，價格也比較便宜。驅動電路簡單，不存在模式噪聲等問題。發(fā)光二極管結構簡單，是一個正向偏置的PN同質結，電子-空穴對在耗盡區(qū)輻射復合發(fā)光，稱為電致發(fā)光。發(fā)出的部分光耦合進入光纖供傳輸使用°LED所發(fā)出的光是非相于光，具有較寬的譜寬（30?60nm）和較大的發(fā)射角（F00。）。自發(fā)輻射產(chǎn)生的功率是由正向偏置電壓產(chǎn)生的注入電流提供的，當注入電流為I，在穩(wěn)態(tài)時，電子空穴對通過輻射和非輻射復合，其復合率等于載流子注入Pint(2.1)率I/q，其中發(fā)射電子的復合率決定于內量子效率nint，光子產(chǎn)生率為（Inint/q），因此LED內產(chǎn)生的光功率為式中，①為光量子能量。假定所有發(fā)射的光子能量近似相等，并設從LED逸出的功率占內部產(chǎn)生功率的份額為next，則LED的發(fā)射功率為Pint(2.1)p=np=nn（方w/q）i（2.2）eextintextintflnext亦稱為外量子效率。由上式可知，LED發(fā)射功率P和注入電流I成正比。發(fā)光二極管LED是光纖通信中的常用光源，它的發(fā)光僅僅是自發(fā)輻射，屬于非相于光源，其輸出光發(fā)射角較大，但LED線性度好，調制時動態(tài)范圍大，信號失真小，也就是P-I曲線線性好，其P-I特性曲線如圖2.1所示。2激光器（LD）半導體激光二極管（LD）或簡稱半導體激光器與發(fā)光二極管LED不同，它通過受激輻射發(fā)光，是一種閾值器件。由于受激輻射與自發(fā)輻射的本質不同，導致了半導體激光器不僅能產(chǎn)生高功率（N10mW）輻射，而且輸出光發(fā)散角窄（垂直發(fā)散角為30?50°,水平發(fā)散角為0?30°），與單模光纖的耦合效率高（約30%?50%），輻射光譜線窄（M=0.1?1.0nm），適用于高比特工作，載流于復合壽命短，能進行高速（>20GHz）直接調制，非常適合于作高速長距離光纖通信系統(tǒng)的光源。激光是具有極好單色性、方向性和光強的一種光源。世界上第一臺激光器是1960年美國人梅曼發(fā)明的紅寶石激光器。實現(xiàn)一個激光器必須滿足的三個基本條件是（1）需要有合適的工作物質（發(fā)光介質），具有合適的能級分布，可以產(chǎn)生合適波氏的光輻射；（2）需要可以實現(xiàn)工作物質粒子數(shù)反轉分布的激勵能源——泵浦源。（3）需要可以進行方向和頻率選擇的光學諧振腔。對于線性度良好的半導體激光器，輸出功率可以表示為P=/門（I-I）其中（門=門int以徹。）（2.3）e2qdthda.+a這里的量子效率nint,表征注入電子通過受激輻射轉化為光子的比例。在高于閾值區(qū)域，大多數(shù)半導體激光器的nint接近于1。式（2.3）表明，激光輸出功率決定于內量于效率和光腔損耗，并隨著電流而增大，當注入電流I>Ith時，輸出功率與I成線性關系。其增大的速率即P-I曲線的斜率，稱為斜率效率%嘴d（24）P-I特性是選擇半導體激光器的重要依據(jù)。在選擇時，應選閾值電流Ith盡可能小，Ith對應P值小，而且沒有扭折點的半導體激光器，這樣的激光器工作電流小，工作穩(wěn)定性高，消光比大，而且不易產(chǎn)生光信號失真。且要求P-I曲線的斜率適當。斜率太小，則要求驅動信號太大，給驅動電路帶來麻煩；斜率太大，則會出現(xiàn)光反射噪聲及使自動光功率控制環(huán)路調整困難。