光電子技術(shù)基礎(chǔ)

光電子技術(shù)基礎(chǔ)第1頁，課件共16頁，創(chuàng)作于2023年2月課程目的與任務(wù)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)后興起的一門高新技術(shù)，目前已成為信息科學(xué)的重要支柱。本課程講解了光電技術(shù)的基本知識，包括光束傳播規(guī)律、激光原理與技術(shù)、光波導(dǎo)技術(shù)、光通信無源和有源器件技術(shù)、光調(diào)制技術(shù)以及光電探測技術(shù)。第2頁，課件共16頁，創(chuàng)作于2023年2月教學(xué)基本要求通過本課程的學(xué)習(xí)，要求掌握的主要內(nèi)容：描述光場的麥克斯韋方程、波動方程、光波的表示與傳播特性、高斯光束的特性等；激光產(chǎn)生的基本條件、激光器的基本結(jié)構(gòu)和輸出特性；平面介質(zhì)波導(dǎo)中的光傳播特性、光波導(dǎo)的物理光學(xué)分析、光纖基本知識；光通信無源與有源器件，包括半導(dǎo)體激光器、光纖連接器、光纖耦合器、光纖隔離器、偏振控制器、光纖激光器以及光纖放大器等；光調(diào)制技術(shù)，包括晶體光學(xué)基礎(chǔ)、光在晶體中的傳播、電光以及聲光調(diào)制器等；光電探測技術(shù)，包括光探測器性能參數(shù)、探測方式、物理效應(yīng)以及光電探測器的種類。第3頁，課件共16頁，創(chuàng)作于2023年2月學(xué)時安排章節(jié)主要內(nèi)容學(xué)時安排1導(dǎo)論22光學(xué)基礎(chǔ)知識和光束傳播規(guī)律23激光原理與技術(shù)44光波導(dǎo)技術(shù)基礎(chǔ)65光通信無源有源器件66光調(diào)制技術(shù)47光電探測技術(shù)2第4頁，課件共16頁，創(chuàng)作于2023年2月緒論光子技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合的光電子技術(shù)主要研究光與物質(zhì)中的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)代電子學(xué)中的理論模式和電子學(xué)處理方法化為特征，是一門新興的綜合交叉學(xué)科。第5頁，課件共16頁，創(chuàng)作于2023年2月光電子技術(shù)發(fā)展史年代60年代70年代80年代90年代技術(shù)成就激光器的問世低損耗光纖的實(shí)現(xiàn)、半導(dǎo)體激光器的成熟超大功率量子阱陣列激光器的出現(xiàn)光纖無源和有源器件的出現(xiàn)相關(guān)應(yīng)用為光與物質(zhì)相互作用的研究提供了一個極其有效的工具導(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)展導(dǎo)致半導(dǎo)體雙穩(wěn)態(tài)器件的發(fā)展為光纖通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了網(wǎng)絡(luò)物理層的基礎(chǔ)第6頁，課件共16頁，創(chuàng)作于2023年2月信息光電子技術(shù)與器件光電子器件光源器件光傳輸器件光控制器件光探測器件光存儲器件光盤光驅(qū)光盤塔調(diào)制器偏轉(zhuǎn)器光開關(guān)光雙穩(wěn)器件光電導(dǎo)型光伏型熱伏型各種傳感器相干光源非相干光源光學(xué)元件光波導(dǎo)光纖第7頁，課件共16頁，創(chuàng)作于2023年2月光電子技術(shù)應(yīng)用光纖通信、傳輸光信息處理分光分析光應(yīng)用計算光空間傳輸長距離、大容量、寬帶數(shù)字通信模擬通信局域網(wǎng)通信太陽光的光纖照明光盤存儲器、全息照相存儲器光視頻盤、光音頻盤二維信息處理匹配濾波器信息處理器、激光打印機(jī)、傳真機(jī)光計算機(jī)短距離簡單圖象通信光遙感、光開關(guān)光在線檢測激光雷達(dá)、激光陀螺、激光傳感光纖傳感系統(tǒng)精密測量、全息測量、在線測量同步激光超精密分光分析大氣污染氣體分析、醫(yī)用氣體分析同位素濃度測定、同位素分析激光診斷微等離子體超快過程分析第8頁，課件共16頁，創(chuàng)作于2023年2月光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)1969年Szoke首先提出光學(xué)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)。第9頁，課件共16頁，創(chuàng)作于2023年2月非線性法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具是典型的光雙穩(wěn)器件，由非線性光學(xué)材料和反饋光腔構(gòu)成。實(shí)現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)的兩個必要條件：1、光學(xué)非線性2、反饋機(jī)制機(jī)理：在強(qiáng)光的作用下，介質(zhì)的非線性參數(shù)（非線性吸收系數(shù)或非線性折射率）發(fā)生變化，從而引起透射光強(qiáng)發(fā)生變化，光強(qiáng)的變化進(jìn)一步引起非線性參數(shù)的變化。在光腔的反饋?zhàn)饔孟?，這種變化形成正反饋過程，因而產(chǎn)生光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)。第10頁，課件共16頁，創(chuàng)作于2023年2月光雙穩(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(xué)系統(tǒng)，根據(jù)反饋方式可分為本征型和混合型。