光電子技術(shù)復(fù)習(xí)題(重慶大學(xué))

1、第5章光探測器：能把光輻射量轉(zhuǎn)換成另一 種便于測量的物理量的器件 光電探測器：把光輻射量轉(zhuǎn)換成電量 電流或電壓的光探測器 光電探測器性能參數(shù)1. 量子效率2. 響應(yīng)度3. 光譜響應(yīng)4. 等效噪聲功率5. 歸一化探測度6. 頻率響應(yīng)7. 噪聲譜量子效率 : 是指每一個(gè)入射 光子所釋放的平均電子數(shù)。響應(yīng)度R:響應(yīng)度為探測器輸出信號電壓Vs或電流Is與輸入光功率 P之比光譜響應(yīng) :表征 R 隨波長 (拉門大 )變化的特性參數(shù)頻率響應(yīng) R ( f )：頻率響應(yīng) R( f ) 是描述光探測器響應(yīng)度在入射光波長 不變時(shí)，隨入射光調(diào) 制頻率變化的特性參數(shù)。等效噪聲功率 NEP：定義為相應(yīng)于單位信噪比的入射光

2、功率，用來表征探測器探測能力,NEP越小，探測能力越強(qiáng)。歸一化探測度 D* :探測度D:單位入射功率相應(yīng)的信噪比。D*表示單位探測器面積、單位帶寬的探測度，1. 光電效應(yīng):光照射到物體上使物體發(fā)射電子，或電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生電動勢，這些 因光照引起物體電學(xué)特性改變的現(xiàn)象，統(tǒng)稱為光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng):光子激發(fā)的載流子 (電子或空穴 ) 將保存在材料內(nèi)部。外光電效應(yīng) : 將電子打離材料外表，外光電效應(yīng)器件通常有多個(gè)陰極，以獲得倍增效 內(nèi)光電效應(yīng)主要包括光電導(dǎo)效應(yīng)與光伏效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)是光照變化引起半導(dǎo)體材料電導(dǎo)變化的現(xiàn)象。 光伏效應(yīng)指光照使半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。光電

3、導(dǎo)效應(yīng)下的光敏電阻光敏電阻的頻率特性差， 不適于接收高頻光信號前歷效應(yīng):前歷效應(yīng)是指光敏電阻的時(shí)間特性與工作 前“歷史有關(guān)的一種現(xiàn)象。分暗態(tài)前歷與亮態(tài)前歷。光敏電阻特點(diǎn):優(yōu)點(diǎn):1. 光譜響應(yīng)相當(dāng)寬2. 所測的光強(qiáng)范圍寬，即可對強(qiáng)光響應(yīng)，也可對弱光響應(yīng)3. 無極性之分，使用方便4. 靈敏度高，工作電流大，可達(dá)數(shù)毫安缺點(diǎn):強(qiáng)光照射下線性較差，頻率特性也較差，不適于接收高頻光信號，受溫度影響大2.第一象限:普通二極管第三象限:光導(dǎo)工作模式 光電二極管工作區(qū)域第四象限：光伏模式 光電池 工作區(qū)域 光電池：太陽能電池用作電源， 測量光電池作光電探測3. 光電二極管和光電池的區(qū)別：光電二極管和光電池一樣，

4、其根本結(jié)構(gòu)也是 一個(gè) PN 結(jié)。和光電池相比，重要的不同點(diǎn) 是 結(jié)面積小，因此具有特別好的頻率特性。比擬：光電二極管與光電池1. 摻雜濃度較低；2. 電阻率較高；3. 結(jié)區(qū)面積??；4. 通常多工作于反偏置狀態(tài)；5. 結(jié)電容小，頻率特性好；6. 光電流比光電池小得多，一般多在微安級4. PIN光敏二極管：在 P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層本征半導(dǎo)體。頻帶寬 靈敏度高頻帶寬：由于P-N結(jié)空間電荷層的間距加寬，因此結(jié)電容變小。相應(yīng)時(shí)間變短，頻帶變寬。靈敏度高 ： I 層較厚， 入射 光很容易進(jìn)入材料內(nèi)部被 充分吸收而產(chǎn)生大量電子 - 空穴 對。5. 雪崩光敏二極管：高反壓100200 V強(qiáng)電場