半導體激光器具有高功率密度和極高量于效率的特點，微小的電流變化會導致光功率輸出變化，是光纖通信中最重要的一種光源，激光二極管可以看作為一種光學振蕩器，要形成光的振蕩，就必須要有光放大機制，也即激活介質處于粒子數(shù)反轉分布，而且產(chǎn)生的增益足以抵消所有的損耗。將開始出現(xiàn)凈增益的條件稱為閾值條件。一般用注入電流值來標定閾值條件，也即閾值電流Ith,當輸入電流小于Ith時，其輸出光為非相十的熒光，類似于LED發(fā)出光，當電流大于Ith時，則輸出光為激光，且輸入

電流和輸出光功率成線性關系，P-I特性如圖2.2所示。二、光檢測器3.5光檢測器是用以將接收到的光信號轉換成電流信號。由于從光纖中傳過來的光信號一般都很微弱，因此對光檢測器的基本要求：在工作波長上具有足夠高的響應度，即對一定的入射光功率，能夠輸出盡可能大的光電流；有足夠快的響應速度，能夠適用于高速或寬帶系統(tǒng)；具有盡可能低的噪聲，以降低器件本身對信號的影響；具有良好的線性關系，保證信號轉換過程中的不失真；具有較小的體積、較長的工作壽命等。3.51光電二極管（PIN）半導體光檢測器的核心是PN結的光電效應。當PN結加反向偏壓時，外加電場方向與PN結的內建電場方向一致，勢壘加強，在PN結界面附近載流子基本上耗盡形成耗盡區(qū)。當光束入射到PN結上，且光子能量hv大于半導體材料的帶隙Eg時，價帶上的電子吸收光子能量躍遷到導帶上，形成一個電子空穴對。在耗盡區(qū)，電子在內建電場的作用下向N區(qū)漂移，空穴向P區(qū)漂移，如果PN結外電路構成回路，就會形成光電流。當入射光功率變化時，光電流也隨之線性變化，從而把光信號轉換成電流信號。當入射光子能量小于￡自時，不論入射光有多強，光電效應也不會發(fā)生，即光電效應必須滿足(2.5)hv>E(2.5)g即存在hc(2.6)hc為產(chǎn)生光電效應的入射光的最大波長，稱為截止波長。以京為材料的光電二極管c=1.06m，Ge為材料的光電二極管，c=1.60m。利用光電效應可以制造出簡單的PN結光電二極管。但因為這種簡單結構，無法減低暗電流和提高響應度，器件的穩(wěn)定度也比較差，實際上不適合做光纖通信的檢測器。PIN光電二極管是在摻雜濃度很高的P型、N型半導體之間，生成一層摻雜極低的本征材料，稱為I層。在外加反向偏置電壓作用下，I層中形成很寬的耗盡層。而且，I層吸收系數(shù)很小，入射光可以很容易進入材料內部被充分吸收而產(chǎn)生大量的電子空穴對，因而大幅提高了光電轉換效率。另外，I層兩側的P層、N層很薄，光生載流子的漂移時間很短，大大提高了器件的響應速度。描述光電二極管的特性：（1）波長相應范圍：半導體光電檢測器只可以對一定波長范圍的光信號進行有效的光電轉換，這一波長范圍就是波長響應范圍。（2）響應度：描述光檢測器能量轉換效率的一個參量。它定義為R=、（2.7）Pin其中Pin為入射到光電二極管上的光功率，Ip為所產(chǎn)生的光電流。它的單位為A/W。（3）量子效率：量子效率表示入射光子轉換為光電子的效率。它定義為單位時間內產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光子數(shù)之比，即-=1-（2.8）其中e為電子電荷，其值為1.6x10-19C。所以有式中人單位取四m?？梢姡怆姍z測器的相應度隨波長的增大而增大。（4）響應速度：光電檢測器的另一個重要參數(shù)，經(jīng)常用響應時間（上升時間和下降時間）來表示。