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 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,本實驗室的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，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)的三個組成部分,1、光發(fā)送機 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：目前采用強度調(diào)制（由于光源頻譜不純，尚未實現(xiàn)相干光通信）；分內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制，對于數(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,電信號對光的調(diào)制的實現(xiàn)方式 直接調(diào)制 用電信號直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管的驅(qū)動電流，使輸出光隨電信號變化而實現(xiàn)的。 這種方案技術(shù)簡單，成本較低，容易實現(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，用獨立的調(diào)制器調(diào)制激光器的輸出光而實現(xiàn)的。 外調(diào)制的優(yōu)點是調(diào)制速率高，缺點是技術(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)射機的光信號，以盡可能小的畸變(失真)和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C 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)射波長和光檢測器光電二極管的波長響應(yīng)，都要和光纖這三個波長窗口相一致。 目前在實驗室條件下，1.55 m的損耗已達到0.154 dB/km， 接近石英光纖損耗的理論極限。,3、光接收機 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轉(zhuǎn)換為電信號，并經(jīng)放大和處理后恢復(fù)成發(fā)射前的電信號 組成部分：耦合器，光電檢測器，解調(diào)器 組成框圖：,結(jié)構(gòu)參數(shù)：接收機靈敏度，定為BER10-9條件下，所要 求的最小平無接收功率。 檢測方式：直接檢測和外差檢測,光檢測器的功能：光信號的解調(diào)（O/E） 光檢測器的類型：PIN光電二極管、雪崩光電二極管（APD） 光接收機的靈敏度取決于噪聲特性（包括光檢測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合，但需采用復(fù)雜的溫度補償電路，故成本高；在靈敏度要求不高的場合，宜采用PIN管。 光接收機中還有電的放大器、自動增益控制電路、均衡再生電路等。,光接收機,光接收機：光信號轉(zhuǎn)換為電信號，恢復(fù)光載波所攜帶的原信號。,光接收機的設(shè)計比光發(fā)送機設(shè)計要復(fù)雜得多，這是因為接收機必需首先檢測到微弱的失真信號，然后根據(jù)此放大的失真信號來判斷所傳輸數(shù)據(jù)的類型。,光接收機通常由光檢測器、前置放大器、主放大器和濾波器等組成，在數(shù)字光接收機中，還要增加判決、時鐘提取和自動增益控制等電路。,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)計制造的。,（3）液晶的電光效應(yīng),液晶材料在施加電場（電流）時，其光學(xué)性質(zhì)會發(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)的機理也較為復(fù)雜，但就其本質(zhì)來講都是液晶分子在電場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，從而實現(xiàn)圖像顯示。 （三）是直觀式（點掃描）電視激光顯示，它是將經(jīng)過信號調(diào)制了的RGB三色激光束直接通過機械掃描方法偏轉(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、測量用光電池：用于光電探測 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：轉(zhuǎn)化率高 (24.4%) ，技術(shù)最為成熟 缺點：成本高，基底厚度達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 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)動電路及信號處理電路單片集成，需要使用相對高的工作電壓，制造成本比較高,光信號的調(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（通光方向與電場方向一致）,電光晶體(KDP)置于兩個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，進入晶體后(z=0)被分解為沿x和y方向的兩個分量，兩個振幅(等于入射光振幅的1/ ）和相位都相等分別為：,圖125是一個縱向電光強度調(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用方式： (1)沿z軸方向加電場，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(即電場方向垂直于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，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