VII. Методы регистрации оптических сигналов.

Регистрация оптического излучения. Прямое детектирование и гетеродинирование. Классификация фотоприемников. Фотоприемники на основе внутреннего и внешнего фотоэффекта. Фотоэлементы, фотоэлектронные умножители. Полупроводниковые фотоприемники. Фоторезисторы и фотодиоды (лавинные фотодиоды и pin - диоды); принцип действия и устройство. Фотогальванический и фотодиодный режим работы. Вольт-амперная и спектральная характеристики, быстродействие и чувствительность фотодиодов. Фототранзисторы, фотоприемные ПЗС - матрицы. Шумы фотодиодных приемников излучения. Порог чувствительности, обнаружительная способность. Квантовый предел чувствительности при приеме оптических сигналов.

VIII. Современная элементная база оптоэлектроники..

Распространение света в анизотропных средах и оптических волноводах. Лучевой и волновой анализ оптических волноводов. Интегральные оптические элементы на основе планарных оптических волноводов - моды, волноводные параметры, соотношения ортогональности мод, поток мощности, переносимой в оптическом волноводе. Волоконные световоды как основа современных систем оптической связи. Моды волоконных световодов. Гауссово приближение при анализе полей одномодовых световодов. Дисперсионные свойства волоконных световодов. Потери на поглощение и рассеяние в волоконных световодах. Возбуждение оптических волноводов. Оптическое согласование волоконного волновода с лазерным излучателем. Нелинейные явления и преобразование частот в волоконных световодах. Преимущества и недостатки волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Пассивные и активные компоненты оптических линий: разъемы, ответвители, мультиплексоры, приемные и передающие модули, ретрансляторы, квантовые усилители. Аналоговые и цифровые методы модуляции в ВОЛС. Информационная емкость канала связи, дальность передачи. Временное, частотное и волновое уплотнение каналов. Когерентные линии оптической связи. Использование квантовых свойств оптического излучения для повышения защищенности телекоммуникационных систем. Оптоэлектронные и оптические процессоры. Интегральная оптика и интегральная оптоэлектроника. Оптоэлектронные датчики. Новые достижения в области квантовой и оптической электроники.

6. Лабораторный практикум

7. Учебно-методическое обеспечение дисциплины

Рекомендуемая литература

а) основная литература:

1. Страховский Г.Н., Успенский А.В. Основы квантовой электроники - М.: «Высшая школа», 1979, 336с.

2. Звелто О. Физика лазеров - М.: «Мир», 1979, 376с.

3. Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике - М.: «Наука», 1983, 320с.

4. Клышко Д.Н. Физические основы квантовой электроники - М.: «Наука» Гл.ред.физ.-мат.литературы, 1986, 256с.

5. Ю.Р.Носов «Оптоэлектроника» («Радио и связь»), 1989г.

6. О.Ермаков «Прикладная оптоэлектроника» «Техносфера», 2004г.

7. В.И.Дудкин, Л.Н.Пахомов «Квантовая электроника. Приборы и их применения» Техносфера, 2006.

б) дополнительная литература:

1. Ярив А. Квантовая электроника - М.: «Сов.радио»,1980, 460с.

2. Пантелл Р., Путхоф Г. Основы квантовой электроники - М.: «Мир», 1972.

3. Демтредер В. Лазерная спектроскопия. Основные принципы и техника эксперимента - М. «Наука», 1985, 580с.

4. Хакен Г. Лазерная светодинамика - М.: Мир, 1988.

5. Я.И.Ханин «Лекции по квантовой радиофизике» Н.Н., ИПФ РАН, 2005г.

6. Д.Маркузе «Оптические волноводы» М., «Мир»1974г.

7. Ю.М.Сорокин , В.С.Ширяев «Оптические потери в световодах» Н.Н., ННГУ, 2000г.

8. Д.Гауер «Оптические системы связи» «Радио и связь», 1989г.

9. Э.Розеншер, Б.Винтер «Оптоэлектроника». «Техносфера, 2006.

10. А.Н.Пихтин «Физические основы квантовой электроники и оптоэлектроники» «Высшая школа», 1983г.

8. Вопросы для контроля

1. Сформулировать правила отбора для гармонического осциллятора.

2. Обосновать применимость теории возмущения в атоме водорода при возбуждении его электрическим полем на частоте (λ=121 нм) с плотностью мощности 10 Вт/см²

3. Для двухуровневой системы получить зависимость от времени вероятности нахождения электрона на уровнях от времени под действием внешнего переменного электрического поля на частоте ω=ω₁₂+δω, где ω₁₂ – частота перехода, δω – отстройка.

4. Почему происходит уширение спектральных линий поглощения (излучения) вещества в сильных полях.

5. Почему в оптическом диапазоне длин волн для измерения ширины линии можно использовать явление флуоресценции, а в радиодиапазоне – только вынужденное излучение или поглощение среды.

6. Для выбранного механизма получить выражение для неоднородно уширенного контура линии. Для выбранных условий оценить её ширину.

