01光电子学

现代光电子技术张爱玲天津理工大学计算机与通信工程学院主要参考书A.Yariv,OpticalElectronics彭江得《光电子技术基础》《现代通信光电子学(第五版)》亚里夫著，陈鹤鸣译，2004.9，电子工业出版社；《光电子学与光子学的原理及应用》（英文版），S.O.Kasap著，2001，电子工业出版社；《光电子技术基础（第二版）》，朱京平编著，科学出版社，2009.1《光电子理论与技术》马声全陈贻汉编，2005.1，电子工业出版社。《光电子学与光子学的原理及应用》（英文版)什么是“光电子”；什么是“光电子技术”；光电子器件“光电子技术应用”；本课程学习方法、要求。电子学（Electronics）：研究电荷在半导体、电阻、电感、电容、纳米结构和真空管等各种材料和器件中流动的科学。光子学（Photonics）：来自与光能量的最小单位光子的概念，研究光子的产生、控制和检测的科学。光电子（Optoelectronics）：研究产生、控制和探测光的电子器件及其应用的科学。什么是光电子？光子学和电子学存在着交叉：一方面，光子可以控制电子的运动（如光电探测器）；另一方面，电子也可以产生和控制光子的运动（如LD，电光调整器）光电子技术光电子技术是光子技术与电子技术相结合而形成的一门技术光子技术的研究对象光子的特性光子与物质的相互作用光子在自由空间或物质中的运动与控制电子技术的研究对象电子的特性电子与物质的相互作用电子在自由空间或物质中的运动与控制光与物质中的电子相互作用及其能量相互转换的相关技术,也是光波段的电子技术光电子技术的研究对象光波段(红外线、可见光、紫外线和软X射线)绪论光电子主要研究的波长~800nm：Ti:Sapphire激光器（飞秒激光）；~1000nm：掺Nd3+、Yb3+激光器（高功率光纤激光器；~1550nm：掺Er3+激光器放大器、光纤低损耗窗口（通信）~1mm：THz波，介于微波和光之间超连续光源1.2光电子技术发展简史第一阶段光电探测器问世·1873年英国W.R.史密斯发现了硒的光电导特性(内光电效应)·1888年德国H.R.赫兹观察到紫外线照射到金属上时,能使金属发射带电粒子·1890年勒纳对带电粒子的电荷质比的测定,证明它们是电子,由此弄清了外光电效应的实质·1929年L.R.科勒制成银氧铯光电阴极,出现光电管·1939年苏联V.K.兹沃雷制成实用的光电倍增管1.2光电子技术发展简史·40年代出现了用半导体材料制成的温差型红外探测器和测辐射热计·50年代中可见光波段的硫化镉(CdS),硒化镉(CdSe)光敏电阻和短波红外硫化铝光电探测器投入使用·1958年英国劳森等发明□镉汞(MCT)红外探测器·红外探测器自60年代以来快速发展,40多年来美、英、法等大力开发了中波(3~5μm)和长波(8~14μm)红外多元探测器,并广泛应用于夜视、侦察和制导系统等领域·1992年起各国用红外焦平面阵列在各种成像技术中取代多元探测组件·30年代末PbS红外探测器问世,室温下探测到3μm·50年代末美国将探测器用于代号为响尾蛇的空空导弹1.2光电子技术发展简史·激光器诞生及发展·1916年爱因斯坦在《关于辐射的量子理论》中,提出了光的受激辐射及光放大的概念,这为激光器的产生提供了理论基础·1954年美国汤斯以制冷的氨分子作为工作物质,研制成了微波激射器稍后,苏联巴索夫和普洛霍洛夫以氟化铯为工作物质制成了微波激射器·1958年汤斯和肖诺将微波受激辐射的原理推广到红外和可见光波段,引入了激光的概念·1960年梅曼研制成功了世界的一台激光器——红宝石激光器.随后,各种固体、气体、液体、半导体激光器相继出现.同时从第一台激光器诞生之日起,人们就开始探索激光的应用.