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大学光电课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解并掌握光电效应的基本原理，包括光子概念、光电发射过程等；2. 学会运用光电效应的相关公式进行定量计算，如爱因斯坦光电方程；3. 了解光电传感器的基本原理及其在现实生活中的应用。
技能目标：1. 能够独立设计简单的光电实验，操作相关仪器并分析实验结果；2. 培养解决光电问题的逻辑思维能力和创新意识，具备光电技术应用的初步能力；3. 掌握查找和阅读光电领域相关文献的方法，提高自主学习能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对光电科学的兴趣和求知欲，激发探索光电领域未知的热情；2. 树立科学研究的严谨态度，注重实践与理论相结合，培养团队合作精神；3. 了解光电技术在国家经济发展和国防建设中的重要作用，增强学生的社会责任感和使命感。
二、教学内容1. 光电效应基本原理：介绍光电效应的定义、分类及光子概念；讲解光电发射过程、逸出功和截止频率等关键参数。
2. 爱因斯坦光电方程：推导并解释爱因斯坦光电方程，分析光电效应与光子能量的关系，探讨光电效应的规律。
3. 光电实验设计与操作：学习光电实验的基本操作，设计实验方案，观察和分析光电效应现象，掌握实验数据的处理方法。
4. 光电传感器原理与应用：介绍光电传感器的基本原理，分析不同类型的光电传感器及其在现实生活中的应用案例。
5. 光电技术发展及前沿：概述光电技术在我国的发展现状，介绍光电领域的前沿动态和最新研究成果。
教学内容安排与进度：1. 第1周：光电效应基本原理；2. 第2周：爱因斯坦光电方程；3. 第3周：光电实验设计与操作；4. 第4周：光电传感器原理与应用；5. 第5周：光电技术发展及前沿。
教材章节及内容：1. 教材第3章：光电效应基本原理；2. 教材第4章：爱因斯坦光电方程；3. 教材第5章：光电实验；4. 教材第6章：光电传感器；5. 教材附录：光电技术发展及前沿。
三、教学方法为了提高教学效果，激发学生的学习兴趣和主动性，本课程将采用以下多样化的教学方法：1. 讲授法：教师以清晰、生动的语言阐述光电效应的基本原理、爱因斯坦光电方程等理论知识，结合板书和多媒体演示，使学生系统、全面地掌握光电领域的基础知识。
与光学有关的课程设计一、教学目标本课程的学习目标包括知识目标、技能目标和情感态度价值观目标。
知识目标要求学生掌握光学的基本概念、原理和定律，如光的传播、反射、折射、干涉、衍射等。
技能目标要求学生能够运用光学知识解决实际问题，如进行光学实验、分析光学图像等。
情感态度价值观目标要求学生培养对科学的兴趣和好奇心，提高科学素养，培养合作和探究的精神。
二、教学内容根据课程目标，选择和教学内容，确保内容的科学性和系统性。
教学大纲将按照光学的基本概念、原理和定律进行，包括光的传播、反射、折射、干涉、衍射等内容。
教材将选用《光学原理》一书，并结合实验教材《光学实验》进行实践操作。
三、教学方法选择合适的教学方法，如讲授法、讨论法、案例分析法、实验法等。
通过多样化的教学方法，激发学生的学习兴趣和主动性。
在理论课上，采用讲授法结合案例分析法，通过生动的案例和实际问题，引导学生理解和应用光学知识。
在实验课上，采用实验法，让学生亲自动手进行实验，培养实验操作能力和科学思维。
四、教学资源选择和准备适当的教学资源，包括教材、《光学实验》实验教材、多媒体资料、实验设备等。
教材和实验教材将作为主要的学习资源，多媒体资料用于辅助教学，提供直观的光学现象展示和实验操作演示。
实验设备包括显微镜、望远镜、干涉仪等，用于支持和实施实验教学。
五、教学评估本课程的评估方式包括平时表现、作业和考试。
