光电子技术课件 第3扩展

§3.2 电光调制
电光调制的物理基础是电光效应，即某些晶体 在外加电场的作用下，其折射率将发生变化，当 光波通过此介质时，其传输特性就受到影响而改 变。
1. 电光强度调制
1) 纵向电光调制（通光方向与电场方向一致）
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/ 2）和相位都相等．
编码—把量化后的数字信号变成相应的二进制编码。
抽样与量化
f (t ) V
1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0 0.9 0 .8 0 .7 0.6 0 .5 0.4 0.3 0 .2 0.1
1.46 ≈ 1.5
1.52 ≈ 1.5 1.22 ≈ 1.2
0.87 ≈ 0.9
0.89 ≈ 0.9
调频波图像
调频波频谱
E (t ) Ac J 0 (m) cos(ωct + ϕc ) + Ac ∑ J n (m) [ cos(ωc + nωm )t + ϕc + (−1)n cos(ωc − nωm )t + ϕc ] n=1
∞
在单频余弦波调制时，其角度调制波的频谱是由光载频与在 它两边对称分布的无穷多对边频所组成的。各边频之间的频 率间隔是������������������������ , 各边频幅度的大小由贝塞尔函数 Jn(m) 决定。
������������ ������������ = ������������������������ + ������������������������(������������)
调频波总相角为：
∆������������ ������������ ������������ = � ������������ ������������ ������������������������ + ������������������������ = ������������������������ ������������ + sin ������������������������ ������������ + ������������������������ ������������������������

03
光电子技术的 突破：20世纪 中叶，激光器 的发明和光纤 技术的发展
04
光电子技术的应 用：20世纪末， 光电子技术在通 信、医疗、军事 等领域的应用越 来越广泛
光电子技术的未来趋势
光通信技术的发 展：高速、大容
量、低功耗 1
光电子技术的智 4
能化：与人工智 能、大数据等技
术的融合
光电子器件的微 型化：更小、更
C
B
光电探测：用于侦察、监 视和预警
D
光电导航：为武器装备提 供精确制导和导航服务
4
技术难题
光电子技术的 光电子技术的 基础理论研究 应用领域拓展
光电子技术的 光电子技术的
产业化发展
人才队伍建设
30% 10%
55%
5%
市场前景
01 光电子技术在通信、医疗、 能源等领域具有广泛的应 用前景
02 光电子技术在5G、物联 网、人工智能等新兴技术 领域具有巨大的市场潜力
01
兹发现光电效应 量子力学的建立：1925年，海
02
森堡提出量子力学理论 激光的发明：1960年，梅曼发
03
明激光 光电子技术的发展：20世纪70
04
年代，光电子技术开始快速发展
光电子技术的发展
01
光电子技术的 起源：19世纪 末，光电效应 的发现
02
光电子技术的 发展：20世纪 初，光电子技 术的应用开始 出现
光电效应的应用：光电管、光电池、光电倍增管等光电器件。
光电子器件
光电二极管：将光信号 转换为电信号的器件
01
光敏三极管：将光信号
06
02
转换为电压变化的器件
光电三极管：将光信号 转换为电流信号的器件

光电子技术精品课程
§3 纵模的概念
光电子技术精品课程
§3 纵模的概念
光电子技术精品课程
§4 光腔的损耗
开腔的损耗及其描述
光子在腔内的平均寿命
无源谐振腔的Q值 无源腔的本征振荡模式带宽
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§4 光腔的损耗
光电子技术精品课程
§4 光腔的损耗
光电子技术精品课程
§4 光腔的损耗
光电子技术精品课程
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§5 开腔模式的物理概念及分析方法
光电子技术精品课程
§5 开腔模式的物理概念及分析方法
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§5 开腔模式的物理概念及分析方法
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§5 开腔模式的物理概念及分析方法
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§5 开腔模式的物理概念及分析方法
光电子技术精品课程
§5 开腔模式的物理概念及分析方法
光电子技术 精品课程
电子科学与技术 精密仪器与光电子工程学院
光电子技术 精品课程
激 光 原 理
第二章 光腔理论的一般问题
电子科学与技术 精密仪器与光电子工程学院
§1 腔与模
光腔的构成和分类
模的概念
腔的作用
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§1 腔与模
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§2 共轴球面腔的稳定性条件
传输矩阵
共轴球面腔的稳定性条件
§7 方形镜共焦腔的自再现模
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§8 方形镜共焦腔的行波场
厄米 - 高斯光束
振幅分布和光斑尺寸
模体积
等相位面的分布
远场发散角
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§8 方形镜共焦腔的行波场
光电子技术精品课程