激光的军事应用被优先考虑·1961年第一台激光测距仪问世第二阶段红宝石激光器望远镜式激光测距仪1.2光电子技术发展简史第三阶段·低损耗光纤问世·1966年英籍华人高锟等提出了实现低损耗光纤的可能·1970年美国研制出损耗为20dB/KM的石英光纤和室温下连续工作的激光二极管,使光纤通信成为现实,这一年被公认为“光纤通信元年”·90年代初光纤放大和波分复用技术诞生·80年代初日本,美国,英国相继建成全国干线光纤通信网1.2光电子技术发展简史·光纤传感技术源于80代初.90年代初中期光纤激光器、光纤光栅等光纤元件崭露头角光纤激光器光纤光栅利用啁啾和波长同时可调谐的光纤光栅1.2光电子技术发展简史·光存储技术发展很快.1972年荷兰飞利浦公司演示了模拟式激光视盘.1982年飞利浦公司同日本索尼公司合作,推出了第一台数字式激光唱机.CD,VCD,DVD迅速进入千家万户1960年，激光器的发明，获得了可靠高性能的相干光源。上世纪60年代以来，基于半导体的光产生和探测器件的发明，允许获得非常紧凑、高效的光电子器件。上世纪70、80年代，低损耗光纤和掺铒光纤放大器的出现，推动了光通信技术的发展。下一个里程碑……光子晶体？光子晶体光纤？硅基光电子集成？纳米光子学？现代光学的里程碑现代光学的发展，推动了“光子学”的出现1.3信息光电子器件按信息传递的各各环节划分光源信息加载或光控制光传输处理存储光信号接收光源器件光调制器件光传输器件光探测器件光显示器件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非线性器件光调制与探测器件光无源器件光纤光栅耦合器二次谐波参量振荡电光调制声光调制量子型探测非量子型探测激光器--相干光源宽度光源--非相干光源光波导光纤光子晶体光纤基本器件激光器；调制器；探测器；光纤；光栅；分光器；光开关；波分复用耦合器；波长转换器；光放大器；光隔离器；环形器；光衰减器；光滤波器；显示器；移频器；……了解和认识这些器件，需要多方面的基础和专业知识；实现和应用这些系统，需要多方面的知识和技能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体超快过程分析1.4光电子技术应用光电子技术像其它高新技术一样,始终收到军方的高度重视.在军事方面的应用不可忽视1.军事方面的应用1983年,美国总统提出的战略防御倡议(SDI),包括高能激光武器,基于红外焦平面阵列的星载预警系统,以及许多光电子器件和整机系统1991年的海湾战争,以美国为首的多国部队广泛使用了各种星载、机载和车载光电子装备,包括高分辨可见光和红外侦察照相机、激光半主动制导航弹、红外成像制导导弹、电视和红外制导航弹、红外夜视、夜间低空导航和目标侦察红外系统、激光测距和目标指示器、激光致盲武器、激光光点跟踪器、激光告警器、红外对抗装置等激光制导导弹红外夜视仪1.4光电子技术应用1995~1996年的波黑战争中,北约部队的战场无人侦察机频繁出动,它装备了合成孔径雷达和高分辨率CCD摄像机。一种无人侦察机1.4光电子技术应用2.激光器及其应用(1)激光通信(2)激光加工(3)激光医学(4)激光核聚变原子能的获得有两种方法,一种是重原子核的裂变,如铀235的裂变(原子弹和核电站);一种是轻原子核的聚变,主要是氢原子同位素氘的聚变反应(氢弹,太阳内部运动)氘存在于海水中.利用高能脉冲激光并聚焦在直径百分之几到千分之几毫米范围内,产生几百万度高温、几百万个大气压和每平方厘米几千万伏的强电场,要采用多束这样的高能激光来实现点火条件美国科学院建议建造“诺瓦”升级系统,称为国家点火计划(NIF).该计划于1996年启动,预计2021年将开始建造演示反应堆.