光電子技術(shù)基礎(chǔ)

1、實用標準文案許昌學院結(jié)課論文任務(wù)書題目：光電子技術(shù)基礎(chǔ)學院：電氣信息學院 專業(yè)：電子信息工程 姓名：李茂林學號：4703110085光電子技術(shù)基礎(chǔ)李茂林（學院：電氣信息學院專業(yè)：電子信息工程學號：4703110085）摘要：光電子技術(shù)是“光子技術(shù)”與“電子技術(shù)”相結(jié)合的產(chǎn)物，是繼微電子技術(shù)之后興起的一門高新技術(shù)，目前已經(jīng)成為信息科學的重要支柱。主要研究光與物質(zhì)中電子相互作用及其能量相互轉(zhuǎn)換的相關(guān)技術(shù)，以光源激光化、傳輸波導(dǎo)化、手段電子化、現(xiàn)代電子中的理論模式和電子學處理方法化為特征，是一門新興的綜合交叉學科。關(guān)鍵詞：光子技術(shù)；電子技術(shù)；相結(jié)合；新興交叉學科引言當今世界，全球的競爭越來越體現(xiàn)在經(jīng)

2、濟和技術(shù)實力的競爭，而技術(shù)創(chuàng)新則日益成為促進經(jīng)濟增長和提高科技創(chuàng)新能力的關(guān)鍵。光電子技術(shù)正是技術(shù)戰(zhàn)略中重要的一環(huán)，對國家生產(chǎn)技術(shù)實力的長遠發(fā)展意義重大 。1光電子技術(shù)發(fā)展史1.1光電子技術(shù)成就20世紀60年代激光器的問世， 無疑為光與物質(zhì)相互作用的研究提供了一個及其有效的 工具。70年代中期，低損耗光纖的實現(xiàn)、半導(dǎo)體激光器的成熟導(dǎo)致以光纖通信、光纖傳感為 代表的光信息技術(shù)蓬勃發(fā)展。80年代，超大功率量子阱陣列激光器的出現(xiàn)，導(dǎo)致半導(dǎo)體雙穩(wěn)態(tài)器件的發(fā)展。90年代末，光纖無源和有源器件的出現(xiàn)為光纖通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了網(wǎng)絡(luò)物理層的基 礎(chǔ)。也為光電子技術(shù)打下了技術(shù)基礎(chǔ)。21世紀，我們正步入信息化社會，信

3、息與信息交換量的爆炸性增長對信息的采集、傳 輸、處理、存儲與顯示 都提出了 嚴峻的挑戰(zhàn)，國家經(jīng)濟 與社會的發(fā)展，國防實力的 增強等都更加依賴于信息的廣度、深度和速度1.2光電子技術(shù)應(yīng)用實例打印機、光纖通信，光盤存儲，光電顯示器等等眾所周知，光電子技術(shù)已經(jīng)滲透到各行各業(yè)，它已經(jīng)在科學技術(shù)、 軍事裝備、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通、郵電、天文、地質(zhì)、醫(yī)療、衛(wèi)生等國名經(jīng)濟各個部門發(fā)揮著重要的作用，在我們 的日常生活中也到處可見光電子技術(shù)的應(yīng)用。人們認為，它對國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域的影響是很深遠的，它所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益遠遠超過光電子產(chǎn)業(yè)本身的價值。2什么是光電子技術(shù)光電子技術(shù)是研究從紅外線、可見光、紫外光、X射線直至Y射

