光电子技术及应用-结篇课件

基本概念基本概念:1.能级能级2.粒子数反转粒子数反转3.吸收吸收4.自发辐射自发辐射5.受激辐射受激辐射 基本概念:1.能级1激光器的组成激光器的组成1.工作物质工作物质2.谐振腔谐振腔3.泵浦源泵浦源本实验室的本实验室的YAGYAG激光器的腔体结构图激光器的腔体结构图激光器的组成1.工作物质本实验室的YAG激光器的腔体结构图2激光器分类及其工作物质激光器分类及其工作物质固体激光器：固体激光器：红宝石激光，钛宝石激光，铷玻璃激光红宝石激光，钛宝石激光，铷玻璃激光液体激光器：液体激光器：染料激光器染料激光器(可见光区宽范围可调谐可见光区宽范围可调谐)气体激光器：气体激光器：He-Ne激光器，激光器，CO2激光器激光器半导体激光器：半导体激光器：GaAs,AlGaAs,InGaAs（红外局部可调谐）（红外局部可调谐）光纤激光器光纤激光器:掺稀土掺稀土自由电子激光器自由电子激光器：相对论电子相对论电子X射线激光器：射线激光器：类氦离子，类锂离子类氦离子，类锂离子激光器分类及其工作物质固体激光器：红宝石激光，钛宝石激光，3什么是发光二极管（LED）？发光二极管是由数层很薄的搀杂半导体材料制成，一层带过量的电子，另一层因缺乏电子而形成带正电的“空穴”，当有电流通过时，电子和空穴相互结合并释放出能量，从而辐射出光芒。什么是发光二极管（LED）？发光二极管是由数层很薄的搀杂半导4光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成单向传输的光纤通信系统，包括发发射射、接接收收和作为广义信道的基本光纤传输系统光纤传输系统。光纤通信系统的基本组成单向传输的光纤通信系统，包括发射、接5 基本光纤传输系统的三个组成部分基本光纤传输系统的三个组成部分1 1 1 1、光发送机、光发送机、光发送机、光发送机组成框图：组成框图：组成框图：组成框图：光光 源源调制器调制器通道耦合器通道耦合器电信号输入电信号输入光输出光输出驱动电路驱动电路结构参数：结构参数：结构参数：结构参数：发送功率，发送功率，dbmdbm概念概念光源光谱特性光源光谱特性光源光谱特性光源光谱特性：输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，器件寿命长器件寿命长器件寿命长器件寿命长基本光纤传输系统的三个组成部分1、光发送机光6光源光源：发光二极管（LED）：自发辐射，输出光功率小，谱宽，稳定，长寿命（107），价低，适用于小容量、短距离传输系统。激光二极管（LD）：受激辐射，输出光功率大，谱窄，波长稳定，长寿命（105至106），价高，适用于大容量、长距离传输系统。光调制器光调制器：目前采用强度调制（由于光源频谱不纯，尚未实现相干光通信）；分内调制和外调制，对于数字调制，用光脉冲的有无代表数字信息（0和1）。光发射机光源：光发射机7电信号对光的调制的实现方式电信号对光的调制的实现方式 直接调制直接调制 用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的。这种方案技术简单，成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。外调制外调制 把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。外调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用。电信号对光的调制的实现方式8 图 1.5两种调制方案(a)直接调制；(b)间接调制(外调制)图1.5两种调制方案9 2.光纤线路光纤线路 功功功功能能能能：是是把把来来自自光光发发射射机机的的光光信信号号，以以尽尽可可能能小小的的畸畸变变(失失真真)和衰减传输到光接收机和衰减传输到光接收机 组成组成组成组成:光纤光纤、光纤接头光纤接头和光纤连接器光纤连接器 低低低低损损损损耗耗耗耗 “窗窗窗窗口口口口”：普通石英光纤在近红外波段，除杂质吸收峰外，其损耗随波长的增加而减小，在0.85 m、1.31 m和1.55 m有三个损耗很小的波长“窗口”，见后图。光光光光源源源源激激光光器器的的发发射射波波长长和光光光光检检检检测测测测器器器器光光电电二二极极管管的的波波长长响响应应，都要和光纤这三个波长窗口窗口相一致。目前在实验室条件下，1.55 m的损耗已达到0.154 dB/km，接近石英光纤损耗的理论极限。2.光纤线路103 3 3 3、光接收机、光接收机、光接收机、光接收机功能：功能：功能：功能：是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号并经放大和处理后恢复成发射前的电信号组成部分：组成部分：组成部分：组成部分：耦合器，光电检测器，解调器耦合器，光电检测器，解调器组成框图：组成框图：组成框图：组成框图：电子电路电子电路光输入光输入耦合器耦合器光电检测器光电检测器解调器解调器电信号输出电信号输出结构参数：结构参数：结构参数：结构参数：接收机灵敏度接收机灵敏度接收机灵敏度接收机灵敏度，定为，定为BER10BER10-9-9条件下，所要条件下，所要 求的最小平无接收功率。