5、載流子加速碰撞 新載流子雪崩倍增 光電流的放大6. 光敏三極管：光電三極管：輸出光電流大 光電特性“非線性 ，頻率特性較差7.散粒噪聲產(chǎn)生 -復(fù)合噪聲熱噪聲 低頻噪聲散粒噪聲：探測器的散粒噪聲是由于探測器在光輻射作用或熱激發(fā)下，光電子或光生載流子的隨機(jī) 產(chǎn)生所造成的。產(chǎn)生 -復(fù)合噪聲：半導(dǎo)體中由于載流子產(chǎn)生與復(fù)合的隨機(jī)性而引起的平均載流子濃度的起伏所產(chǎn)生的噪聲稱為產(chǎn)生一復(fù)合噪聲，亦稱 G-R噪聲熱噪聲：熱噪聲是由耗散元件中電荷載流子 的隨機(jī)熱運(yùn)動引起的低頻噪聲： 在低頻時(shí)存在的噪聲， 幾乎所有探測器中都 存在。由于噪聲功率與頻率有近 似反比的關(guān) 系，也稱為 1/f 噪聲8. D DD說明電荷產(chǎn)

6、生電場，且電場是有源場9. EEEE說明變化的磁場產(chǎn)生電場10. BBBBB說明磁場是無源場，磁感線總是閉合曲線11. HHHH說明傳導(dǎo)電流和變化的電場都能產(chǎn)生磁場12. D= 界面兩側(cè)電場的法向分量發(fā)生了躍變B= 界面兩側(cè)磁場的法向分量連續(xù)E= 界面兩側(cè)電場的切向分量連續(xù)H=界面兩側(cè)磁場的切向分量發(fā)生了躍變13. 兩種理想介質(zhì)分界面上的邊界條件在兩種理想介質(zhì)分界面上，通常沒有電荷和電流分布，即JS= 0、 p S= 0D的法向分量連續(xù)B的法向分量連續(xù)E的切向分量連續(xù)H的切向分量連續(xù)14. 理想導(dǎo)體外表上的邊界條件理想導(dǎo)體：電導(dǎo)率為無限大的導(dǎo)電媒質(zhì)特征：電磁場不可能進(jìn)入理想導(dǎo)體內(nèi)設(shè)媒質(zhì)2為理想

7、導(dǎo)體，那么 E2、D2、 H2、B2均為零理想導(dǎo)體外表上電荷密度等于D的法向分量理想導(dǎo)體外表上 B的法向分量為0理想導(dǎo)體外表上 E的切向分量為0理想導(dǎo)體外表上電流密度等于H的切向分量15. 平面電磁波：任意時(shí)刻，如果在平面等相位面上，每一點(diǎn)的電場強(qiáng)度均相同，這種電磁波稱為均勻平面波。1均勻平面波滿足一維波動方程均勻平面波是橫電磁波TEM波對于無限大、均勻、理想介質(zhì)中的均勻平面波，相速等于波速9. 其他條件相同時(shí)，受激輻射和受激吸收具有相同幾率。10. 熱平衡狀態(tài)下，高能級上原子數(shù)少于低能級上原子數(shù)，故正常情況下，吸收比發(fā)射更頻 繁，其差額由 自發(fā)輻射補(bǔ)償。11. 自發(fā)輻射的出現(xiàn)隨 V3而增大，

