光电子技术基础.docx

2014光电子技术基础论文作业许昌学院结课论文任务书题目：光电子技术基础学院：电气信息学院专业：电子信息工程 姓名：李茂林学号：4703110085光电子技术基础李茂林（学院：电气信息学院 专业：电子信息工程 学号：4703110085） 摘要：光电子技术是“光子技术”与“电子技术”相结合的产物，是继微电子技术之后兴起的一门高新技术，目前已经成为信息科学的重要支柱。主要研究光与物质中电子相互作用及其能量相互转换的相关技术，以光源激光化、传输波导化、手段电子化、现代电子中的理论模式和电子学处理方法化为特征，是一门新兴的综合交叉学科。关键词：光子技术；电子技术；相结合；新兴交叉学科引言当今世界，全球的竞争越来越体现在经济和技术实力的竞争，而技术创新则日益成为促进经济增长和提高科技创新能力的关键。光电子技术正是技术战略中重要的一环，对国家生产技术实力的长远发展意义重大。1光电子技术发展史1.1光电子技术成就20世纪60年代激光器的问世，无疑为光与物质相互作用的研究提供了一个及其有效的工具。70年代中期，低损耗光纤的实现、半导体激光器的成熟导致以光纤通信、光纤传感为代表的光信息技术蓬勃发展。80年代，超大功率量子阱阵列激光器的出现，导致半导体双稳态器件的发展。90年代末，光纤无源和有源器件的出现为光纤通信产业的发展提供了网络物理层的基础。也为光电子技术打下了技术基础。21世纪，我们正步入信息化社会，信息与信息交换量的爆炸性增长对信息的采集、传输、处理、存储与显示都提出了严峻的挑战，国家经济与社会的发展，国防实力的增强等都更加依赖于信息的广度、深度和速度1.2光电子技术应用实例打印机、光纤通信，光盘存储，光电显示器等等众所周知，光电子技术已经渗透到各行各业，它已经在科学技术、军事装备、工农业生产、交通、邮电、天文、地质、医疗、卫生等国名经济各个部门发挥着重要的作用，在我们的日常生活中也到处可见光电子技术的应用。人们认为，它对国民经济各个领域的影响是很深远的，它所产生的经济效益远远超过光电子产业本身的价值。2 什么是光电子技术 光电子技术是研究从红外线、可见光、紫外光、X射线直至Y射线波段范围内的光电子技术，是研究运用光子和电子的特性，通过一定媒介实现信息与能盘转换、传递、处理及应用的科学。人们认为，光电子技术是光学和电子发展学的高级阶段，也是高技术领域内的先导和核心。光电子技术是以电子学为核心，以光电子元、器件为主题，综合利用光、电、机、计算机和材料技术，以实现具有一定功能的而且实用的仪器、设备和系统。2.1光电子技术的优点和电子技术相比较，光电子技术具有频域宽、信息容量大、传输速度快、抗电磁干扰能力强的特点。光电子技术以其极大的工作效率推动着信息科学技术的发展，具有越来越强的竞争力。已经成为21世纪最具有代表意义的主导产业之一。2.2光电子技术的应用光电子技术的应用光纤通信、传输宽距离，大容量、宽带数字通信模拟通信太阳光的光纤照明光信息处理光盘存储器、全息照相存储器光视频盘、光音频盘二维信息处理处理匹配滤液POS信息处理机光计算机分光分析同步激光超精密分光分析大气污染气体分析激光诊断微等离子体超快过程分析光应用计算激光雷达、激光传感光纤传感系统精密测量在线检测光空间传输短距离简单图像通信光遥感光开关光在线检测上述各种光电子技术的应用，需要依靠各类光电子器件来实现。电子技术经过100多年的发展，已经产生了比较完善的电子器件，并且已经实现了高度集成化，而光电子技术从激光出现以来仅仅只有40年的历史，正处于发展期，有关器件尚且不完善，集成化也仅在探索中，因此发展空间很大。2.3光电子器件根据光电子器件的功能分类成以下几大类：光电子器件光源器件相干光源激光非线性光学器件非相干光源照明光源显示光源信息处理用光源光传输器件光学元件光波导光纤光控制器件调制器偏转器光开关光双稳器件光探测器件光电导型光伏型热伏型各种传感器光存储器件光盘（CD、VCD、DVD、MD）光驱光盘塔2.4日益进步的光电子技术光电子技术已经涉及到我们人类的生产和生活以及进一步的生存和可持续发展的各个方面，比如：绿色能源技术、光电子信息及通信、光电子加工技术、光电子测量技术、光电子医疗技术等。光电子学和光电子器件的一个非常重要的应用领域与能源和光源有关。