7. Известно, что время жизни электрона в возбужденном состоянии τ. Получить выражение для спектральной формы линии.

8. Отношение населенностей двух уровней для вещества, находящегося в состоянии равновесия при температуре 300^оК, равно 10. Вычислить частоту излучения, соответствующую переходу между этими уровнями.

9. Типичное время жизни для разрешённого электродипольного перехода в видимом диапазоне ~10 нс. Оценить естественную ширину линии рентгеновского лазера, излучающего в диапазоне 10 нм.

10. Механизмы однородного уширения. Вывести выражение для однородно уширенного контура линии. Дать оценку её ширины (в см^-1) для одного из радиационных переходов Ne.

11. Механизмы неоднородного уширения. Для выбранного механизма получить выражение для неоднородно уширенного контура линии. Для выбранных условий оценить её ширину (в см^-1).

12. Доплеровская ширина линии 500 МГц. Оценка времени жизни уровня 10^-8с. Предложить метод измерения ширины лоренцевского контура.

13. Обосновать принципиальные трудности создания УФ и рентгеновских активных сред.

14. Связь коэффициента ненасыщенного усиления с коэффициентами Эйнштейна. Сравнить зависимости коэффициента усиления от мощности накачки в случае однородного и неоднородного насыщения усиления.

15. Двух-, трёх- и четырёхуровневая схемы лазеров: возможности реализации, достоинства и недостатки. Оптимальная ширина уровней.

16. Nd:АИГ лазер: квантовая схема, преимущество матрицы, организация эффективной накачки.

17. Традиционное устройство Nd лазера известно. Почему бы не сделать лазер того же диапазона на парáх неодима? На газообразном соединении Nd, например, с галогеном?

18. Почему в лазерах, работающих на молекулярных переходах, используют полированные металлические зеркала, а в лазерах, работающих на электронных переходах, – диэлектрические?

19. Показать, что абсолютная ширина линии открытого оптического резонатора с плоскими зеркалами не зависит от частоты. Оценить (в см^-1) интервал между продольными модами и ширину линии такого резонатора для R=0,99 и L= 1 м.

20. Изобразить структуру мод (линии уровня интенсивности, поляризацию, профиль напряжённости поля) ТЕМ₀₀ и ТЕМ₁₁ открытого резонатора с круглыми зеркалами. Для какой из них следует ожидать бóльших дифракционных потерь?

21. Изобразить и обосновать спектральный контур насыщенного усиления в резонаторе газового лазера при возбуждении в нём одной моды с частотой, лежащей в стороне от центра линии вещества.

22. Оценить число продольных мод, генерируемых He-Ne лазером длиной ~1 м, считая, что температура разряда не слишком отличается от комнатной. Зависит ли ширина провала в насыщенном контуре усиления и ширина линии излучения лазера от длины резонатора?

23. Найти значение ненасыщенного коэффициента усиления для полупроводникового лазера с длиной активной области 100 мкм при использовании сколов по кристаллическим поверхностям в качестве зеркал.

24. Оценить ширину Лэмбовского провала для He-Ne лазера и сравнить полученное значение с доплеровской шириной линии.

25. Объяснить принцип действия и преимущества ДГС с раздельным ограничением. Типичные оптические параметры ДГС. Изобразить зонную диаграмму, привести вариант используемых материалов.

26. Обосновать необходимость многокомпонентных материалов для приготовления диодных структур. Преимущества и недостатки соединения AlGaAs как материала для лазерных диодов. Привести пример материалов для диодной структуры на «телекоммуникационный» диапазон ~ 1,3 мкм

27. Особенности гетероструктуры на основе InGaAsP/InP. Вид ватт-амперной характеристики, спектр лазера и светодиода на её основе.

28. Чем определяется ширина полосы лазерного диода как источника информации? Почему светодиоды уступают им по этому параметру? Указать оценки для обоих случаев.

29. Как и почему зависит от температуры рабочая частота лазерного диода? Почему с ростом температуры снижается эффективность генерации?

30. Чем определяется толщина активной области лазерного диода, выполненного на основе простейшей гомоструктуры?

31. Указать и обосновать преимущества лазерных диодов с распределённой обратной связью и распределённым брэгговским отражением по сравнению с диодами простейшей геометрии.

32. Сравнить эффективность управления сигналами от лазерного диода путём модуляции накачки, модуляции добротности и модуляции выходного пучка.

33. Оценить ширину линии излучения и интервал между продольными модами для типичного лазерного диода

9. Критерии оценок

10. Примерная тематика курсовых работ и критерии их оценки

Не предусмотрена.

Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом по специальности 090106 «Информационная безопасность телекоммуникационных систем».

Автор программы _________________ Маругин А.В.

Программа рассмотрена на заседании кафедры 06 апреля 2012 г. протокол № 2

Заведующий кафедрой ___________________ Андронов А.А.

Программа одобрена методической комиссией факультета 17 мая 2012 г.

протокол № 02/12

Председатель методической комиссии_________________ Миловский Н.Д.