平时表现评估学生的出勤、课堂参与度和表现，占课程总评的20%。
作业包括课后习题和实验报告，占课程总评的30%。
考试包括期中考试和期末考试，占课程总评的50%。
考试内容将涵盖光学的基本概念、原理和定律。
评估方式将客观、公正，全面反映学生的学习成果。
六、教学安排本课程的教学进度将按照教学大纲进行，确保在有限的时间内完成教学任务。
教学时间安排每周2课时，共16周。
教学地点将选择教室和实验室，以满足理论课和实验课的需求。
教学安排将考虑学生的作息时间和兴趣爱好，尽量安排在学生方便的时间进行。
光学系统仿真及方法
光学系统仿真是一种重要的工程工具，它可以帮助工程师们在
设计和优化光学系统时进行快速、准确的评估。
光学系统仿真可以
涉及从简单的透镜设计到复杂的激光系统，可以帮助工程师们分析
光学系统的性能、优化设计参数，并预测系统的行为。
在光学系统仿真中，有许多不同的方法和工具可供选择。
其中
一种常用的方法是基于光学设计软件的建模和仿真。
这些软件可以
提供强大的建模和分析工具，例如Zemax、Code V和LightTools等。
通过这些软件，工程师们可以建立光学系统的准确模型，并进行光
学性能的仿真和优化。
另一种常用的方法是基于数值计算的仿真方法，例如有限元分
析（FEA）和有限差分时间域（FDTD）等。
这些方法可以用于分析光
学系统中的电磁场分布、光学元件的热学效应等问题，对于复杂的
光学系统仿真具有重要的作用。
除了建模和仿真方法外，光学系统仿真还需要考虑实验验证和
数据处理方法。
实验验证可以用于验证仿真结果的准确性，而数据
处理方法可以用于分析仿真结果并进行优化设计。
总的来说，光学系统仿真及方法是一个复杂而多样化的领域，它为工程师们提供了强大的工具和方法来设计和优化光学系统。
随着科学技术的不断发展，光学系统仿真将在未来发挥更加重要的作用。
光电系统模拟与仿真设计报告姓名:学号:专业:光电技术学院实验一Zemax仿真设计实验目的1．熟悉Zemax实验环境，练习使用元件库中的常用元件组建光学系统。
2．利用Zeamx的优化功能设计光学系统并使其系统的各项性能参数达到最优。
实验内容（1、2中任选一个，3必做）1、显微物镜系统设计在图1 显示一个10X 显微物镜。
其包含二组远距的胶合双重透镜（Lister型式）。
NA：0.25；EFL=0.591。
表1 提供了这个设计的数据。
第一镜面到像距为0.999。
第一镜面到物距为6.076。
最后一面供作保护面之用。
畸变=0.26﹪。
图1 10倍显微物镜系统表1 10倍显微物镜参数要求：（1）运用zemax软件仿真实现该系统，并进行像质评价和分析，给出多个波长和多个视场的像质评价和分析。
（2）改变某一Lens Data，观察像质评价和分析，然后设置该Lens Data为变量并进行优化，再观察像质评价和分析，最后比较优化前后结果，在此基础上多选几个变量进行优化看能否得到更好的像质。
（3）在原有系统基础上再加一个单透镜或双透镜，选取一定的参数进行优化，看能否得到更好像质的系统。
（4）改变系统波长，观察像质评价和分析，重复完成（3），比较优化前后像质情况。
2、望远镜头系统设计在图2 是一个望远镜头具有20°视场以及EFL=5 。
这个镜组的资料给定在表2。
图2 望远镜头系统表2 望远镜头系统参数要求：（1）运用zemax软件仿真实现该系统，并进行像质评价和分析，给出多个波长和多个视场的像质评价和分析。
（2）改变某一Lens Data，观察像质评价和分析，然后设置该Lens Data为变量并进行优化，再观察像质评价和分析，最后比较优化前后结果，在此基础上多选几个变量进行优化看能否得到更好的像质。
（3）在原有系统基础上再加一个单透镜或双透镜，选取一定的参数进行优化，看能否得到更好像质的系统。