8、故 波長越短，自發(fā)輻射幾率越大。12. 激光的縱模：光場沿軸向傳播的振動模式13. 激光的橫模：激光腔內(nèi)與軸向垂直的橫截面內(nèi)的穩(wěn)定光場分布稱為激光的橫模激光橫模形成的主要因素是諧振腔兩端反射鏡的衍射作用。激光器輸出的頻率個(gè)數(shù)縱模數(shù)N,由激活介質(zhì)所發(fā)射的譜線對應(yīng)的頻寬和縱模 間隔的比值決定用接收屏觀察激光器輸出光束屏上形成的光斑圖形。按其對稱性可分為軸對稱橫模和旋轉(zhuǎn)對稱橫模。軸對稱橫模TEMmn旋轉(zhuǎn)對稱橫模TEMpI縱模選擇色散腔粗選短腔法F-P標(biāo)準(zhǔn)具復(fù)合腔 橫模基模選擇小孔光闌選模聚焦光闌選模貓眼腔選模第3章1. 單色平面波是指電場強(qiáng)度 E和磁場強(qiáng)度H都以單一頻率 隨時(shí)間作正弦變 化而傳播的波

9、。 單色+平面波2. 高斯光束 激光器發(fā)出的光 沿z軸方向傳播的高斯光束激光束， 不管是由何 種穩(wěn)定腔產(chǎn)生的R: z點(diǎn)處的波陣面半徑CD (Z)： Z點(diǎn)處的光斑半徑 二維高斯函數(shù) 平面波因子球面波因子3. 高斯光束半徑：將在光束截面內(nèi)，振幅下降到最大值的1尼時(shí)，離光軸的 距離定義為該處的光斑半徑D (z)只要光學(xué)元件的孔徑大于3d/2，即可保證高斯 光束的絕大局部功率有效透 過4. 在z=0處：波陣面半徑R(0)趨于無窮波陣面為平面波光斑半徑等于束腰半徑d二等于d 0在zx處：波陣面半徑r(o趨于無窮波陣面為平面波5. 在z=0處和zx處，R(z)的值均為(平面波)，那么在中 間某位置必存在

10、一最小R(z)瑞利長度共焦參數(shù)的物理意義：高斯光束傳播過程中的兩特殊點(diǎn)，在此點(diǎn)，波陣面半徑最小，具有兩 對稱點(diǎn)相對束腰互為其波面球心。6. 能量密度w:表示場內(nèi)單位體積的能量，是空間位置x和 時(shí)間t的函數(shù)， w=w(x,t)能流密度S :單位時(shí)間內(nèi)，通過垂直于波的傳播 方向的單位面積的輻射能。7相速度：單色波的等相位面?zhèn)鞑サ乃俣热核俣龋汉铣刹úò系日穹鎮(zhèn)鞑サ乃俣?. 瑞利群速公式。在正常色散區(qū)域大于0，群速小于相速；在反常色散區(qū)域dvp/d入<0,群速大于相速； 在真空中無色散等于0,群速等于相速9. |1在真空中傳播時(shí)，波速相同，相速度和群速度相等。2在色散介質(zhì)中傳播時(shí)，不同頻率的

11、 光波傳播速度不同，合成波形在傳 播過程中會不斷地變化，相速度和群速度不同。3光波 能量 正比于 電場振幅 的平方，而 群速度是 振幅面?zhèn)鞑サ乃?度，所以群速度是光波能量傳播的速度10. 外腔式激光管加裝布儒斯特窗，以產(chǎn)生線偏振激光。11. 全反射 設(shè)光波從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì) (n1>n2)，折射角B 2大于入射 角B 1。當(dāng)sinB 1= n2/n1時(shí)，B 2為90度，這時(shí)折射角 沿界面掠過。 假設(shè)入 射角再增大， 使sinB 1>n2/n1 ，這時(shí)不能定義實(shí)數(shù)的折射角。使 90度的入射 角B 1稱為臨界角，記作B c，即當(dāng)B 1>9 c時(shí)，沒有折射光，入射光全部返回介質(zhì)

12、1,這個(gè)現(xiàn)象為全反射。12. 入射平面波在上下界面均產(chǎn)生全反射，此時(shí)形成的波稱為導(dǎo)波有一局部能量從薄膜中輻射出去，這種情況下的波稱為輻射模13. 射線從B到C'的相位變化為k0 n1 B ' C'射線從B到C的相位變化為(k0n1BC-22-23)兩射線的相位差為：薄膜波導(dǎo)的特征方程13. kOnIcosB 1是薄膜中波矢量x方向分量，是薄膜中的橫向相位常數(shù)，可表示為：k1x=kOn 1cos0 1特征方程可寫為：klxd是橫過薄膜的橫向相位變化2© 2, 2© 3是在邊界上全反射時(shí)的相位突變m是模序數(shù)，當(dāng)m=0, 1, 2時(shí)，可得到14. 當(dāng)m=0

