光电器件基础讲义
中研传输业务部汪微
1．概述
光电器件分为发光器件和光探测器两大类，发光器件是把电信号变成光信号的器件，在光纤通信中占有重要的地位。性能好、寿命长、使用方便的不源是保证光纤通信可靠工作的关键。光纤通信对光源的基本要求有如下几个方面：首先，光源发光的峰值波长应在光纤的低损耗窗口之内，要求材料色散较小。其次，光源输出功率必须足够大，入纤功率一般应在10微瓦到数毫瓦之间。第三，光源应具有高度可靠性，工作寿命至少在10万小时以上才能满足光纤通信工程的需要。第四，光源的输出光谱不能太宽以利于传高速脉冲。第五，光源应便于调制，调制速率应能适应系统的要求。第六，电－光转换效率不应太低，否则会导致器件严重发热和缩短寿命。第七，光源应省电，光源的体积、重量不应太大。
光探测器则是将光信号转换为电信号的光电子器件，作为光通信系统用的光探测器需要满足以下要求：首先，其响应波长范围要与光纤通信的低衰耗窗口匹配，第二，具有很高的量子效率和响应度，第三，具有很高的响应速度，第四，具有高度的可靠性。
2．光电器件原理
2.1半导体中光的发射和激射原理
2.1-1半导体价带、导带、带隙与发光
半导体单晶材料的原子是按一定规律紧密排列的。在各个原子之间保持一定的距离，是由于在各原子之间存在着互相作用力的结构，这些结合力就是共价键。固体物理学告诉我们，单晶中各个原子的最外层轨道是互相重叠的，这样就使分立的能级变成了能带。与原子的最多层轨道的价电子相对应的能带叫做价带。价带上面的能带称为导带。在温度低至绝对零度的情况下，晶体中的电子均在价带之中，而导带是完全空着的。如果价带中的电子受热或光的激发，则受激发的电子就会跃迁到上面的导带中去。这样一来，晶体材料就可以导电了。把导带底的能量记作E C，把价带顶的能量记作E VO在E C和E V之间是不可能有电子的，故称为禁带。把E C与E V之差记作E g，称为禁带宽度或带隙。如果Eg较大，则需要较大的激励能量把价带中的电子激发到导带中去。对于绝缘体材料，由于禁带宽度Eg很大，价带中的电子很难迁到导带中去，因而它表现出良好的绝缘性能。导体材料的Eg=0，因此它表现出良好的导电性能。半导体材料的禁带宽度介于导体和绝缘体之间，因而它的导电能力也介于两者之间。
当价带中一个电子被激发到导带中，在价带中就留下了一个电子的空位。在电场的作用下，价带中邻近的电子就会填补这个空位，而把它自己的位置空出来，这就好象空位本身在电场的作用下产生移动一样。空位的作用好象一个带正电的粒子，在半导体物理学上把它叫作空穴。穴带中的一个电子可以吸收外界能量而跃迁到导带中去，在价带中形成一个空穴。反之，导带中的一个电子也可以跃迁到价带中去，在价带中填补一个空穴，把这一过程叫做复合。在复合时，电子把大约等于禁带宽度Eg的能量释放出来。在辐射跃迁的情况下，释放出一个频率为：
γ=E
g
h
的光子，其中h是普朗克常数（6.625×10-34焦耳·秒）。不同的半导体单晶材料的Eg值不同，光发波长也不同，因为电子和空穴都是处于能带之中，不同的电子和空穴的能级有所差别，复合发光的波长有所差别，但其频率接近于γ。
2.1-2半导体掺杂、P型半导体和N型半导体
上面说到的都是纯净、完整的理想半导体单晶的情况。在实际的半导体单晶材料中，往往存在着与组成晶体的基质原子不同的其它元素的原子──杂质原子，以及在晶体形成过程中出现的各种缺陷。进行材料提纯，就是为了去除有害杂质。进行各种处理，就是为了消除或减少某些缺陷。但是，在实际应用中，我们还要有意识地在晶体中掺入一定量的有用杂质，这些杂质原子对半导体起着极为重要的作用。我们知道，按照掺杂的不同，可以得到电子型半导体和空穴型半导体材料。
所谓本征半导体，是指含杂质和缺陷极少的纯净、完整的半导体。其特点是，在半导体材料中，导带电子和数目和价带空穴的数目相等。通常把本征半导体叫做I型半导体。所谓电子型半导体就是通过故意掺杂使用导带的电子数目比价带空穴的数目大得多的半导体。例如，在纯净的III－V族化合物GaAs中掺入不量的VI族元素Te，Te原子取代晶体中的As 原子，这样就得到了电子型半导体。Te原子的外层有六个价电子，As原子的外导有五个价电子，在形成共价键时每个Te原子向晶体提供一个电子，因而导带内就有许多电子，这种电子型半导体亦称为N型半导体。所谓空穴型半导体，就是通过故意掺杂使价带空穴的数目比导带电子数目大得多的半导体。例如，在纯净的III－V族化合物GaAs中掺入少量的II族元素Zn。Zn原子取代晶体中的Ga原子，这样就得到了空穴型半导体。Zn原子的外层有两个价电子，Ga原子的外层有三个价电子，在形成共价键时每个Zn原子向晶体索取一个电子，即向晶体提供一个空穴，因而价带内就有许多空穴，这种空穴型半导体也叫做P型半导体。
理论分析和实验结果表明，半导体的物理性质在很大程度上取决于所含杂质的种类和数量。更重要的是，把不同类型的半导体结合起来，就可以制作成各种各样的半导体器件，当然也包括这里要讲的激光二极管和发光二极管。请注意，这里所说的“结合”，并不是简单的机械的接触，而是在同一块半导体单晶内形成不同类型的两个或两个以上的区域。
2.1-3半导体p-n结和p-n结光源
P型半导体与N型半导体结合的界面称为p-n结，许多半导体器件（包括半导体激光器）的核心就是这个p-n结。前面提到，在P型半导体内有多余空穴，在N型半导体内有多余电子，当这两种半导体结合在一起时，P区内的空穴向N区扩散，在靠近界面的地方剩下了带负电的离子，N区内的电子向P区扩散，在靠近界面的地方剩下了带正电的离子。这样一来，在界面两侧就形成了带相反电荷的区域，叫做空间电荷区。由这些相反电荷形成一个自建电场，其方向是由N区指向P区。由于自建电场的存在，在界面的两侧产生了一个电势差V D，这个电势差阻碍空穴和电子的进一步扩建，使之最后达到平衡状态。因此，我们把V D叫做阻碍空穴和电子扩散的势垒。如图2.1所示的p-n结及能带，显然，P区的能量比N 区的提高了eVD，其中e是电子的电荷量。如图中所示：对于轻掺杂的p-n结，eVD
对于（E F ）N 以下的能极，电子占据的可能性大于1/2。把P 区的准费米能级记作（E F ）P ，对于（E F ）P 以上的能级，空穴占据的可能性大于1/2。当把足够大的正向电压加在p-n 结上时，P 区内的空穴大量地注入N 区，N 区内的电子大量地注入P 区。这样一来，在P 区和N 区靠近界面的地方就产生了复合发光。在激光物理学中，材料的光子吸收、自发发射和受激发射可以由图2.2的两能级图来表示。图中E1是
图2.1 p-n 结能带图
基态能量，E 2是激发态能量。按照普朗克定律，这两个能态之间的跃迁涉及到发射或吸收一个能量为h γ12＝E 2－E 1的光子。一般情况下系统处于基态。当能量为的h γ12光子射入，能态E 1中的某个电子能够吸收光子能量，并激发到能态E2，如图7.2所示。由于E 2能态是一种不稳定的状态，电子很快就返回到 图2.2 光子吸收的三种形式
E E E )
E E E E
F 电子多 (轻掺) 空穴多 Eg 电子多
(重掺)
(重掺) 空穴多
(b) (a) E F (E F )N (E C )N (E F )P
(E V )N (Ec)P (Ev)P eVD
Eg
