第三章光电器件
光电器件是光纤通信中的关键器件。它包括光源、光电检测器及各种光无源器件等。
光源是把电信号变成光信号的器件，它在光纤通信中占有重要的地位。性能好、寿命长、使用方便的光源是光纤通信可靠工作的保证。光电检测器则将入射光转化为电流或者电压，达到光子——电子的量子转换形式，完成光的检测目的。光无源器件指一些不用电源的光通路元器件，它们也是构成光纤传输系统的重要组成部分。
第一节光源
一、光源的分类及构成
光纤通信中的光源分为半导激光器和半导发光二极管。半导体激光器（LD）主要应用在长距离、大容量的光纤通信系统中。
激励源的作用是激活工作物质，使其能级中电子的受激辐射优于受激吸收。即使高能级电子数多于低能级数目（常称为粒子数反转分布），从而对光具有放大作用。光学谐振腔的作用是完成频率选择及光的反馈。它实际是两个平行的反射镜构成的。工作物质作用是提供确定的能级系统，使激光器在需要的光波范围内辐射光子。
半导体发光二级管（LED）主要用于短距离、小容量的光纤通信系统中，它和半导体激光器结构的主要区别是没有谐振腔。
光纤通信对光源的基本要求有如下几个方面：首先，光源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工程的需要。第四，光源的输出光谱不能太宽以利于传输高速脉冲。第五，光源应便于调制，调制的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。
二、光源的工作原理
1、半导体能带。当大量原子相互靠近形成半导体晶体时，不同原子的内外各电子运动轨道就有一定的交叠。相邻原子的最外运动轨道交叠最多，而内运动轨道交叠最少。由于电子运动轨道的交叠，电子不再局限于某一原子上，而可以从一个原子转移到相邻的原子上去，因而电子可以在整个半导体晶体中运动。这种运动称为电子的共有化运动。由于电子的共有化运动，使原来孤立原子中的离散能级变成了能带，低能级电子上的共有化运动很弱，其能级分裂得到能带较窄；高能级上的电子的共有化运动显著，所以能级分裂形成的能带很宽。严格地说，在绝对温度为零时，价电子占据的能带称为价带。晶体中的电子在受到激励时，会跳到（称为跃迁）更高的能带去，变成自由电子，从而使晶体的导电性增强。这个更高的能带（即自由电子占据的能带）称为导带。能带与能带之间不允许电子存在，一般称为禁带。
2、光与物质作用的三种形式。在研究原子与光子间相互作用时，可以发现有三种不同的基本过程：自发辐射、受激吸收和受激辐射。
3、半导体激光器粒子数反转分布。实际上，光的自发辐射、受激吸收和受激辐射是同时存在的。在通常情况下（即热平衡条件下，电
子具有正常能级分布时），由于低能级上的电子数较多，所以总是光的受激吸收占优势，也就是光总是受到衰减。要获得光的放大，必须设法使光的受激辐射占优势。也就是说，要使电子在能级上的分布反常态，使处于高能级的电子数目远远多于低能级的电子数目。通常把这种分布叫做“粒子数反转分布”。
4、谐振腔。实现光的放大，必须有“粒子数反转分布”的条件，但经历一次光放大，远不能产生大功率、频率单一的激光来。于是人们利用两个平行的平面反射镜M1和M2来实现光的反馈放大，而把激光物质放在两个反射镜之间，产生受激辐射的光子流，射到谐振腔一端的部分反射镜M2上，再被反射回腔中，又继续沿轴线方向，向反射镜M1运动。在运动过程中，继续产生上述链锁反应，激发出许多光子，遇到么射镜M1又折回来朝M2运动，光子流就这样在谐振腔的两个反射镜之间来回反射，并不断加强。这相当于光在谐振腔等到了反馈放大，形成光振荡。被放大的光可以部分地通过透射镜M2，于是射出一束笔直的强光，这就是激光。谐振腔除了正反馈外，还有对激光频率、相位、方向进行选择的功能。
5、光源的工作原理。半导体激光器是向高掺杂的半导体材料的PN结注入电流，实现结区的粒子数反转分布，产生受激辐射，利用谐振腔的正反馈产生光波振荡，从而输出激光。
要产生激光，必须满足两个条件：
（1）产生足够的粒子数反转分布，使受激辐射大于受激吸收，并足以补偿光损耗。
（2）有产生正反馈作用的谐振腔。半导体发光二极管与激光器的根本区别是它没有光学谐振腔，这就决定了它不能产生激光，主要是由自发辐射作用发光，因而发出的是荧光。
三、光源的特性
1、P-I特性
激光器的几个主要特性参数都可以用P-I特性来确定，P表示激光器的输出功率，I表示激光器的注入电流。激光器注入电流逐渐增加，输出功率也逐渐增加，但不是直线关系。当注入电流增大到某一值时，输出功率急剧增加，并且发光特性也会发生很大的变化，产生激光振荡，我们称这个电流为阈值电流，常用Ith表示，它是P-I曲线拐点所对应的电流。不同的激光器，有不同的阈值电流。为了使光纤通信系统稳定可靠地工作，希望阈值电流越小越好。
2、光谱特性
（1）激光器的光谱特性。当注入电流大于或等于阈值时，半导体激光器的输出光强迅速增加，谱线宽度显著变窄。
（2）发光二极管的光谱特性。
3、光源的温度特性。
（1）半导体激光器的温度特性。半导体激光器的阈值电流、输出功率和发光波长随温度变化的特性称为温度特性。在长波长激光器中，温度变化对激光器特性的影响比短波长大。
（2）发光二极管的温度特性。发光二级管的工作状态对温度的依赖性要小于激光二极管。对于任何一种发光二极管在工作电流保持不
变的情况下，输出功率总是随着温度的升高而下降的。
4、调制特性。半导体激光器的光输出可以直接由输入信号电流来调制，这就是所谓的直接强度调制方式。这种方式下，半导体激光器的调制频率可达十几GHZ。如果使用外部调制方式，调制带宽会更高。
5、半导体发光器件的简单测试。半导体发光器件的全面测试，需要一套较复杂的测试系统或仪表。但从运用的角度来说，一般只要能初步判断P-N结的好坏，有条件再测一下P-I特性，附带也可测I-V 特性，即可放心使用。
第二节光电检测器
一、光电检测器的构成及分类
光纤通信中的光电检测器分为PIN光电检测器和APD。PIN光电检测器主要应用于短距离、小容量的光纤通信系统中；APD主要应用于长距离、大容量的光纤通信系统中。最简单的光检测器就是P-N 结，但它存在许多缺点。光纤通信系统中采用较多的是PIN光电二级管（PIN-PD）及雪崩光电二级管（APD）。
二、光电器件的工作原理
1、PIN光电检测器
PN结光电二级管的核心是一个PN结。当PN结被光照射时，就产生了许多电子、空穴对。这些光在载流扩散到结区时，受到结区内建场的作用，电子漂移到N区，空穴飘移到P区。于是，在P区就有过剩空穴（正电荷）的积累，N区就有过剩电子（负电荷）的积累。
这样，在PN结两边就产生一个光生电动势，这一现象叫做光生伏特效应。如果把PN结的外电路接通，将会有光电流Is流过电路。利用光生伏特效应制成的探测器，称为光生伏特检测器。当入射激光光波照到PN结时，在PN结两边产生正比于入射光强的电压，这样在电路中形成了响应于入射光强的电流，从而完成了由光信号到电信号的变换。
上面介绍的是一种简单的PN结光电二级管，它的响应速度不能太快（或者说响应时间较长），只能探测较低调频率的光信号。