（4）改变系统波长，观察像质评价和分析，重复完成（3），比较优化前后像质情况。
光电类课程虚拟仿真实验教学系统的构建与应用一、引言光电类课程虚拟仿真实验教学系统是利用计算机技术和虚拟仿真技术，构建模拟真实光电实验环境，为学生提供可视化、交互性强的实验教学平台。
本文旨在探讨光电类课程虚拟仿真实验教学系统的构建与应用，介绍系统的特点、建设过程以及应用效果，以期为教学实践提供参考。
二、光电类课程虚拟仿真实验系统构建1.系统需求分析光电类课程主要涉及光学、光电子学、光通信等多个领域，要求系统能够模拟各种相关实验，包括光的衍射、干涉、光电效应等实验内容。
同时，系统需要具备良好的用户交互性和可视化效果，以提升学生的学习体验。
2.系统技术选型针对光电类实验的特点，选择合适的虚拟仿真技术和开发工具进行系统构建。
常用的虚拟仿真技术包括虚拟现实技术、增强现实技术等，可以根据具体需求进行选择。
3.数据模型设计构建光电类课程虚拟仿真实验系统需要建立相应的数据模型，包括实验场景模型、光学元件模型、光源模型等，以便系统能够准确地模拟实验过程。
4.系统功能设计根据教学需求，设计系统的功能模块，包括实验模拟模块、实时数据采集模块、实验结果分析模块等，以满足学生的实验学习需求。
5.界面设计与优化系统的界面设计要简洁直观，符合用户习惯，通过图形化处理，使得实验操作更加直观，提升学生的学习积极性。
6.系统测试与优化系统构建完成后需进行全面测试，发现问题并及时修复，确保系统的稳定性和可靠性。
三、光电类课程虚拟仿真实验系统应用1.教学案例设计根据光电类课程的具体内容，设计相关的教学案例，通过虚拟仿真实验系统展现给学生，帮助学生理解理论知识，并进行实际操作。
2.实验教学辅助虚拟仿真实验系统可以作为实验教学的重要辅助手段，帮助学生更好地理解实验原理，提升实验操作能力。
3.独立实验操作学生可以利用虚拟仿真实验系统进行独立实验操作，通过模拟实验环境，进行实验操作和数据采集，提高实验技能。
4.在线实验评估系统可以记录学生的实验操作过程和结果，进行在线实验评估，帮助教师及时发现学生在实验操作中存在的问题，进行及时辅导。
《基于Matlab的光学实验仿真》篇一一、引言光学实验是研究光学现象和规律的重要手段，但在实际操作中往往受到诸多因素的限制，如实验设备的精度、实验环境的稳定性等。
因此，通过计算机仿真进行光学实验具有很大的实际意义。
本文将介绍一种基于Matlab的光学实验仿真方法，以期为光学研究提供一定的参考。
二、仿真原理及模型建立1. 仿真原理基于Matlab的光学实验仿真主要利用了光学的基本原理和数学模型。
通过建立光学系统的数学模型，模拟光在介质中的传播、反射、折射等过程，从而实现对光学实验的仿真。
2. 模型建立在建立光学实验仿真模型时，需要根据具体的实验内容和目的，选择合适的数学模型。
例如，对于透镜成像实验，可以建立光学系统的几何模型和物理模型，通过计算光线的传播路径和透镜的焦距等参数，模拟透镜成像的过程。
三、Matlab仿真实现1. 环境准备在Matlab中，需要安装相应的光学仿真工具箱，如Optic Toolbox等。
此外，还需要准备相关的仿真参数和初始数据。
2. 仿真代码实现根据建立的数学模型，编写Matlab仿真代码。
在代码中，需要定义光学系统的各个组成部分（如光源、透镜、光屏等），并设置相应的参数（如光源的发光强度、透镜的焦距等）。
然后，通过计算光线的传播路径和光强分布等参数，模拟光学实验的过程。
3. 结果分析仿真完成后，可以通过Matlab的图形处理功能，将仿真结果以图像或图表的形式展示出来。
通过对仿真结果的分析，可以得出实验结论和规律。
四、实验案例分析以透镜成像实验为例，介绍基于Matlab的光学实验仿真方法。
首先，建立透镜成像的数学模型，包括光线的传播路径和透镜的焦距等参数。
然后，编写Matlab仿真代码，模拟透镜成像的过程。