基态，从而发射出一个能量为的h γ12光子。这个过程是在无外部激励的情况下发生的，因此称为自发发射。这种发射是各向同性的，并且其相位是随机的，表现为非相干光输出。另外一种情况是，暂时停留在E2上的电子，由于外部了激励向下跃迁到基态，如图2.2(c )所示。当有一个能量为h γ12的光入射到系统时，电子会立即受到激励向往下跃迁到基态，同时释放出一个能量为h γ12的光子。发射出来的这个光子与入射光子是同相位的，这种情况称为受激发射。在热平衡状态下，受到激发的电子的密度非常小，入射于系统的大多数光子都会被吸收，受激发射可以忽略，材料对光能量来说是消耗性的。仅当激发态中的电子数大于基态中的电子数时，受激发射才会超过吸收。这个条件在激光物理学中称为粒子数反转。粒子数反转状态并不是一种平衡状态，必须利用各种“泵浦”方法来使材料达到这种状态。对于图2.1所示的p-n 结，正向通电注入电子填满那些较低能态，即能实现粒子数反转，该材料原来对光是吸收的进而变为对光具有放大作用了。半导体激光器中，在电泵浦使用下能够对光有放大作用的区域称为有源区，其实就在图2.1所示的p-n 结附近。我们知道，高频电子LC 振荡器就是利用电子放大器和正反馈结合而产生的。半导体激光器的激光振荡也是由光放大与正反馈结合而产生。招图2.3所示，处于粒子反转状态的有源区对某波长光有放大作用。设有微弱的光由左向右传输，在光放大作用下逐渐增强，到达右镜面立刻反射到左传输又再逐渐增强，到达左镜面反射而形成正反馈过程。显然，只有在传播方向与镜面垂直的一部分光才能够在镜面的帮助下实现放大－反馈，当这个放大－反馈环路的光增益足以抵消一切光损耗时，就在谐振腔内建立了等相面与反射镜面平等的驻波，这就是说产生了激光振荡了。如图2.1所示的p-n 结，当未注入电流时，其材料对光呈现吸收性，当注入电流较小时，p-n 结开始发光，电流继续增加，光放大增强，放大－反馈环路的增益一旦超过损耗，就产生振荡，半导体激光器就由自发发射状态转入激射状态，此时的注入电流称阀值电流。
激光束
激光束
图2.3 平面谐振腔
2.2
光电探测器原理
谐振腔长
2.2-1 p-n结的光电效应
当P型半导体和N型半导体结合时（不是机械结合，而是分子间结合），能构成一个p-n 结。在P、N型半导体的交界面将发生载流子相互扩散的运动：P型中的空穴远比N型材料多，空穴将从P区扩散到N区；同样N型材料中的电子远比P型材料的多，也要扩散到P 区。达到平衡时，这些向对方扩的载流子将积聚在P区、N区交界面的附近，形成空间电荷区，称为结区，如图2.4所示。空间电荷区内，因多数载流子（指P区中的空穴，N区中的电子）几乎已消耗尽了，故又称它为耗尽区。耗尽区内形成了内建电场Ei,以入接触电势或势垒Vd。Ei或Vd的存在阻止多数载流子继续对方扩散，达到平衡状态。如果p-n结接收相当能量的光波照射，进入耗尽区的光子就会产生电子－空穴对，并且受内电场Ei的加速，空穴顺Ei方向漂向P区，电子则逆Ei方向漂向N区。光照的结果打破了原有结区的平衡状态。光生载流子的运动，同样要在结区形成电场Ep和电压Vp,而Ep和Vp的方向或极性正好与Ei和Vd相反，起到削弱Ei和Vd的作用。电压Vp称为光生伏特。当外界光照是稳定的，将p-n结两端用导线连接，串入电流计就能读出光电流Ip。
图8.1 平衡状态下的p-n结
图2.5光照下的p-n结
图8.2 光照下的p-n结
2.2-2反向偏置的p-n结
p-n结中的光电流是靠耗尽区中的内电场形成的。当以适当能量的光照射p-n结，且光强很大，能使光生电场Ep=Ei，合成电场E=Ei-Ep=0，即Ei已被削减为零，耗尽区也不存在了。这时发生载流子虽仍可在p-n区中产生，但无电场导引和加速，在杂乱的扩散过程中，
大部分光生空穴和光生电子相继复合而消失，不能形成外部电流。这是不加偏置的p-n结可能出现的问题。零偏置有两大弊病：(1)器件的响应率很差，且很易饱和；(2)依靠扩散运动形成的光电流响应速度很慢。若在p-n结上加反向偏置电压(见图8.3)，则势垒高度增加到Vd+V；耗尽区W加宽了，响应率和响应速度都可以得到提高。
V
图8.3 反偏下光照射的p-n结
图2.6反偏下光照的p-n
3．光电器件类型
3.1半导体发光器件
半导体发光器件有三大类：发光管、FP激光器、DBF激光器，下面分别介绍三类器件的特点：
发光管（LED）
未经谐振输出，发非相干光的半导体发光器件称为发光管。发光管的特点：输出光功率低、发散角大、光谱宽、调制速率低、价格低廉，适合于短距离通信。
FP激光器
FP激光器是以FP腔为谐振腔，发出多纵模相干光的半导体发光器件。这类器件的特点；输出光功率大、发散角较小、光谱较窄、调制速率高，适合于较长距离通信。
DFB激光器
DFB激光器是在FP激光器的基础上采用光栅虑光器件使器件只有一个纵模输出，此类器件的特点：输出光功率大、发散角较小、光谱极窄、调制速率高，适合于长距离通信。
3.2光电检测器件
光电检测器是将光信号转变为电信号的器件，光纤通信系统中使用2类光电检测器，即光电二极（PIN）管和雪崩光电二极管（APD）。
PIN探测器
PIN探测器是在普通光电二极管的基础上加入一层耗尽层的器件，它具有量子效率高、暗电流低、响应速度高、工作偏压低、不具有倍增效应的特点。
APD探测器
雪崩光电二极管是一种利用较高的偏压加速光子激发出的电子空穴对，碰撞出二次电子空穴对，形成光电流倍增的器件。它具有较高的量子效率、较高的响应、有倍增效应。
4.光电器件的参数指标
4.1半导体发光器件
4.1-1发光管（LED）
发光管有以下性能参数：工作波长、－3dB光谱宽度、输出光功率、最高调制速率。
工作波长是指LED发出光谱的中心波长；-3dB光谱宽度是LED发射光谱的最高点降低－3dB时所对应的光谱宽度；输出光功率是器件输出端口输出的光功率；最高调制速率为LED所能调制的最高速率。
表4.1是某公司LED器件的性能参数，其典型光谱如图4.1所示
表4.1 LED性能参数
图4.1
4.1-2FP激光器
FP激光器有以下性能参数：
工作波长：激光器发出光谱的中心波长。
光谱宽度：多纵模激光器的均方根谱宽。
阈值电流：当器件的工作电流超过阈值电流时激光器发出相干性很好的激光。
输出光功率：激光器输出端口发出的光功率。
典型参数见表4.2，其典型光谱图为图4.2
图4.2
4.1-3DFB激光器
DFB激光器有以下性能参数：
工作波长：激光器发出光谱的中心波长。
边模抑制比：激光器工作主模与最大边模的功率比。
-20dB光谱宽度：由激光器输出光谱的最高点降低20dB处光谱宽度。
阈值电流：当器件的工作电流超过阈值电流时激光器发出相干性很好的激光。
输出光功率：激光器输出端口发出的光功率。
典型参数见表4.3，其典型光谱图为图4.3
表4.3 DFB激光器典型参数
图4.3
4.2 光电检测器件
4.2-1PIN光电二极管
PIN光电二极管性能参数如下：
响应光谱范围：光电二极管能检测到的光谱范围。
暗电流：光电二极管在没有光输入时产生的漏电流。
响应度：即光电转换的效率，是光电流与输入的光功率之比。
4.2-2APD光电探测器
APD探测器性能主要参数:
工作波长：APD探测器能检测的波长范围。
量子效率：激发出的一次电子数与输入的光子数之比。
暗电流：APD探测器在没有输入光功率时的漏电流。
倍增因子：光电子的倍增倍数。
过剩噪声指数：反映噪声的大小。
5．各种光电器件的应用场合
5.1FP激光器的应用
由于受1310nm通信窗口的光缆衰耗和1550nm通信窗口的光缆色散限制，此类激光器用于传输距离小于50km的场合。主要是1310nm的工作波长。
5.2DBF激光器的应用
这类激光器具有光谱窄特性，在1550nm低衰耗特性窗口受色散限制的距离为70～120km，由于目前激光器制造工艺正在不断发展，此类激光器的受色散限制的距离有可能达到170～200km。此类激光器与光放大器配合使用目前能实现120km以内的无中继传输。
5.3EA－DFB激光器应用
EA－DFB激光器不直接对激光器进行调制，使激光器的啁秋效应大大降低，此类激光器受色散限制的距离为300～1000km。此类激光器与光放大器结合使用，能实现200km无中继传输，300～1000km无电中继传输。
5.4 PIN探测器
PIN探测器由于没有倍增效应，其响应度较小，主要用于155/622Mb/s系统。
5.5APD探测器
APD探测器具有倍增效应和较高的效应速度，用于2.5Gb/s设备上。
6. 使用中需要注意的问题
6.1防静电