为了提高PN结光电二极管的响应速度，人们在制造工艺上作了一些改进。以一块厚度为70-100μm的本征硅材料做本体，在本体的两边使用外延或扩散工艺分别形成很薄的P层和N层，厚度有几个微米。这种本征硅材料做成的本体称为I层，它夹在PN结中间，这种结构的光电二级管称为PIN光电二极管。
2、APD雪崩光电二极管。如果在制作PN结时，把其中N层或P 层进行大量的掺杂，例如N层掺杂量很大，也就是说N区电子载流子浓度大。那么，在高反向偏压状态下使用时，入射光照到PN结激发出电子、空穴。其中电子载流子将在高反向偏压作用下，以极快的漂移速度通过PN结，并在途中高速撞击半导体材料晶格上的原子，产生新的电子、空穴对。由于N区内电子浓度高，又产生出大量的电子载流子。这种过程不断地重复，在PN区内电流急剧倍增放大，最后产生“雪崩”现象。这种利用“雪崩”现象的PN结光电二级管，叫做雪崩光电二级管。
三、光电检测器的工作特性
1、响应度（R）。在给定波长的光照射下，光电检测器的输出平均电流与入射的平均光功率之比称响应率或响应度。
2、量子效率。响应度是器件在外部电路中呈现的宏观灵敏特性，而量子效率是内部呈现的微观灵敏特性。
3、响应速度。光电二级管的响应速度是指它的光电转换快慢。影响光电二级管响应时间的因素有以下四点：
（1）零场区光生载流子的扩散时间；
（2）耗尽区光生载流子的漂移时间；
（3）雪崩倍增建立时间；
（4）RC时间常数。
其中（1）的量级最大。它发生在PN结的耗尽区外边，包括光敏面和收集极的部分。当入射光在这两个零场区内产生电子一空穴对时，要经过缓慢扩散后进入到耗尽区才能形成外部光电流。光电二极管要有快速响应，在结构上首先要减薄零场区，其次是减小结电容。采用同轴封装和微带结构以减小管壳电容，可进一步提高响应速度。
4、APD的倍增因子和倍增噪声
（1）APD倍增因子。提高光接收机的灵敏度可以从提高信噪比（S/N）着手。S/N的定义为：
S/N=检测器接收到的信号功率/检测器与前置放大器噪声功率之和
PIN光电二级管具有很低的噪声，但它不能放大信号，S/N不大。
雪崩光电二极管虽然噪声较大，但它的内部增益有利于提高S/N，所以较多地被采用。
（2）APD的倍增噪声。APD光电检测器的噪声包括电子噪声、暗电流噪声和由倍增过程产生的倍增噪声。在这三种噪声中，一般是倍增噪声的影响较大，机理也比较复杂。我们仅讨论倍增噪声的简单机理和一些重要结论。
APD的倍增噪声是由以下两个因素产生的：一是入射在光电检测器光敏面上的光子产生一次电子一空穴的随机性，即每个一次电子一空穴对产生二次电子一空穴对数是不能准确测定的，倍增因子是一个统计平均的概念。由此可见，APD的倍增噪声是一个复杂的随机函数，它与APD的类型、工作条件和空穴、电子离化率等许多因素有关，其概率分布相当复杂，既不属于高斯分布，也不属于泊松分布。
5、温度特性。环境温度的变化相对APD光电检测器的性能产生影响，主要是对倍增特性和暗电流的影响。APD的击穿电压Vb随温度变化。当温度升高时，Vb也跟着上升。一般情况下，其工作电压接近Vb。在Vb随环境温度变化时，如果工作电压不变，倍增因子将发生变化，甚至可能使器件超出正常的工作区域。在一定的工作偏压下，随着温度的增加APD的倍增减小。
6、光电检测器的简易检测。与光源器件一样，光电检测器也可以使用指针式万用表进行简易检测。
（1）Si-PINPD
正向压降：0.6-0.7V
正向电阻：3-5KΩ（R×100档）
反向电阻：无穷大（100KΩ以上，R×1K档）
（2）InGaAs-PINPD
正向压降：0.2-0.3V
正向电阻：3-5KΩ（R×100档）
反向电阻：无穷大（100KΩ以上，R×1K档）
（3）InGaAs-APD
正向压降：约2V
正向电阻：通
反向电阻：无穷大
第三节光无源器件
一、光纤连接器
光纤连接器又称光纤活动连接器，俗称活动接头。它用于设备（如光端机、光测试仪等）与光纤之间的连接、光纤与光纤之间的连接或光纤与其他无源器件的连接。它是组成光纤通信系统和测量系统不可缺少的一种重要无源器件。
光纤连接器的作用是将需要连接起来的单根或多根光纤芯线的端面对准、贴紧并能多次使用。光纤的芯径很细，是在微米级。因此，对其加工工艺和精度都有比较高的要求。为此，光纤连接器应满足如下条件：
（1）连接损耗要小：连接损耗是评价光纤连接器的主要指标。目前各种不同结论的单模光纤连接器的插入损耗为0.5dB左右。
（2）装、折方便。
（3）稳定性好：连接后，插入损耗随时间、环境的改变应变化不大。
（4）重复性好：一般要求重复使用次数大于1000次。
（5）互换性好：要求同一种型号的活动连接器可以互换。
（6）体积小、成本低。
光纤连接器分为多芯连接和单芯连接，多芯连接可同时连接多对光纤。单芯连接则只能连接一对光纤。
光纤连接器又可分为活动连接器和固定连接器。活动连接器即可重复拆装，而固定连接器则一次成形。
在实用光纤通信系统中，光源与光纤的连接以及光纤与光电检测器的连接均采用光纤活动连接器。我们常用的有FC型活动连接器和PC型活动连接器。
它是由一个珐琅盘和两个带尾纤单芯光缆的插针体组成的，由螺纹将其固定起来。FC型和PC型连接器之间的最大区别在于：FC插针体光纤端面是平的，而PC型插针体端面是弧状的，反射很小。因此PC型活动连接器适用于高速光通信系统以及要求反射小的光纤系统。
一般的活动连接器是用不锈钢材料制作的。最近我国又推出用陶瓷制作的新一代活动连接器，这是国际上连接器发展的新潮流。因陶瓷材料与石英光纤的势膨胀系数相近，因此可避免环境温度突变所引起的光纤断裂或导致损耗变大，其温度稳定性好，机构耐靡性和抗腐
蚀能力强，插拔过程中不易产生污染。
另一种光纤活动连接器是插拔式活动连接器。它的连接方式是插拔式，不需旋螺纹，操作十分简单，有利于结构紧凑和容量大的配线架设计。实际上可将活动连接器的一端固定在设备或仪表的面板上，另一端可以自由插拔。
国内现在使用的连接器中还有一种固定连接器，这种固定连接器能代替光纤熔接机，不用电弧焊接，适用于没有电的山区和野外操作，可对单模或多模光纤实现永久性连接，也适用于中、短距离的光纤通信系统和实验室的固定连接。特别是在光缆线路抢修中，灵活快速，不需电源、热源，连接时间2-3分钟即可。
光纤固定连接器是采用V型槽法将光纤连接起来的。首先连接光纤的端面加工，将光纤放入V型槽中，再将连接部位滴入匹配液。然后，盖起来，并固定。如果连接损耗不合要求，可以拆下来，再次连接。光纤固定连接器的关键是V型槽的精确度要相当高。
二、光衰减器
光衰减器是调节光平不可缺少的器件。主要用于光纤通信系统指标测量、短距离通信系统的信号衰减以及系统试验等，它可分为固定衰减和可变衰减器两种。对光衰减器的要求是：体积小、重量轻、衰减精度高、稳定可靠、使用方便等。
光衰减器一般使用金属工艺蒸发镀膜滤光片作为衰减元件，依据镀膜厚度来控制衰减量。设计时，使金属蒸发镀膜滤光片与光轴形成一定的角度，以防止金属膜产生的反射光再次入射和多次反射。
使用光衰减器时，要保持环境清洁干燥，不用时要盖好保护膜，连接器应轻上轻下，严禁碰撞。
三、光隔离器