最后，通过分析仿真结果，得出透镜成像的规律和特点。
五、结论与展望基于Matlab的光学实验仿真方法具有操作简便、精度高等优点，可以有效地弥补实际实验中的不足。
通过仿真实验，可以更加深入地了解光学现象和规律，为光学研究提供一定的参考。
matlab光学仿真课程设计一、课程目标知识目标：1. 掌握MATLAB软件的基本操作和常用命令；2. 理解光学仿真原理，了解光学仿真中常用的数学模型；3. 学会运用MATLAB进行光学仿真实验，分析仿真结果。
技能目标：1. 能够运用MATLAB编写光学仿真程序，实现光学现象的模拟；2. 能够熟练运用MATLAB处理光学数据，绘制相关图表；3. 能够运用光学仿真技术解决实际问题，提高实践操作能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对光学仿真的兴趣，激发学生探索光学领域的精神；2. 增强学生团队合作意识，培养学生沟通、交流和协作能力；3. 使学生认识到光学仿真在科研和工程领域的重要性，培养学生的创新意识和责任感。
课程性质：本课程为选修课程，旨在提高学生的实践操作能力和光学仿真技术水平。
学生特点：学生具备一定的物理学和数学基础，对光学现象有一定了解，但对MATLAB软件和光学仿真技术较为陌生。
教学要求：结合学生特点，注重理论与实践相结合，通过案例分析和实际操作，使学生掌握光学仿真的基本技能，并能够运用所学知识解决实际问题。
在教学过程中，关注学生的情感态度价值观培养，提高学生的综合素质。
将课程目标分解为具体的学习成果，以便于后续教学设计和评估。
二、教学内容1. MATLAB软件基础操作与常用命令学习；- 熟悉MATLAB界面及基本功能；- 掌握数据类型、矩阵运算、函数编写等基本操作；- 了解常用的绘图命令和数据可视化方法。
2. 光学仿真原理与数学模型；- 学习光学仿真基本原理，如干涉、衍射、折射等；- 掌握光学仿真中常用的数学模型，如波动方程、衍射积分等；- 分析实际光学问题，选择合适的数学模型进行仿真。
3. MATLAB在光学仿真中的应用实例；- 通过案例学习，掌握MATLAB在光学仿真中的具体应用；- 学习如何利用MATLAB解决实际问题，如光学元件设计、光学信号处理等；- 分析仿真结果，优化光学系统性能。
《基于Matlab的光学实验仿真》篇一一、引言光学实验是物理学、光学工程和光学科学等领域中重要的研究手段。
然而，由于实验条件的限制和复杂性，有时难以进行精确的实验。
因此，基于计算机的光学实验仿真技术应运而生。
本文将介绍一种基于Matlab的光学实验仿真方法，通过对光路的建模、光线传播的模拟和光强分布的计算，实现光学实验的精确仿真。
二、仿真原理及建模基于Matlab的光学实验仿真主要包括以下步骤：1. 建立光路模型。
根据实际光学实验的需求，建立光路模型，包括光源、透镜、反射镜等光学元件的参数和位置关系。
2. 光线传播模拟。
根据光路模型，模拟光线在光学元件之间的传播过程，包括光线的折射、反射等物理过程。
3. 光强分布计算。
根据光线传播模拟的结果，计算光强分布，包括光强的空间分布和光谱分布等。
在Matlab中，可以使用矩阵运算和数值计算等方法实现上述步骤。
例如，可以使用矩阵表示光路模型中的光学元件和光线传播路径，通过矩阵运算实现光线的传播和光强分布的计算。
三、仿真实现以一个简单的光学实验为例，介绍基于Matlab的光学实验仿真的实现过程。
1. 定义光源和光学元件参数。
在Matlab中定义光源的发光强度、波长等参数，以及透镜、反射镜等光学元件的参数和位置关系。
2. 建立光路模型。
根据定义的光源和光学元件参数，建立光路模型，包括光线传播路径和光学元件之间的相互作用。
3. 模拟光线传播。
使用Matlab中的矩阵运算和数值计算方法，模拟光线在光学元件之间的传播过程，包括光线的折射、反射等物理过程。