目前光纤通信设备中的光电器件均为异质结器件，其反向击穿电压都很低，极易被人体静电击穿或击伤，造成器件立即损耗或寿命减少。因此在使用过程一定要十分注意防静电。
6.2注意避免折断尾纤
设备中使用的光电器件多数是带尾纤输出的类型，器件尾纤是采用0.9mm直径的套塑光纤，十分脆弱。在使用过程中如果不小心很容易将尾纤折断，造成器件完全无法使用。
6.3注意清洁光纤连接器
光电器件的光纤连接器是器件与外界的光接口。如果光纤连接器被污染，则会明显增加连接衰耗，造成发光器件的输出光功率明显低于器件额定值，接收器件灵敏度明显降低，使设备的光口指标变坏，严重影响设备的整体性能。
7. 掺铒光纤放大器介绍
7.1 掺铒光纤放大器介绍
掺铒光纤放大器作为新一代光通信系统的关键部件，具有增益高、输出功率大、工作光学带宽较宽、与偏振无关、噪声指数较低、放大特性与系统比特率和数据格式无关。它是大容量波分复用系统、2.5Gb/s和10Gb/s以上高速系统中必不可少的关键部件，也是大型CATV 网不可缺少的器件。它的出现给光纤通信与传输技术带来了一场革命。EDFA在光缆线路中可以有以下几种应用：
(1)、装在光发射机后面作功率放大器，它可以将光发射机的发送功率由
0dBm左右提高至+13~+18dBm。
(2)、在光发送机和光接收机之间装若干个EDFA，代替传统的中继设备。
(3)、装在光接收机前面作预放大器可以将接收机灵敏度提高至-45 ~ -35dBm
光缆通信线路中使用EDFA作功率放大器和预放大器可以大幅度提高通信设备的动态范围，使线路的无中继距离达到150～250km，这将使通信系统的中继站的数量
大大减少，线路的建设成本、维护成本大为降低，同时也提高了线路的可靠性。在沿途不上下话路的长途干线中应用EDFA ，代替传统的 光→电、电→光 的中继方式，可以节省设备投资，同时有利于线路的升级。因为EDFA 具有放大特性与系统比特率和数据格式无关的特点，因此，在线路升级时，只需更换线路两端的设备，而不需要更换作中继的EDFA 。
(4)在广电网中使用可以使壹台光发射机带更多的光接收机。在国外，掺铒光纤放大器已经开始大规模地用于各种工程中。
7.1 掺铒光纤放大器原理
在石英光纤中掺入稀土元素铒，形成Er 3+离子。
在掺铒光纤中注入足够的泵浦光,就可以将大部分处于基态的Er 3+抽运到激发态上，
处于激发态的Er 3+又迅速无辐射地转移到比激发态低的亚稳态上。由于
Er 3+在亚稳态上的平均
停留时间为
10ms ，因此，很容易在亚稳态与基态之间形成反转，此时，信号光子通过掺铒光纤，将通过受激辐射效应，产生大量与自身完全相同的光子，使信号光子迅速增多，产生信号放大。
为了实现光放大的目的，需要由一些光无源器件、泵浦源和掺铒光纤以特定的光学结构组合在一起，构成光放大器。图1-2.2显示了一种典型的掺铒光纤放大器光学结构。 掺信号光、980nm 泵浦光，经过波分复用器WDM 合波后进入掺铒光纤EDF 。EDF 在泵浦光的激励下产生的放大作用，使光信号得到放大。
7.3 掺铒光纤放大器系列的使用方法
在长距离、大容量、高速率的新一代光波通信系统中，EDFA 可用作功率放大、前置放大和中继放大。功率放大器,用以提高发射机功率,延长传输系统的中继距离,或用来补偿组图7.1 Er 3+在光纤中的能级图
网中的连接损耗。前置放大器,提高接收机灵敏度。中继器,在长距离系统中恢复信号功率，补偿光纤衰耗。主要用途如下：
(1) 在长距离光纤通信系统中，代替现有的电中继器。
(2) 跨超长段，在长途光通信系统的发送端加上EDFA功率放大器，提高发送功率，在系统的接收端加EDFA前置放大器提高接收机灵敏度。这种方法可以使系统无中继传输距离延长到150～200km。
(3) 光放大技术与波分复用（WDM）技术相结合可迅速简便地扩大现有光缆系统的通信容量。
(4) 它作为功率放大器用在广电网（CATV）系统中，可将发射机发送功率提高到+16dBm以上，有效地补偿分配损耗，可做到信号无损耗分配，使系统可带更多的光纤用户终端或延长传输距离。
(5) EDFA可放大超短脉冲而无畸变，在未来光孤子系统中也是必步可少的部件。
∙长途光通信系统
中继放大器
功放中继中继前放
波分复用系统
∙广电网系统
图7.3
图7.4 EDFA在WDM系统中应用
8. 结束语
以上介绍了光电器件以及光放大器的原理和使用方法，但如果要掌握光电器件的应用方法则需要在工作中针对具体器件进行进一步的学习和实践。希望本讲义能对大家掌握光电器件的使用提供帮助。
光电子器件 第一章 1、 光电探测器输出信号电压或电流与单位入射光功率之比，即单位入射光功率作用下探测器输出信号电压或电流称为响应率. 光谱响应率（R λ）：光电器件在单色 (在波长λ附近一个很小的波长范围里) 辐射功率作用下产生的信号电压或信号电流。 ——其中Rm 为光谱响应率的最大值 R λ（单位：A/W ） 光谱响应率及量子效率仅由器件的响应特性所决定，而与光源无关。 2. 器件的光谱响应与光源辐射功率谱密度紧密相关，它们之间的匹配系统 α—称为器件与光源的光谱匹配系数，它反映了器件响应的波长范围同光源光谱的吻合程度。 在光源固定的情况下,面积A1是不变的,如果与曲线重合得愈多,面积A2愈大, α愈大，也就是光谱匹配愈好;反之, 如果两曲线没有重合之处,α=0,即二者完全失配,则该光电器件对光源辐射没有探测能力。光谱匹配是选择光电子器件,如像管、光电倍增管、红外成像器件的材料的重要依据。 3.光电探测器输出的电流或电压在其平均值上下无规则的、随机的起伏，称为噪声。噪声是物理过程所固有的，人为不可能消除。它的计算是在足够长时间内求其平方平均或均方根。 dP du R s u λλ=dP di R s i λλ=m R R R λλ=)( λR m R 1.24λ λη )(λ R λ 1 2A A =α
光电探测器的噪声来源主要有热噪声、散粒噪声、温度噪声、放大器噪声、频率噪声、复合噪声等。 当输出信号电压等于输出噪声电压均方根值时的探测器的入射辐射功率叫做最小可探测辐射功率，也叫做噪声等效功率NEP 。 Pmin 越小，器件的探测能力越强。 对Pmin 取倒数可作为衡量探测器探测能力的参数，称为探测率。研究指出:探测率与器件的面积和工作带宽成反比。 4.光吸收厚度：设入射光的强度为 I0，入射到样品厚度为x 处的光强度为 I ，则： α为线吸收系数，单位为（1/cm ） α大时，光吸收主要发生在材料的表层；α小时，光入射得深。当厚度d=1/α时，称为吸收厚度，有64%的光被吸收。 5.本征吸收：价带中的电子吸收了能量足够大的光子后，受到激发，越过禁带，跃入导带，并在价带中留下一个空穴，形成了电子空穴对，这种跃迁过程所形成的光吸收称为本征吸收。 本征吸收条件：光子的能量必须大于或等于禁带的宽度Eg 。 6. 内光电效应: 材料在吸收光子能量后，出现光生电子－空穴，由此引起电导率变化或电压、电流的现象，称之为内光电效应。 光电导效应：当半导体材料受光照时，吸收光子引起载流子浓度增大，产生附加电导率使电导率增加，这个现象称为光电导效应。在外电场作用下就能得到电流的变化。 光电导效应分为本征型和非本征型。 7.设本征半导体在没有光照时，电导率为 (称为暗电导率) 当有光注入时，半导体电导率： 电导率的增量称为光电导率： 8. 增加载流子寿命： 好处：增益提高，灵敏度提高，响应率提高。 缺点：惰性增加，频率响应特性变差。 所以增益和惰性不可兼得。 9. 影响光谱响应的两个主要因素：光电导材料对各波长辐射的吸收系数和截流子表面复合率。 光电导光谱响应特点：都有一峰值，峰值一般靠近长波限（长波限约为峰值一半处所对应的波长）。 u n n s R u u u P P ==min x e I I α-=00σP n e p e n μ μσ000+=P n p p e n n e μμσ)()(00?++?+=0() n P e n p σσσμμ?=-=?+?