这中间的关键技术就是更高水平的激光技术1.4光电子技术应用3.CCD器件及其应用(1)文字阅读与图像识别条码识别,货币识别,传真机(2)遥感系统地球表面监视,地球资源勘探,气象和环境监测等(3)天文学应用空间望远镜,陆基望远镜,跟踪行星,进行天文观察,探测宇宙射线,监视黑洞,探索空间奥秘(4)水下应用探索海洋奥秘,探测和开采海底矿藏,监视鱼群动向等1985联美国和法国的联合水下探险队在海下4000米深处发现钛矿1991年意大利使用水下电视摄像机,变焦镜头彩色摄像机等在水下拍摄到1980年因空难坠毁于地中海331.78米海底的一架意大利民用客机的残骸碎片图像1.4光电子技术应用3(7)交通监控应用(5)医学应用医用内窥镜,数字化X射线摄像(6)工业检测和机器人视觉医用内窥镜机器人1.4光电子技术应用4.光纤技术及其应用(1)光纤传感器(2)光纤图像传输内窥镜5.光存储以光盘为代表的光学存储技术飞速发展.光带、光卡是很有希望的光存储技术如果记录数据量不高,一般的光盘都能满足要求.但是某些领域,记录数据量要大很多.美国宇航局早在80年代末就开始了星载光盘数据采集记录系统的研究计划.记录数据量达20GB目前,一盘标准磁带可以存储110MB数据,而同样规格的光带,则可以存储27GB的信息.专家根据科学技术的发展估计,到本世纪末,将带基厚度由0.076mm减薄到0.025mm,存储容量将达到200GB从外形看,光卡很像磁卡或者IC卡.一般光卡的容量相当于350片IC卡,或者4万片磁卡光电子产业光电子仪器与应用光电子产业光通信系统WDM光源：半导体激光器光电调制器导波介质：光纤光纤放大器：EDFA，补偿损耗信号整形：补偿色散等影响光电探测器：PIN光二极管、光电倍增管波分复用器件：WDM、OADM光纤通信网络光电子产业课程目的与任务光电子学（Optoelectronics）技术是光学技术和电子学技术的融合，靠光子和电子的共同行为来执行其功能。上世纪60年代激光技术的产生，极大地推动了光电子技术的发展。以往把光电子学技术和产业归于电子学技术和产业，国外也有归到光学技术和产业（日本）。最近光子学（Photonics）技术的兴起，也有的把光学、光电子学和光子学技术合并在一起，称光科学技术，其产业基地称“光谷”。光电子技术主要应用于两个方面：光子作为信息的载体，应用于信息的探测、传输、存储、处理和运算，称信息光电子技术；光子作为能量的载体，作为高能量和高功率的束流（主要是激光束），应用于材料加工、医学治疗、太阳能转换、核聚变等，称能量光电子技术。课程目的与任务本课程讲解了光电子技术的基本知识，主要是与通信相关的知识。包括光学的基础知识（光的波粒二相性）、光与物质相互作用（光的吸收与辐射）、光源（激光原理与技术）、光波导理论、光调制技术、光通信无源器件以及光电探测技术。考核出勤10%作业30%考察60%光学的基础知识（光的波粒二象性,光的电磁理论）光与物质相互作用（光的吸收与辐射）光源（激光原理与技术）光波导理论—光纤—光子晶体光纤非线性效应—频率变换调制与解调光通信无源器件—光纤光栅光电探测技术。本门课程的主要内容光的性质对光本性的认识，最早牛顿提出粒了说，惠更斯提出波动说。光的直线传播和反射支持粒子说，光的干涉、衍射支持波动说。后来，麦克斯韦的电磁波理论既可解释光的直进和反射，又可解释光的干涉、衍射及光的有限速度，这样一点波动说取得绝对胜利。但是上世纪，又发现了一些波动说不能解释的实验现象，如黑体辐射的光谱。普朗克因此提出光量子理论，稍后，爱因斯坦改进了光量子理论，他们的理论表明光的波动理论不是一个完全可靠的理论。狄喇克提出的电磁辐射的量子化理论把波动理论和量子理论结合起来了，大大加深了对光的本性的认识。光的波粒二象性光的干涉、衍射、偏振等现象，说明光在传播过程中具有波动性；黑体辐射、光电效应说明光在与物质相