在新能源和高功率密度光源领域内，科学家通过不断的研究和努力开发，坚持探求太阳能发电、激光加工、激光核裂变、光纤照明、激光医疗等新的领域和新的应用。其中太阳能发电可以有效的解决化石燃料的枯竭和地球环境的污染的问题，所以成为了新的绿色能源的首选，被寄予厚望。近几年我国也在努力建造太阳能发电站，并且取得了很大的成功。例如：内蒙古鄂尔多斯太阳能发电站项目、1兆瓦的崇明岛项目以及取得巨大突破的166兆瓦的云南光伏发电项目，标志着我国在光电子技术应用和开发上走在了世界的前列！3光电子技术的原理3.1激光基本原理激光是在一定条件下,光与粒子( 原子、分子或离子 )系统相互作用而产生的受激辐射, 而普通光源是光的自发辐射。激光与普通光源相比有下列特点:1，单色性好 2方向性好 3亮度高 4相干性好3.2光子的基本性质光的量子学说(光子说) 认为,光是一种以光速 c 运动的光子流。光子 (电磁场量子 )和其他基本粒子一样, 具有能量、动量和质量等。量子电动力学从理论上把光的电磁(波动) 理论和光子(微粒) 理论在电磁场的量子化描述的基础上统一起来,从而在理论上阐明了光的波粒二象性。3.2.2光子的相干性和光子简并度光的相干性可理解为: 在不同的空间点上或不同时刻的光波场的某些特性的相关性,例如: 光波场相位的相关性。3.2.3光的受辐射基本概念光与物质的共振相互作用,特别是这种相互作用中的受激辐射过程是激光器的物理基础。在普朗克用辐射量子化假设成功地解释了黑体辐射分布规律, 以及玻尔提出原子中电子运动光电子技术基础状态量子化假设的基础上,爱因斯坦从光量子概念出发, 重新推导了黑体辐射的普朗克公式,认为光和物质原子的相互作用过程包含原子的自发辐射跃迁、受激辐射跃迁和受激吸收跃迁三种过程。受激辐射与自发辐射的重要区别在于相干性。受激辐射是在外界辐射场控制下的发光过程。3.3典型激光器的工作机制、基本结构和基本特性3.3.1气体和液体激光器气体激光器是以气体或蒸气作为工作物质的激光器, 通常分为三类: 原子气体激光器、离子气体激光器和分子气体激光器。气体激光器是利用气体原子、离子或分子的能级跃迁。气态物质的光学均匀性一般都比较好,使其输出光束的质量, 如单色性、相干性、稳定性等在单色性和光束稳定性方面都比固体激光器、半导体激光器和液体 ( 染料) 激光器优越。气体激光器产生的激光谱线极为丰富,目前已达数千种, 分布在从 0 .16m 的真空紫外到 4 mm 的远红外波段的广阔范围内,加之气体激光器大多数都能连续运转, 因此是目前应用最广泛的一类激光器。3.3.2固体激光器固体激光器是研究最早的一类激光器,它以固体作为工作物质, 包括绝缘晶体和玻璃两大类。工作物质是在基质材料中掺入激活离子(金属离子或稀土离子) 而制成。基质为激活离子提供一个环境(亦即配位场) ,主要决定材料的光学、物化、机械和热学等性能; 而工作物质的能级结构、荧光特性和激光性能则主要由激活离子和所处的配位场决定, 后者既与激活离子有关,又与基质材料有关。3.3.3半导体激光器半导体激光器系指以半导体材料为工作物质的一类激光器,亦称半导体激光二极管, 或简称为激光二极管(简写为 LD) 。它是近年来发展极快的激光器件之一, 其振荡波长覆盖范围很宽,范围从 0 .3230m。激励方式有 PN 结注入电流激励、电子束激励、光激励和碰撞电离激励 4 种,最成熟和最常用的是 PN 结注入式。使用的工作物质有二元化合物( GaAs) 、三元化合物( GaAlAs)和四元化合物 (GaInAsP) 等。3.4激光控制技术一般的激光器射出的激光束,其性能往往不能满足应用的需要, 因此人类不断地发展了旨在控制与改善激光器输出特性的各种单元技术。为了改善激光器输出光的时间相干性或空间相干性,发展了模式选择、稳频及注入锁定技术。为了获得窄脉冲高峰值功率的激光束, 发展了 Q 调制、锁模、增益开关及腔倒空等技术。3.4.1激光器的模式横模：指在谐振腔的横截面内激光场的分布, 用 TEMmn 表征。纵模：指沿谐振腔轴线方向上的激光场分布。3.4.2激光器的稳频1969年，Szoke首先提出光学双稳态：器件在一定的输入范围内，对给定的输入存在着两个稳定的输出状态。