项目一 常见光电器件的应用 把从光信号转换到电信号的器件称之为“光电器件”的话，则电真空器件中主要有光电管、光电倍增管、摄像管、影像增强管等；半导体器件中主要有光电池、光敏电阻、光敏三极管、摄像头上使用的CCD 器件；光耦合器大约也可以算上，不过它是利用光敏器件与半导体发光元件的组合，不是单纯的光电器件。 现在有将 LED 器件也称为光电器件，那么“陶瓷场致发光屏”是否也应属光电器件，因为它也是通电后发光的器件，也就是将电信号转换为光信号的器件？实际上，场致发光屏应该属“电光源”之一。 任务一 光敏电阻器及其应用 1、光敏电阻器基本知识 光敏电阻器是一种特殊的光电导器件，该电阻具有光 电导效应，当它受到光辐射后其电导率会发生变化，即其 阻值会发生改变。入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻 增大,光敏电阻器在电路中用字母“R ”或“RL ”、 “RG ”表示。一般用于光的测量、光的控制和光电 转换 （将光的变化转换为电的变化）。使用时无正负极之分。 图1 光敏电阻外观 2、光敏电阻器的组成 光敏电阻器通常由光敏层、玻璃基片（或树脂防潮膜）和电极等组成。 图2 光敏电阻器的组成部分 教学目的 1. 了解常见光电器件的识别与检测方法。 2. 能够根据常用光电电路进行电子制件并调试。 3. 有足够的动手能力完成项目中实操任务。 4. 培养课后反思的习惯，理解并掌握课后习题。
图3 光敏电阻器的相对灵敏度曲线 优点： ①光谱响应范围宽，尤其对红光和红外辐射有较高的灵敏度； ②所测的光强范围宽； ③灵敏度较高； ④工作电流大，可达数毫安； ⑤偏置电压低，无极性之分，使用方便。 缺点： ①强光照射下的线性较差； ②弛豫过程较长，响应速度慢； ③频率响应较差。 3、光敏电阻器的分类 按半导体材料分：本征型光敏电阻、掺杂型光敏电阻。后者性能稳定，特性较好，故目前大都采用它。 根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器： 紫外光敏电阻器：对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。 红外光敏电阻器：主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅、锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。 可见光光敏电阻器：包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。 4、光敏电阻器的应用 光敏电阻属半导体光敏器件，除具灵敏度高，反应速度快，光谱特性及r值一致性好等特点外，在高温，多湿的恶劣环境下，还能保持高度的稳定性和可靠性，可广泛应用于照相机，太阳能庭院灯，草坪灯，验钞机，石英钟，音乐杯，礼品盒，迷你小夜灯，光声控开关，路灯自动开关以及各种光控玩具，光控灯饰，灯具等光自动开关控制领域。
光电器件基础·第三章半导体激光器 §3.1 半导体激光器的基础理论 §3.2 半导体激光器的分类 §3.3 半导体激光器的基本结构 §3.4 几种常见的半导体激光器 §3.5 半导体激光器的基本特性 §3.6 量子阱激光器 激光是1964年钱学森首先倡议对LASER 一词的意译名。LASER 是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的首字母缩写，意思是“光的受激发射放大”。激光器是以发射高亮度光波为特征的相干光源，是一种光频振荡器，或理解为“激光振荡器”。1962年砷化镓同质结激光二极管实现了脉冲激射。1963年H. Kroeme首先提出了用AlGaAs/GaAs双异质结构做成激光二极管可以使激射的阈值电流密度大大降低，从而能得到连续的激光输出的建议。1969年，前苏联的Zh. I. Alferov与其他几位科学家几乎同时独立地得到了AlGaAs/GaAs异质结激光器的激射，开启了半导体激光器应用的新时代，H. Kroemer和Zh. I. Alferov因此获得了2000年诺贝尔物理学奖。本章着重介绍半导体激光器的基本原理、基本结构和基本特性。 半导体激光器又称激光二极管（laser diode，LD ），是以半导体材料为工作物质的一类激光器件。它诞生于1962年，除了具有激光器的共同特点外，还具有以下优点：(1 体积小，重量轻；(2 驱动功率和电流较低；(3 效率高，工作寿命长； (4 可直接电调制；(5 易于与各种光电子器件实现光电子集成；(6 与半导体制造技术兼容，可大批量生产。由于这些特点，半导体激光器自问世以来得到了世界各国的广泛关注与研究，成为世界上发展最快、应用最广泛、最早走出实验室实现商用化且产值最大的一类激光器。经过40多年的发展，半导体激光器已经从最初的低
Ini 光源单位面积向半球空间发射的 lnrm-2 照射到表面一点处单位面积上的lx 在给定方向上,单位立体角内的 cd 表面一点处的面元，在给定方向 dl(x ) >的宜接跃迁是允许的，并H 稳态光电导与暗电导之比60、光电寻探IW的增益 兵习资料 1、人眼视觉受到那些限闻针的周限性，人类开发了那些容件或系统来扩展人眼的视觉能力？像增强导呢完成图慌的壳埋增强,眼的视觉灵般度；变像管笼主要功德是完成国像的电疫波谱转换，鲂展了人眼视说的光谱范围：电视技术的研究，为人类提供了不必面对目标即「」观察的nJfigtt. 2、视觉的暂留时间的为0.02秒，正常亮度情况下人眼的视觉分!I角约为0.02度 3、可见光谱的波长植■为380^780nm.就外辑 射波长比可见光波长长.紫外辐射波长比可见光的波长短 4、全波段电磁波鄢可成为信息的或体 5、光电导件是在人类摞索和研究光电效应的进程中产生和役展的. 6、光电效应是各种光电11件工作的物理基础. 知埴每一种光电部件利用的是■种光电效应 7、人类历史上制成的第ft电发射体是银机快光电阴极 8、光电效应可分为内光电效应和外光电效应两大类,其中,外光电效应的特点是受微电子逸出 固体表面进入真空，即产生光电子发射. 9、内光电效应的受激电于不逸出固体表面，只在固体内部垢动. 10、光电效应VS光热效回光电ftjSi 0单个光子对电子直接作用/ 2〉具有颇率（波长）逸择性3 3）响应速度TR比较快3光热效® I）无频率（波长）选拜性,2）响应速度一般较慢，3〉容易受环境虹度变化的遂响. 11、光电卷件的持性律致可分为宴四大类，9 一类有妲具体的M? 第•类是表征光电转换特性的参数，有品子效 率，响应率,单色灵植度、光谱匹配系数■枳分响应度、线性度：第二类是时间响位特性，主 要有情性《余耕）、脉冲响应函数、牌时调制 传递函数、幅板响应、等效带室：第二类是噪 声特性,有唉声、噪声等效貌入（如唉声等效输入功率等）、信噪比、《比）掇测率、昭电 流：第四类是光学成像特性，有分辨力、光学 住递函数等. 12、量于效率、光电灵量度（响应率、根分灵敏度I的定义、峰值波长 量子效率：在某-特定波长上每秒钟内产生的 光电于数与入射光最子数之化: 响应*光电器件的输出均方根也匹信成电流/ = 舟与入射到光电器件上的平均光功率之比.