4. 计算光强分布。
根据光线传播模拟的结果，计算光强分布，包括光强的空间分布和光谱分布等。
5. 绘制仿真结果。
将计算得到的光强分布结果绘制成图像或图表，以便于观察和分析。
四、仿真结果分析通过对仿真结果的分析，可以得出以下结论：1. 基于Matlab的光学实验仿真可以实现对光学实验的精确模拟，具有较高的精度和可靠性。
2. 通过仿真可以方便地观察和分析光路中光线传播的过程和光强分布的情况，有助于深入理解光学原理和光学元件的相互作用。
一、实验目的1. 了解光学仿真实验的基本原理和方法；2. 通过仿真实验，加深对光学理论知识的理解和掌握；3. 学会使用光学仿真软件进行实验，提高实验操作能力。
二、实验原理光学仿真实验是通过计算机模拟光学系统的工作原理，以获得实验结果的过程。
本实验主要利用光学仿真软件进行以下实验：1. 几何光学仿真：研究光学系统中的光线传播、成像规律等；2. 电磁光学仿真：研究光与物质相互作用，如光的吸收、散射、折射等；3. 傅里叶光学仿真：研究光学系统的频谱特性、滤波处理等。
三、实验仪器与软件1. 实验仪器：光学实验平台、电脑、投影仪等；2. 实验软件：Zemax、TracePro、LightTools等光学仿真软件。
四、实验内容及步骤1. 几何光学仿真实验（1）实验目的：研究透镜成像规律，验证高斯成像公式。
（2）实验步骤：1）搭建实验平台，安装光学元件；2）使用Zemax软件建立透镜成像模型；3）设置实验参数，如物距、像距、透镜焦距等；4）运行仿真，观察成像结果；5）分析结果，验证高斯成像公式。
2. 电磁光学仿真实验（1）实验目的：研究光与物质相互作用，如光的吸收、散射、折射等。
（2）实验步骤：1）搭建实验平台，安装光学元件；2）使用TracePro软件建立光与物质相互作用模型；3）设置实验参数，如波长、介质参数等；4）运行仿真，观察光与物质相互作用结果；5）分析结果，了解光的吸收、散射、折射等特性。
3. 傅里叶光学仿真实验（1）实验目的：研究光学系统的频谱特性、滤波处理等。
（2）实验步骤：1）搭建实验平台，安装光学元件；2）使用LightTools软件建立光学系统模型；3）设置实验参数，如波长、滤波器设计等；4）运行仿真，观察频谱特性和滤波处理结果；5）分析结果，了解光学系统的频谱特性和滤波处理方法。
五、实验结果与分析1. 几何光学仿真实验结果：通过仿真实验，验证了高斯成像公式，并观察到不同物距下的成像情况。
光电设计课程设计一、教学目标本课程旨在通过光电设计的学习，让学生掌握光电效应的基本原理，了解光电器件的工作原理和应用，培养学生对光电技术的兴趣和热情，提高学生的实际操作能力和创新能力。
1.掌握光电效应的基本原理。
2.了解光电器件的工作原理和应用。
3.理解光电技术在现代科技领域的重要地位。
4.能够运用光电效应的基本原理分析和解决实际问题。
5.能够操作光电器件，进行简单的光电实验。
6.能够运用光电技术进行简单的创新设计。
情感态度价值观目标：1.培养学生对光电技术的兴趣和热情。
2.培养学生创新精神和团队合作意识。
3.培养学生关注社会热点，用所学知识解决实际问题的意识。
二、教学内容本课程的教学内容主要包括光电效应的基本原理、光电器件的工作原理和应用、光电技术的实际操作和创新设计。
1.光电效应的基本原理：介绍光电效应的定义、产生条件、光电流的特性等。
2.光电器件的工作原理和应用：介绍光电器件的分类、工作原理、应用领域等。
3.光电技术的实际操作和创新设计：介绍光电设备的操作方法、实验技巧，以及如何运用光电技术进行创新设计。
三、教学方法为了提高教学效果，本课程将采用多种教学方法，包括讲授法、讨论法、案例分析法、实验法等。
1.讲授法：用于讲解光电效应的基本原理、光电器件的工作原理等理论内容。
2.讨论法：用于探讨光电技术的应用前景、发展趋势等热点问题。
