Квантовая и оптическая электроника

1

Л.И. Шангина

КВАНТОВАЯ И ОПТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Учебное пособие

Томск – 2012

3

УДК 621.371(075.8) + 537.8(075.8)

Рецензенты:

Тихомиров А.А., д-р. тех. Наук, проф., зам. директора, институт а оп-

тического мониторинга Томского СОРАН; Коханенко А.П., д-р физ.-мат. наук, проф. каф. квантовой

электроники и оптоинформатики Томск. гос. ун-та.

Шангина Л.И.

Квантовая и оптическая электроника: Учебное пособие.. — Томск: Томский университет систем управления и радиоэлектроники, 2012. . — 301 с.

В учебном пособим рассматриваются следующие вопросы: взаимодействие квантовой системы с электромагнитной волной. Волновая теория излучения. Распределение электромагнитных колебаний. Параметры и характеристики ЭМВ: монохроматичность, когерентность, направленность. Взаимодействие квантовой системы с электромагнитной волной. Квантование свободного электромагнитного поля. Энергетические уровни атомов и молекул. Оптические переходы. Ширина и форма спектральных линий. Возможность усиления и генерации в квантовых системах. Некогерентные источники оптического излучения. Когерентные источники оптического излучения. Оптические резонаторы. Газовые, твердотельные, жидкостные, полупроводниковые оптические квантовые генераторы. Нелинейное взаимодействие электромагнитных полей. Параметрическое преобразование частоты. Трансформация оптического излучения. Электрооптические и акустооптические модуляторы оптического излучения. Физические принципы и основные элементы регистрации оптического излучения. Средства передачи оптического излучения. Оптическая обработка информации. Оптическая обработка информации. Согласованная фильтрация.

Учебное пособие предназначено для студентов изучающих дисциплины «Оптоэлектронные и квантовые приборы и устройства», «Квантовая и оптическая электроника» по направлениям подготовки Радиотехника -210300, Телекоммуникации – 210400 , дневной, вечерней и заочной формам обучения.

©Шангина Л.М., 2012

©Томский гос. ун-т систем управления

ирадиоэлектроники, 2012.

4

СОДЕРЖАНИЕ

11.ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ И ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ 253

6

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ КУРСА

Настоящее пособие посвящено изложению сути физических процессов, происходящих в квантовой и оптической электронике.

Приводятся способы описания, параметры и характеристики электромагнитного излучения оптического диапазона. Подчеркивается важность характеристик излучения оптических генераторов с точки зрения их практического применения. Проводится сравнение оптических когерентных с обычными некогерентными источниками излучения. Приводится классификация когерентных и некогерентных источников оптического излучения.

Подробно изложены основы взаимодействия оптического излучения с квантовыми системами; энергетические состояния квантовых систем.

Рассматриваются условия перехода к режиму генерации, формирование спектров генерации, влияние различных факторов на ширину, форму и уширение спектральных линий, свойства резонаторов.

Описываются оптические явления в средах с различными агрегатными состояниями. Проводится анализ подбора активных сред для возможности усиления и генерации в оптическом диапазоне.

Сравниваются различные методы создания инверсной населенности. Насыщение усиления в активных средах. Нелинейные оптические эффекты.

Рассматриваются физические принципы и основные методы регистрации, модуляции, отклонения и трансформации оптического излучения.

Излагаются способы передачи и обработки оптической информации.

7

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время трудно найти область науки и техники, где не приходилось бы сталкиваться с вопросами обработки сигналов и измерения их параметров. Постоянно растущий объём данных требует высоких скоростей обработки, необычайно большой ёмкости запоминающих устройств для записи и хранения информации. Возможности электронно-цифровых вычислительных машин (ЭЦВМ) ограничены малым объёмом оперативной памяти, малым быстродействием, отсутствием возможности многоканального ввода и вывода данных и т.д. В тех случаях, когда применение ЭЦВМ нецелесообразно, обработку проводят с помощью специализированных вычислительных устройств. Однако даже при простых алгоритмах обработки стремление максимально повысить быстродействие приводит к необходимости создания комплексных многоканальных устройств, техническая реализация которых является не простой задачей, но вполне реализуемой с помощью квантовой и оптической электроники

Квантовая электроника — новый раздел физики и техники. Наука, изучающая усиление, генерацию и преобразование электромагнитных волн в оптическом диапазоне. В настоящее время на базе квантовой электроники формируется оптическая электроника.

Оптическая электроника — наука об использовании оптического излучения для передачи, приёма, переработки, хранения, отображения информации методами электроники и микроэлектроники. Оптическая электроника, включает в себя описание закономерностей распространения оптических волн, описание законов, устройств генерации и приема этих волн, анализ процессов генерации, модуляции, усиления и детектирования.

Освоение новых диапазонов более высоких частот электромагнитного спектра является постоянно действующим закономерным процессом в вычислительных, информационных, радиоэлектронных системах.

Оптическими волнами называют электромагнитные волны, длина которых лежит в пределах от 0,01 до 1000 мкм. Этим волнам соответствуют колебания с частотами от 3·1016 до 3·1011 Гц.

