激光器和探测器
激光跟踪原理
激光跟踪原理激光跟踪技术是一种利用激光束对目标进行精确定位和跟踪的技术。
它在军事、航天、航空、工业制造等领域有着广泛的应用。
激光跟踪系统通常由激光器、光电探测器、控制系统等部件组成，通过精密的光学设计和精准的控制算法，实现对目标的高精度跟踪。
本文将介绍激光跟踪的原理和相关技术。
激光跟踪系统的原理是利用激光束的高能量和直线传播特性，通过光电探测器对目标进行实时监测和测量，然后通过控制系统对激光束进行精确调节，实现对目标的跟踪。
激光跟踪系统通常采用自动跟踪算法，能够实现对运动目标的自动捕获和跟踪，具有高精度、高速度和抗干扰能力强的特点。
激光跟踪系统的核心技术包括激光器、光电探测器和控制系统。
激光器是激光跟踪系统的光源，通常采用半导体激光器或固体激光器，具有输出功率高、波长稳定、光束质量好等特点。
光电探测器是激光跟踪系统的“眼睛”，能够实时接收目标反射的激光信号，并将其转换为电信号输出。
控制系统是激光跟踪系统的“大脑”，能够实时处理光电探测器输出的信号，并通过精密的控制算法对激光器进行精确调节，实现对目标的跟踪。
激光跟踪系统的工作过程通常包括目标检测、目标捕获和目标跟踪三个阶段。
首先，光电探测器接收目标反射的激光信号，实时检测目标的位置和运动状态；然后，控制系统根据光电探测器输出的信号，对激光器进行精确调节，实现对目标的捕获；最后，控制系统根据目标的运动状态，实时调节激光束的方向和强度，实现对目标的跟踪。
激光跟踪系统具有高精度、高速度和抗干扰能力强的特点，能够实现对运动目标的精确定位和跟踪。
它在军事目标识别、航天器对接、航空器导航、工业制造等领域有着广泛的应用前景。
随着激光技术和控制算法的不断进步，激光跟踪系统将会在更多领域发挥重要作用，为人类社会的发展和进步做出更大的贡献。
拉曼光谱仪的结构
拉曼光谱仪的结构
拉曼光谱仪的结构主要包括以下组成部分：
1. 激光器：用于提供单色、高能量的激光光束。
常用的激光器包括氩离子激光器、二极管激光器等。
2. 样品台：用于放置待测试的样品，通常是一个可调节的平台，可以调整样品与光束的相对位置和角度。
3. 过滤器：用于去除来自激光器的散射光或非拉曼散射光。
4. 光栅：用于将进入的光分散成不同波长的成分。
5. 光电探测器：用于将拉曼散射光转换成电信号。
常用的光电探测器包括光电二极管、CCD等。
6. 分光器：将进入光栅的光线引导到光电探测器。
7. 数据采集系统：用于接收和分析光电探测器输出的信号，通常包括放大器、模数转换器和计算机。
总体来说，拉曼光谱仪的结构包括激光器、样品台、过滤器、光栅、光电探测器、分光器和数据采集系统等组成部分，能够实现对样品的拉曼散射光信号的测量和分析。
激光器和探测器
柔性探测器具有可弯曲、可折叠、轻便等优点，未来将广 泛应用于可穿戴设备、智能家居等领域。
激光器和探测器的融合技术
激光雷达技术
激光雷达是一种集激光扫描、测距和测角于 一体的传感器技术，未来将进一步优化激光 雷达的扫描速度、精度和可靠性，提高其在 自动驾驶、机器人等领域的应用效果。
光子集成电路
发展
随着新材料、新工艺和新技术的不断涌现，探测器的性能和功能也在不断得到提升。未来，探测器将 朝着更灵敏、更快速、更可靠的方向发展，同时还将拓展其在物联网、智能制造等领域的应用。
03 激光器和探测器的比较
工作原理的比较
激光器的工作原理
激光器通过激发原子或分子，使 其跃迁到高能级状态，然后释放 光子，形成相干光束。
微型激光器
微型激光器具有体积小、重量轻、易于集成等优点，未来将广泛应用 于光通信、生物医疗、传感等领域。
新型探测器的研发
高灵敏度探测器
随着科学技术的不断发展，对探测器的灵敏度要求越来越 高，未来将研发出更高灵敏度、更低噪声的探测器，以满 足各种应用需求。
宽波段探测器