第一章 电磁波与光波（理论基础） 第二章 激光与半导体光源 第三章 光波的传输 第四章 光波的调制 第五章 光波的探测与解调
.
未来是光通信的世界。
第一章 光波与电磁波
➢麦克斯韦方程组的积分形式 ➢高斯定理 斯托克斯定律 ➢麦克斯韦方程组的微分形式 ➢边界条件 ➢电磁波的性质 ➢电磁波谱
.
麦克斯韦方程组及其物理意义
E和H幅度成比例、复角相等
0E0 0H0
E H
电磁波的传播速度
v 1 k 00
C
1
00
3108.m/ s
介质中 真空中
为什么说光波是电磁波?
1) 根据麦氏方程推导, 电磁波在真空中的速度为
c 1 3.107 140 8ms
00
当时通过实验测得的真空中的光速也为 3108 m s
2) 根据麦氏方程: 电磁波在介质中的速度为
玻尔频率条件： h En Em 或 En Em
h
式中h为普郎克常数：
h 6 .6 2 1 3 0 J 4s
.
激光的基本原理、特性和应用 ——玻尔假说
原子能级
原子从高能级向低能 级跃迁时，相当于光 的发射过程；而从低 能级向高能级跃迁时， 相当于光的吸收过程； 两个相反的过程都满 足玻尔条件。
（对于非铁磁质）
v c
根据光学中折射率的定义，则
.
v c
nc vc vn
为什么说光波是电磁波?
如果光波是电磁波，比较上面两式：
v c 和v c
n
n
麦克斯韦 关系式
➢而当时测得的无极分子物质，按上式计算的折射率与测量的折射率 能很好的符合。 ➢当时测得的为有极分子物质，上式中的ε用光波频率时的值，则上式 就成立了。平时ε在低频电场下测量。 ➢所以麦克斯韦判定，光波是电磁波。

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欧洲光电子技术发展
• 发展概况：
法国：1997年，法国开始制定光电子技术发展计 划。2001年，法国在巴黎南郊阿尔卡特尔公司的 马尔库西斯研究中心内，建立了欧洲唯一的国家 级光电子研究基地——光谷。 德国：政府已确定光子学是本世纪初“对保持德 国在国际技术市场上的先进地位至关重要的关键 技术之一”。 欧盟：2004年1月，由五家欧洲公司发起，成立 了欧洲光电产业联盟（EPIC），旨在推动欧洲光 电产业的发展，提高经济和技术两方面能力，应 对全球光电产业的竞争。
电子领域世界的翘楚，比如富士通、日立、松下、
三洋、NEC(日本电气股份有限公司)、NTT(日本
电报电话公司)。对日本光电子产业的中长期需求
预 测 结 果 显 示 ， 2010 年 ， 日 本 国 内 生 产 需 求 为
122000亿日元，1995-2010年度的平均年增长率
为10.1%。
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• 第三次（始于20世纪中叶） 以原子能技术、航天技术、电子计算机、通信技 术的应用为代表， 开创了人类信息时代
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信息技术的发展趋势
• 第一阶段——电子信息技术 电子信息技术：主要研究电子的特性与行为及其 在真空或物质中的运动与控制。以半导体器件为 代表的微电子技术是信息社会的第一次重大革命 （微型化） 其特征是：信息的载体是电子 代表：半导体，计算机等
• 课程分为理论教学（38学时）与实验教学（10学 时）两部分，重视知识性内容与实践环节的融合 ，旨在拓宽学生在光学、电子学及光电子学等领 域的知识面，培养学生跟踪新理论、新技术的思 维。
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光电子技术的主要内容
光产生：产生光源
光调制： 将信息加载到光源