光隔离器的基本原理是法拉第旋转效应。光隔离器主要由两个偏振器和一个法拉第旋转器组成。
当光入射到某一光学器件时，其输出光为某一种形式的偏振光（如线偏振光），则这种光学器件就称为偏振器（如线偏振器）。在光隔离器中使用的是线偏振器。线偏振器中有一透光轴，当光的偏振方向与透光轴完全一致时，则光全部通过。
四、光开关
光开关是用于光传输线路转换的器件、小型光开关可用于用户系统或专用线路，大型光开关将来可用于交换机中。
光开关有两种：一种是机械式，它是通过移动光纤本身或移动棱镜、反射镜和透镜等中间物进行光的转换，其移动方式是通过人工或电磁的作用来完成的。另一种是非机械式的，它是利用光电效应和声光效应进行转换的。前者的转换速度一般为2-20ms，插入损耗为2dB 左右，重复性差为0.05dB。
五、光波分复用器
光纤波分复用传输系统是目前发展的一个重要方向，而其中关键器件是复用器与去复用器。共同的要求是复用通信数量要足够、插入损耗小、串音衰减大和通带范围宽。从原理上讲，波分复用器与波分去复用器是相同的，只要改变输入输出方向。实际上，波分复用器与
波分去复用器有所不同。由于去复用器的输出光纤直接与光检测器相连，芯径与数量孔径可以做得大些。这样既可减少损耗，又可降低加工精度要求，因此制造低插入损耗的去复用器并不太难。而复用器的输出光纤必须为传输光纤，不能任意加大芯径和数值孔径。其减小输入光纤的芯径和数值孔径，则又增加光源到输入光纤的耦合损耗，所以复用器的插入损耗一般比较大。
光复用器和去复用器又可分为波长选择性和非波长选择性两种。非波长选择性的，只有少数情况下作合路用，而有波长选择性的可用于光去复用器。因为光去复用器要把各种不同波长的光分开，所以必须采用有波长选择性的无源器件。
有选择性的光波分复用器与光波分去复用器，从分光原理可分为棱镜型、衍射光珊型和干涉膜滤光片型三种。
练习题
1、激光器主要由哪些部分组成？
2、半导体激光器和发光二极管各应用于什么场合？
3、半导体激光器和发光二极管的主要区别是什么？
4、光纤通信对光源有哪些基本要求？
5、光与物质作用有哪些作用形式？
6、什么是粒子数反转分布？
7、简述激光器的工作原理。
8、光电检测器是根据什么原理工作的？光纤通信通常用哪些类型
的光电检测器？
9、简述PIN光电检测器的工作原理。
10、APD倍增因子越大越好吗？为什么？
11、光纤连接器的作用是什么？
12、我国常用活动连接器有哪些？
13、光衰减器的作用是什么？
14、有哪些类型的光衰减器？
15、光隔离器的作用是什么？
16、光开关的作用是什么？
17、光波分复用器的作用是什么？
18、从分光原理上，光波分复用器可以分为哪些类型？
光电器件研究进展和发展趋势 原荣信息产业部电子第三十四研究所研究员 摘要：建设光纤接入网和DWDM系统离不开各种光学材料和器件，诸如光纤和光缆、连接器和耦合器、光发射/接收器、光波分复用/解复用器、光滤波器、光放大器、光开关以及光分插复用器等。本文就光纤通信系统用到的光电器件的研究进展和发展趋势作一个简要介绍。 一、光有源器件 1.1 可调谐激光器 可调谐激光器是实现宽带测试、WDM和光纤放大器泵浦的最重要的器件,近年制成的单频激光器都用多量子阱(MQW)结构、分布反馈(DFB)式或分布布喇格反射(DBR)式结构,有些能在80nm范围内调谐。在半导体激光器后面加上一个光纤布喇格光栅,可使波长稳定,如美国E-TEK研制的980nm泵浦激光器,输出光功率达220mW,又如法国alcatel Optronics公司研制的1480nm泵浦激光器,不但在半导体激光器后面加了一个光纤布喇格光栅,而且尾纤采用保偏光纤,既使波长稳定,又使功率也稳定。美国MPB公司推出的EBS-4022宽带光源,其输出功率达22dBm,在C波段40nm的带宽上,其平坦度≤1dB。美国Santec公司推出的TSL-220可调谐激光器,为保证pm数量级的波长精度,内置一个波长监测器；为去除ASE啐噪声,还内置一个可调谐滤波器,可调谐范围竟达80nm。 1.2光放大器 目前广泛使用的是光纤放大器,它有掺铒和掺氟2种,其单泵浦的增益典型值为17dB,双泵浦的增益典型值为35dB,噪声系数一般为5~7dB,带宽为30nm,在带宽内的增益偏差为1dB。在氟基光纤上掺镨就可制作出掺镨光纤放大器（PDFFA）,可应用于工作在1.3mm波段上的G.652光纤。 半导体激光放大器（SLA）芯片具有高达30～35dB的增益,除输入和输出端存在总共8～10dB 的耦合损耗外,还有22～25dB的增益,另外行波半导体激光器具有很宽的带宽,可以对窄至几个ps的超窄光脉冲进行放大。SLA的另一个重要优点是它可与光发射机和接收机一起被单片集成在一起。欧洲ACTS KEOPS计划资助的全光分组交换系统采用的全光分组交换节点,在输入输出接口、光交换矩阵中都使用了半导体光放大器,在ns量级范围内实现了光门电路波长选择和波长转换器件的功能。 1.2.3 光纤喇曼放大器 当强激光通过光纤时,将产生受激喇曼散射(SRS)。光纤喇曼放大器（FRA）就是利用强泵浦光束通过光纤传输产生的受激喇曼散射。光纤喇曼放大器可覆盖的光谱范围宽,比泵浦光波长大约长100nm的波长区均可获得最大的增益,目前增益带宽已达132nm。这样通过选择泵浦光波长,就可实现任意波长的光放大,所以喇曼放大器是目前唯一能实现1290~1660nm光谱放大的器件。另外,它适用于任何种类的光纤。 光纤喇曼放大器由于其自身固有的全波段可放大的特性和可利用传输光纤做在线放大的优点,1999年已成功地应用于DWDM系统中。使用分布光纤喇曼放大器,可以增大传输距离,提高传输比特率,另外还允许通过加密信道间隔,提高光纤传输的复用程度和传输容量。传输跨距的延伸,有时可免除在两地之间安装昂贵的3R中继器,特别是在大陆和海岛、海岛和海岛间的海缆通信中,具有特别的意义。富士通在211×10Gb/s的DWDM系统中,使无中继传输距离从50km增加到80km,使系统传输距离达到7200km。朗讯和阿尔卡特也有类似的实验。阿尔卡特报道已将32×40Gb/s的无中继DWDM系统的传输距离延伸到250km。 1.3 光纤激光器
光电子技术的应用和发展前景 姓名：曾倬 学号：14021050128 专业：电子信息科学与技术 指导老师：黄晓莉
摘要：光电子技术确切称为信息光电子技术，本文论述了一些新型光电子器件及其发展方向 20世纪60年代激光问世以来，最初应用于激光测距等少数应用，光电子技术是继微电子技术之后近30年来迅猛发展的综合性高新技术。1962年半导体激光器的诞生是近代科学技术史上一个重大事件。经历十多年的初期探索，到70年代，由于有了室温下连续工作的半导体激光器和传输 损耗很低的光纤，光电子技术才迅速发展起来。现在全世界敷设的通信光纤总长超过1000万公里，主要用于建设宽带综合业务数字通信网。以光盘为代表的信息存储和激光打印机、复印机和发光二极管大屏幕现实为代表的信息显示技术称为市场最大的电子 产品。人们对光电神经网络计算机技术抱有很大希望，希望获得功耗的、响应带宽很大，噪音低的光电子技术。