3.案例分析法：通过分析具体的光电案例，让学生了解光电技术在实际中的应用。
4.实验法：让学生亲自动手进行光电实验，提高学生的实际操作能力。
四、教学资源为了保证教学的顺利进行，我们将准备以下教学资源：1.教材：选用权威、实用的光电设计教材，为学生提供系统的理论知识。
2.参考书：提供丰富的光电技术相关参考书籍，拓展学生的知识面。
3.多媒体资料：制作精美的课件、视频等多媒体资料，提高学生的学习兴趣。
4.实验设备：准备充足的光电实验设备，确保学生能够进行充分的实验操作。
通过以上教学资源的支持，我们将努力提高光电设计课程的教学质量，帮助学生掌握光电技术的基本知识和技能，培养学生的创新能力和实践能力。
概述：一、光源在光纤通信系统中，光源器件可实现从电信号到光信号的转换，是光发射机以及光纤通信系统的核心器件，它的性能直接关系到光纤通信系统的性能和质量指标。
光纤通信系统要求光源具有合适的发射波长，处在光纤的低损耗窗口之中；有足够大的输出功率，从而有较长的传输距离；有较窄的发光谱线，可以减少光纤的色散对信号传输质量的影响；易于与光纤耦合，确保更多的光功率进入光纤；易于调制，响应速度要快，调制失真小，带宽大；在室温下能连续工作，可靠性高，寿命至少在10万小时以上。
下面简单介绍已广泛应用的两类半导体光源：半导体发光二极管（LED ）和半导体激光二极管（LD ）。
1 发光二极管（LED ）发光二极管（LED ）是低速、短距离光波通信系统中常用的光源。
其寿命很长，受温度影响较小，输出光功率与注入电流的线性关系较好，价格也比较便宜。
驱动电路简单，不存在模式噪声等问 题。
发光二极管结构简单，是一个正向偏置的PN 同质结，电子-空穴对在耗尽区辐射复合发光，称为电致发光。
发出的部分光耦合进入光纤供传输使用。
LED 所发出的光是非相干光，具有较宽的谱宽（30～60nm ）和较大的发射角（≈100°）。
自发辐射产生的功率是由正向偏置电压产生的注入电流提供的，当注入电流为I ，在稳态时，电子-空穴对通过辐射和非辐射复合，其复合率等于载流子注入率I/q ，其中发射电子的复合率决定于内量子效率ηint ，光子产生率为(I ηint/q)，因此LED 内产生的光功率为()int int /P w q η= (2.1)式中，ω 为光量子能量。
假定所有发射的光子能量近似相等，并设从LED 逸出的功率占内部产生功率的份额为ηext ，则LED 的发射功率为()int int /e ext ext P P w q I ηηη== (2.2) ηext 亦称为外量子效率。
由上式可知，LED 发射功率P 和注入电流I 成正比。
发光二极管LED 是光纤通信中的常用光源，它的发光仅仅是自发辐射，属于非相干光源，其输出光发射角较大，但LED 线性度好，调制时动态范围大，信号失真小，也就是P-I 曲线线性好，其P-I 特性曲线如图2.1所示。
2 激光器（LD ）图2.1 发光二极管的P —I 特性曲线15 1050 200 400电流(mA)发射功率(m W )边发光面发光半导体激光二极管（LD ）或简称半导体激光器与发光二极管LED 不同，它通过受激辐射发光，是一种阈值器件。
由于受激辐射与自发辐射的本质不同，导致了半导体激光器不仅能产生高功率（≥10mW ）辐射，而且输出光发散角窄（垂直发散角为30～50°，水平发散角为0～30°），与单模光纤的耦合效率高（约30％～50％），辐射光谱线窄（∆λ＝0.1～1.0nm ），适用于高比特工作，载流子复合寿命短，能进行高速（>20GHz ）直接调制，非常适合于作高速长距离光纤通信系统的光源。
激光是具有极好单色性、方向性和光强的一种光源。
世界上第一台激光器是1960年美国人梅曼发明的红宝石激光器。
