光電子技術(shù)復(fù)習(xí)題重慶大學(xué)

1、光電子技術(shù)復(fù)習(xí)題（重慶大學(xué)）光電子技術(shù)復(fù)習(xí)題（重慶大學(xué)）第5章光探測(cè)器：能把光輻射量轉(zhuǎn)換成另一種便于測(cè) 量的物理量的器件光電探測(cè)器：把光輻射量轉(zhuǎn)換成電量（電流或電壓）的光探測(cè)器光電探測(cè)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(cè)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(cè)器輸出信號(hào)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(zhǎng)（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(cè)器響應(yīng)度在入射光波長(zhǎng)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

2、功率NEP:定義為相應(yīng)于單位信噪比的 入射光功率，用來(lái)表征 探測(cè)器探測(cè)能力，NEP 越小，探測(cè)能力越強(qiáng)。歸一化探測(cè)度D* :探測(cè)度D:單位入射功率相 應(yīng)的信噪比。D*表示單位探測(cè)器面積、單位帶 寬的探測(cè)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(dòng)勢(shì)，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） 將保留在材料內(nèi)部。外光電效應(yīng)：將電子打離材料表面，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

3、與金屬組合 的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。光電導(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(hào)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(cè)的光強(qiáng)范圍寬，即可對(duì)強(qiáng)光響應(yīng)，也可對(duì)弱光響應(yīng)3 .無(wú)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(hào)，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(yáng)能電池一一用作電源，測(cè)量光電池一一作光電

4、探測(cè)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，其基本結(jié)構(gòu)也是 一個(gè)PN吉。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。比較：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)面積小；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(jí)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(duì)。5.

5、 雪崩光敏二極管：高反壓(100200 V)強(qiáng)電場(chǎng)載流子加速碰撞新載流子雪崩倍增一一光電流的放大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(cè)器的散粒噪聲是由于探測(cè)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(dòng)引起的低頻噪聲：在低頻時(shí)存在的噪聲，幾乎所有探測(cè)器中都 存在。由于噪聲功率與頻率有近似反比

6、的關(guān)系，也稱為1/f噪聲第1章8. D DD表明電荷產(chǎn)生電場(chǎng)，且電場(chǎng)是有源場(chǎng)9. EEEEt明變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)10. BBBBB1明磁場(chǎng)是無(wú)源場(chǎng)，磁感線總是 閉合曲線11. HHH膜明傳導(dǎo)電流和變化的電場(chǎng)都能 產(chǎn)生磁場(chǎng)12. D=界面兩側(cè)電場(chǎng)的法向分量發(fā)生了 躍變B=界面兩側(cè)磁場(chǎng)的法向分量連續(xù)E=界面兩側(cè)電場(chǎng)的切向分量連續(xù)H=界面兩側(cè)磁場(chǎng)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(méi)有電荷和電 流分布，即JS= 0、 pS= 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)體表面上的邊界條件 理想導(dǎo) 體：電導(dǎo)率為無(wú)限

7、大的導(dǎo)電媒質(zhì) 特征：電磁 場(chǎng)不可能進(jìn)入理想導(dǎo)體內(nèi) 設(shè)媒質(zhì)2為理想導(dǎo) 體，則E2、D2、H2、B2均為零理想導(dǎo)體表面上電荷密度等于 D的法向分量理想導(dǎo)體表面上B的法向分量為0理想導(dǎo)體表面上E的切向分量為0理想導(dǎo)體表面上電流密度等于 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(chǎng)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(dòng)方程均勻平面波是橫電磁波（TEM皮）對(duì)于無(wú)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(jí)上原子數(shù)少于低能級(jí) 上原子數(shù)，故正常情況下

8、，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，故 波長(zhǎng)越 短，自發(fā)輻射幾率越大。12 .激光的縱模：光場(chǎng)沿軸向傳播的振動(dòng)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(chǎng)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(duì)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(duì)稱性可分為軸對(duì)稱橫模 和旋轉(zhuǎn)對(duì)稱橫模。軸對(duì)稱橫模TEMm旋轉(zhuǎn)對(duì)不橫模TEMpl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

9、腔選模第3章1 .單色平面波是指電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁場(chǎng)強(qiáng)度H都以單一頻率 隨時(shí)間作正弦變 化而傳播的波。 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(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/e時(shí)，離光軸的距離定義為該處的光斑半徑只要光學(xué)元件的孔徑大于3/2,即可保證高斯 光束的絕大部分功率有效透 過(guò)4 .在z=0處：波陣面半徑R(0)趨于無(wú)窮波陣面為平面波光斑半徑等于束腰半徑=等于0在z-oo處：波陣面半徑R(0)趨于無(wú)窮波陣面為平面波5 .在