4、線波段范圍內(nèi)的光電子技術(shù)，是研究運用光子和電子的特性，通過一定媒介實現(xiàn)信息與能盤轉(zhuǎn)換、傳遞、處理及應(yīng)用的科學。人們認為，光電子技術(shù)是光學和電子發(fā)展學的高級階段，也是高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的先導(dǎo)和 核心。光電子技術(shù)是以電子學為核心，以光電子元、器件為主題，綜合利用光、電、機、計算機和材料技術(shù)，以實現(xiàn)具有一定功能的而且實用的儀器、設(shè)備和系統(tǒng)。2.1光電子技術(shù)的優(yōu)點和電子技術(shù)相比較，光電子技術(shù)具有頻域?qū)?、信息容量大、傳輸速度快、抗電磁干擾能力強的特點。光電子技術(shù)以其極大的工作效率推動著信息科學技術(shù)的發(fā)展，具有越來越強的競爭力。已經(jīng)成為 21世紀最具有代表意義的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)之一。22光電子技術(shù)的應(yīng)用光 電 子 技

5、術(shù) 的 應(yīng) 用光纖通 信、傳輸寬距離，大容量、寬帶數(shù)字通信 模擬通信太陽光的光纖照明光信息處理光盤存儲器、全息照相存儲器 光視頻盤、光音頻盤 二維信息處理處理匹配濾液 POS言息處理機光計算機分光分 析同步激光超精密分光分析 大氣污染氣體分析 激光診斷微等離子體 超快過程分析光應(yīng)用計算激光雷達、激光傳感 光纖傳感系統(tǒng)精密測量在線檢測光空間傳輸短距離簡單圖像通信光遙感光開關(guān)光在線檢測上述各種光電子技術(shù)的應(yīng)用，需要依靠各類光電子器件來實現(xiàn)。電子技術(shù)經(jīng)過100多年的發(fā)展，已經(jīng)產(chǎn)生了比較完善的電子器件，并且已經(jīng)實現(xiàn)了高度集成化，而光電子技術(shù)從激光出現(xiàn)以來僅僅只有 40年的歷史，正處于發(fā)展期，有關(guān)器件尚

6、且不完善，集成化也僅在探 索中，因此發(fā)展空間很大。2.3光電子器件 根據(jù)光電子器件的功能分類成以下幾大類：光 電 子 器 件光源器件相干光源激光非線性光學器件非相干光源照明光源顯示光源 信息處理用光源光傳輸器件光學兀件 光波導(dǎo) 光纖光控制器件調(diào)制器 偏轉(zhuǎn)器 光開關(guān) 光雙穩(wěn)器件光探測器件光電導(dǎo)型光伏型 熱伏型 各種傳感器光存儲器件光盤（CD VCD DVD MD光驅(qū)光盤塔2.4日益進步的光電子技術(shù)光電子技術(shù)已經(jīng)涉及到我們?nèi)祟惖纳a(chǎn)和生活以及進一步的生存和可持續(xù)發(fā)展的各個 方面，比如：綠色能源技術(shù)、光電子信息及通信、光電子加工技術(shù)、光電子測量技術(shù)、光電 子醫(yī)療技術(shù)等。光電子學和光電子器件的一個非常

7、重要的應(yīng)用領(lǐng)域與能源和光源有關(guān)。在新能源和高功率密度光源領(lǐng)域內(nèi)，科學家通過不斷的研究和努力開發(fā)，堅持探求太陽能發(fā)電、激光加工、激光核裂變、光纖照明、激光醫(yī)療等新的領(lǐng)域和新的應(yīng)用。其中太陽能發(fā)電可以有效的解決化石燃料的枯竭和地球環(huán)境的污染的問題，所以成為了新的綠色能源的首選，被寄予厚望。近幾年我國也在努力建造太陽能發(fā)電站，并且取得了很大的成功。例如：內(nèi)蒙古鄂爾多斯太陽能發(fā)電站項目、1兆瓦的崇明島項目以及取得巨大突破的166兆瓦的云南光伏發(fā)電項目， 標志著我國在光電子技術(shù)應(yīng)用和開發(fā)上走在了世界的 前列！3光電子技術(shù)的原理3.1激光基本原理激光是在一定條件下，光與粒子（原子、分子或離子）系統(tǒng)相互作用

