- •А.Г. Акманов, б.Г. Шакиров оСновы квантовых и оптоэлектронных приборов
- •Введение
- •1 Физические основы лазеров
- •1.1Оптическое излучение
- •1.2Энергетические состояния квантовой системы. Населенности квантовых уровней
- •1.3Элементарные процессы взаимодействия оптического излучения с веществом
- •Спонтанные переходы
- •Вынужденные переходы
- •Спонтанное излучение
- •1.4Основы теории формы и ширины линии излучения
- •Доплеровское уширение
- •1.5Коэффициенты Эйнштейна. Термодинамическое рассмотрение
- •1.6Квантовое усиление в среде
- •1.7Квантовый генератор (лазер)
- •1.8Методы инверсии населенностей квантовых уровней
- •1.9Метод оптической накачки
- •1.10Кинетические уравнения для населенностей уровней
- •1.11 Оптические резонаторы
- •1.11.1 Добротность открытого резонатора
- •1.11.2 Волновая теория открытого резонатора
- •1.11.3 Дифракционная теория
- •1.11.4 Геометрическая теория открытого резонатора
- •Типы оптических резонаторов
- •1.11.5 Селекция типов колебаний
- •2Твердотельные лазеры
- •2.1Рубиновый лазер
- •2.2Неодимовые лазеры
- •2.3Устройство твердотельного лазера
- •2.4Система оптической накачки
- •2.5Электрическая схема питания лазера
- •2.6Режимы работы твердотельных лазеров
- •Режим свободной генерации
- •Режим модулированной добротности
- •Режим синхронизации мод
- •3Газовые лазеры
- •3.1Принцип работы и конструкция газовых лазеров
- •3.2Инверсия населенностей в плазме газового разряда
- •3.3Гелий – неоновый лазер
- •3.4Аргоновый лазер
- •3.5Со2-лазер
- •4Полупроводниковые лазеры
- •4.1Физические основы работы полупроводникового лазера
- •4.1.1Энергетические состояния в полупроводниках
- •4.1.2 Излучательные и безызлучательные переходы.
- •4.1.2Условие усиления электромагнитной волны в полупроводнике
- •4.2Инжекционный полупроводниковый лазер на гомопереходе
- •4.3Инжекционный полупроводниковый лазер на гетеропереходе
- •4.4Характеристики и параметры полупроводниковых лазеров
- •4.5Применения полупроводниковых лазеров
- •5Оптические модуляторы
- •5.1Электрооптические модуляторы
- •Линейный электрооптический эффект в одноосных кристаллах
- •Фазовая и амплитудная модуляция света в одноосных кристаллах. Модуляционная характеристика электрооптического модулятора
- •Режимы работы и конструктивные особенности электрооптических модуляторов
- •5.2Акустооптические модуляторы
- •5.3Магнитооптические модуляторы
- •6Волоконно-оптические усилители
- •6.1Принцип работы волоконно-оптических усилителей
- •6.2Устройство и схемы волоконно-оптических усилителей
- •6.3Характеристики и параметры волоконно-оптических усилителей.
- •7Основы нелинейной оптики
- •7.1Поляризация диэлектрика. Нелинейная поляризация
- •7.2Генерация оптических гармоник, суммарных и разностных частот
- •7.3Фазовый синхронизм в одноосных кристаллах
- •7.4Самофокусировка света
- •7.5Двухфотонное поглощение
- •7.6Вынужденное комбинационное рассеивание света
- •8Элементы оптоэлектронных приборов
- •8.1Физические основы работы полупроводниковых светоизлучающих диодов
- •8.2Внутренний и внешний квантовые выходы
- •8.3Потери излучения в светоизлучающем диоде
- •8.4Излучательная и спектральная характеристики светоизлучающего диода
- •8.5Модуляционная характеристика светоизлучающего диода
- •8.6Параметры и электрические характеристики светоизлучающего диода
- •8.7Конструкции излучающего диода и эффективность связи с волоконным световодом
- •8.8Принцип работы полупроводниковых фотоприемников
- •8.9 Внутренний фотоэффект. Фотопроводимость
- •8.10Скорость оптической генерации носителей заряда
- •8.11Процессы рекомбинации носителей заряда
- •8.12Основное характеристическое соотношение фотопроводимости
- •8.13Процессы релаксации
- •8.14Фоточувствительность. Фототок. Усиление фототока
- •8.15Характеристики фотоприемников
- •8.16Фотодиоды
- •Лавинные фотодиоды
- •Параметры лавинного фотодиода лфд-2-а
- •8.17Фототранзисторы
- •8.18Фототиристоры
- •8.19Фоторезисторы
- •Список литературы
- •Содержание
5.3Магнитооптические модуляторы
Как известно, существуют ряд материалов, оптические свойства которых изменяются в зависимости от напряженности приложенного магнитного поля, т.е. магнитной индукции B в веществе. Эти явления называются магнитооптическими эффектами. Одним из этих является вращение плоскости поляризации прошедшего света – так называемый эффект Фарадея. В этом случае угол поворота плоскости поляризации пропорционален также длине пути излучения в веществе l: VBl (5.19)
где B - магнитная индукция, V - постоянная Верде, зависящая от частоты излучения.