实现一个激光器必须满足的三个基本条件是（1）需要有合适的工作物质（发光介质），具有合适的能级分布，可以产生合适波长的光辐射；（2）需要可以实现工作物质粒子数反转分布的激励能源——泵浦源。
（3）需要可以进行方向和频率选择的光学谐振腔。
对于线性度良好的半导体激光器，输出功率可以表示为()2e D th wP I I q η=- 其中（int intmir D mir ηαηαα=+） (2.3) 这里的量子效率ηint ，表征注入电子通过受激辐射转化为光子的比例。
在高于阈值区域，大多数半导体激光器的ηint 接近于1。
式(2.3)表明，激光输出功率决定于内量子效率和光腔损耗，并随着电流而增大，当注入电流I>I th 时，输出功率与I 成线性关系。
其增大的速率即P-I 曲线的斜率，称为斜率效率2e D dP w dI qη= (2.4) P-I 特性是选择半导体激光器的重要依据。
在选择时，应选阈值电流I th 尽可能小，I th 对应P 值小，而且没有扭折点的半导体激光器，这样的激光器工作电流小，工作稳定性高，消光比大，而且不易产生光信号失真。
且要求P-I 曲线的斜率适当。
斜率太小，则要求驱动信号太大，给驱动电路带来麻烦；斜率太大，则会出现光反射噪声及使自动光功率控制环路调整困难。
半导体激光器具有高功率密度和极高量子效率的特点，微小的电流变化会导致光功率输出变化，是光纤通信中最重要的一种光源，激光二极管可以看作为一种光学振荡器，要形成光的振荡，就必须要有光放大机制，也即激活介质处于粒子数反转分布，而且产生的增益足以抵消所有的损耗。
将开始出现净增益的条件称为阈值条件。
一般用注入电流值来标定阈值条件，也即阈值电流I th ，当输入电流小于I th 时，其输出光为非相干的荧光，类似于LED 发出光，当电流大于I th 时，则输出光为激光，且输入电流和输出光功率成线性关系，P-I 特性如图2.2所示。
二、光检测器光检测器是用以将接收到的光信号转换成电流信号。
由于从光纤中传过来的光信号一般都很微弱，因此对光检测器的基本要求：在工作波长上具有足够高的响应度，即对一定的入射光功率，能够输出尽可能大的光电流；有足够快的响应速度，能够适用于高速或宽带系统；具有尽可能低的噪声，以降低器件本身对信号的影响；具有良好的线性关系，保证信号转换过程中的不失真；具有较小的体积、较长的工作寿命等。
1 光电二极管（PIN ）半导体光检测器的核心是PN 结的光电效应。
当PN 结加反向偏压时，外加电场方向与PN 结的内建电场方向一致，势垒加强，在PN 结界面附近载流子基本上耗尽形成耗尽区。
当光束入射到PN 结上，且光子能量h v 大于半导体材料的带隙E g 时，价带上的电子吸收光子能量跃迁到导带上，形成一个电子空穴对。
在耗尽区，电子在内建电场的作用下向N 区漂移，空穴向P 区漂移，如果PN 结外电路构成回路，就会形成光电流。
当入射光功率变化时，光电流也随之线性变化，从而把光信号转换成电流信号。
当入射光子能量小于E g 时，不论入射光有多强，光电效应也不会发生，即光电效应必须满足g hv E > (2.5) 即存在c ghcE λ=(2.6) 为产生光电效应的入射光的最大波长，称为截止波长。
以S i 为材料的光电二极管c=1.06m ，Ge 为材料的光电二极管，c=1.60m 。
利用光电效应可以制造出简单的PN 结光电二极管。
但因为这种简单结构，无法减低暗电流和提高响应度，器件的稳定度也比较差，实际上不适合做光纤通信的检测器。
PIN 光电二极管是在掺杂浓度很高的P 型、N 型半导体之间，生成一层掺杂极低的本征材料，称为I 层。
在外加反向偏置电压作用下，I 层中形成很宽的耗尽层。
而且，I 层吸收系数很小，入射光可以很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量的电子空穴对，因而大幅提高了光电转换效率。