8、而產(chǎn)生的受激輻射 而普通光源是光的自發(fā)輻射。激光與普通光源相比有下列特點1,單色性好2方向性好3亮度高4相干性好3.2光子的基本性質(zhì)光的量子學說（光子說）認為，光是一種以光速c運動的光子流。光子（電磁場量子） 和其他基本粒子一樣，具有能量、動量和質(zhì)量等。量子電動力學從理論上把光的電磁（波動）理論和光子（微粒）理論在電磁場的量子化描述的基礎(chǔ)上統(tǒng)一起來，從而在理論上闡明了光的波粒二象性。322光子的相干性和光子簡并度光的相干性可理解為：在不同的空間點上或不同時刻的光波場的某些特性的相關(guān)性，例如：光波場相位的相關(guān)性。光的受輻射基本概念光與物質(zhì)的共振相互作用，特別是這種相互作用中的受激輻射過程是激光器

9、的物理基礎(chǔ)。在普朗克用輻射量子化假設(shè)成功地解釋了黑體輻射分布規(guī)律，以及玻爾提出原子中電子運動光電子技術(shù)基礎(chǔ)狀態(tài)量子化假設(shè)的基礎(chǔ)上，愛因斯坦從光量子概念出發(fā)，重新推導(dǎo)了黑體輻射的普朗克公式，認為光和物質(zhì)原子的相互作用過程包含原子的自發(fā)輻射躍遷、受激輻射躍遷和受激吸收躍遷三種過程。受激輻射與自發(fā)輻射的重要區(qū)別在于相干性。受激輻射是在外界輻射場控制下的發(fā)光 過程。3.3典型激光器的工作機制、基本結(jié)構(gòu)和基本特性氣體和液體激光器氣體激光器是以氣體或蒸氣作為工作物質(zhì)的激光器，通常分為三類：原子氣體激光器、離子氣體激光器和分子氣體激光器。氣體激光器是利用氣體原子、離子或分子的能級躍遷。氣態(tài)物質(zhì)的光學均勻性一

10、般都比較好 ，使其輸出光束的質(zhì)量，如單色性、相干性、穩(wěn)定性等 在單色性和光束穩(wěn)定性方面都比固體激光器、半導(dǎo)體激光器和液體（染料）激光器優(yōu)越。氣體激光器產(chǎn)生的激光譜線極為豐富 ，目前已達數(shù)千種，分布在從0 .16卩m的真空紫外 到4 mm的遠紅外波段的廣闊范圍內(nèi)，加之氣體激光器大多數(shù)都能連續(xù)運轉(zhuǎn) ，因此是目前 應(yīng)用最廣泛的一類激光器 。固體激光器固體激光器是研究最早的一類激光器，它以固體作為工作物質(zhì)，包括絕緣晶體和玻璃兩大類。工作物質(zhì)是在基質(zhì)材料中摻入激活離子（金屬離子或稀土離子）而制成?；|(zhì)為激活離子提供一個環(huán)境（亦即配位場），主要決定材料的光學、物化、機械和熱學等性能；而工作物質(zhì)的能級結(jié)構(gòu)、

11、熒光特性和激光性能則主要由激活離子和所處的配位場決定，后者既與激活離子有關(guān)，又與基質(zhì)材料有關(guān)。半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器系指以半導(dǎo)體材料為工作物質(zhì)的一類激光器，亦稱半導(dǎo)體激光二極管，或簡稱為激光二極管（簡寫為LD）。它是近年來發(fā)展極快的激光器件之一，其振蕩波長覆蓋范圍很寬，范圍從0 .3230卩m激勵方式有PN結(jié)注入電流激勵、電子束激勵、光激 勵和碰撞電離激勵 4種，最成熟和最常用的是 PN結(jié)注入式。使用的工作物質(zhì)有二元化合 物（GaAs）、三元化合物（GaAIAs）和四元化合物（GalnAsP） 等。3.4激光控制技術(shù)一般的激光器射出的激光束，其性能往往不能滿足應(yīng)用的需要，因此人類不斷地發(fā)展了