电区 响应率;电流响应率 积分灵敏度：光电器件输出的电流或电氏与入射总光通鼓之I匕称为枳分灵敏度.表达K为 泌小以）刃 成2效率与单色响应度HYfiUiT关系：爪"）=3 R” 13、单色响应率，1»件・出的电值号（电压成 电流）与单色辐射通量之也单色灵敏度（单色 响应率原是大值时，对应的单色辐财波长为峰 值波长，灵敏度秘为峰值波长灵敏度. 14、光雷四曲的童典 光潜匹配系数表示入射光功率能被响应的百分 比 R=k = RgWJ< = yK 15、光电4»件的主赛照声来盘有：光电转换过程的量子唉光电导的产生一复合■声I热电效应的础顷声：热■声,低颁■声,介质损耗啜声 3 l/f*声 16、噪声I*着信号的增强面增大 17、信唉比，在负或电阻R］上产生的信号功率与啜声功率之比 18、■声等效功率表示光电探MM小可探测 的功率值P・ min 19、NEPH怠大件的性能怠差• 20、探舞率I）等于嗅声等效功率NEP的倒败 21、分拼力是以人眼作为接收春所判定的极限分辨能力,通常用光电成像M或系统在一定更高内能•分辨的等宣黑白条仗故来表示. 22、IWmm、电视雾视频希童 Ip称为线对，何一技对包含一条亮线和一釜 对于尊互视型光电成像系统（如拟像管），则 取打描线方向相当于倾得的俄区内所能分辨的 等宽黑白条纹数表示分辨力•这一极限分辨力的线薮简称为电视& n 表示电视分辨力的指标，w 以用电视线〃, 也可以用视板带T^A/v，四匕之何的换笄关系式为：明=0.5戒〃 式中，"为电视俯面的宽商比：，/“为行扫描 23. 什么是经性位移不变性（侦I）条件？ ⑴线性条件:及系统应满足齐次性和宓加性。设 幻（・3） 的（工，.力->%（£，<） 式中“ —> •,表示成慌关系° 则应有 。幻（X，>） +如2（尤,〉） ->M（N）+出心） ⑵等是条件：即在所考虑的范困内，器件处 处有相同的像扩展能力.所以各处有相同的点及 技扩展函数（即点或线所成像的亮度分布）， 萼螟条件反映了壳攻扩展的空间不变性 <3）儿何相似性：这一条件是抬钩和像之间 不发生几何变形. 以I条件统称为税性位移不变性条fh 24、何为点扩展函致、线扩展袍致和也t扩展as 数?相互关系如何？ 设有理想的单根亮线入射在器件上，即输入的 物为5（x）・经褓作扩展成像后•输出像函数为 s（x）・即一维单位冲瀚响应函数-又叫技扩展 函IL 同理，在二«HS况下进行讨论,当输入为C） （x. y）时，得到的揄出图像分布函薮为p（；, 〈），又m点扩展洒致 设输入为阶跃函裁E（x），抢出充度分布为 E\x）-由前可知用$（工）物得到的像是技扩展 函数s（x），而$（x）函数是阶跃函数的牙数， 故s（x）也必然是E\x）的牙数，即有dE\x） s（x）=—-—（IX 设唇）为线扩展函数，p（K，〃）为点扩展 函数’5/©=［,/<如汕 25, 在空何域中.♦出图像的分布函败等于，入 困像的分布函败与归一化点（tt）扩展函数的卷 灰 26空间城与空句卿心的成像公式 空间域成像公式：旭今=庭泌］传巾空间倾率域 成像公式： H0J・） = G0J）.O0J）二者互为傅甲叶变换 27、点（线）扩展函败与光学传道函敷的关系 成像系统的一照光学传递函数.就等寸凡线扩展 函数的诗甲叶变换，与系统的枪入和枪出图像 无关， 成像疾统的二饱尤学传迪函数，就等于具点扩 展函攻的伸中叶变换 28、光学传逢函败的横称为调制传通函败 29、光学传逆函败反映了系统对不同空甸频率 余%»«的调制度和相位的传通能力.与具体的■ 入国像无关.光孕传naft与对比传逢函效件的关 系 对比伸逢函数是指H：形光栅输出总像的对比度 与愉入图像的对I匕度之I匕，用R.表示.有 5 粉 nq« r（y）是祯制仲递函数. 30、版联系统的光学传通话败、调制传通场败 和相位传遂函致 "）=做"> W J）* ・ 9g "）=7阳）x7"）x・・ x"）。（/： J）吹患J）卜•^Sfef）线竹处合 成像系统的ii制传遂函败为各环⑶切制,传疫函 犹的・积.相位传MMHk为料脚位住递函数的代 敷和 31、光学传遂函败的近似解析表达式 7（/）= expl -（J C 其中，力称为特征额率或名预率常数，它表征 MTF为y的空间倾率；n为空间颂率指数。 32、构成国像的三个要素，①**蜩节的辐射亮 度〈或单位面积的辐射强度）8②ft物细节对光 电成像系毓接收孔役的张角3③ft物钿节与背 来之间的18射对比度. 33、SM节■子E比的计算 四个相邻的像儿具有不同的辐射亮攻构成一个 图像细节。 则图像细W届了信嗓比为 s _ yj N M+云 %和，、分别为愁利暗像元在有效枳分时间内发 射的*均光子数. 34、图像探浏方程的童义，可探饕|区域与不可 探测区域 yc―；— 7TD Ti]Q 第一类参数是表征图像的参数，包括：R , m 图像的平均只度：C:图像对比度;OC : 图像视 角。第二类参数是表征光他成像系统的参数， 包括：光电成像系统的接受孔径D = 2r ：光电 成像系统的景子转换效率rj：光电成像系统的 有效枳分时向丁・这一关系式定最描述了图像探 测特性，它表明了山关系式左边的参星B、c、 a所描述m 的图像绢节可以破关系式右边的答政D、 7］、T所确定的理想光电成保系统所掇测到.图 像探测方世表明了光电成像的玲界状况，表切 光电成炼对视见淀敏由的扩熊并不是无限的,烦 论极成值就是光旭成像对视见灵域阂扩展的极 限. 在MEJMMWBL-图中，斜钱的下部区域满足图像 探测方程.称为图像河探测城：斜线的上部M域 不满足图像探测方程.称为图像的不可探溯域. 35、蔓提高光电成像的探，极限值可从以下三 方面着手】1）提高■子效率I 2） 1•大光学系统 孔径,3）延长和分时间 .初、辐射度学是建立在物理M基础上的客观度 量,不受人眼主观视觉的限制，适用于整个光辐 射外辐射、紫外辐射等必须采用辐射度学） 37、光度学是建立在人眼对光辐射的主观够重 基础上，是一种心理物理法的狷量，只适用于 电磁波带中很率的可见光区域. 3X. 1■射度学、光度学的理量的定又和意义 光能可被人眼接收的辐射能 Inrs 光通量单位B寸间内传播成接收的光能柑射度 光通量照度光通量发光强度光通量佻I亮度 上发光强度除以该面元在垂直于给定方向上的 投影面积cd m 2 （ nil,很少用） 39、灵活运用!■射度学、光度学物理量的定义 进行简单的计算（可能大题） 40、cck Im. lx 的定义 坎箜拉定义为允源右给定方向上的发光强攻， 点晃源在某一方向的发光强也为I cd时，在该方 向单位立体角内传出的光通堂就是光通房的单 位，称为1淹明（岫・ 1血的光通原均匀分布在1 m2的而积所产生的 照或称为1勒克司Ux" 41、IW 55Snm的黄绿光的光通量为683 Im 42、例怕辐射体及其辂射符性、余弦倬•\1=。 」3、搞清楚讲义上的几种典型条件下的辑射分 析（可能大Q 44、成像系 貌似平面的 度与景的关 系公式 E=^,T—^- sin2//（ % * 简化公式： | n E* 唠 45、雄对黑体对任何波长的电破波都完全吸 收，可以用空胶小孔来模拟黑体 46. 基尔霍夫1■射定倬，平街状态下，强吸收 体必然是强aim. 维恩位移定陷^T = b g,K） Z?