求的最小平无接收功率。检测方式：检测方式：检测方式：检测方式：直接检测直接检测直接检测直接检测和和外差检测外差检测外差检测外差检测3、光接收机电子电路光输入耦合器光电检测器解调器电信号输出结11光检测器的功能：光信号的解调（O/E）光检测器的类型：PIN光电二极管、雪崩光电二极管（APD）光接收机的灵敏度取决于噪声特性（包括光检测器的噪声和电放大器的噪声）和误码率指标APD是有增益的光电二极管适用于灵敏度要求较高的场合，但需采用复杂的温度补偿电路，故成本高；在灵敏度要求不高的场合，宜采用PIN管。光接收机中还有电的放大器、自动增益控制电路、均衡再生电路等。光接收机光检测器的功能：光信号的解调（O/E）光接收机12光接收机：光信号转换为电信号，恢复光载波所携带的原信号。光光接接收收机机的的设设计计比比光光发发送送机机设设计计要要复复杂杂得得多多，这这是是因因为为接接收收机机必必需需首首先先检检测测到到微微弱弱的的失失真真信信号号，然然后后根根据据此此放放大大的的失失真真信信号号来来判判断断所所传传输输数据的类型。数据的类型。光接收机通常由光检测器、前置放大器、主放大器和滤波器等组成，在数字光接收机中，还要增加判决、时钟提取和自动增益控制等电路。光接收机：光信号转换为电信号，恢复光载波所携带的原信号。光接13光电子技术及应用-结篇课件14液晶器件所基于的三种光学特性 由于液晶具有单轴晶体的光学各向异性，所以具有以下光学特性：1）能使入射光沿液晶分子偶极矩的方向偏转；2）使入射的偏光状态，及偏光轴方向发生变化；3）使入射的左旋及右旋偏光产生对应的透过或反射。液晶器件基本就是根据这三种光学特设计制造的。液晶器件所基于的三种光学特性由于液晶具有单轴晶体的光15（3）液晶的电光效应液晶材料在施加电场（电流）时，其光学性质会发生变化，这种效应称为液晶的电光效应。液晶的电光效应在液晶显示器的设计中被广泛采用。目前发现的电光效应种类很多，产生电光效应的机理也较为复杂，但就其本质来讲都是液晶分子在电场作用下改变其分子排列或造成分子变形的结果。（3）液晶的电光效应液晶材料在施加电场（电流）时，其光学性质16激光显示技术分为三种类型：（一）是激光阴极射线管LCRT（Laser Cathode Ray Tube），基本原理是用半导体激光器代替阴极射线显像管的荧光屏来实现的一种新型显示器件。（二）是激光光阀显示，基本原理是激光速仅用来改变某些材料（如液晶等）的光学参数（折射率或透过率），而再用另外的光源把这种光学参数变化而构成的像投射到屏幕上，从而实现图像显示。（三）是直观式（点扫描）电视激光显示，它是将经过信号调制了的RGB三色激光束直接通过机械扫描方法偏转扫描到显示屏上。激光显示技术分为三种类型：17光电成像器件光电成像器件的发展、类型特性光电成像原理光电成像原理与电视制式真空摄像管电荷耦合器件电荷耦合器件（CCD）光电成像器件18半导体结型光电器件半导体结型光电器件结型光电器件原理结型光电器件原理pnE图图6.1 p-n结的形成结的形成一、热平衡状态下的一、热平衡状态下的p-n结结1、p-n结形成和几个物理参数结形成和几个物理参数 形成过程：形成过程：半导体结型光电器件结型光电器件原理pnE图6.1p-n结的19二、光照下的二、光照下的p-n结：结：1、p-n结光电效应和两种工作模式结光电效应和两种工作模式 1)p-n结光电效应结光电效应图图6.4 p-n结的光电效应结的光电效应pn二、光照下的p-n结：图6.4p-n结的光电效应pn20 2)2)两种工作模式两种工作模式 零电压偏置零电压偏置：光照下无外加电压，即光生伏效应，称光光照下无外加电压，即光生伏效应，称光伏工作模式。伏工作模式。图图6.5 光照下光照下p-n结的零偏模式结的零偏模式pnIpRL图6.5光照下p-n结的零偏模式pnIpRL21 光电池光电池按用途分：按用途分：1、太阳能电池：用作电源、太阳能电池：用作电源 要求转换率高，成本低；要求转换率高，成本低；2、测量用光电池：用于光电探测、测量用光电池：用于光电探测 要求线性范围宽，光谱响应合适，稳定性好，寿要求线性范围宽，光谱响应合适，稳定性好，寿命长命长光电池一般工作在光生伏模式，也可工作在反向光电池一般工作在光生伏模式，也可工作在反向偏置模式，直接将光能转换成电能。偏置模式，直接将光能转换成电能。