1、光电子技术基础 选用教材： 光电子技术基础朱京平编，2003.9，科学出版社。 主要参考书目: 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； 光电子技术基础彭江得主编，1988.9，清华大学出版社； 光电子技术杨经国等编，1990.12，四川大学出版社。 1 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。 2 教学基本要求 通过本课
2、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； 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。 3 学时安排 章节 主要内容学时安排 1导论2 2光学基础知识和光束传播规律2 3激光原理与技术
3、4 4光波导技术基础6 5光通信无源有源器件6 6光调制技术4 7光电探测技术2 4 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 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。 5 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
4、 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 6 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 7 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
5、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 8 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。 9 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，
6、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。 10 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：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
7、相应的反馈电路，对介 质的非线性要求不高。 11 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。 12 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PZ
8、T上调制光纤 激光器的输出波长，实 现电光反馈控制。 13 利用交叉增益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
9、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 稳定而有区别的输出状态对应不同波 长的频域光学双稳过程。14 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
10、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。 15 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。 16