本征型光雙穩(wěn)器件直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；混合型光雙穩(wěn)器件是先將反饋光信號轉(zhuǎn)換成電磁信號，再以電磁信號作為反饋調(diào)控參量來控制器件的輸出。區(qū)別：兩者都需要一定的非線性機(jī)制，但實(shí)現(xiàn)本征型雙穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)時，對介質(zhì)的光學(xué)非線性有很高的要求，而混合運(yùn)轉(zhuǎn)則依靠外部電路等機(jī)構(gòu)就能實(shí)現(xiàn)，一般僅需一個具有非線性透射或反射功能的光學(xué)元件和相應(yīng)的反饋電路，對介質(zhì)的非線性要求不高。第11頁，課件共16頁，創(chuàng)作于2023年2月通常光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)使用波長固定的激光器作為光源，也可以使用可調(diào)諧激光器實(shí)現(xiàn)所謂的頻域光學(xué)雙穩(wěn)。頻域光學(xué)雙穩(wěn)可理解為：當(dāng)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(shí)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(xué)雙穩(wěn)。第12頁，課件共16頁，創(chuàng)作于2023年2月頻域光學(xué)雙穩(wěn)器舉例基于可調(diào)諧環(huán)形腔光纖激光器實(shí)現(xiàn)電光混合頻域雙穩(wěn)的光路原理圖理論上濾波器可由任意在頻域上具有非線性透射率的光學(xué)濾波器構(gòu)成。從濾波器輸出的光強(qiáng)信號經(jīng)光纖耦合器取樣后輸入反饋電路，經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)換成電壓信號，再經(jīng)放大器A放大后加在PZT上調(diào)制光纖激光器的輸出波長，實(shí)現(xiàn)電光反饋控制。第13頁，課件共16頁，創(chuàng)作于2023年2月利用交叉增益飽和機(jī)制實(shí)現(xiàn)雙穩(wěn)的半導(dǎo)體環(huán)形腔光纖激光器光路原理圖不同的波長經(jīng)過保偏光纖后對應(yīng)不同的偏振態(tài)，而偏振不同的光在SOA內(nèi)的增益是不同的。可以通過控制SOA抽運(yùn)電流或控制入射光強(qiáng)來實(shí)現(xiàn)兩個穩(wěn)態(tài)之間的切換。當(dāng)SOA抽運(yùn)電流先達(dá)到波長1的閾值電流時，開始產(chǎn)生波長1的激光，繼續(xù)增大SOA的抽運(yùn)電流，在達(dá)到波長2的閾值電流時由于波長1的競爭作用，波長2的增益低于腔的損耗，此時不能產(chǎn)生波長2的激光。雙穩(wěn)態(tài)裝置處于低態(tài)。繼續(xù)增加抽運(yùn)電流，由于在SOA中對波長1的光出現(xiàn)增益飽和現(xiàn)象，此時開始有波長2的激光產(chǎn)生，雙穩(wěn)器件輸出切換到高態(tài)。此時若減少SOA的抽運(yùn)電流時，雙穩(wěn)態(tài)輸出又會切換到低態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)兩個穩(wěn)定而有區(qū)別的輸出狀態(tài)對應(yīng)不同波長的頻域光學(xué)雙穩(wěn)過程。第14頁，課件共16頁，創(chuàng)作于2023年2月利用介質(zhì)飽和吸收機(jī)制實(shí)現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)的環(huán)形腔光纖激光器光路原理圖飽和吸收是介質(zhì)對輸入的小信號具有較強(qiáng)的吸收而對大信號吸收較弱。在激光器中，小信號的增益決定激光的閾值?；陲柡臀展鈱W(xué)雙穩(wěn)態(tài)的機(jī)理是在達(dá)到激光閾值的過程中，由于小信號因介質(zhì)的吸收而衰減較大，因此對小信號增益輸出的抽運(yùn)功率要比大信號高很多。對于一定的波長，在增加抽運(yùn)功率的過程中，當(dāng)小信號的增益等于腔內(nèi)損耗時，雙穩(wěn)態(tài)輸出由下穩(wěn)態(tài)躍遷到上穩(wěn)態(tài)，當(dāng)降低抽運(yùn)功率到一定程度時，峰值增益會低于腔內(nèi)的損耗，激光不能維持振蕩，此時雙穩(wěn)態(tài)輸出由上穩(wěn)態(tài)躍遷回下穩(wěn)態(tài)。第15頁，課件共16頁，創(chuàng)作于2023年2月類型調(diào)諧光源工作參數(shù)及優(yōu)缺點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域混合型可調(diào)諧染料激光器僅從原理上驗(yàn)證了頻域光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)的可行性。由于體積龐大、調(diào)諧困難而不實(shí)用?？蓪?shí)現(xiàn)光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)、多穩(wěn)態(tài)、光存儲、光開關(guān)?？烧{(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)諧精度不高（易受溫度影響）。開關(guān)速度較快，在微秒量級。光學(xué)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)諧精度高。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。本征型半導(dǎo)體光纖環(huán)形腔激光器體積小，開關(guān)速度快