目录 （一）光电子与光电子产业概况 （二）光电子的地位与作用 （三）二十一世纪信息光电子产业将成为支柱产业 （四）国际光电子领域的发展趋势 （五）光电子的应用
（一），光电子及光电子产业概况 光电子技术是一个比较庞大的体系，它包括信息传输，如光纤通信、空间和海底光通信等；信息处理，如计算机光互连、光计算、光交换等；信息获取，如光学传感和遥感、光纤传感等；信息存储，如光盘、全息存储技术等；信息显示，如大屏幕平板显示、激光打印和印刷等。其中信息光电子技术是光电子学领域中最为活跃的分支。在信息技术发展过程中，电子作为信息的载体作出了巨大的贡献。但它也在速率、容量和空间相容性等方面受到严峻的挑战。 采用光子作为信息的载体，其响应速度可达到飞秒量级、比电子快三个数量级以上，加之光子的高度并行处理能力，不存在电磁串扰和路径延迟等缺点，使其具有超出电子的信息容量与处理速度的潜力。充分地综合利用电子和光子两大微观信息载体各自的优点，必将大大改善电子通信设备、电子计算机和电子仪器的性能。 今天，光电子已不再局限传统意义上的用于光发射、光调制、光传输、光传感等的电子学的一
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
光电传感器的发展及其应用 摘要：光电式传感器（photoelectric transducer），基于光电效应的传感器，在受到可见光照射后即产生光电效，将光信号转换成电信号输出。它除能测量光强之外，还能利用光线的透射、遮挡、反射、干涉等测量多种物理量，如尺寸、位移、速度、温度等，因而是一种应用极广泛的重要敏感器件。 关键词：光电传感器、光电效应、发展、应用实例 1 引言 光电传感器由于反应速度快，能实现非接触测量，而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半导体光敏器件具有体积小、重量轻、功耗低、便于集成等优点，因而广泛应用于军事、宇航、通信、检测与工业自动化控制等多种领域中。当前，世界上光电传感领域的发展可分为两大方向：原理性研究与应用开发。随着光电技术的日趋成熟，对光电传感器实用化的开发成为整个领域发展的热点和关键。 2 光电传感器原理及应用 2.1光电式传感器 光电传感器又称光传感器，其基本原理是以光电效应为基础，通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的，它的基本结构如图1，它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源，光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高,反应快，非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此，光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛[1]。 图 1
光电传感器的电源要是一个恒光源，电源稳定性的设计至关重要，电源的稳定性直接影响到测量的准确性，常用光源有以下几种： ⑴、发光二极管是一种把电能转变成光能的半导体器件。它具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、机械强度高等优点，并能和集成电路相匹配。因此，广泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。 ⑵、丝灯泡这是一种最常用的光源，它具有丰富的红外线。如果选用的光电元件对红外光敏感，构成传感器时可加滤色片将钨丝灯泡的可见光滤除，而仅用它的红外线做光源，这样，可有效防止其他光线的干扰。 ⑶、激光激光与普通光线相比具有能量高度集中，方向性好，频率单纯、相干性好等优点，是很理想的光源。 由光源、光学通路和光电器件组成的光电传感器在用于光电检测时，还必须配备适当的测量电路。测量电路能够把光电效应造成的光电元件电性能的变化转换成所需要的电压或电流。不同的光电元件，所要求的测量电路也不相同。下面介绍几种半导体光电元件常用的测量电路。 半导体光敏电阻可以通过较大的电流，所以在一般情况下，无需配备放大器。在要求较大的输出功率时，可用图2所示的电路。图3（a）给出带有温度补偿的光敏二极管桥式测量电路。当入射光强度缓慢变化时，光敏二极管的反向电阻也是缓慢变化的，温度的变化将造成电桥输出电压的漂移，必须进行补偿。图中一个光敏二极管做为检测元件，另一个装在暗盒里，置于相邻桥臂中，温度的变化对两只光敏二极管的影响相同，因此，可消除桥路输出随温度的漂移。光敏三极管在低照度入射光下工作时，或者希望得到较大的输出功率时，也可以配以放大电路，如图3所示。 图2 图3 由于光敏电池即使在强光照射下，最大输出电压也仅0.6V，还不能使下一
第一章绪论 1. 光电子器件按功能分为哪几类？每类大致包括哪些器件？ 光电子器件按功能分为光源器件、光传输器件、光控制器件、光探测器件、光存储器件。 光源器件分为相干光源和非相干光源。相干光源主要包括激光和非线性光学器件等。非相干光源包括照明光源、显示光源和信息处理用光源等。 光传输器件分为光学元件(如棱镜、透镜、光栅、分束器等等)、光波导和光纤等。 光控制器件包括调制器、偏转器、光开关、光双稳器件、光路由器等。 光探测器件分为光电导型探测器、光伏型探测器、热伏型探测器、各种传感器等。 光存储器件分为光盘(包括CD、VCD、DVD、LD等)、光驱、光盘塔等。 2．谈谈你对光电子技术的理解。 光电子技术主要研究物质中的电子相互作用及能量相互转换的相关技术，以光源激光化，传输波导（光纤）化，手段电子化，现代电子学中的理论模式和电子学处理方法光学化为特征，是一门新兴的综合性交叉学科。 3．谈谈光电子技术各个发展时期的情况。 20世纪60年代，光电子技术领域最典型的成就是各种激光器的相继问世。 20世纪70年代，光电子技术领域的标志性成果是低损耗光纤的实现，半导体激光器的成熟特别是量子阱激光器的问世以及CCD的问世。 20世纪80年代，出现了大功率量子阱阵列激光器；半导体光学双稳态功能器件的得到了迅速发展；也出现了保偏光纤、光纤传感器，光纤放大器和光纤激光器。 20世纪90年代，掺铒光纤放大器(EDFA)问世，光电子技术在通信领域取得了极大成功，
形成了光纤通信产业；。另外，光电子技术在光存储方面也取得了很大进展，光盘已成为计算机存储数据的重要手段。 21世纪，我们正步入信息化社会，信息与信息交换量的爆炸性增长对信息的采集、传输、处理、存储与显示都提出了严峻的挑战，国家经济与社会的发展，国防实力的增强等都更加依赖于信息的广度、深度和速度。 ⒋举出几个你所知道的光电子技术应用实例。 如：光纤通信，光盘存储，光电显示器、光纤传感器、光计算机等等。 ⒌据你了解，继阴极射线管显示（CRT）之后，哪几类光电显示器件代表的技术有可能发展成为未来显示技术的主体？ 等离子体显示（PDP），液晶显示（LCD），场致发射显示（EL）。