=c2/4.9651=289«//;r/0 当JK体仙温度升高时，其光洲K射的峰值波长 向短波方向移动 斯蓄芬T尔兹受定律，在全波长内对普明克公 式租分，每 &r）.匚" =§4尸=打15c* b=q//l 8 =5.669<10\W.〃尸-履）黑体在单位面获 上单位时旬内辐射的忌能量与SR体温度T的四 次方政正比 47、能以相同吸收率（吸收率<1〉吸颇有波长 瓶囹辐射能的物体称为灰体.灰体也是一个理旗 摸4 4K.果体=1、灰体和选择体 E既可以是赢度,也可以是辐射发射率.8 是技长和温度的西致，也与的表面性质有关， 败值在o、i之何变化. 49、光子能廉与波长的关系 母个允子携带的能虽 M/v ^ = y = 1.9865 xlO^r1（J） so,每瓦（每辐射au顷度每秒的光子致计算 每瓦对应的每秒光了数 1 W=5.0340X10I82（光子/S） 51、光子与其他微观时子〈如电子湘互作用时需 满足H守怛和动量守15条件 52、吸收系敷与吸收深度、光强的衰减牌倬吸 收系数发征材料吸收光的程度，即单位距驾光 强的诚小速度 “=一 l（x）dx 博伯定律《光强的衰减规律）: /（x） 疝*2） 6 x = \/ a处，光强度M弱至入射光强的1/g, id把i/e当收吸收深度. 53、材料光吸收的类型袖些？ 本征吸收，电子由价带跃迁药导帝;杂质H 收,电 子（空穴）由杂度能版跃迁到导带（价布）， 推子吸收，自由就揽子吸收，晶格娠动吸收 54、本征吸收和杂质吸收的待点 本征吸收；存加离Eg不大的范国内吸收系散哭 然增K；吸收很强，吸收系数可达IO’C〃厂I 的 数鹿级:吸收深度很小，10'5cm左右：受表面状 态的影响很大 杂房吸收；山于杂跋原子派成低，所以杂质吸 收相对较弱；低湿下N能发生， 55、宜挨带、间接带半导体,宣揍氏迁吸收：间 接肽迁吸收需要声子套与 间接带照半牙体：守带秘和价帝顶不谷K空间 的相同点， 肖接带障半导体：牙带段初价带顶位 于相同的波矢伯〈上=（））° 在直接带隙半寻体中实现直接带间跃迁的几率 玫大。自接跃迁分为允许的宜接跃迁和禁戒的 占接跃迁.所谓允许直挨跃旺走指在四个直接能 谷之间11所有动最守恒的的跃迁.而在某些半S 体材朴中，k=o
光电传感器实验讲义 顾定安编 河海大学物理实验中心 2003．10
光电传感器应用实验仪器介绍 光电传感器是一种将光信号转变成电信号的光电转换器件。由于光电器件灵敏度高、响应速度快、靠得住性高、结构简单、利用方便，而且具有“非接触测量”的特点，因此在自动检测和控制系统中有着十分普遍的应用。 光电器件工作的物理基础是光电效应。在光的作用下，电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，如光电管、光电倍增管等。受光照的物体导电率发生转变，或产生必然方向电动势的现象称为内光电效应，如光敏电阻、光敏晶体管、光电池等。 光电传感器应用实验主要利用CSY10G型光电传感器系统实验仪完成一系列基于内光电效应的光电器件的应用实验。比较简单的光电器件包括光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池、光断续器等；特殊用途的光电器件有PSD光电位置传感器、热释电红别传感器、光纤传感器、CCD电荷耦合图象传感器等。 光电传感器系统实验仪将各类光电传感器、被测体、信号源、仪表显示、信号收集、处置电路及实验所需的温度、位移、光源、旋转装置等集中于一机。仪器顶部工作台上安装各类传感器和测试部件，包括热释电红别传感器、温度源、慢速电机、衍射光栅、固体激光器、PSD光电位置传感器、CCD电荷图象传感器、位移平台、光电器件安装板、莫尔条纹光栅位移传感器、光纤传感器、光电断续器、旋转电机等，其布局如图1；正面面板为控制操作和测量显示面板，包括直流稳压电源、电压/频率表、微安表、电机开关及调速旋钮、光源和热源开关等，布局如图2上半部份；水平面板用于各类传感器件和相应的检测电路模块的连接，其接口布局如图2的下半部份。 图1 工作台布局图 工作台的光电器件板上已装有七个器件和一个备用试件插座，器件散布如图2的右上角所示。其中a b为光敏二极管、c d为红外光敏管、e f为光敏三极管、g h为红外接收管、i j为光电阻、k l为光电池、m n为发光二极管、o p为试件插座。上述器件的引脚别离与
光电器件基础讲义 中研传输业务部汪微 1．概述 光电器件分为发光器件和光探测器两大类，发光器件是把电信号变成光信号的器件，在光纤通信中占有重要的地位。性能好、寿命长、使用方便的不源是保证光纤通信可靠工作的关键。光纤通信对光源的基本要求有如下几个方面：首先，光源发光的峰值波长应在光纤的低损耗窗口之内，要求材料色散较小。其次，光源输出功率必须足够大，入纤功率一般应在10微瓦到数毫瓦之间。第三，光源应具有高度可靠性，工作寿命至少在10万小时以上才能满足光纤通信工程的需要。第四，光源的输出光谱不能太宽以利于传高速脉冲。第五，光源应便于调制，调制速率应能适应系统的要求。第六，电－光转换效率不应太低，否则会导致器件严重发热和缩短寿命。第七，光源应省电，光源的体积、重量不应太大。 光探测器则是将光信号转换为电信号的光电子器件，作为光通信系统用的光探测器需要满足以下要求：首先，其响应波长范围要与光纤通信的低衰耗窗口匹配，第二，具有很高的量子效率和响应度，第三，具有很高的响应速度，第四，具有高度的可靠性。 2．光电器件原理 2.1半导体中光的发射和激射原理 2.1-1半导体价带、导带、带隙与发光 半导体单晶材料的原子是按一定规律紧密排列的。在各个原子之间保持一定的距离，是由于在各原子之间存在着互相作用力的结构，这些结合力就是共价键。固体物理学告诉我们，单晶中各个原子的最外层轨道是互相重叠的，这样就使分立的能级变成了能带。与原子的最多层轨道的价电子相对应的能带叫做价带。价带上面的能带称为导带。在温度低至绝对零度的情况下，晶体中的电子均在价带之中，而导带是完全空着的。如果价带中的电子受热或光的激发，则受激发的电子就会跃迁到上面的导带中去。这样一来，晶体材料就可以导电了。把导带底的能量记作E C，把价带顶的能量记作E VO在E C和E V之间是不可能有电子的，故称为禁带。把E C与E V之差记作E g，称为禁带宽度或带隙。如果Eg较大，则需要较大的激励能量把价带中的电子激发到导带中去。对于绝缘体材料，由于禁带宽度Eg很大，价带中的电子很难迁到导带中去，因而它表现出良好的绝缘性能。导体材料的Eg=0，因此它表现出良好的导电性能。半导体材料的禁带宽度介于导体和绝缘体之间，因而它的导电能力也介于两者之间。 当价带中一个电子被激发到导带中，在价带中就留下了一个电子的空位。在电场的作用下，价带中邻近的电子就会填补这个空位，而把它自己的位置空出来，这就好象空位本身在电场的作用下产生移动一样。空位的作用好象一个带正电的粒子，在半导体物理学上把它叫作空穴。穴带中的一个电子可以吸收外界能量而跃迁到导带中去，在价带中形成一个空穴。反之，导带中的一个电子也可以跃迁到价带中去，在价带中填补一个空穴，把这一过程叫做复合。在复合时，电子把大约等于禁带宽度Eg的能量释放出来。在辐射跃迁的情况下，释放出一个频率为： γ=E g h 的光子，其中h是普朗克常数（6.625×10-34焦耳·秒）。不同的半导体单晶材料的Eg值不同，光发波长也不同，因为电子和空穴都是处于能带之中，不同的电子和空穴的能级有所差别，复合发光的波长有所差别，但其频率接近于γ。