为了适应不同波段的光信号探测，未来将研发出宽波段、 多波段探测器，以提高探测器的应用范围和灵活性。
探测器的性能受环境因素影响较大，如温 度、压力和电磁噪声等，需要采取相应的 措施进行补偿和校准。
04 激光器和探测器的未来发 展
新型激光器的研发
高功率激光器
随着工业、医疗和科研等领域对高功率激光器的需求增加，未来将 研发出更高功率、更稳定、更可靠的激光器，以满足各种应用需求。
新型激光器材料
随着材料科学的进步，未来将探索和开发新型激光器材料，如新型 晶体、非线性光学材料等，以提高激光器的性能和降低成本。
简述激光雷达的结构原理分类及特点
简述激光雷达的结构原理分类及特点激光雷达（Lidar）是一种利用激光技术进行距离测量的雷达系统。
其原理是通过向周围环境发射激光脉冲，然后根据激光的反射时间和强度来计算目标物体的距离和其他相关信息。
激光雷达的结构主要包括激光器、光电探测器、转台和数据处理器等组件。
激光器负责发射激光脉冲，光电探测器用于接收激光的反射信号，转台则负责控制激光束的方向。
数据处理器则负责处理和分析接收到的信号，计算目标物体的位置、速度等信息。
激光雷达的工作原理是利用光的速度是已知的而目标物体的距离就是激光反射的时间与光速的乘积，从而计算目标物体的距离。
当激光束发射出去后，它会遇到目标物体并被反射回来。
激光雷达的光电探测器会接收到反射回来的光信号，并测量其时间。
通过将时间与光速相乘，就可以得到目标物体的距离。
根据不同的应用需求和工作原理，激光雷达可以分为以下几种类型：1.机械式激光雷达：机械式激光雷达使用旋转转台来扫描激光束的方向，从而获得周围环境的三维点云数据。
机械式激光雷达具有扫描速度较快，成本相对较低等特点，但由于机械部件的限制，其可靠性和寿命相对较低。
2.固态激光雷达：固态激光雷达是使用固态光电元件来控制激光束的方向，而不需要机械转台。
固态激光雷达具有较高的可靠性和寿命，并且可以实现更高的扫描速度和分辨率。
3.接收器式激光雷达：接收器式激光雷达是将激光发射器和接收器集成在一个设备中，可以在较短距离内测量目标物体的距离和速度，适用于自动驾驶和安全监测等应用。
激光雷达具有以下几个特点：1.高精度：激光雷达可以实现高精度的距离测量，通常可达到几毫米的级别。
这使得它在自动驾驶、地图绘制等应用中具有重要的作用。
2.高分辨率：激光雷达可以提供高分辨率的三维点云数据，可以对目标物体进行精确的定位和识别。
3.长距离测量：激光雷达可以在较长的距离范围内进行测量，通常可以达到几百米或更远的距离。
4.快速扫描：激光雷达可以实现快速的扫描速度，可以在较短的时间内获取大量的数据。
光模块组成部件
光模块组成部件光模块是一种用来实现光通信的重要设备，具有可靠性高、传输速率快等优点。
一般而言，光模块主要由激光器、光探测器、电路板、光学透镜、温度调节器等组成部件构成。
1. 激光器：激光器是光模块中最重要的组成部分。
它能够通过发射强光束来实现光通信。
激光器的工作原理是利用电子能级的变化来产生可控的光子，并在内部反射器中形成激光。
通常情况下，激光器采用半导体材料制成，其中硒化铟、磷化铟等都是常用材料。
除此之外，激光器还需要使用驱动电路来控制其输出功率和频率等参数。
2. 光探测器：光探测器是光模块中的另一个核心组成部件。
它通常使用的是光电二极管或者光电子倍增管等设备。
光探测器的作用是检测激光的功率和频率等参数，并将其转化为电信号进行处理和传输。
此外，光探测器还需要在一定程度上对光的强度进行放大，以保证信号的精确性和可靠性，从而防止误码率的出现。
3. 电路板：电路板是光模块中连接激光器和光探测器的桥梁。
光模块中的电路板主要用来控制激光器的驱动电压，以及从光探测器输出接口中读出接收到的光信号。
在电路板的设计中，需要考虑到电路板所处的环境和工作条件，并充分考虑到电路板的稳定性和可靠性。