第七章 光电转换器件 1、什么是光电探测器件的光谱响应特性？了解它有何重要性？ 2、为什么结型光电器件在正向偏置时没有明显的光电效应？结型光电器件必须 工作在哪种偏置状态？ 3、如何理解“热释电探测器是一种交流或瞬时响应的器件”? 4、光敏电阻和热敏电阻其阻值随光照强度的变化规律分别是什么？ 5、光电探测器的“电压响应度”和“电流响应度”如何定义？ 6、光电导探测器的“截止频率”如何定义？ 7、 光敏电阻的“亮电阻”、“暗电阻”的含义是？实际应用中，选择光敏电阻时， 其暗电阻阻值越大越好还是越小越好？为什么？ 8、光电导探测器的工作电路如左图所示， 试推导光敏电阻的最佳负载电阻阻值。 9、一块半导体样品，有光照时电阻为50Ω，无光照时为5000Ω，求该样品的 光电导。 10、 已知CdS 光敏电阻的最大功耗为40mW ，光电导灵敏度 lx s S g /105.06-?=，暗电导00=g ，若给CdS 光敏电阻加偏压20V ，此时入射到CdS 光敏电阻上的极限照度为多少勒克斯？ 11、敏电阻R 与Ωk R L 2=的负载电阻串联后接于V U b 12=的直流电源上，无光照时负载上的输出电压为mW U 201=，有光照时负载上的输出电压为V U 22=。求：（1）光敏电阻的亮电阻和暗电阻阻值； （2）若光敏电阻的光电导灵敏度lx s S g /1066-?=，求光敏电阻所受的照度。 12、已知CdS 光敏电阻的暗电阻ΩM R D 10=，在照度为 100lx 时亮电阻Ωk R 5=，用此光敏电阻控制继电器，如
右图所示。如果继电器的线圈电阻为4Ωk ，继电器的吸合电流为2mA ，问需要多少光照度时才能使继电器吸合？ 13、太阳能电池的“开路电压”、“短路电流”、“转换效率”、“最佳负载电阻”如 何定义？ 14、（1）硅光电池的的开路电压为oc U ，当光照度增加到一定值后， oc U 为何不 随光照度的增加而增加，只是接近0.6V ？（给出开路电压饱和的物理解释） （2） 随着光照度的增加，光电池的短路电流是否会出现饱和现象？为什么？ 15、在太阳能电池的伏安特性曲线中， （1） “光电压区域”和“光电流区域”如何定义？ （2） 用光电池探测缓变光信号时，应工作在哪个区域？ 16、（1）PIN 管和普通PN 结光电二极管相比在结构上有何区别？ （2）简述PIN 管、雪崩光电二极管的工作原理。 （3）它们和普通的PN 结光电二极管相比，性能有哪些改善？ （4）PIN 管的频率特性为什么比普通光电二极管好？ 17、2CU 型和2DU 型光电二极管在结构上由何区别？2DU 型引入环极的作用是 什么？ 18、（1）简述光电倍增管的工作原理。 （2）光电倍增管的“阳极灵敏度”、“阴极灵敏度”、“放大倍数”如何定义？ 19、现有GDB-433型光电倍增管，其光电阴极的面积为2cm 2，阴极灵敏度lm A S K /25μ=，倍增系统的放大倍数为105，阳极额定电流为20A μ，求允许的最大光照。 20、用波长为0.633m μ的单色辐射照射2CU 硅光电二极管，入射光功率为2mW ，输出光电流为0.6mA ，求光电二极管的响应度和量子效率。 21、（1）已知硅PIN 光电二极管的量子效率7.0=η，波长m μλ85.0=，求其响 应度。 （2）已知锗PIN 光电二极管的量子效率4.0=η，波长m μλ6.1=，求其响应 度。 22、光电倍增光的光阴极灵敏度为lm A /50μ，每一个倍增极的二次电子收集率为 80%，二次电子发射系数6=σ，共有11级，求阳极灵敏度。（令1≈f ） 23、制作探测波长为0.9m μ的光电二极管，相应的半导体材料的禁带宽度是多少 电子伏特？
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。
光电子产业及其发展趋势摘要: 光电子产业是目前以及未来相当长一段时间内都将迅速发展的高技术、高附加值产业。通过回顾光电子技术的发展历史, 比较系统地介绍了光电子产业的最新动态, 与光电子产业相关的其它新兴产业, 以及这一新兴产业的未来发展趋势。 关键词: 光电子产业; 历史发展; 未来趋势 近年来国内外正在掀起一股光电子学和光电子产业的热潮, 光电子技术的新名词不断涌现, 技术的发展日新月异。一些国家把大量资金投入到光电子学和光电子技术的研究和开发之中。国际知名科学家预言, 光电子时代已经到来,光电子技术将引起一场超过电子技术的产业革命, 将给工业和社会带来比电子技术更为巨大的冲击。光电子是目前和未来相当长一段时间内都将迅速发展的高技术高附加值产业。 1 光电子技术的发展历史及光电子时代的到来 光电子技术发展经历了从概念提出、理论建立、材料和器件研制、应用和逐步产业化过程。我们可以看出, 40 年代以前主要是发展光电子学理论, 70 年代以前主要是应用已有理论进行发明创造和完成实验研究, 近几十年主要是使那些发明创造实现产业化。当然不同的光电子技术发展是不平衡的, 首先发展起来的是真空光电子技术和产业, 后来逐步发展到固体光电子技术与产业。据不完全统计, 到2000 年底, 全球光电子产业总产值约1200 亿美元。彩电进入千家万户, CRT 产量惊人, 风华正茂; LCD 已成为中小尺寸显示器的主流产品, 风光无限; 传感器、CCD 摄像机和数码相机进入家庭, 风景独好; 随着半导体激光器、掺铒光纤放大器和光纤技术的成熟, 光通信已成为通迅的最主要手段。光电子在信息获取、传输、存储和显示等方面起主导作用, 还将在工业智能化控制方面发挥重要作用。随着LED 技术的进步, 光电子还将在节能方面大有作为。光电子技术在研究领域的应用还有可能导致新的重大发现和新的研究领域的开辟。根据美国光电子工业发展协会估计, 到2013 年光电子全球总产值可达5000 亿美元。 2 光电子产业的最新动态 光子作为能量载体可提供极高功率密度与能量密度的光能、极短的光脉冲、极精细的光束等, 创造出极端的物理条件: 极高的温度、极高的压强、极低的温度和极精密的刻划与极精细的加工, 从而使光电子学和光电子技术在信息、能源、材料、航空航天、生命科学、环境科学及国防军事领域中到广泛的应用。光电子技术的内涵包括真空光电子技术及相关的器件与系统; 半导体光电子技术及相关的器件与系统激光技术及相关器件与系统; 其它光电子材料及器件以及大型光电子装置等几个大的方面。下面仅就一些热点问题进行讨论。 2. 1 激光技术锋芒毕露 激光是二十世纪的重大发明之一。一台普通的脉冲固体激光器, 输出的光脉冲宽度是几百微秒, 甚至毫秒量级, 峰值功率只有几十千瓦级, 显然满足不了诸如激光测距、激光雷达、高速摄影、高分辨率光谱学研究等的要求。正是在这些要求的推动下, 1961 年人们研究了激光调Q 技术和锁模技术, 到80 年代使激光脉冲宽度和峰值功率达到纳秒( ns)量级和吉瓦( GW) 量级的巨型脉冲。1964 年科学家们又提出了压缩脉宽、提高功率的新机制) 锁模技术, 使脉宽达到皮秒( ps, 10- 12) 量级; 70 年代超短脉冲技术得到迅速发展;80 年代初有人又提出了碰撞锁模理论, 在此基础上得到了90fs 光脉冲系列。90 年代自锁模技术的出现, 产生了脉宽为飞秒( fs, 10- 15 ) 、峰值功率为太瓦( T W, 1012W) 以上的超短脉冲, 为物理学、化学、生物学以及光谱学等学科对微观世界和超快过程的研究提供了重要手段。为了改善光束质量, 又发展了选模技术和稳频技术以满足精密干涉计量、全息照相、精细加工等的要求。 2. 2 光纤通讯生机无限