光器件基础知识 ProfileBasicparameters1、插入损耗：IL---InsertionLoss2、回波损耗：RL---Retur nLossIL测量RL测量3、方向性：DIR---Directivity4、过盈损耗：EL---ExcessLoss 5、损耗一致性：ILUniformity:ILmax-ILmin 6、波长依存损耗：WDL:WavelengthDepende ntLossPDL是光器件或系统在所有偏振状态下的最大传输差值。它是光设备在所有偏振状态下最大传输和最小传输的比率。 PDL定义如下：PDL=-10log〔Tmax/Tmin〕其中Tmax和Tmin 分别表示测试器件（DUT）的最大传输和最小传 输。7、温度依存损耗TDL:TemperatureDependentLossTDL(25℃~85℃)=TDL(85℃)-TDL(25℃)TDL(25℃~-40℃)=TDL(-40℃)- TDL(25℃)TDL(85℃~-40℃)=TDL (-40℃)-TDL(85℃)3.Passivedevices End,Thanks!一个 完整的光纤通信系统，除光纤、光源和光检测器外，还需要许多其它光器件，特别是无源器件。这些器件对光纤通信系统的构成、功能的扩展或性 能的提高，都是不可缺少的。虽然对各种器件的特性有不同的要求，但是普遍要求插入损耗小、反射损耗大、工作温度范围宽、性能稳定、寿命 长、体积小、价格便宜，许多器件还要求便于集成。本节主要介绍无源光器件的类型、原理和主要性能。3.1连接器和 接头连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸(活动)连接的器件，主要用于光纤线路与光发射机输出或光接收机输入之间，或 光纤线路与其他光无源器件之间的连接。表3.5给出光纤连接器的一般性能。接头是实现光纤与光纤之间的永久性(固定)连接，主要用于光纤
图1-31发光二极管测量 光电元器件 1. 发光二极管的检测 ① 正、负极的判别 将发光二极管放在一个光源下，观察两个金属片的大小，通常金属片大的一端为负极，金属片小的一端为正极。 ② 发光二极管测量 发光二极管除测量正、反向电阻外，还应进一步检查其是否发光。发光二极管的工作电压一般在1.6V 左右，工作电流在1mA 以上时才发光。用R ×10K Ω挡测量正向电阻时，有些发光二极管能发光即可说明其正常。对于工作电流较大的发光二极管亦可用图1-31所示电路进行检测。 ① 性能好坏的判断 用万用表R×10K 档，测量发光二极管的正、反向电阻值。正常时，正向电阻值（黑表笔接正极时）约为10～20K Ω，反向电阻值为250KΩ～∞（无穷大）。较高灵敏度的发光二极管，在测量正向电阻值时，管内会发 微光。若用万用表R×1K 档测量发光二极管的正、反向电阻 值，则会发现其正、反向电阻值均接近∞（无穷大），这是因 为发光二极管的正向压降大于1.6V （高于万用表R×1K 档内 电池的电压值1.5V ）的缘故。用万用表的R×10K 档对一只220μF/25V 将充电后的电容器正极接发光二极管正极、电容器负极接发光二极管负极，若发光二极管有很亮的闪光，则说明该发光二极管完好。也可用3V 直流电源，在电源的正极串接1只33Ω电阻后接发光二极管的正极，将电源的负极接发光二极管的负极（见图1-31），正常的发光二极管应发光。或将1节1.5V 电池串接在万用表的黑表笔（将万用表置于R×10或R×100档，黑表笔接电池负极，等于与表内的1.5V 电池串联），将电池的正极接发光二极管的正极，红表笔接发光二极管的负极，正常的发光二极管应发光。 2. 红外发光二极管的检测 ① 正、负极性的判别 红外发光二极管多采用透明树脂封装，管心下部有一个浅盘，管内电极宽大
电光、光电器件特性测量系统 系统整体组成 电光、光电器件特性测量系统包括：两个电光、光电器件特性测量仪控制箱、两个电光器件组件、两个光电器件组件、一台功率仪、一台示波器。系统整体装置实物如图1所示。 图1电光、光电器件特性测量系统实物图 电光器件特性测量单元包括：1、半导体激光二极管(LD)650nm 组件2、半导体发光二极管(白光LED) 组件3、LD、LED特性测量仪控制箱。 一、电光器件特性测量仪中控制电路的选择： 依据选取的LD的参数（输出功率：1-5mW，输出波长：650nm，最大工作电压：4.5V, 最大工作电流：60mA），LED的参数（最大工作电压：3.2V, 输出电流：20mA）选择电路。 LD、LED特性测量仪电路有两个功能：1、测量电光器件特性2、调制信号发生器。 1、测量电光器件特性的电路： 图2 LD、LED特性测量仪的主电路
2、调制信号发生器及切换的电路： 采用双刀开关实现加载正弦信号、音频信号以及外信号的切换。具体电路如下： 正弦、音频、外调制切换电路 正弦波振荡电路： 正弦波振荡电路 采用音乐块作为语言发生器。 集成音频功率放大器[12]： 集成音频功率放大电路 二、电光器件特性测量仪控制面板及功能指标 1、LD、LED特性测量仪面板如图所示 （a）供电电压在1.60-3.16V 连续可调（根据需要可以夸大量程到6V）。 （b）可实现供电电压与器件端电压的切换。 （c）面板上有三位半数字面板表，可显示供电电压值、端电压值和电流值。
（d）调制信号由“信号选择”键，任意改变，“外信输入”由后面板Q9输入。 （e）所有调制信号的大小是通过“幅度”上面的旋钮控制。并且具有“信号输出”时时监视的插孔。 图 图 2、功率仪面板如图所示 （a）“量程选择”可实现不同功率的转换。 （b）“波长选择”可实现不同波长的转换。 （d）面板上三位半数字表可读出功率值。 图
半导体光电器件 半导体光电器件是现代光电子科技领域中的重要技术基础，它涉及 到半导体物理、光学、材料科学等多个交叉学科的研究，是导体电子 技术发展的重要里程碑。其中既有常用之如发光二极管、光电二极管等；也有新型的光电效应半导体设备如光伏电池、LED灯等，是现代 信息传输和显示技术的核心。 一、发光二极管 发光二极管（LED）是一种能将电能转化为光能的半导体电子器件。其基本物理原理是通过半导体材料中的载流子复合，使得高能级的电 子能级通过向低能级跃迁时发出光子（照明）。LED具有效率高、体 积小、寿命长和光色纯度高等优点。在照明、显示、光电转换、温度 测量等领域能广泛应用。 二、光电二极管 光电二极管是应用了光电效应的一种半导体器件，它能够将光能转 化为电能。它的基本物理原理是由外部光束照射到半导体材料时，使 得半导体中的电子从价带跃迁到导带形成电子-空穴对，从而使得半导 体中产生电流。光电二极管的主要应用领域包括照相机、光学传感、 遥控器等等。 三、光伏电池 光伏电池即太阳能电池，能够将光能直接转化为电能。它的物理原 理是通过两种或者多种异质型半导体材料的PN结接触面上形成的空间