4. 光学透镜：光学透镜是光模块中用来控制光线传输方向和光焦距的重要组成部件。
光学透镜的质量对于光模块的性能和传输距离都有很大的影响。
在光学透镜的设计中，需要考虑到光线的传输损耗和信号的失真等问题，并通过精确的设计和制造来达到最佳传输效果。
5. 温度调节器：温度调节器是光模块中用来控制激光器工作温度的重要设备。
激光器的输出功率和频率等参数都与其工作温度密切关联。
通过控制温度调节器将激光器的工作温度维持在一个恰当的范围内，可以有效提高激光器的性能和寿命，从而提高光模块的可靠性和稳定性。
综上所述，光模块的组成部件种类繁多，每个部件都有自己的重要作用。
在光模块的设计和制造中，需要考虑到各个部件之间的相互关系，以及各个部件的稳定性和可靠性等因素。
中科院科技成果——光通讯用半导体激光器与探测器
中科院科技成果——光通讯用半导体激光器与探测器
项目简介
半导体激光器和探测器是光通讯中光信号的发射和接收器件，是光网络端口的核心部件。
然而，由于光通信应用场合多样、技术演化快等特点，光纤入户、三网融合、主干网升级、广电网双向改造等对半导体激光器和探测器的重点指标要求也不同，对“光芯”的设计、工艺和封装的要求很高。
到目前为止我国还没有一家产品的质量能够满足市场的要求，国际上光通信用半导体激光器芯片市场被日本和美国的三家公司瓜分。
长期以来我国的光通信企业主要依靠进口国外高价格半导体激光器和高性能光电探测器芯片。
本项目通过引进消化吸收再创新，成功攻克半导体激光器和高性能光电探测器芯片的设计、工艺和封装等关键技术，使得生产出的产品具有尺寸小、可直接高速调制、大量生产、高集成度等特点，是光通信中的理想和唯一的选择。
目前已成立公司并投入5000万元，试制样品。
激光探测器工作原理
激光探测器工作原理
激光探测器，也称为激光接收机，是一种用于测量和探测光信号的设备。
其工作原理是基于激光的光电效应，能够将光信号转化为电信号，实现光信号的放大和检测。
激光探测器主要由光电探测器和前置放大器两部分组成。
光电探测器
通常采用半导体器件构成，如硅、锗、InGaAs等，其正/反向电压和/或光照强度的变化能够引起载流子的产生和移动，最终形成电流信号。
前置放大器则起到对电流信号的放大和处理作用，将其转化为需要的
电压或电流信号输出。
具体而言，激光探测器的工作流程可以分为以下几个步骤：
1.激光信号的传输：激光信号经过激光器发射，经过光纤、光路、镜片等光学元件，最终到达光电探测器。
2.光电效应的发生：当激光信号照射到光电探测器的半导体器件表面时，会因为吸收能量而形成一些激发载流子（电子和空穴），这个过程成
为内光电效应。
另外一种成为外光电效应，是通过半导体材料与金属
接触，产生光电子热发射的过程。
3.电流信号的产生：由于激光信号照射到光电探测器产生激发载流子，使半导体器件表面上产生电流，这个电流就代表了激光信号的强度和波形。
4.前置放大器的输出：由于激光探测器产生的电流信号十分微弱，需要经过前置放大器放大和处理之后才能作为有效信号输出。
这个转化和处理的过程可以采用一系列的放大器和滤波器等电路元件实现。
总之，激光探测器的工作原理是基于激光信号的光电效应，将光信号转化为电信号的过程。
其原理简单而可靠，因此应用相当广泛，如在通信、雷达、光刻、医学等领域都有广泛的应用。
相干收发光组件
相干收发光组件相干收发光组件是一种用于光通信系统中的关键元件，用于发送和接收光信号。
它具有高速传输、低损耗和抗干扰等特点，广泛应用于光纤通信、光纤传感和激光雷达等领域。
相干收发光组件主要由激光器、光电探测器和光纤耦合器等部分组成。
激光器是组件中的光源，它产生的激光光束通过光纤耦合器耦合到光纤中进行传输。
光电探测器负责接收光信号，并将其转化为电信号输出。
光纤耦合器则起到连接激光器和光纤的作用，使得光信号能够有效地输入到光纤中。
在相干收发光组件中，激光器是关键的光源部分。