本文采摘于：https://www.doczj.com/doc/b14361954.html,/Article/212_1.html 光电开关与其他光电器件之间的区别 各种光电器件之间的区别，你清楚了吗？超毅电子为大家解开一直以来的困惑，那就是光电开关与各种器件的区别到底是在哪里： 一、光电开关和光电继电器的区别 光电开关是由振荡回路产生的调制脉冲经反射电路后，由发光管GL辐射出光脉冲。当被测物体进入受光器作用范围时，被反射回来的光脉冲进入光敏三极管DU。并在接收电路中将光脉冲解调为电脉冲信号，再经放大器放大和同步选通整形，然后用数字积分或RC积分方式排除干扰，最后经延时（或不延时）触发驱动器输出光电开关控制信号。 光电开关一般都具有良好的回差特性，因而即使被检测物在小范围内晃动也不会影响驱动器的输出状态，从而可使其保持在稳定工作区。同时，自诊断系统还可以显示受光状态和稳定工作区，以随时监视光电开关的工作。 光电继电器的工作原理和特性。继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。 二、光电开关与光控开关的区别 1、首先可以确定光控开关不属于光电开关。 2、光电开关是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。 它是利用被检测物体对红外光束（区分点）的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测。光电开关在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。 根据检测方式的不同，红外线光电开关可分为： （1）.漫反射式光电开关 （2）.镜反射式光电开关 （3）.对射式光电开关
半导体技术 Semiconductor Technology 1999年 第1期 No.1 1999 硅基光电器件研究进展 郭宝增 摘要 在信息处理和通信技术中，光电子器件起着越来越重要的作用。然而，因为硅是间接带隙半导体，试图把光电子器件集成在硅微电子集成电路上却遇到很大困难。为解决这一困难，人们发展了多种与硅微电子集成电路兼容的光电子器件制造技术。本文介绍最近几年这方面技术的发展情况。 关键词 多孔硅 光电子器件 硅集成电路 Research Development of Silicon-Based Optoelectronic Devices Guo Baozeng (Department of Electronic & Informational Hebei University,Baoding 071002) Abstract Silicon-based optoelectronic devices are increasingly important in information and communication technologies.But attempts to integrate photonics with silicon-based microelectronics are hampered by the fact that silicon has an indirect band gap,which prevents efficient electron-photon energy conversion.In order to solve this problem,many technologies to make optoelectronic devices which can be compatible with conventional silicon technology have been developed.In this article,we review the deve-lopment of these thchnologies. Keywords Porous silicon Optoelectronic devices Silicon integrated circuit 1 引 言 硅是微电子器件制造中应用得最广泛的半导体材料。硅集成电路的应用改变了当代世界的面貌，也改变了人们的生活方式。但是，一般硅集成电路只限于处理电信号，对光信号的处理显得无能为力。然而，光电器件的应用却是非常广泛的，光纤通信、光存储、激光打印机及显示设备都 要用到各种光电器件。从更广的意义上说，我们所处的世界实际上是一个光的世界。据心理学家分析，人们通过眼睛所接收的信息占总接收信息量的83%，即人们接收的信息83%是光信号。因此可以想象，在未来信息化社会里，对光电子器件的需求决不亚于对微电子器件的需求。目前采用的光电子器件，主要是Ⅲ-Ⅴ族材料，这些器件与广泛使用的硅技术不兼容，而且制造成本高，因
光电信息技术新进展及感想 20世纪后期是现代光学和光电技术取得辉煌成就的时代。电子学与光学的结合,产生和建立了光电信息学科,在高新技术领域里的发展势头迅猛,使人类进入了信息时代。“20世纪是电子的世纪,21世纪是光子的世纪”;“光电信息是朝阳产业” ;通过《光电世界》课上老师的讲解,我们了解了许多光电信息技术的内容。如沈京玲讲的:太赫兹科学与技术,何敬锁老师讲的:信息传递的载体----电和光,张岩老师讲的:光学信息处理,苏波老师讲的:太阳能光伏电池、LED应用技术,崔海林讲的:微电子技术、通信网技术。这些内容让我对光电信息技术的领域有了大致的了解,并且在老师的精彩的讲说下激发了我对于世界的兴趣。 光电 在众多光电信息技术中,我对光电子技术这一领域是十分感兴趣的,并且我也十分看好这一领域的发展前景。 光电子技术是指激光在电子信息技术中的应用而形成的技术。光电子技术确切称为信息光电子技术。20世纪60年代激光问世以来,最初应用于激光测距等少数应用,到70年代,由于有了室温下连续工作的半导体激光器和传输损耗很低的光纤,光电子技术才迅速发展起来。 在上网的查找中,我了解到世界光电子产业的总体发展情况,其结果更是让每个人欣慰。正是由于上世纪60年代激光技术的产生,极大地推动了光电子技术的发展。并由此形成规模宏大、内容丰富的光电子产业。近十余年来,光电子相关技术突飞猛进,产品种类也不断推陈出新,其应用更是无远弗届,层面扩及通讯、信息、生化、医疗、工业、能源、民生等领域。展望未来,在轻量化、便携性、低耗能、高效益、整合强的特性下,光电子产业将更深入各领域应用范围,是影响未来社会发展的战略性产业之一。