Эффект Фарадея наиболее выражен в ферромагнитах, которые по этой причине используются в магнитооптических, так называемых фарадеевских модуляторах. В ферромагнетиках угол поворота пропорционален не B, а намагниченности магнетика I=(-1)B/(4), где -магнитная проницаемость: KIl, (5.20)
где K – постоянная Кундта.
Схема фарадеевского модулятора на кристалле феррита-граната имеет вид, показанный на рис. 5.9.
|
Рис.5.9. 1,6 - поляризаторы; 2,5 – линзы; 3 - намагничивающая катушка; 4 - ячейка Фарадея на кристалле У3Fe5O12; Um –модулирующее напряжение. |
Глубина модуляции магнитооптического модулятора 40%, частота модуляции до 200 МГц, диапазон длин волн от 1,15 до 5 мкм.
Эффект Фарадея используется также очень широко для создания оптических изоляторов для систем оптической передачи для устранения отраженных сигналов от различных неоднородностей и мест сухого стыка, образуемых оптическими соединителями.
6Волоконно-оптические усилители
6.1Принцип работы волоконно-оптических усилителей
Волоконно-оптические усилители являются одним из ярких приложений квантовой электроники в современную телекоммуникационную технологию. В рассматриваемом случае активной средой служит оптическое волокно, сердцевина которого легирована редкоземельным элементом. Широкое применение получили волоконно-оптические усилители, легированные атомами эрбия (EDFA-erbium-doped fiber amplifier), которые позволяют получить усиление оптического излучения в области длин волн 1,531,56 мкм. На рис. 6.1. представлено сечение легированного эрбием (Er3+) оптического волокна. Использование в качестве матрицы для атомов эрбия кремниевого стеклянного волокна, потери которого на длине волны 1,55 мкм не превышает 0,2 дБ/км, сделало эти волоконно-оптические усилители наиболее распространённым элементом в системах оптической связи.
|
Рис. 6.1. Радиальное сечение легированного эрбиевого волокна: 1-область примеси эрбия, 2-сердцевина с примесью германия d=36 мкм, 3-кремниевая оболочка d=125 мкм, 4-внешняя оболочка d=250 мкм.
|
Принцип работы эрбиевого волоконно-оптического усилителя основан на использовании явления квантового усиления входной волны при индуцированных переходах 4I13/24I15/2 (рис. 6.2.). Уровень 4I13/2 иона эрбия является метастабильным, следовательно, накачиваемыми уровнями могут быть уровни 4I11/2, 4I9/2 и выше (соответствующие длины волны накачки 0,98 мкм, 0,81 мкм и т.д.). Однако, возможна накачка оптическим излучением на длине волны 1,48 мкм, так как имеется небольшая энергетическая щель между этой линией накачки и линией усиления, то имеется возможность создания инверсии населённостей между энергетическими уровнями 4I13/2 и 4I15/2. Поскольку в стеклянной матрице в результате эффекта Штарка энергетические уровни ионов эрбия расщепляются на несколько подуровней, то лазерные уровни значительно уширяются, а именно, уровень 4I13/2 расщепляется на 7 подуровней, а 4I15/2- на 8 подуровней и в итоге образуются 56 возможных излучательных
|
Рис.6.2.Диаграмма энергетических уровней и электронных переходов ионов Er3+ в кремниевом стеклянном волокне.
|
п ереходов - переходов индуцированных и спонтанных.
Появляющееся в процессе спонтанных переходов спонтанное излучение усиливается (ASE-усиленное спонтанное излучение) и создаёт в системе оптической передачи принципиально неустранимые оптические шумы. В общем случае, в результате включения волоконно-оптического усилителя в волоконно-оптические линии связи происходит добавление к усиливаемому оптическому сигналу некогерентного сигнала усиленного спонтанного излучения, остаточного излучения лазера накачки и отражённых на соединениях усилителя с линией сигналов (рис. 6.3.).
|
Рис. 6.3. Оптические сигналы в волоконно-оптической линии связи с оптическим усилителем |