12、旨在控制與改善激光器輸出特性的各種單元技術(shù)。為了改善激光器輸出光的時間相干性 或空間相干性，發(fā)展了模式選擇、穩(wěn)頻及注入鎖定技術(shù)。為了獲得窄脈沖高峰值功率的激光束，發(fā)展了 Q調(diào)制、鎖模、增益開關(guān)及腔倒空等技術(shù)。341激光器的模式橫模：指在諧振腔的橫截面內(nèi)激光場的分布,用TEMmn表征?？v模：指沿諧振腔軸線方向上的激光場分布。342激光器的穩(wěn)頻1969年，Szoke首先提出光學雙穩(wěn)態(tài)：器件在一定的輸入范圍內(nèi)，對給定的輸入存在著兩個穩(wěn)定的輸出狀態(tài)。實現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)的兩個必要條件：1光學非線性、2反饋機制光雙穩(wěn)器件的分類光雙穩(wěn)器件是一種具有反饋的非線性光學系統(tǒng)，根據(jù)反饋的方式可分為本征型和混合型。雙穩(wěn)器件直

13、接將部分光信號作為反饋調(diào)控參量，非線性地控制器件的輸出合型光穩(wěn)器件是先將反饋光信號轉(zhuǎn)換成電磁信號，再以電磁信號，再以電磁信號作為反饋調(diào)控參量來控制器件的輸出。344本征型和混合型的區(qū)別兩者都需要一定的非線性機制，但實現(xiàn)本征型雙穩(wěn)運轉(zhuǎn)時，對介質(zhì)的光學非線性有很 高的要求，而混合運轉(zhuǎn)則依靠外部電路等機構(gòu)就能實現(xiàn)，一般僅需要一個具有非線性投射或反射功能的光學元件和相應(yīng)的反饋電路，對介質(zhì)的非線性要求不高。頻域光學雙穩(wěn)當非線性調(diào)制曲線和反饋曲線均在頻域上時，利用可調(diào)諧光源實現(xiàn)不同的波長對應(yīng)兩個穩(wěn)定而有區(qū)別的輸出狀態(tài)，或者兩個穩(wěn)定而有區(qū)別的輸出狀態(tài)對應(yīng)不同波長的光學雙穩(wěn)。兩種類型的比較類型調(diào)諧光源工作參數(shù)

14、及優(yōu)缺點應(yīng)用領(lǐng)域混合型可調(diào)諧燃料激 光器僅僅從原理上驗證了頻域光 學雙穩(wěn)態(tài)的可行性。由于體積 龐大、調(diào)諧困難而不實用可實現(xiàn)光學雙穩(wěn)態(tài)、多穩(wěn) 態(tài)、光存儲、光開關(guān)。可調(diào)諧半導(dǎo)體 激光器結(jié)構(gòu)緊湊，但波長調(diào)諧范圍 小，調(diào)諧精度不咼（容易受溫 度影響）。開關(guān)速度較快，在 微秒量級。光學邏輯和尋址式光纖傳 感器。環(huán)形腔摻鉺激 光器體積小，波長調(diào)諧范圍較寬， 調(diào)諧精度咼。開關(guān)速度較慢， 在毫秒量級。高精度數(shù)字型光纖傳感、光 開關(guān)、光纖激光功率穩(wěn)定器 和光纖激光頻率穩(wěn)定器。半導(dǎo)體光纖環(huán) 形腔激光器體積小，開關(guān)速度快高速光開關(guān)、高速光波長轉(zhuǎn) 換器本征型F-P腔摻鉺光纖 激光器全光纖結(jié)構(gòu)，體積小，波長調(diào) 諧范圍寬