有机光电器件的界面特性研究 2015级通信与信息系统研究生冯文琪 151320010 摘要 近些年来，有机光电器件由于其具有成本低，重量轻、材料容易设计合成、可做成大面积，显示柔性易弯曲折叠、制备过程简单等优点引起了越来越多的关注。各种功能的有机光电器件相继被开发出来，例如有机发光二极管可以用在平板显示和固态照明，有机光伏电池作可以作为清洁可再生的能源可有效缓解当前社会的能源需求，有机场效应晶体可用来作为显示背板和智能卡片，还有有机存储，传感器等等显示了巨大的应用前景。在有机光电器件中，界面对器件的性能和工作寿命有重要的影响。虽然我们在有机光电器件领域已经取得了重大的突破进展，但由于在有机界面中存在界面偶极、电子极化、电荷转移激子等现象，传统的无机半导体理论不能完全适用于有机界面，对有机界面的物理机制缺乏清晰的认识，限制了有机光电器件的进一步发展，因此有必要对有机界面进行深入的研究进一步理解其深层的物理机制。 本文主要通过光电子能谱技术，对叠层有机光电器件中间连接层、正置和倒置结构有机光伏电池的界面电子结构和能级排列进行了系统的研究，此外还研究了电学掺杂、基底修饰和不同电子传输层对界面势垒的调控影响以及退火处理对有机异质结薄膜表面和界面电子结构的影响。 关键词：叠层有机光电器件中间连接层注入势垒倒置结构热退火
第一章绪论 1.1 引言 随着经济和社会的发展，当前社会对半导体器件的要求越来越高，传统的单一功能的无机半导体器件已经难以满足当今社会多元化的需求。以有机电致发光器件(OLED)、有机光伏器件(OPV)和有机场效应晶体管(OTFT) 为代表的有机光电功能材料和器件在新型平板显示、固态照明、高密度信息存储、柔性显示、新能源和光化学利用等领域显示了广阔的应用前景，因而受到研究人员越来越多的关注。例如，OLED 技术具有全固态结构、主动发光、色彩丰富、可实现柔性显示等诸多优点，被认为是最有发展前景的下一代平板显示技术之一，且逐步在全球形成规模化生产。OPV 技术由于成本低、工艺简单、易于制成大面积器件等诸多优点被认为是一种具有长远发展潜力的可持续发展的绿色环保能源技术，目前光电转换效率已接近商业化生产的要求。OTFT 更以其低成本、可在柔性基板上加工、可低温成膜、可大面积制备等优点，其性能可与非晶硅相比，成为有机电子学的一个热点领域。 有机半导体器件同时具备原材料易于设计合成、重量轻便于携带、制备工艺简单可以采用低成本的打印和印刷方式加工、环境稳定性好以及可制作成大面积柔性器件等优点。目前，有机光电器件已经广泛的应用在电子、信息、军事、航空航天等高科技行业，显示了广阔的应用前景，是未来电子工业发展的必然方向，吸引着越来越多的政府、企业和研究机构投入其中。本章将着重介绍有机光电器件的发展历程，发展现状，基本原理以及当前面临的问题，最后对本论文的主要内容做简单的概括。 1.2 有机光电器件的发展历程 长久以来，人们通常认为有机物是绝缘不导电的，因此大多被用来作为绝缘材料。在 19 世纪 50年代，研究人员发现多环芳香烃化合物是由电荷转移复合物的半导体盐类卤化而成的，这阐明了有机化合物可以承载电流。1954 年报道的苝-碘配合物，其导电率达到0.12 S/cm，到了70年代, 美国物理学家 A. J. Heeger、化学家 M. Mac Diarmid 和日本化学家 H.Shirakaw et.al 共同发现对聚乙炔分子进行碘掺杂的时候具有高导电性，可以使其变成良好的导体, 从而引起了有机半导体技术研究的热潮,他们也因"发现和发展出导电性聚合物"而获得2000 年诺贝尔化学奖。 1.3 有机光电器件的原理 OLED的结构如下图1.1所示：它主要由高功函数的透明铟锡氧化物阳极(ITO)、空穴传输层、电子传输层、有机发光层和低功函数的金属阴极构成。器件的能级排列如图 1.2 所
复习题 1、光电检测系统通常主要由光学变换、光电转换、电信号处理三部分组成。 2、在环境亮度大于10cd/m2时,最强的视觉响应在光谱蓝绿区间的555 nm处。 3、光电倍增管由光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极五个主要部分组成。由于其引入了电子倍增机构，因此具有灵敏度高、响应时间快等特点，常被使用。 4、FTCCD指的是帧转移型CCD 5、发光二极管(LED)是一种注入电致发光器件，他由P型和N型半导体组合而成。其发光机理可以分为__ PN结注入发光_、_异质结注入发光__。 6、光电池的PN结工作在零偏状态，它的开路电压会随光照强度的增加而增加。 7、对于辐射源来说，光通量（光功率）定义为单位时间内向所有方向发射的可见光能量。 8、激光的形成必须具有工作物质、泵浦源、光学谐振腔。 9、入瞳位于无限远，物方主光线平行于光轴的光学系统称为物方远心光路，此光路克服了调焦不准带来的测量误差，常用于瞄准、读数和精密测量。 10、短焦物镜用于拍近距离物体，焦距越短，视场角越大，因此也称为广角物镜。 11、载光电耦合器件既具有光电耦合特性，又具有隔离特性 12、三种典型光子效应是指光电发射效应、光电导效应和光伏效应。 13、光敏电阻的工作原理是光照产生光生载流子，使其电阻值急剧减小。 14、CCD与其它器件相比，最突出的特点是它以电荷作为信号，而其他大多数器件是以电流或者电压作为信号。 15、依据噪声产生的物理原因,光电探测器的噪声可大致分为散粒噪声、热噪声和低频噪声三类。 16、由于光源发光的各向异性，许多光源的发光强度在各个方向是不同的。若在光源辐射光的空间某一截面上，将发光强度相同的点连线，得到该光源在该截面的发光强度曲线，称为配光曲线。 17、人眼按不同照度下的响应可分为明视觉、暗视觉。 18、降压使用对于光电测量用的白炽灯光源十分重要，因为灯泡寿命的延长将使系统的调整次数大为减少，也提高了系统的可靠性。 19、出瞳位于像方无限远处，平行于光轴的像方主光线在无限远处会聚于出瞳中心的光路被称为像方远心光路，它用于大地测量中测距，能大大提高测距精度。 20、集光镜将光源成像到聚光镜的前焦面上，孔径光阑位于聚光镜的物方焦面上，
绪论 0-1．依据光电科学与光机电一体化技术之树的根、干、枝、果关系，自己列举两个光电技术的应用例子。 第一章光电器件的物理基础 1-1．可见光的波长、频率和光子的能量范围是多少？ 1-2．一块半导体样品，有光照时电阻为50Ω，无光照时电阻为5000Ω，求该样品的光电导。 1-3．用PN结简图表示出光生电压的极性和光生电流的方向。若光电PN结在照度E1下的开路电压为Uoc1，求照度E2下的开路电压Uoc2。 1-4．为什么光电阴极都是用P型半导体材料制作的？ 第二章光电探测器件 2-1．试述光电倍增管的原理。设管中有n个倍增极，每个倍增极的二次电子发射系数均为δ，试推导电流增益M＝δn。 2-2．试述光电池的工作原理，以及开路电压、短路电流与光照度的关系。
2-3．为什么结型光电器件只有反偏置或零偏置时才有明显的光电效应。 2-4．2CR、2DR和2CU、2DU在结构上有何主要区别。2DU管设环极的目的何在，使用时应如何接电。 2-5．PIN管的频率特性为什么比普通光电二极管好。 第三章热电探测器件 3-1．热电探测器与光电探测器比较，在原理上有何区别？ 3-2．热电探测器与普通温度计有何区别？ 第四章光电成象器件 4-1．CCD器件中的电荷包为什么会沿着半导体表面转移，以三相或二相CCD为例具体研究一下它的转移过程。