电荷区，在光照条件下产生出载流子，然后由于电场的存在，使得这些载流子产生了定向运动，从而产生了光生电流。太阳能电池在环保能源、探索外太空、无线电源供给等领域得到了广泛应用。 四、光导纤维 光导纤维是一种光电材料，具有将光与电信号无损传递的特性。其基本原理是利用全反射的过程将光信号传输过度，可实现信号无衰减传输。在通信领域，光纤是传输速率高、传播距离远、抗干扰性强、信息丰富等优点，被广泛应用于远程信息传输领域。 总结，半导体光电器件是一类利用半导体材料的光电效应，将光和电相互转换的器件。它们不仅在科学实验、生产生活、国防建设等多个方面发挥巨大作用，更以其高效、环保、长寿命等优点得到了广泛认可和应用。
光电材料的基础知识 光电材料是一类特殊的材料，能够将光能转化为电能或者将电能转化为光能。它们在光电器件中起着重要的作用，如太阳能电池、光电二极管、光电导、光阻等。本文将从光电材料的种类、性能以及应用等方面进行介绍。 光电材料可以分为两大类：光电转换材料和光电功能材料。光电转换材料主要用于将光能转化为电能或者将电能转化为光能。太阳能电池就是一种典型的光电转换材料，它能够将太阳光转化为电能。而光电功能材料则是指那些能够通过光来改变其电学、磁学、声学等性质的材料，如光电导、光电阻等。 光电材料的性能对于光电器件的性能起着至关重要的作用。光电材料的主要性能参数包括光电转换效率、光电导率、光电阻值等。光电转换效率是衡量光电材料将光能转化为电能的效率，通常用百分比表示；光电导率是指光电材料在光照条件下的导电性能，它与光电材料的载流子浓度和迁移率有关；光电阻值则是指光照条件下光电材料的电阻值，它与光电材料的电导率和材料尺寸有关。 光电材料在众多领域中有着广泛的应用。首先，光电材料在能源领域的应用十分重要。太阳能电池是利用光电材料将太阳光转化为电能的装置，它是清洁能源的重要组成部分。其次，光电材料在信息技术领域也有着广泛的应用。光电二极管是一种利用光电材料将光
能转化为电能的器件，它在通信、显示等领域中起着重要的作用。此外，光电材料还可以应用于光学器件、光纤通信、光储存等领域。 为了提高光电材料的性能，科学家们不断进行研究和探索。一方面，他们通过改变光电材料的组成和结构来改善其性能。例如，通过掺杂方法可以改变光电材料的导电性能，提高光电转换效率。另一方面，科学家们还通过制备新型的光电材料来实现性能的提升。例如，钙钛矿太阳能电池就是近年来兴起的一种新型光电材料，具有较高的光电转换效率。 光电材料作为一类特殊的材料，具有将光能转化为电能或者将电能转化为光能的能力。它们在各种光电器件中起着重要的作用。光电材料的种类繁多，其性能参数也各不相同。光电材料的应用范围广泛，涵盖了能源、信息技术等多个领域。为了提高光电材料的性能，科学家们通过改变其组成和结构，以及制备新型的光电材料来实现性能的提升。相信随着科学技术的进步，光电材料将在未来发展中发挥更加重要的作用。
光器件基础知识 目录 一、光纤通信基础 (2) 1、光纤通信的概念 (2) 2、光纤通信的优点 (2) 二、光纤基础知识 (2) 1、光纤的结构 (2) 2、光纤的工作波长 (3) 3、光纤的分类 (3) 3.1按照光纤的模式分类 (3) 3.2按照光纤的材料分类 (3) 3.3按照光纤的折射率分类 (4) 4、光纤的尺寸 (4) 5、光纤接头类型 (5) 6、光功率的换算 (6) 7、光纤损耗 (6) 三、常用光器件介绍 (6) 3.1法兰盘 (6) 3.2光衰减器 (7) 3.3光模块 (8) 2、光模块的主要参数 (8) 3、光模块的种类 (9) 四、光器件的工程应用 (11) 1、单收光模块的使用 (11) 2、双纤双向模块的使用 (11) 3、长距离高灵敏度模块的使用 (11) 4、QSFP+ MPO模块的使用 (12) 5、万兆高速电缆的使用 (12) 六、光模块和光纤使用注意事项 (13) 七、光模块和光纤的故障排查方法 (14) 八、光功率计的使用 (14)
一、光纤通信基础 1、光纤通信的概念 所谓光纤通信就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信的目的。一般由数据源、光发射端、光纤、光接收端组成。 2、光纤通信的优点 1）通信容量大，比传统的电缆、微波等高出几千乃至几十万倍的通信容量。 2）传输距离远，光纤具有极低的衰耗系数，传输距离可达一千公里以上。 3）保密性能好，光信号不具备向外辐射的特点，不易被侦听。 4）适应能力强，具有不怕外界强电磁场的干扰、耐腐蚀等优点。 5）体积小、重量轻。原材料丰富、价格低廉。 二、光纤基础知识 1、光纤的结构 如上图所示，光纤呈圆柱形，主要由纤芯和包层和保护套三部分组成。 1、纤芯：位于光纤的中心部位，成分为高纯度的二氧化硅，掺有极少量杂 质，折射率较高，用来传送光。 2、包层：位于纤芯的周围，其成分也是含有极少量掺杂质的高纯度二氧化 硅，折射率较低，与纤芯一起形成全反射条件。 3、涂覆层：光纤的最外层，由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成，强度大，能
光电器件和光电技术 光电器件和光电技术的发展 光电器件和光电技术是当今科技领域中备受关注和研究的方向之一。光电器件 是指能够直接转换光信号和电信号的器件，而光电技术则是研究和应用光电器件的一门学科。光电器件和光电技术的广泛应用已经在各个领域发挥了重要作用。 一、光电器件的基础技术 光电器件的基础技术主要包括光发射、光探测和光调制。光发射是指通过某种 能量源将电能转换为光能的过程，典型的光发射器件有激光器和发光二极管。光探测是指将光信号转换为电信号的过程，典型的光探测器件有光电二极管和光敏电阻。光调制则是通过控制光信号的光强、频率、相位等参数来实现信号的调制和处理，如光电调制器件和光纤通信技术等。 二、光电器件在信息技术领域的应用 光电器件在信息技术领域的应用包括光存储器、光通信和光传感器等。光存储 器利用光电器件的特性实现信息储存和读取，具有高速、高密度和非易失性等优点，被广泛应用于计算机存储领域。光通信利用光纤传输光信号，光电器件则起到发送和接收信号的作用，使得通信速率和传输距离大幅提升，是现代通信的重要技术。光传感器则利用光电器件对光信号的敏感性，实现对环境中的光、温度、压力等物理参数的检测和测量，广泛应用于自动化控制、环境监测和生物医学等领域。 三、光电器件在生命科学领域的应用 光电器件在生命科学领域的应用也被广泛研究和应用。其中最具代表性的就是 光学成像技术和光刺激技术。光学成像技术利用光电器件将光信号转换为电信号，并通过处理和分析得到图像信息，广泛应用于生物医学、生态学和生物物理学等领
域。光刺激技术则是利用光电器件对细胞和组织的光敏性进行控制和研究，包括光遗传学和光操控学等领域，为生物学的研究提供了新的手段和工具。 四、光电器件的发展趋势 随着科技的不断进步和需求的不断增长，光电器件的发展也呈现出一些新的趋势。首先是器件的小型化和集成化，将不同的光电器件集成在同一芯片上，提高器件的性能和稳定性。其次是核心技术的突破，如新型的光电材料、光学结构和光探测技术等，进一步提高光电器件的性能和应用范围。另外还有新型的光电器件应用的开发，如光电显示技术、光电能源技术和光电传感技术等，进一步拓展了光电器件的应用领域。 综上所述，光电器件和光电技术在现代科技中扮演着重要角色，不仅在信息技术和生命科学领域有广泛应用，而且在其他领域也有着巨大的潜力。随着科技的不断进步和创新，相信光电器件和光电技术必将为人类带来更多的惊喜和福利。