其主要影響因素有檢測器和負載的RC時間常數(shù)、載流子漂移通過耗盡區(qū)的渡越時間、耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子擴散引起的延遲。（5）噪聲特性：光電二極管的噪聲包括量子噪聲、暗電流噪聲、漏電流噪聲以及負載電阻的熱噪聲，除負載電阻的熱噪聲以外，其它都為散彈噪聲。散彈噪聲是由于帶電粒子產(chǎn)生和運動的隨機性而引起的一種具有均勻頻譜的白噪聲。2雪崩光電二極管（APD）當耗盡區(qū)中的場強達到足夠高時，入射光產(chǎn)生的電子或空穴將不斷被加速而獲得很高的能量，這些高能量的電子和空穴在運動過程中與晶格碰撞，使晶體中的原子電離，激發(fā)出新的電子空穴對。這些碰撞電離產(chǎn)生的電子和空穴在場中也被加速，也可以電離其它的原子，重復著這一過程。經(jīng)過多次后電離，載流子迅速增加，形成雪崩倍增效應。APD就是利用雪崩倍增效應使光電流得到倍增的高靈敏度的檢測器。與PIN相比，雪崩光電二極管的主要特性也包括波長響應范圍、量子效率、響應度、響應速度等，除此之外，由于APD中雪崩倍增效應的存在，APD的特性還包括雪崩倍增特性、倍增噪聲、溫度特性等。初級要求：一、任務1根據(jù)激光源的各種參數(shù)設計并實現(xiàn)模擬光發(fā)送電路。2利用PIN檢測器實現(xiàn)光接收電路。3設計電放大電路。二、功能要求將信號源的正弦信號，通過光電調制變?yōu)楣庑盘?，用光纖傳輸，然后再光電解調，恢復為原始的電信號?；謴偷碾娦盘柨呻S信號源的電信號頻率及幅度改變。三、性能參數(shù)要求圖4.1模擬光纖通信系統(tǒng)示意圖1信號源的信號范圍為30KHz到2MHz，信號幅度為1V左右的電信號。2光發(fā)送電路的輸出光信號功率為-5dBm到-16dBm，通過LD或LED光源的直流電流為50mA左右，最小不低于30mA最大不大于80mA，光波長為1550nm或1310nm。3接收信號放大后的波形不能失真，低頻信號幅度峰峰值為500mv到1v，最好能放大到3v左右。頻率和幅度都能隨信號源變化。高級要求：一、任務1設計一個低頻正弦信號源。2設計一個寬頻低噪聲放大電路。3完成高頻模擬信號的光收發(fā)電路系統(tǒng)。二、功能要求1將設計的信號源與光發(fā)送電路連接，要求輸出與輸入阻抗相適應，保證信號的光輸出功率。2對高頻信號源進行電光調制和光電解調并放大。三、性能參數(shù)1信號源的頻率在1KHz到100KHz的低頻區(qū)或頻率在100KHz到2MHz的高頻區(qū)，頻率可調，幅度峰峰值為1v,且幅度可調。2光發(fā)送電路的輸出光信號功率為-5dBm到-16dBm,通過LD或LED光源的直流電流為50mA左右，最小不低于30mA最大不大于80mA，光波長為1550nm或1310nm。3對高頻1-2MHz的信號源在接收端可放大到500mv到1V左右，波形不能失真。四、實驗儀器1信號源2直流電源3示波器4萬用表五、參考文獻1康華光，陳大欽.電子技術基礎模擬部分.北京：高等教育出版社，1979.2方強，梁猛.光纖通信.西安：西安電子科技大學出版社，2003.:題目六數(shù)字信號光發(fā)送接收系統(tǒng)初級要求：一、任務1設計數(shù)字光發(fā)送電路。2設計數(shù)字光接收電路。3設計電放大電路。圖4.2數(shù)字光纖通信系統(tǒng)示意圖二、功能要求將信號源輸出的低頻方波信號，通過光電調制變?yōu)楣庑盘?