15、，雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)速度較 慢。寬范圍可調(diào)諧光纖記激光 器、光開關(guān)和光存儲。環(huán)形腔摻鉺光 纖激光器全光纖結(jié)構(gòu)，體積小，雙穩(wěn)區(qū)光纖激光功率穩(wěn)定器，光開寬度大，波長調(diào)諧范圍寬。關(guān)和寬范圍可調(diào)諧光纖激 光器。4. 電光調(diào)制和掃描技術(shù)激光是一種光頻電磁波，要用激光作為信息的載體，就必須解決如何將信息加到激光上 去的問題。把欲傳輸?shù)男畔⒓虞d到激光輻射的過程稱為激光調(diào)制，把完成這一過程的裝置稱為激光調(diào)制器。激光起到攜帶低頻信號的作用，所以稱為載波。激光調(diào)制與無線電波調(diào)制相類似，有振幅調(diào)制、強度調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制，以及脈沖調(diào)制等形式。光波調(diào)制根據(jù)它與光源的關(guān)系 ，可分為內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制兩類。內(nèi)調(diào)制是指在激光振蕩

16、過 程中加載調(diào)制信號，即以調(diào)制信號的規(guī)律去改變激光振蕩的參數(shù)，從而達到改變激光輸出特性，以實現(xiàn)調(diào)制的目的；外調(diào)制是指在激光形成以后 ，再用調(diào)制信號對激光進行調(diào)制，它不是 改變激光器的參數(shù)，而是改變已經(jīng)輸出的激光的參數(shù)（如強度、頻率等）。5. 聲光調(diào)制和掃描技術(shù)5.1聲光調(diào)制器光調(diào)制器是由聲光介質(zhì)、電聲換能器、吸聲（或反射）裝置及驅(qū)動電源等組成。聲光調(diào)制是利用聲光效應(yīng)將信息加載于光頻載波上的一種物理過程。調(diào)制信號是以電信號（調(diào)輻）形式作用于電聲換能器上，再轉(zhuǎn)化為以電信號形式變化的超聲場，當光波通過聲光介質(zhì)時， 由于聲光作用，使光載波受到調(diào)制而成為“攜帶”信息的強度調(diào)制波。5.2聲光掃描聲光效應(yīng)的

17、另一個重要用途是用來進行光束掃描偏轉(zhuǎn)。聲光掃描器的結(jié)構(gòu)與布喇格聲光調(diào)制器基本相同，所不同之處在于調(diào)制器是改變衍射光的強度，而掃描器則是通過改變聲波頻率來改變衍射光的方向，使之發(fā)生偏轉(zhuǎn)，既可以使光束連續(xù)偏轉(zhuǎn)，也可以是分離的光點掃描偏轉(zhuǎn)。6. 光電探測技術(shù)電探測器的基本功能就是把入射到探測器上的光功率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的光電流。6.1光頻外差探測光的高度相干性、單色性和方向性，使光頻段的外差探測成為現(xiàn)實。光電探測器除了具有解調(diào)光功率的包絡(luò)變化的能力外，只要光譜響應(yīng)匹配和頻率響應(yīng)合適，也同樣具有實 現(xiàn)光外差探測的能力。由于光頻外差探測基于兩束光波在光電探測器光敏面上的相干效應(yīng) 因此外差探測又常常稱為相干探測。相對而言，直接探測也稱為非相干探測。6.2微弱信號的探測為信號與噪聲有著本質(zhì)不同的特點 ，例如：周期性信號具有重復(fù)性的特點 ，也就是說 后續(xù)信號與早先的信號是有關(guān)連的 ，而噪聲則沒有重復(fù)性的特點，它是隨機出現(xiàn)的，不同 時刻的噪聲之間是不相關(guān)的。根據(jù)信號與噪聲的不同特點。7結(jié)論以上可知，光電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，21世紀是光電子與微電子緊密結(jié)合發(fā)揮作用的