光电子技术及应用结篇.ppt

激光器的物理原理 激光器组成及谐振腔的结构与作用 激光的模式 纵模 横模 基本概念 形成稳定激光振荡的条件 基本概念 1 能级2 粒子数反转3 吸收4 自发辐射5 受激辐射 激光器的组成 1 工作物质2 谐振腔3 泵浦源 本实验室的YAG激光器的腔体结构图 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 铷玻璃激光液体激光器 染料激光器 可见光区宽范围可调谐 气体激光器 He Ne激光器 CO2激光器半导体激光器 GaAs AlGaAs InGaAs 红外局部可调谐 光纤激光器 掺稀土自由电子激光器 相对论电子X射线激光器 类氦离子 类锂离子 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 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 接收和作为广义信道的基本光纤传输系统 基本光纤传输系统的三个组成部分 1 光发送机组成框图 结构参数 发送功率 dbm概念 光源光谱特性 输出光功率足够大 调制频率足够高 谱线宽度和光束发散角尽可能小 输出功率和波长稳定 器件寿命长 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 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 电信号对光的调制的实现方式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 图1 5两种调制方案 a 直接调制 b 间接调制 外调制 2 光纤线路 功能 是把来自光发射机的光信号 以尽可能小的畸变 失真 和衰减传输到光接收机组成 光纤 光纤接头和光纤连接器低损耗 窗口 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 光源激光器的发射波长和光检测器光电二极管的波长响应 都要和光纤这三个波长窗口相一致 目前在实验室条件下 1 55 m的损耗已达到0 154dB km 接近石英光纤损耗的理论极限 3 光接收机功能 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 并经放大和处理后恢复成发射前的电信号组成部分 耦合器 光电检测器 解调器组成框图 结构参数 接收机灵敏度 定为BER 10 9条件下 所要求的最小平无接收功率 检测方式 直接检测和外差检测 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 光接收机的设计比光发送机设计要复杂得多 这是因为接收机必需首先检测到微弱的失真信号 然后根据此放大的失真信号来判断所传输数据的类型 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 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 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 激光显示技术分为三种类型 一 是激光阴极射线管LCRT LaserCathodeRayTube 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 光电成像器件 光电成像器件的发展 类型 特性光电成像原理与电视制式真空摄像管电荷耦合器件 CCD 半导体结型光电器件 结型光电器件原理 图6 1p n结的形成 一 热平衡状态下的p n结1 p n结形成和几个物理参数形成过程 二 光照下的p n结 1 p n结光电效应和两种工作模式1 p n结光电效应 图6 4p n结的光电效应 2 两种工作模式零电压偏置 光照下无外加电压 即光生伏效应 称光伏工作模式 光电池 按用途分 1 太阳能电池 用作电源要求转换率高 成本低 2 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 寿命长 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 一 光电池的原理及基本结构 1 原理 零偏置或反偏置下p n结的光生伏效应 2 基本结构 2DR型 以p型硅做基底 n型薄层受光面2CR型 以n型硅做基底 p型硅做受光面 1 硅系太阳能电池 单晶硅太阳能电池优点 转化率高 24 4 技术最为成熟缺点 成本高 基底厚度达350 450 m 提高转化率的途径 单晶硅表面微结构处理和分区掺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 半导体光电二极管半导体光电三极管 光电二极管和光电池的主要差别 用途不同 光电池 能量转化提高转化率 光电二极管 探测灵敏度 响应快 高量子效率 特性差异 1 响应范围要求不同 2 响应时间不同3 工作模式不同 结构差异 特殊的光电二极管 PIN光电二极管雪崩光电二极管 APD 紫外光电二极管 第5章光电成像系统 光电成像系统的基本组成 3CMOS与CCD器件的比较 CCD摄像器件灵敏度高 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 需要使用相对高的工作电压 制造成本比较高 光信号的调制光调制的基本概念电光调制声光调制磁光调制 激光调制与偏转技术 1 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1 2 5是一个纵向电光强度调制的典型结构 2 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的运用方式 1 沿z轴方向加电场 通光方向垂直于z轴 并与x或y袖成45o夹角 晶体为45o z切割 2 沿x方向加电场 即电场方向垂直于x光袖 通光方向垂宜于x铀 并与z轴成45o夹角 晶体为45o x切割 3 沿y轴方向加电场 通光方向垂直于y轴 并与z轴成45o夹角 晶体为45o y切割 以下仅以KDP类晶体为代表讲述第一种运用方式 光电检测系统 光学变换 电路处理 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