光电池按用途分：1、太阳能电池：用作电源2、测量用光电池：22一、光电池的原理及基本结构：一、光电池的原理及基本结构：1、原理：零偏置或反偏置下、原理：零偏置或反偏置下p-n结的光生伏效应结的光生伏效应npSiO2图图6.9 硅光电池示意图及符号硅光电池示意图及符号2、基本结构：、基本结构：2DR型：以型：以p型硅做基底，型硅做基底，n型薄层受光面型薄层受光面 2CR型：以型：以n型硅做基底，型硅做基底，p型硅做受光面型硅做受光面一、光电池的原理及基本结构：npSiO2图6.9硅光电池示231.硅系太阳能电池硅系太阳能电池1)单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池 优点：优点：转化率高转化率高(24.4%)，技术最为成熟，技术最为成熟 缺点：缺点：成本高，基底厚度达成本高，基底厚度达350-450m。提高转化率的途径：提高转化率的途径：单晶硅表面微结构处理和分区掺单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺杂工艺 德国费莱堡太阳能系统研究所保持至世界领先水平德国费莱堡太阳能系统研究所保持至世界领先水平1.硅系太阳能电池单晶硅太阳能电池24半导体光电二极管半导体光电二极管半导体光电三极管半导体光电三极管半导体光电二极管25光电二极管和光电池的主要差别：光电二极管和光电池的主要差别：用途不同用途不同光电池：能量转化光电池：能量转化 提高转化率提高转化率光电二极管：光电二极管：探测探测 灵敏度、响应快、高量子效率灵敏度、响应快、高量子效率特性差异：特性差异：1、响应范围要求不同；、响应范围要求不同；2、响应时间不同、响应时间不同 3、工作模式不同、工作模式不同结构差异结构差异光电二极管和光电池的主要差别：用途不同光电池：能量转化26特殊的光电二极管特殊的光电二极管PINPIN光电二极管光电二极管雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（APDAPD）紫外光电二极管紫外光电二极管特殊的光电二极管PIN光电二极管27第第5 5章章 光电成像系统光电成像系统 光电成像系统的基本组成第5章光电成像系统光电成像系统的基本组成283 CMOS3 CMOS与与CCDCCD器件的比较器件的比较 CCD摄像器件摄像器件灵敏度高、噪声低、像素面积小灵敏度高、噪声低、像素面积小难与驱动电路及信号处理电路单片集成，难与驱动电路及信号处理电路单片集成，需要使用相对高的工作电压，制造成本比需要使用相对高的工作电压，制造成本比较高较高 3CMOS与CCD器件的比较CCD摄像器件29 光信号的调制光信号的调制 光调制的基本概念光调制的基本概念 电光调制电光调制 声光调制声光调制 磁光调制磁光调制光电子技术及应用-结篇课件30激光调制与偏转技术激光调制与偏转技术311.纵向电光调制纵向电光调制（通光方向与电场方向一致）电光晶体(KDP)置于两个成正交的偏振器之间，其中起偏器P1的偏振方向平行于电光晶体的x轴，检偏器P2的偏振方向平行于y轴，当沿晶体z轴方向加电场后，它们将旋转45o变为感应主轴x,y。因此，沿z轴入射的光束经起偏器变为平行于x轴的线偏振光，进入晶体后(z=0)被分解为沿x和y方向的两个分量，两个振幅(等于入射光振幅的1/）和相位都相等分别为：图125是一个纵向电光强度调制的典型结构。1.纵向电光调制（通光方向与电场方向一致）322横向电光调制（通光方向与电场方向垂直）横向电光调制（通光方向与电场方向垂直）物理光学已经讲过，横向电光效应可以分为三种不同物理光学已经讲过，横向电光效应可以分为三种不同的运用方式：的运用方式：(1)沿沿z轴方向加电场，通光方向垂直于轴方向加电场，通光方向垂直于z轴，并与轴，并与x或或y 袖成袖成45o夹角夹角(晶体为晶体为45o-z切割切割)。(2)沿沿x方向加电场方向加电场(即电场方向垂直于即电场方向垂直于x光袖光袖)，通光方向，通光方向 垂宜于垂宜于x铀，并与铀，并与z轴成轴成45o 夹角夹角(晶体为晶体为45o-x切割切割)。(3)沿沿y轴方向加电场，通光方向垂直于轴方向加电场，通光方向垂直于y轴，并与轴，并与z轴成轴成 45o夹角夹角(晶体为晶体为45o-y切割）。切割）。以下仅以以下仅以KDP类晶体为代表讲述第一种运用方式。类晶体为代表讲述第一种运用方式。2横向电光调制（通光方向与电场方向垂直）33光电检测系统变换电路光电传感光源光学系统被测对象光学变换电信号处理存 储显 示控 制光学变换电路处理光电检测系统变换电路光源光学系统被测对象光学变换电信号处理存34精品课件精品课件！精品课件！35精品课件精品课件！精品课件！36直接检测/相干检测直接检测:无论是相干或非相干光源，都是利用光源发射的光强携带信息。光电探测器直接把接受到的光强的变化转换为电信号的变化，然后，用解调电路检出所携带的信息。相干检测:利用光波的振幅、频率、相位携带信息，而不是光强。因为用光波的相干原理，只能用相干光。类似于无线电外茶检测，故又称光外差检测。直接检测/相干检测直接检测:37