，用光纖傳輸，然后再光電解調，放大恢復為原始的電信號。三、性能參數(shù)要1信號源的頻率可調，范圍為1KHz到1MHz，信號幅度為1V左右的電信號。2光發(fā)送電路的輸出光信號功率為-5dBm到-16dBm，通過LD或LED光源的直流電流為50mA左右，最小不低于30mA最大不大于80mA，光波長為1550nm或1310nm。3接收信號放大后的波形不能失真，幅度峰峰值為500mv到1v，最好能放大到3v左右。頻率和幅度都能隨信號源變化4接收到的信號經(jīng)過低噪聲放大器后可達到一定的信噪比。高級要求：一、任務1設計一個方波信號源。2設計一個寬頻低噪聲放大電路。3完成高頻數(shù)字信號的光收發(fā)電路系統(tǒng)。二、功能要求1將設計的信號源與光發(fā)送電路連接，要求輸出與輸入阻抗相適應，保證信號的光輸出功率。2對高頻信號源進行電光調制和光電解調并放大。三、性能參數(shù)1信號源的頻率在1KHz到100KHz的低頻區(qū)或頻率在100KHz到2MHz的高頻區(qū)，頻率可調，幅度峰峰值為1v，且幅度可調。2光發(fā)送電路的輸出光信號功率為-5dBm到-16dBm，通過LD或LED光源的直流電流為50mA左右，最小不低于30mA最大不大于80mA，光波長為1550nm或1310nm。3對高頻2MHz的信號源在接收端可放大到500mv到1V左右，波形不能失真。四、實驗儀器1信號源2直流電源3示波器4萬用表五、參考文獻1康華光，陳大欽.電子技術基礎模擬部分.北京：高等教育出版社，1979.2方強，梁猛.光纖通信.西安：西安電子科技大學出版社，2003.3王毓銀.數(shù)字電路邏輯設計.北京：高等教育出版社，1985.題目七光學仿真第一組7-1光波偏振態(tài)的仿真目的：通過對兩相互垂直偏振態(tài)的合成：1.掌握圓偏振，橢圓偏振及線偏振的概念及基本特性；2.掌握偏振態(tài)的分析方法。任務與要求：對兩相互垂直偏振態(tài)的合成進行計算，繪出電場的軌跡。要求計算在中=0，中=兀/4，中=兀/2，中=3兀/4，中=兀，中=5兀/4，中=3兀/2，中=7兀/4，在Ex=Ey及Ex=2Ey情況下的偏振態(tài)曲線并總結規(guī)律。光波在介質中界面上的反射及透射特性的仿真目的：通過反射系數(shù)及透射系數(shù)的計算：1.掌握反射系數(shù)及透射系數(shù)的概念；2.掌握反射光與透射光振幅和相位的變化規(guī)律；3.掌握理解布儒斯特角和全反射臨界角的概念。任務與要求：對n1=1，n2=1.52及n1=1.52,n2=1的兩種介質，分別計算反射光與透射光振幅和相位的變化，繪出變化曲線并總結規(guī)律平行平板多光束干涉的仿真目的：通過對平行平板多光束干涉的計算：1.掌握等傾干涉的概念；2.掌握干涉特點及條紋銳度，自由光譜范圍及濾波特性等概念。任務與要求：對單色光（600nm）與復色光（兩種顏色，如600,620nm）進行多光束干涉（要求變化R值，如R=0.046，R=0.27，R=0.64，R=0.87，R=0.99）的計算，繪出干涉條紋，觀察條紋銳度；固定入射角（如0°，30°角），觀察選頻特性。對復色光觀察自由光譜范圍。對整個仿真進行總結歸納。光的圓孔衍射目的：1掌握近場和遠場的概念，2.掌握夫瑯禾費圓孔衍射特點及艾里斑的概念，3.掌握菲涅爾圓孔衍射的特點。