激光器通过电流驱动产生相干光，具有高度的方向性和单色性。
常见的激光器包括半导体激光器、气体激光器和固体激光器等。
不同类型的激光器在光源功率、频率稳定性和调制带宽等方面有所差异，根据具体应用需求选择适合的激光器。
光电探测器是相干收发光组件中的接收部分，用于将光信号转化为电信号。
常见的光电探测器包括光电二极管（PD）、光电倍增管（PMT）和光电晶体管（PMT）等。
光电探测器具有高灵敏度、低噪声和快速响应等特点。
根据应用需求，可以选择不同类型的光电探测器来实现光信号的接收。
光纤耦合器是将激光器输出的光信号耦合到光纤中的关键部分。
光纤耦合器通过精确的对准和耦合技术，将光信号有效地传输到光纤中。
光纤耦合器具有低插损、高耦合效率和稳定性好的特点。
根据应用需求，可以选择不同类型的光纤耦合器，如单模光纤耦合器和多模光纤耦合器。
相干收发光组件在光通信系统中起到了至关重要的作用。
它能够实现高速、长距离的光信号传输，并能够抵抗光纤传输中的色散和衰减等干扰。
相干收发光组件还可以实现光时钟信号的同步传输，提高系统的稳定性和可靠性。
除了在光通信领域中的应用，相干收发光组件还被广泛应用于光纤传感和激光雷达等领域。
在光纤传感领域，相干收发光组件可以实现高精度的光纤传感，如温度、压力和形变等参数的测量。
在激光雷达领域，相干收发光组件可以实现高分辨率的目标探测和距离测量。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
工作物质
• 是指用来实现粒子数反转并产生光的受激 辐射放大作用的物质体系 • 它可以是固体（晶体、玻璃）气体（原子 气体、离子气体、分子气体）、半导体和 液体 • 激光器的工作物质决定了辐射的激光波长
功率偏移 与调制控制 温度 控制
致冷器 PD 温度报警与监测
LD
光纤
输出功率报警与监测
光接收器-光探测器
• 发光二极管和激光器将电信号转化为光信 号，光电二极管将光信号转化为电信号 • 外界的光子射入半导体，分离出电子和空 穴，这些自由的载流子的流动形成电流， 这种电流称为光电流 • 产生电流与射入光功率的比值称为响应度 R=I/P • 射入的光功率越大，产生的光电流越大， 但到一定程度，会产生饱和。
边发射和面发射
边发射和面发射
10° 30°
FP和DFB激光器发射 出来的光是椭圆光， 耦合时，与插针斜8度 相对应时，光功率最 大
VCSEL发出的光是圆 形的，容易耦合
激光器TO的封装
发光条
背光探 测器
高速激光器封装
接收器功能框图
数据
数据转换单元 时钟 激光器驱动部件
发送 器信 号
激光器工 作电路
deg
deg ns mA μA
⊥
tr,tf Im ID
0.05
0.2
FP激光器参数
• 阈值电流（Ith）:激光二极管开始振荡，
产生激光时的正向电流。 • 驱动电流(Iop)：输出额定光功率下所 需的总电流。输出光功率（Po）：工 作电流下辐射出的最大连续光功率。 • 输出光功率（Po）：工作电流下辐射 出的最大连续光功率。
光的产生
• 光是一种电磁波，同时光又是由光子组成 的，这称为光的“波粒二相性” • 电子跃迁到高能态后，是不稳定的，它随 时会返回低能态，这时候它所携带的多余 的能量释放出来，就产生一个光子
• 在自发辐射状态下释放的光子数量很少， 而且包含多种频率，所以能量不集中
自发辐射和受激辐射
• 光辐射分为两类：自发辐射和受激辐射
上升时间和下降时间对传输速率的影响
功率 （mW）
时间（ns）
上升时间造成1信号延迟 下降时间造成0信号延迟
速率增加，脉冲变窄，则 会造成1，0不分
FP激光器光谱图
光谱宽度
P
λ 3dB谱宽：从峰值波长的功 率算起，功率下降一半，光 谱的宽度，以nm表示 FP激光器的光谱宽度一般为 3nm左右
谱宽过大，造成脉冲展 宽，从而1，0不分
10
最大值 Max.