虽然朗伯定律是一个理想化的概念，但是在实际中 遇到的许多辐射源，在一定的范围内都十分接近于 朗伯余弦定律的辐射规律。
例如，黑体辐射就精确遵守朗伯余弦定律。
•大多数绝缘材料，在相对于表面法线方向的观察角 不超过60°时，都遵守朗伯余核定律。 •导电材料虽然有较大的差异，但在工程计算中，观 察角不超过50 °时，也还能运用朗伯余弦定律，运 用朗伯余弦定律对这类辐射源的辐射量的计算，就 变得十分简单。
如不考虑辐射传输过程中大气的影响，在离开 源距离为l处的辐照度分别为 （9）
（10） 以上两式表明：点源在被照面上产生的辐照度 与其辐射强度成正比，与源到被照面的距离平 方成反比，并与源相对于被照面法线的方向夹 角有关。
3．2 朗伯余弦定律和小面源 的辐射特性
一、朗伯余弦定律 辐射源单位表面积向空间某方向单位立体角发射( 或反射)的辐射功率，和该方向与表面法线夹角的 余弦成正比，即 （15） 这个规律就称为朗伯余弦定律。式中B是一 个与方向无关的常数。凡遵守朗伯余弦定律 的辐射表面称为朗伯面，相应的辐射源称为 朗伯源或漫辐射源。
2．朗伯辐射源的L辐射亮度与M辐出度的关系
（7）
L与M关系的普遍表示式由式(7)给出在一般情况下，如果不 知道L与方向角θ的明显函数关系，就无法由L计算出M。但 是，对于朗伯辐射源而言，L与θ无关，于是式(7)可写为 ：
因为球坐标的立体角元
利用这个关系，可使辐射量的计算大为简化
四、例 题 求圆盘和球状小面源的辐射强度和辐射功率。 1．圆盘 设圆盘的辐射亮度为L，面积为A，如图所示 。圆盘在与其法线成θ方向上的辐射强度为 (20) 式中I0＝LA，为圆盘在其法线方向上的辐射强度。
这种噪声会使器件的比探测率降低。 探测率D：是最小可探测功率NEP的倒数，表征 的是探测器的灵敏度，D越大灵敏度越高 比探测率D*:归一化的探测率D,可以对不同带宽 和光敏面积的探测器进行比较，可定义为

Pth n2th A21VRh p lcab1 ........(1.2 10)
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三种工作物质的阈值比较
工作物质尺寸：Φ6mm×100mm，损耗系数α＝0.01， 输出镜透射率T＝0.5，ηL＝0.5，ηc＝0.8，ηab＝0.2
参数
σ21（cm2） νp（S－1） ntot(cm-3) η0 Δnth(cm-3) n2th(cm-3) Eth(J)
21 0 A21 / 4 2n2
g n 21......................(1.2 2)
高斯线型
21 0 A21 ln 2 / 4 2n2
22
固体激光器阈值
受激辐射截面
红宝石 2.5E-20 cm2
Nd3+:YAG
27~88E-20 cm2
Nd3+:Glass 3E-20 cm2
20
100% I0
工作物质
固体激光器的阈值
R
I’ l
I ' I0 Re2(g )l
Re 1 阈值条件：
2(g )l
21
固体激光器阈值
gth
1 2l
ln
1 R
.................(1.2 1)
洛仑兹线型中心频率处的增益系数：
g
n
0 A21 4 2n2
其中，n
n2
g2 g1
n1
n为激光工作介质中的折射率
E1
E0
b) 四能级
量子效率0
亚稳态发射的荧光光子数 工作物质从光泵吸收的光子数
1
2
三能级1
=
S32 S32 +A31
2
A21 A21 S21

LD的工作特性（模式特性）
（1）
提高LD性能的方法
（2）
单纵模（SLM）激光器 设计的基本思想
使
几种典型的SLM激光器
大功率光纤激光器
包层泵浦技术
光纤耦合技术
大功率光纤激光器
美 国 IPG Photonics 公 司 、 德 国 Jena 大 学 的 应 用 物 理 所 和 英 国 Southampton 的 ORC 研 制 的 单 根 双包层光纤激光器，连续输出功率 分别达到135W、150W、1000W、 4000W, 20000W
难点
控制能力差
电子技术的发展
半导体电子学的强大生 命力在于它能够实现集 成化
处理功能和运行速度得 到大幅度提高，功耗大 大降低
尺寸大大缩小
芯片的成品率、可靠性 和性价比极大改善
但是利用电子作为信息的载体， 由于路径延迟和电磁串扰效应 的存在，无论从技术局限或是 经济代价以及信息安全的角度 来考虑，电子技术都出现了它 的阶段局限性。
5、半导体光电探测器
5.1 PN光电二极管
5.2 PIN光电二极管
5.3 APD光电二极管
5.4 光电二极管工作特性和参数
原因：W越大，光子入射到该区域的可能性 越大，被吸收产生光电流的概率就越高。
5.5 光电二极管一般性能和应用
谢谢
半导体掺杂材料的选择原则: 如果掺入的杂质原子代替半导 体晶格中的原子后存在多余的价电子，该杂质为施主杂质；如 果掺入的杂质原子代替半导体晶格中的原子后尚缺乏成键所需 要的电子，即存在电子空位，该杂质为受主杂质。
3、激光基本原理
光发射和光吸收
T为热力学温度，k=1.381×10-23J/K为玻尔兹曼常数