10、z=0處和z8處，R(z)的值均為8 (平面波)，則在中 間某位置必 存在一最小R(z)瑞利長(zhǎng)度(共焦參數(shù))的物理意義：高斯光束傳播過(guò)程中的兩特殊點(diǎn)，在此點(diǎn)，波陣面半徑最小，具有兩 對(duì)稱點(diǎn)(相對(duì)束腰)互為其波面球心。6 .能量密度w:表示場(chǎng)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(guò)垂直于波的傳播方向的單位面積的輻射能。7 .相速度：?jiǎn)紊ǖ牡认辔幻鎮(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(wú)色散等于0,群速等于相速9

11、.(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)，不同頻率的光波傳播速度不同，合成波形在傳播過(guò)程中會(huì)不斷地變化，相速度和群速度不同。二 (3)光波 能量 正比于 電場(chǎng)振幅 的平方，而 群速度是 振幅面?zhèn)鞑サ?速度，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8 2大于入射 角8 1。當(dāng)sin 8 1 = n2/n1時(shí)，8 2為90度，這時(shí)折射角 沿界面掠過(guò)。 若入 射角再增大， 使sin 9 1>n2/n1，這時(shí)不能定義實(shí)數(shù)的折射角。使 90度的入

12、 射角8 1稱為臨界角，記作8 c ,即當(dāng)8 18 c時(shí)，沒(méi)有折射光，入射光全部返回介質(zhì)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)波有一部分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 . k0n1cos 8 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)，可表一 示為：k1x=k0n1cos 0 1特征方程可寫(xiě)為：k1xd是橫過(guò)薄膜的橫向相位變化2小2, 2小3是在邊界上全反射時(shí)的相位

13、突變m是模序數(shù)，當(dāng)m=0 1, 2時(shí)，可得到14 .當(dāng)m=0寸其場(chǎng)沿x方向的變化不足半個(gè)駐波當(dāng)m=1時(shí)，具場(chǎng)沿x方向變化不足一個(gè)駐 波，其他依此類推。因而 m表示了 導(dǎo)波場(chǎng)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，若8 1減小， 則m增大，因而 表明高次模是由入射角9 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(zhǎng)不同。當(dāng) m相同 時(shí)，TE 模的截止波長(zhǎng)較長(zhǎng)，因而在所有的波導(dǎo)模式中，TE0模的截止波長(zhǎng)最長(zhǎng)。18 .由于TE0模的截止波長(zhǎng)最長(zhǎng)，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。

14、如果波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)或選擇的工作波長(zhǎng)只 允許TE0模 傳輸，其他模式均截止，則稱為單模傳輸。單模傳輸?shù)臈l件是19 .對(duì)稱薄膜波導(dǎo)：該式對(duì)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(zhǎng)入Co當(dāng)TE0模出現(xiàn)時(shí)，TMmlg也伴隨出現(xiàn)，這 就叫兼并。 對(duì)于對(duì)稱波導(dǎo)，TM0模截止波長(zhǎng)入c=8,沒(méi)有 截止現(xiàn)象，這是 對(duì)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(lái)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(zhǎng)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

15、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(zhǎng)的 4次方成反比，因而這種損耗隨著波長(zhǎng)的增加而迅速減小。米氏散射非線性散射）其它損耗23.24.傳播常25.色散色散特性：材料色散模式色散波導(dǎo)色散是由光纖的幾何結(jié)構(gòu)決定 數(shù)B隨光信號(hào)角頻率變化而引起的，也波導(dǎo)色散的色散，它是由某一波導(dǎo)模式的 稱結(jié)構(gòu)色散。對(duì)多模光纖，模式數(shù)量大，總色散基本 取決于模式色散其次為材料對(duì)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(chǎng)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，大量電子空穴對(duì)復(fù)合導(dǎo)致發(fā)光LED & LD 1.LED是利用注入有源區(qū)的載流子自發(fā)輻射復(fù)合發(fā)光2.LD是受激輻射復(fù)合發(fā)光3.結(jié)構(gòu)上的差別：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(méi)有諧振腔。4.性能上的差別：LED沒(méi)有 閾值特性，光譜密 度比LD高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，LED 輸出光功率小，發(fā)散角大。能量密度w表示場(chǎng)內(nèi)單位體 積的能量，