20
单位 Unit
mA mW
1.2
1.5
V
斜率效率Slope efficiency
中心波长Center wavelength 谱线宽度(FWHM)Spectral width(FWHM) 平行发散角Beam divergenceangle(parallel) 垂直发散角Beam divergence angle(perpendicular) 上升下降时间 Rise and fall time 探测器输出电流Monitoring outputcurrent 探测器暗电流Dark current
光功率
耦合效率
芯片的发光功率
汇聚后的光功率
入纤光功率
背光探测器
背光探测器的作用： 调节驱动电流，达 到功率平衡
PD 功 率 背光 电流 驱动 电流 功 率
LD
芯片的发光功率
波长、平均波长、峰值波长、中心波长
• 波长：物理概念，一个波的长度 • 平均波长：一个激光器发射出的所有光谱 即模式的加权平均值
155M光探测器参数
1.25G探测器参数
响应度和波长的关系
• 响应度与波长成正比，波长越长，相同功率 下含有的光子数越多，产生的电流就越大 • 我们的PIV测试台，测试1310nm和1550nm时 会分别选择不同的参数，是为了修正响应度 • 常用的光功率计在测试不同波长时，要选择 波长一项，也是为了修正响应度 • 我公司有种850nm的产品，使用的是1310nm 探测器做接收，当然是可以用的，但是灵敏 度比较低
光通信中所用的光源-激光器
• 激光：激光的最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是 它的英文名称LASER的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词 头一个字母组成的缩写词。意思是"通过受激发射的光放 大"。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过 程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议改称“激光” 。 • 有意思的是，激光器不是光放大器，而是激光产生器。另 有光放大器，如EDFA（掺铒光纤放大器）、SOA（半导体 光放器） • 激光器有很多种：红宝石激光器、气体激光器、半导体激 光器。光通信中常用的是半导体激光器
光探测器的带宽
• 带宽：在没有重大错误（误码）的情况下， 光电探测器所能检测的最大频率，或比特率 • 限制光探测器的两个因素：一是传送时间， 即收集光子产生电子的时间 ；二是光电二极 管的内部电容 • C=BWxlog2(1+SNR),C是比特率，BW是带宽， SNR是信噪比 • 155M探测器的带宽为115MHz，1.25G探测器 带宽为670MHz
半导体激光器的产生原理
基本条件：
1工作物质：有源区载流 子反转分布 2谐振腔：使受激辐射多 次反馈，形成振荡 3满足阈值条件，使增益 >损耗，有足够的注入 电流。
正反馈和谐振腔
• 为了得到所需功率的激光，需要数百万个 光子，采用的方法是在激活层的一端放上 一面“镜子”，光子不断地被反射回激活 层，产生的光子就成几何倍增加。 • 两面镜子实现光的正反馈，组成谐振腔。
η
λ
C
25℃ CW
CW Po=5mW 25℃
0.15
1280 －
0.2
1310 3
－
1350
mW/mA
nm nm
Δλ
θ
θ
∥
CW,P0=5mW
CW,P0=5mW IF=Ith,Po=5mW,10~90% CW,P0=5mW，VRP=1V VRP=10V
－
－ － 0.1 －
30
40 0.5
－
－ 1.0 -
探测器参数