4-2．为什么CCD必须在动态下工作？其驱动脉冲的上、下限受哪些条件限制，应如何估算？ 第五章发光器件与光控器件 5-1．半导体激光器和发光二极管的时间响应如何？使用时以什么方式（连续或脉冲）驱动为宜？ 5-2．克尔盒和泡克耳斯盒的基本结构如何？Uλ/2与o、e光的相差φ有何关系？ 5-3．声光调制器的基本原理如何？在什么条件下是声光调制器，在什么条件下是声光偏转器？ 5-4．磁光效应与物质的天然旋光性有何区别？磁光调制器的基本结构如何？ 第六章光电检测电路的设计
第三章光电器件 光电器件是光纤通信中的关键器件。它包括光源、光电检测器及各种光无源器件等。 光源是把电信号变成光信号的器件，它在光纤通信中占有重要的地位。性能好、寿命长、使用方便的光源是光纤通信可靠工作的保证。光电检测器则将入射光转化为电流或者电压，达到光子——电子的量子转换形式，完成光的检测目的。光无源器件指一些不用电源的光通路元器件，它们也是构成光纤传输系统的重要组成部分。 第一节光源 一、光源的分类及构成 光纤通信中的光源分为半导激光器和半导发光二极管。半导体激光器（LD）主要应用在长距离、大容量的光纤通信系统中。 激励源的作用是激活工作物质，使其能级中电子的受激辐射优于受激吸收。即使高能级电子数多于低能级数目（常称为粒子数反转分布），从而对光具有放大作用。光学谐振腔的作用是完成频率选择及光的反馈。它实际是两个平行的反射镜构成的。工作物质作用是提供确定的能级系统，使激光器在需要的光波范围内辐射光子。 半导体发光二级管（LED）主要用于短距离、小容量的光纤通信系统中，它和半导体激光器结构的主要区别是没有谐振腔。 光纤通信对光源的基本要求有如下几个方面：首先，光源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工程的需要。第四，光源的输出光谱不能太宽以利于传输高速脉冲。第五，光源应便于调制，调制的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。 二、光源的工作原理 1、半导体能带。当大量原子相互靠近形成半导体晶体时，不同原子的内外各电子运动轨道就有一定的交叠。相邻原子的最外运动轨道交叠最多，而内运动轨道交叠最少。由于电子运动轨道的交叠，电子不再局限于某一原子上，而可以从一个原子转移到相邻的原子上去，因而电子可以在整个半导体晶体中运动。这种运动称为电子的共有化运动。由于电子的共有化运动，使原来孤立原子中的离散能级变成了能带，低能级电子上的共有化运动很弱，其能级分裂得到能带较窄；高能级上的电子的共有化运动显著，所以能级分裂形成的能带很宽。严格地说，在绝对温度为零时，价电子占据的能带称为价带。晶体中的电子在受到激励时，会跳到（称为跃迁）更高的能带去，变成自由电子，从而使晶体的导电性增强。这个更高的能带（即自由电子占据的能带）称为导带。能带与能带之间不允许电子存在，一般称为禁带。 2、光与物质作用的三种形式。在研究原子与光子间相互作用时，可以发现有三种不同的基本过程：自发辐射、受激吸收和受激辐射。 3、半导体激光器粒子数反转分布。实际上，光的自发辐射、受激吸收和受激辐射是同时存在的。在通常情况下（即热平衡条件下，电
目录 光电成像器件的原理及组成 (1) 像管 (1) 摄像管 (2) 固体成像器件 (3) 光电成像器件的应用 (4) 光电成像器件的最新发展方向 (4)
光电成像器件的原理及组成 光电成像器件从成像原理上，可分为扫描型与非扫描性两类；从人的观察应用上，又可分为直视型和非直视型两类；按工作原理分，又可分为像管，摄像管和固体成像器件。 像管各种类型的变像管、像增强器的电子照相管的总称。它将可见或非可见的辐射图像转换或增强为可直接观察或记录的图像。其工作原理是将投射在光电阴极上的辐射图像转换为电子图像，电子光学系统将此图像尽可能真实地转移到荧光屏上产生一个增强的光学图像（如变像管和像增强器）或记录在对高速电子敏感的胶片上（如电子照相管）。 变像管一种把非可见（红外或紫外）辐射图像转换成可见光图像的器件。图1a[变像管] 变像管，它通常用于主动红外夜视中。图1b[变像管] 为一种用于高速摄影的变像管。 像增强器一种将微弱的光学图像增强为高亮度的可见光图像的器件。它广泛用于微光夜视中。其光敏面通常采用钠钾铯锑多碱光电阴极。获得高亮度增益的方式有级联和使用电子倍增器两种。
实现级联的方式也有两种：一种是在同一管壳内用薄的云母片作为支撑体，其两侧分别制作光电阴极和荧光屏,形成夹心倍增屏结构,以实现各级像管之间的耦合。磁聚焦像增强器大都采用这种方式。另一种是采用纤维光学面板将单个静电聚焦型像增强管耦合在一起，如纤维光学耦合三级级联像增强器，它通常称为第一代像增强器，如图2[ 纤维光学耦合三级级联像增强器] 所示。25/25毫米第一代像增强器的典型性能是：放大率=0.85，分辨率28 线对/毫米，亮度增益5×10，等效背景照度2×10勒克斯。 在管内获得电子倍增的一条途径是在单级像增强管中插入电子倍增器，曾用过氯化钾薄膜，目前均使用微通道板电子倍增器,微通道板(MCP)是由数以百万计的微型通道电子倍增器的通道紧密排列而成的二维阵列器件。光电子进入通道后，由于多次倍增过程，使电子急剧增多,在输出端可获得10～10的电子增益。目前，微通道板的典型性能是：通道直径10～12微米,通道中心距15微米，长径 比50,厚0.6毫米，加1 000伏电压，电子增益为10。 带有微通道板的像增强器通常称为第二代像增强器。其突出优点是体积小、重量轻、增益可调、本身具有防强光作用,但噪声较大。它有二种形式：一是薄 片管,它把微通道板平行安置在靠得很近的光电阴极与荧光屏之间，从而形成双 近贴像增强器；另一是倒像管，它类似通常单级像增强管，但在荧光屏前置一微通道板。第二代倒像管的性能与第一代相接近。 如果在第二代薄片管中，光电阴极采用负电子亲和势发射材料，便构成所谓第三代像增强器。这种光电阴极通常是III,V族化合物P型半导体单晶，由液相外延或汽相外延生成，然后在超高真空中清洁表面并用铯氧进行处理，使其真空能级位于半导体导带底之下，从而形成负电子亲和势。它的突出优点是灵敏度高、光谱响应向长波阈延伸、光电子的能量分布集中和暗发射小。目前第三代像增强器的典型水平为：灵敏度（透射式GaAs光电阴极）950微安／流明，分辨率30线对／毫米。 电子照相管一种用胶片直接记录电子图像的器件。它一般采用匀强磁场聚焦，电子束加速电压为15～40千伏，用对高速电子敏感的底片记录。其突出优点是图像无畸变、分辨率高（可达200线对／毫米）、动态范围大、灰雾和暗背景小，很适合于观测记录微弱天体，目前已在许多天文台中使用。 摄像管利用电子束对靶面扫描，把其上与光学图像相应的电荷潜像转换成一定形式的视频信号的器件的总称。它通常在两种场合下工作:照度在200勒克 斯以上（如广播与工业电视）和照度在10勒克斯以下（如微光电视）。 摄像管通常由移像段（或不用移像段）、靶与扫描段所组成。其工作原理可归纳如下。①图像的记录，移像段（其原理与像管相同）将光电阴极上的光电子