另外，I 层两侧的P 层、N 层很薄，光生载流子的漂移时间很短，大大提高了器件的响应速度。
0 50 I th 100 150注入电流(mA) 图2.2 半导体激光器P —I 曲线功率(m W )3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5描述光电二极管的特性：（1）波长相应范围：半导体光电检测器只可以对一定波长范围的光信号进行有效的光电转换，这一波长范围就是波长响应范围。
（2）响应度：描述光检测器能量转换效率的一个参量。
它定义为p inI R P =(2.7)其中P in 为入射到光电二极管上的光功率，I p 为所产生的光电流。
它的单位为A/W 。
（3）量子效率：量子效率表示入射光子转换为光电子的效率。
它定义为单位时间内产生的光电子数与入射光子数之比，即(2.8)其中e 为电子电荷，其值为1.6⨯10-19C 。
所以有(2.9)式中λ单位取μm 。
可见，光电检测器的相应度随波长的增大而增大。
（4）响应速度：光电检测器的另一个重要参数，经常用响应时间（上升时间和下降时间）来表示。
其主要影响因素有检测器和负载的RC 时间常数、载流子漂移通过耗尽区的渡越时间、耗尽区外产生的载流子扩散引起的延迟。
（5）噪声特性：光电二极管的噪声包括量子噪声、暗电流噪声、漏电流噪声以及负载电阻的热噪声，除负载电阻的热噪声以外，其它都为散弹噪声。
散弹噪声是由于带电粒子产生和运动的随机性而引起的一种具有均匀频谱的白噪声。
2 雪崩光电二极管（APD ）当耗尽区中的场强达到足够高时，入射光产生的电子或空穴将不断被加速而获得很高的能量，这些高能量的电子和空穴在运动过程中与晶格碰撞，使晶体中的原子电离，激发出新的电子空穴对。
这些碰撞电离产生的电子和空穴在场中也被加速，也可以电离其它的原子，重复着这一过程。
经过多次后电离，载流子迅速增加，形成雪崩倍增效应。
APD 就是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的高灵敏度的检测器。
与PIN 相比，雪崩光电二极管的主要特性也包括波长响应范围、量子效率、响应度、响应速度等，除此之外，由于APD 中雪崩倍增效应的存在，APD 的特性还包括雪崩倍增特性、倍增噪声、温度特性等。
题目5：模拟信号光发送与接收系统初级要求：一、任务1 根据激光源的各种参数设计并实现模拟光发送电路。
2 利用PIN检测器实现光接收电路。
3 设计电放大电路。
二、功能要求将信号源的正弦信号，通过光电调制变为光信号，用光纤传输，然后再光电解调，恢复为原始的电信号。
恢复的电信号可随信号源的电信号频率及幅度改变。
三、性能参数要求图4.1 模拟光纤通信系统示意图1 信号源的信号范围为30KHz到2MHz，信号幅度为1V左右的电信号。
2 光发送电路的输出光信号功率为-5dBm到-16dBm，通过LD或LED光源的直流电流为50mA左右，最小不低于30mA最大不大于80mA，光波长为1550nm 或1310nm。
3 接收信号放大后的波形不能失真，低频信号幅度峰峰值为500mv到1v，最好能放大到3v左右。
频率和幅度都能随信号源变化。
高级要求：一、任务1 设计一个低频正弦信号源。
2 设计一个宽频低噪声放大电路。
3 完成高频模拟信号的光收发电路系统。
二、功能要求1 将设计的信号源与光发送电路连接，要求输出与输入阻抗相适应，保证信号的光输出功率。
2 对高频信号源进行电光调制和光电解调并放大。
三、性能参数1 信号源的频率在1KHz到100KHz的低频区或频率在100KHz到2MHz的高频区，频率可调，幅度峰峰值为1v，且幅度可调。
2 光发送电路的输出光信号功率为-5dBm到-16dBm，通过LD或LED光源的直流电流为50mA左右，最小不低于30mA最大不大于80mA，光波长为1550nm 或1310nm。
