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1、光电子技术基础第1页，共16页，编辑于2022年，星期四课程目的与任务 光电子技术是“光子技术”与“电子技术”相结合的产物，是继微电子技术后兴起的一门高新技术，目前已成为信息科学的重要支柱。本课程讲解了光电技术的基本知识，包括光束传播规律、激光原理与技术、光波导技术、光通信无源和有源器件技术、光调制技术以及光电探测技术。第2页，共16页，编辑于2022年，星期四教学基本要求通过本课程的学习，要求掌握的主要内容：描述光场的麦克斯韦方程、波动方程、光波的表示与传播特性、高斯光束的特性等；激光产生的基本条件、激光器的基本结构和输出特性；平面介质波导中的光传播特性、光波导的物理光学分析、光纤基本知识；
2、光通信无源与有源器件，包括半导体激光器、光纤连接器、光纤耦合器、光纤隔离器、偏振控制器、光纤激光器以及光纤放大器等；光调制技术，包括晶体光学基础、光在晶体中的传播、电光以及声光调制器等；光电探测技术，包括光探测器性能参数、探测方式、物理效应以及光电探测器的种类。第3页，共16页，编辑于2022年，星期四学时安排章节 主要内容学时安排1导论22光学基础知识和光束传播规律23激光原理与技术44光波导技术基础65光通信无源有源器件66光调制技术47光电探测技术2第4页，共16页，编辑于2022年，星期四绪论 光子技术与电子技术相结合的光电子技术主要研究光与物质中的电子相互作用及其能量相互转换的相关技
3、术，以光源激光化、传输波导化、手段电子化、现代电子学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。第5页，共16页，编辑于2022年，星期四光电子技术发展史年代60年代70年代80年代90年代技术成就激光器的问世低损耗光纤的实现、半导体激光器的成熟超大功率量子阱阵列激光器的出现光纤无源和有源器件的出现相关应用为光与物质相互作用的研究提供了一个极其有效的工具导致以光纤通信、光纤传感为代表的光信息技术蓬勃发展导致半导体双稳态器件的发展为光纤通信产业的发展提供了网络物理层的基础第6页，共16页，编辑于2022年，星期四信息光电子技术与器件光电子器件光源器件光传输器件光控制器件光探测
4、器件光存储器件光盘光驱光盘塔调制器偏转器光开关光双稳器件光电导型光伏型热伏型各种传感器相干光源非相干光源光学元件光波导光纤第7页，共16页，编辑于2022年，星期四光电子技术应用光纤通信、传输光信息处理分光分析光应用计算光空间传输长距离、大容量、宽带数字通信模拟通信局域网通信太阳光的光纤照明光盘存储器、全息照相存储器光视频盘、光音频盘二维信息处理匹配滤波器信息处理器、激光打印机、传真机光计算机短距离简单图象通信光遥感、光开关光在线检测激光雷达、激光陀螺、激光传感光纤传感系统精密测量、全息测量、在线测量同步激光超精密分光分析大气污染气体分析、医用气体分析同位素浓度测定、同位素分析激光诊断微等离子
5、体超快过程分析第8页，共16页，编辑于2022年，星期四光学双稳态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。第9页，共16页，编辑于2022年，星期四 非线性法布里-珀罗标准具是典型的光双稳器件，由非线性光学材料和反馈光腔构成。实现双稳态的两个必要条件：1、光学非线性2、反馈机制机理：在强光的作用下，介质的非线性参数（非线性吸收系数或非线性折射率）发生变化，从而引起透射光强发生变化，光强的变化进一步引起非线性参数的变化。在光腔的反馈作用下，这种变化形成正反馈过程，因而产生光学双稳态。第10页，共16页，编辑于2022年，星期四光双稳器
6、件的分类光双稳器件是一种具有反馈的非线性光学系统，根据反馈方式可分为本征型和混合型。本征型光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；混合型光双稳器件是先将反馈光信号转换成电磁信号，再以电磁信号作为反馈调控参量来控制器件的输出。区别：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，一般仅需一个具有非线性透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。第11页，共16页，编辑于2022年，星期四 通常光学双稳态使用波长固定的激光器作为光源，也可以使用可调谐激光器实现所谓的频
7、域光学双稳。频域光学双稳可理解为：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。第12页，共16页，编辑于2022年，星期四频域光学双稳器举例基于可调谐环形腔光纤激光器实现电光混合频域双稳的光路原理图 理论上滤波器可由任意在频域上具有非线性透射率的光学滤波器构成。从滤波器输出的光强信号经光纤耦合器取样后输入反馈电路，经光电探测器转换成电压信号，再经放大器A放大后加在PZT上调制光纤激光器的输出波 长，实 现 电 光 反 馈 控 制。第13页，共16页，编辑于2022年，星期四利用交叉增益
8、饱和机制实现双稳的半导体环形腔光纤激光器光路原理图不同的波长经过保偏光纤后对应不同的偏振态，而偏振不同的光在SOA内的增益是不同的。可以通过控制SOA抽运电流或控制入射光强来实现两个稳态之间的切换。当SOA抽运电流先达到波长1的阈值电流时，开始产生波长1的激光，继续增大SOA的抽运电流，在达到波长2的阈值电流时由于波长1的竞争作用，波长2的增益低于腔的损耗，此时不能产生波长2的激光。双稳态装置处于低态。继续增加抽运电流，由于在SOA中对波长1的光出现增益饱和现象，此时开始有波长2的激光产生，双稳器件输出切换到高态。此时若减少SOA的抽运电流时，双稳态输出又会切换到低态，从而实现两个稳定而有区别
9、的输出状态对应不同波长的频域光学双稳过程。第14页，共16页，编辑于2022年，星期四利用介质饱和吸收机制实现双稳态的环形腔光纤激光器光路原理图饱和吸收是介质对输入的小信号具有较强的吸收而对大信号吸收较弱。在激光器中，小信号的增益决定激光的阈值。基于饱和吸收光学双稳态的机理是在达到激光阈值的过程中，由于小信号因介质的吸收而衰减较大，因此对小信号增益输出的抽运功率要比大信号高很多。对于一定的波长，在增加抽运功率的过程中，当小信号的增益等于腔内损耗时，双稳态输出由下稳态跃迁到上稳态，当降低抽运功率到一定程度时，峰值增益会低于腔内的损耗，激光不能维持振荡，此时双稳态输出由上稳态跃迁回下稳态。第15页
10、，共16页，编辑于2022年，星期四类型调谐光源工作参数及优缺点应用领域混合型可调谐染料激光器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（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，皮秒量级。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，双稳开关速度较慢。宽范围可调谐光纤激光器、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。第16页，共16页，编辑于2022年，星期四