13、時(shí) 其場沿x方向的變化缺乏半個(gè)駐波當(dāng)m=1時(shí)，其場沿x方向變化缺乏一個(gè)駐 波，其他依此類推。因而m表示了 導(dǎo)波場沿薄膜橫向 出現(xiàn)的完整半駐波個(gè)數(shù)。m越大，導(dǎo)波的模次越高16. 由特征方程還可以 看出，在其他條件 不變的情況下，假設(shè)B 1減小，那么m 增大，因而 說明高次模是由入射角B 1較小的平面波構(gòu)成的。17. 波序數(shù)m相同的TE模和TM模的截止波長不同。當(dāng) m相同 時(shí)，TE模的截止波長較長，因而在所有的波導(dǎo)模式中，TE0模的截止波長最長。18. 由于TE0模的截止波長最長，因而它的 傳輸條件最容易滿足。薄膜波導(dǎo)中的 TE0模是基模。如果波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)或選擇的工作波長只 允許TE0模傳輸，其 他

14、模式均截止，那么稱為單模傳輸。單模傳輸?shù)臈l件是19. 對稱薄膜波導(dǎo)：該式對TE模，TM模都適用。即模序數(shù)相同的TE模和TM模 具有相同的截止波長入c。當(dāng)TE0模出現(xiàn)時(shí)，TMm模也伴隨出現(xiàn)，這就叫兼 并。對于對稱波導(dǎo)，TM0模截止波長入c=x，沒有 截止現(xiàn)象，這是對稱波 導(dǎo)的特有性質(zhì)。20. 數(shù)值孔徑：表示光纖 捕捉光線的能力的物理量光纖能夠接受外來入射光的最大受光角的正弦與入射區(qū)折射率的乘積21. 入射角不同的光線在階躍光纖中傳播時(shí)，幾何程長是不同的，因而其軸向速度有所不同，引起模式色散。為減小模式色散，設(shè)計(jì)了折射率沿半徑漸變的光纖，稱為梯度光纖或非均勻光纖。由于 中心折射率最大，兩邊折射率逐

15、 漸變小，因此 光線軌跡不再是直線而是曲線。并且使全部的射線以同樣的軸向速度在光纖中傳播，從而消除了模式色散。這種現(xiàn)象叫自聚焦現(xiàn)象，這種光纖叫自聚焦光纖。22. 光纖損耗：吸收損耗包括：本征吸收雜質(zhì)吸收散射損耗瑞利散射瑞利散射損耗與入射波長的4次方成反比，因而這種損耗隨著波長的增加而 迅速減小。米氏散射 非線性散射其它損耗23. 色散特性：材料色散模式色散波導(dǎo)色散24. 波導(dǎo)色散是由光纖的幾何結(jié)構(gòu)決定的色散，它是由某一波導(dǎo)模式的傳播常數(shù)B隨光信號角頻率變化而引起的，也稱結(jié)構(gòu)色散。25. 對多模光纖，模式數(shù)量大，總色散根本取決于模式色散其次為材料色散對應(yīng)單模光纖，主要是材料色散和波導(dǎo)色散原理：外加電場實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，大量電子空穴對復(fù)合導(dǎo)致發(fā)光是利用注入有源區(qū)的載 流子自發(fā)輻射 復(fù)合發(fā)光是受激輻射復(fù)合發(fā)光3.結(jié)構(gòu)上的差異：LD有光學(xué)諧振腔，使產(chǎn)生 的光子在腔內(nèi)振蕩放大， LED沒有諧振腔。4.性能上的差異：LED沒有閾值特性，光 譜密度比LD高幾個(gè)數(shù)量級，LED輸出