• 上升下降时间：类似于激光器的相关指标。155M为 4.5ns，1.25G为0.3ns
• 工作波长：探测器一般都是宽波长工作范围的， InGaAs(砷镓铟)工作波长范围1270-1620nm，GaAs(砷 化镓)工作波长范围770-860nm • 灵敏度（S）：在工作速率下，当误码率为某一数值 时的最小可接收的光功率。 • 饱和光功率（Ps）：在工作速率下，当误码率为某 一数值时的最大接收光功率。
• “分布”是指反射并不只是发生在一个点 上，而是被散布在激活区的许多点上
VCSEL
• Vertical Cavity Surface Emitting Laser，垂直腔面发 射激光器 • FP和DFB激光器都是边发射激光器，这些激光器产 生的光束都成10°x30° • 优点：谐振腔的尺寸非常小（2μm）这使得两个 邻近纵模之间的模间隔可以很大；VCSEL激光器有 着很小的尺寸，小尺寸伴随着低功耗（10mA产生 3mW）和高开关速度；输出光束是圆形而非边发 射激光器的锥形；制造技术与电子芯片的技术非 常相似。 • 缺点是目前仅能用于850nm
FP激光器参数
• 峰值波长（λ p）：在规定输出功 率下，最大强度的光谱波长。 • P-I曲线：总发射功率（P）与注入 电流（I）的关系曲线。 • 耦合效率：激光器出纤光功率与 激光二极管发射光功率的比值。
工作电流和功率
P（mW）ຫໍສະໝຸດ PoIthIop I（mA）
PI曲线和激光器工作原理
温度特性
拐点
上升时间和下降时间
• 上升时间（Tr）：激光器额定功率从10%上 升到90%所用的时间 • 下降时间（Tf）：激光器额定功率从90%下 降到10%所用的时间 • 上升时间和下降时间跟材料的性质有关 • 直接决定了器件的速率，1.25G产品意味着 每秒钟信号变化2.5x109次，每个信号的时 间是4ns。如果是10G的产品呢？
FP激光器参数表
参数 Parameter
阈值电流Threshold current 输出功率Output Power 工作电压Operating voltage
符号 Symbol
Ith Po Vo
测试条件 Conditions
CW CW 25℃ CW Po=5mW
最小值 Min.
－ 5 －
典型值 Typ.
F-P腔激光器和DFB激光器
面发射激光器
FP激光器
• FP：Fabry-Pero，法国物理学家法布里和珀 罗于1897 年发明光干涉仪 • 为了进一步提高激光发射效率，使用特别 薄的激活区，称为“量子阱” • FP激光器TO：全称是“TO封装多量子阱 FP 腔激光器” • 它是一种多纵模激光器，可以理解为多波 长
激光器和探测器
激光器和探测器
激光器和探测器
编写：师岩峰 shiyanfeng@
简介 • 激光器和光探测器是光通信器件和模块中 两个重要的组件 • 他们占用光器件和光模块大部分成本：器 件的70%或模块的30% • 他们的性能直接决定了光器件和光模块的 指标、性能和品质 • 掌握和了解激光器件和探测器的相关知识 ，有助于对产品的了解，帮助我们进行研 发、生产和品质管理。
Vcc
OUT+ 单PIN
OUT-
APD-雪崩光电二极管
• 为了得到更好的灵敏度，需要使用放大器将光电流 更大的放大，但是同时放大器会引入电路噪声。 • 如果光电探测器不用外界的放大器放大光电流，就 不会引入电路噪声。APD正是因此而设计 。 • APD采用特殊的PIN结构，对其施以反向的高电压（ 60V左右），使电子和空穴获得高能量，分离出更 多的电子和空穴，类似于雪崩的过程。 • APD的响应度在10到100，如：普通PIN-TIA 2.5G灵 敏度为-21dBm，APD可达-30dBm以下