任務與要求：利用基爾霍夫衍射公式對圓孔衍射進行計算，入射波長為632.8nm，孔半徑為1mm，光源位于系統(tǒng)的軸線上，改變光源位置及觀察屏位置，觀察遠場衍射圖案及艾里斑，近場觀察距離改變衍射圖案的變化；對仿真結果進行總結分析。第二組7-2光波偏振態(tài)的仿真目的：通過對兩相互垂直偏振態(tài)的合成：1.掌握圓偏振，橢圓偏振及線偏振的概念及基本特性；2.掌握偏振態(tài)的分析方法。任務與要求：對兩相互垂直偏振態(tài)的合成進行計算，繪出電場的軌跡。要求計算在9=0，9=^/4，9=兀/2，9=3兀/4，9=兀，9=5兀/4，9=3兀/2，9=7兀/4，在Ex=Ey及Ex=2Ey'情況下的偏振態(tài)曲線并總結規(guī)律。雙光束干涉的仿真目的：掌握1.光的相干條件；2.分波陣面雙光束干涉的特點。3.采用復色光，掌握時間相干性的概念任務與要求：對雙縫干涉進行計算，繪出1.單色光2.復色光（）白光的干涉條紋，總結雙縫干涉的特點。平行平板多光束干涉的仿真目的：通過對平行平板多光束干涉的計算：1.掌握等傾干涉的概念；2.掌握干涉特點及條紋銳度，自由光譜范圍及濾波特性等概念。任務與要求：對單色光（600nm）與復色光（兩種顏色，如600,620nm）進行多光束干涉（要求變化R值，如R=0.046，R=0.27，R=0.64，R=0.87，R=0.99）的計算，繪出干涉條紋，觀察條紋銳度；固定入射角（如0°，30°角），觀察選頻特性。對復色光觀察自由光譜范圍。對整個仿真進行總結歸納。光的矩形孔衍射目的：1掌握近場和遠場的概念，2.掌握夫瑯禾費矩形孔衍射的特點及單縫衍射的特點，3.掌握菲涅爾矩形孔及單縫衍射的特點。任務與要求：利用基爾霍夫衍射公式進行計算，入射波長為632.8nm，縫寬為1mm，光源位于系統(tǒng)的軸線上，要求計算遠場衍射圖案，近場觀察距離改變衍射圖案的變化；對仿真結果進行總結分析。第三組7-3光波偏振態(tài)的仿真目的：通過對兩相互垂直偏振態(tài)的合成：1.掌握圓偏振，橢圓偏振及線偏振的概念及基本特性；2.掌握偏振態(tài)的分析方法。任務與要求：對兩相互垂直偏振態(tài)的合成進行計算，繪出電場的軌跡。要求計算在中=0，中=兀/4，中=兀/2，中=3兀/4，中=兀，中=5兀/4，中=3兀/2，中=7兀/4，在Ex=Ey及Ex=2Ey情況下的偏振態(tài)曲線并總結規(guī)律。光波場的時域頻譜分析目的：通過光波頻率譜的計算：1.掌握單色光，復色光的概念；2.掌握準單色光的概念及光波頻譜寬窄的影響因素。任務與要求：對一些常見光波，如1.無限長等幅振蕩，2.持續(xù)有限時間的等幅振蕩，持續(xù)時間為1ns，1ms，1s，10s,100s等時間進行計算，3.指數(shù)衰減振蕩E（t）=e-腥-以兀v°t>0，0=0；1，5；10；100；進行傅里葉變換計算并繪出頻譜圖，總結影響頻譜寬窄的因素。薄膜干涉的仿真目的：1.掌握單層光學薄膜的反射特性；2.掌握光學薄膜的作用及增透增反的概念。任務與要求：對單層膜反射系數(shù)、反射率及相位因子進行計算，玻璃基片n=1.5，薄膜折射率依次取n,1.0，1.2,1.4,1.5,1.7,2.0,3.0，繪出反射率隨薄膜厚度，入射角及波長的變化曲線。總結薄膜反射的特點。光的圓孔衍射目的：1掌握近場和遠場的概念，2.掌握夫瑯禾費圓孔衍射特點及艾里斑的概念，3.掌握菲涅爾圓孔衍射的特點。任務與要求：利用基爾霍夫衍射公式對圓孔衍射進行計算，入射波長為632.8nm，孔半徑為1mm，光源位于系統(tǒng)的軸線上，改變光源位置及觀察