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Gas Sensor
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对燃烧过程的监测
通过对光吸收的测量，确定燃烧过程产生的CO、NO、H2O、 CO2等气体的浓度；
•对激光器进行调谐，可以测量吸收谱；
•通过吸收的比例，可以判断燃烧室的温度；
•“借用”波分复用技术，可以同时测量多个参量。
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➢ 安全监测
太赫兹波（THz）：
实现和应用这些系统，需要多方面 的知识和技能。
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与这些领域相关的技术就是光电 子技术; 支持这些技术的学科就是光电子 学。
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光电子学包含：
激光与红外物理学
➢ 非线性光学: ➢ 强光光学效应、电光效应、磁光效应、弹(声)光
效应 ➢ 半导体光电子学： ➢ 光电转换效应、发光效应、非线性光学效应 ➢ 导波光学： ➢ 非线性光学效应介质导波效应 ➢ 傅立叶光学
100GHz～10THz
分辨率比X光要高
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基本器件
激光器；
•光放大器；
•调制器；
•光隔离器；
•探测器；
•环形器；
•光纤；
•光衰减器；
•光栅；
•光滤波器；
•分光器；
•显示器；
•光开关；
•移频器；
•波分复用耦合器； •……；
•波长转换器；
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了解和认识这些器件，需要多方面 的基础和专业知识；
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光电子技术分类
➢ 包括两大类技术: ➢ 光电子信息技术: ➢ 激光在电子信息技术中的应用形成的技术。
包含：光电检测与信息处理;光通信;光存储; 光显示等等。 ➢ 光电子能量科学技术： 太阳能的利用; 高效节能光源； 高功率激光器；激光加工；激光生命科学

4 [001] 4次旋转反演轴
2 [010]或[100] 2次旋转轴 m [110] 对称面
砷化镓晶体（ GaAs ） 立方晶系，43m 点群
4 [100] 4次旋转反演轴
3 [111] 3次旋转轴 m [110] 对称面
光电子基本技术基础
第三部分 二、晶体光学的
基础知识
（二）、晶体物理常数的张量性质及其矩阵表示法
解复用器
光通信：光波频率~1014Hz , 允许高频调制，
信号
目前商用水平：每路10~4G 0 /bs
*通信容量大 *不受电磁干扰
发展趋势：路数增多，信道间隔加密，
这个系统中都用到 了哪些光学元件？
传输距离加长
光电子基本技术基础
例：电视系统（CATV）
第三部分 晶体光学的 基础知识
电视台 演播室
EDFA 功放
正交（斜方） abc 90
正方 abc 90
单斜 abc 90
光电子基本技术基础
第三部分 二、晶体光学的
基础知识
晶体的对称性： 对晶体实行某种适当的操作，晶体保持不变
• 恒等操作（E）：绕任何轴旋转0或2 角度 • n次旋转（Cn）：绕某轴转n次后回到原位
如：某晶体，绕某周转120°后与原来重合，可转三次， 该轴称为3次旋转轴，n=3， n可取1，2，3，4，6 • 中心反演（I）：绕某个中心点，把坐标为r的点换 到 -r上 • 镜象反演（）：以某个面为对称面 • n次旋转反演（Sn）：进行 n 次旋转后，绕旋转轴的 某个点再进行中心反演
每种功能可以用多种技术方案，如调制：
可以：电光调制，声光调制，磁光调制，半导体电吸收调制，半 导体激光器内调制
每种技术方案的基础分别为电光效应，声光效应------