实现双稳态的两个必要条件：1光学非线性、2反馈机制3.4.3光双稳器件的分类光双稳器件是一种具有反馈的非线性光学系统，根据反馈的方式可分为本征型和混合型。 双稳器件直接将部分光信号作为反馈调控参量，非线性地控制器件的输出 合型光稳器件是先将反馈光信号转换成电磁信号，再以电磁信号，再以电磁信号作为反馈调控参量来控制器件的输出。3.4.4本征型和混合型的区别 两者都需要一定的非线性机制，但实现本征型双稳运转时，对介质的光学非线性有很高的要求，而混合运转则依靠外部电路等机构就能实现，一般仅需要一个具有非线性投射或反射功能的光学元件和相应的反馈电路，对介质的非线性要求不高。3.4.5频域光学双稳当非线性调制曲线和反馈曲线均在频域上时，利用可调谐光源实现不同的波长对应两个稳定而有区别的输出状态，或者两个稳定而有区别的输出状态对应不同波长的光学双稳。3.4.6两种类型的比较类型调谐光源工作参数及优缺点应用领域混合型可调谐燃料激光器仅仅从原理上验证了频域光学双稳态的可行性。由于体积庞大、调谐困难而不实用可实现光学双稳态、多稳态、光存储、光开关。可调谐半导体激光器结构紧凑，但波长调谐范围小，调谐精度不高（容易受温度影响）。开关速度较快，在微秒量级。光学逻辑和寻址式光纤传感器。环形腔掺铒激光器体积小，波长调谐范围较宽，调谐精度高。开关速度较慢，在毫秒量级。高精度数字型光纤传感、光开关、光纤激光功率稳定器和光纤激光频率稳定器。本征型半导体光纤环形腔激光器体积小，开关速度快高速光开关、高速光波长转换器F-P腔掺铒光纤激光器全光纤结构，体积小，波长调谐范围宽，双稳态开关速度较慢。宽范围可调谐光纤记激光器、光开关和光存储。环形腔掺铒光纤激光器全光纤结构，体积小，双稳区宽度大，波长调谐范围宽。光纤激光功率稳定器，光开关和宽范围可调谐光纤激光器。4. 电光调制和扫描技术激光是一种光频电磁波,要用激光作为信息的载体, 就必须解决如何将信息加到激光上去的问题。把欲传输的信息加载到激光辐射的过程称为激光调制, 把完成这一过程的装置称为激光调制器。激光起到携带低频信号的作用,所以称为载波。激光调制与无线电波调制相类似,有振幅调制、强度调制、频率调制、相位调制,以及脉冲调制等形式。光波调制根据它与光源的关系,可分为内调制和外调制两类。内调制是指在激光振荡过程中加载调制信号,即以调制信号的规律去改变激光振荡的参数, 从而达到改变激光输出特性,以实现调制的目的; 外调制是指在激光形成以后, 再用调制信号对激光进行调制, 它不是改变激光器的参数,而是改变已经输出的激光的参数( 如强度、频率等) 。5.声光调制和扫描技术5.1声光调制器 光调制器是由声光介质、电声换能器、吸声(或反射 ) 装置及驱动电源等组成。声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理过程。调制信号是以电信号(调辐) 形式作用于电声换能器上, 再转化为以电信号形式变化的超声场, 当光波通过声光介质时,由于声光作用, 使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。5.2声光扫描声光效应的另一个重要用途是用来进行光束扫描偏转。声光扫描器的结构与布喇格声光调制器基本相同,所不同之处在于调制器是改变衍射光的强度, 而扫描器则是通过改变声波频率来改变衍射光的方向, 使之发生偏转, 既可以使光束连续偏转, 也可以是分离的光点扫描偏转。6.光电探测技术 电探测器的基本功能就是把入射到探测器上的光功率转换为相应的光电流。6.1光频外差探测 光的高度相干性、单色性和方向性, 使光频段的外差探测成为现实。光电探测器除了具有解调光功率的包络变化的能力外,只要光谱响应匹配和频率响应合适, 也同样具有实现光外差探测的能力。由于光频外差探测基于两束光波在光电探测器光敏面上的相干效应, 因此外差探测又常常称为相干探测。相对而言,直接探测也称为非相干探测。6.2微弱信号的探测 为信号与噪声有着本质不同的特点,例如: 周期性信号具有重复性的特点, 也就是说后续信号与早先的信号是有关连的,而噪声则没有重复性的特点, 它是随机出现的, 不同时刻的噪声之间是不相关的。根据信号与噪声的不同特点。7结论 以上可知，光电子技术应用领域广阔，21世纪是光电子与微电子紧密结