8

По физическим свойствам и особенностям электромагнитных волн весь этот спектр частот не является однородным. Принято весь оптический спектр делить на диапазоны, в которых указанные свойства более однородны — это инфракрасные волны 0,75–1000 мкм, видимые волны 0,36–0,75 мкм и ультрафиолетовые волны 0,36–0,01 мкм.

Оптические методы и устройства генерирования и обработки сигналов обладают рядом специфических особенностей, как-то:

−возможность построения устройств, в которых скорость обработки определяется только скоростью распространения оптических сигналов;

−возможность параллельной, т.е. без применения сканирования, обработки информации, благодаря чему резко возрастает скорость переработки последней;

−большая информационная ёмкость оптических запоминающих устройств.

С появлением голографических методов записи и особенно с появлением объёмных голограмм стало возможным изготавливать запоминающие устройства практически любого объёма.

Согласно определению оптоэлектроники её характеризуют три основные черты:

1. Физическую основу оптоэлектроники составляют явления, методы, средства, для которых принципиальны сочетания и неразрывность оптических и электронных процессов.

2. Техническую основу оптоэлектроники определяют конст- руктивно-технологические концепции современной миниатюризации элементов; предпочтительное развитие твёрдотельных плоскостных конструкций, интеграция элементов, ориентация на специальные сверхчистые материалы, применение методов групповой обработки изделий, таких, как эпитаксия, фотолитография, диффузия, ионная имплантация и др.

3. Функциональное назначение оптоэлектроники состоит в решении задач информатики: генерации информации путём преобразования различных внешних воздействий в соответствующие электрические и оптические колебания, переносе информации, переработке информации по заданному алгоритму, хранении ин-

9

формации, неразрушающем считывании, стирании и отображении информации.

Оптоэлектроника объединяет достижения ряда областей науки и техники, а именно квантовой электроники, электронной оптики, светотехники, нелинейной оптики, голографии, волоконной оптики.

Известные в настоящее время методы оптической обработки информации условно можно разделить на три группы:

1)методы когерентной и некогерентной обработки сигналов, как случайных, так и детерминированных, основанные на теории пространственной фильтрации оптического изображения;

2)создание устройств обработки, ввода и вывода информации, памяти и логических схем с использованием электроннооптических явлений;

3)методы оптической обработки, использующие в качестве

носителя сигнала только световой поток.

Принципиальные достоинства оптоэлектроники обуслов-

лены специфическими особенностями оптического диапазона, отличительными свойствами фотона как носителя информации, которые проявляются в следующих основных моментах.

Высокочастотность. Частота оптических колебаний на 3–5 порядков выше, чем в радиодиапазоне.

Острая фокусировка. Согласно дифракционной теории поток излучения может быть сфокусирован до пятна с линейным размером около λ/2. Минимальный шаг дискретности оптических

ϕ

воздействий составляет λ4 . Плотность записи информации при

этом может достигать 109 − 1010 Бит/см.

Направленность. Угловая расходимость луча, обусловленная дифракционными пределами α = λ D , составляет единицы или де-

сятки угловых секунд, где D — апертура излучателя.

Развязка. Использование в качестве носителя информации электрически нейтральных фотонов обуславливает возможность осуществления бесконтактной оптической связи.

Визуализация. Так как оптоэлектроника охватывает и видимый диапазон спектра электромагнитных волн, то возможно преобразование электрической формы информации в зрительную форму.

10

Фоточувствительность. Это свойство преобразования поля излучения в адекватное ему электрическое поле (обычно видеосигнал).

Пространственная модуляция. Поток фотонов может быть промодулирован не только во времени, но и в пространстве. Это открывает возможности параллельной обработки информации, что является непременным условием создания сверхпроизводительных вычислительных систем.

Недостатками являются:

Низкий КПД, не превышающий 10–20%, а если имеет место несколько преобразователей, например оптический — электрический — оптический, то КПД падает ещё ниже.

Деградация — снижение эффективности при воздействии температуры, проникающей радиации; ухудшение параметров при долговременной работе.

Преобразование оптического излучения в электрический сигнал и дальнейший анализ этого сигнала дает подробную информацию о наблюдаемом объекте. Приборы, в которых оптические сигналы преобразуются в электрические, называются оптоэлектронными. Функция опто-электронного прибора состоит в регистрации оптического излучения, идущего от источника, и в преобразовании принятого оптического излучения в электрический сигнал. Отсюда можно сделать вывод, что оптико-электрический прибор должен содержать некоторый источник оптического излучения. Далее, в приборе должна быть какая-то оптическая система, элементы которой фокусируют излучение источника на приемнике или канализируют (передают) излучение на приемник. Задача последнего — преобразование оптического сигнала в электрический. Наконец, оптоэлектронный прибор должен содержать электронные элементы, которые тем или иным образом обрабатывают и регистрируют электрические сигналы.

В дальнейшем будут подробно рассматриваться физические основы, параметры и характеристики каждого устройства из схемы оптоэлектронных приборов.