第一篇：常用光電子器件介紹

主要光電子器件介紹

【內(nèi)容摘要】

光自身固有的優(yōu)點注定了它在人類歷史上充當(dāng)不可忽略的角色，本文從幾種常見的光電子器件的介紹來展示光纖通信技術(shù)的發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】

光纖通信光電子器件

【正文】

光自身固有的優(yōu)點注定了它在人類歷史上充當(dāng)不可忽略的角色，隨著人類技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用越來越廣泛，優(yōu)點也越來越突出。

將優(yōu)點突出的光纖通信真正應(yīng)用到人類生活中去，和很多技術(shù)一樣，都需要一個發(fā)展的過程。從宏觀上來看，光纖通信主要包括光纖光纜、光電子器件及光通信系統(tǒng)設(shè)備等三個部分，本文主要介紹幾種常見的光電子器件。

1、光有源器件

1)光檢測器

常見的光檢測器包括：PN光電二極管、PIN光電二極管和雪崩光電二極管（APD）。目前的光檢測器基本能滿足了光纖傳輸?shù)囊?，在實際的光接收機中，光纖傳來的信號及其微弱，有時只有1mW左右。為了得到較大的信號電流，人們希望靈敏度盡可能的高。

光電檢測器工作時，電信號完全不延遲是不可能的，但是必須限制在一個范圍之內(nèi)，否則光電檢測器將不能工作。隨著光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率不斷提高，超高速的傳輸對光電檢測器的響應(yīng)速度的要求越來越高，對其制造技術(shù)提出了更高的要求。

由于光電檢測器是在極其微弱的信號條件下工作的，而且它又處于光接收機的最前端，如果在光電變換過程中引入的噪聲過大，則會使信噪比降低，影響重現(xiàn)原來的信號。因此，光電檢測器的噪聲要求很小。

另外，要求檢測器的主要性能盡可能不受或者少受外界溫度變化和環(huán)境變化的影響。

2)光放大器

光放大器的出現(xiàn)使得我們可以省去傳統(tǒng)的長途光纖傳輸系統(tǒng)中不可缺少的光－電－光的轉(zhuǎn)換過程，使得電路變得比較簡單，可靠性也變高。

早在1960年激光器發(fā)明不久，人們就開始了對光放大器的研究，但是真正開始實用化的研究是在1980年以后。隨著半導(dǎo)體激光器特性的改善，首先出現(xiàn)了法布里－泊羅型半導(dǎo)體激光放大器，接著開始了對行波式半導(dǎo)體激光放大器的研究。另一方面，隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了光纖拉曼放大器。80年代后期，摻稀土元素的光纖放大器脫穎而出，并很快達到實用水平，應(yīng)用于越洋的長途光通信系統(tǒng)中。

目前能用于光纖通信的光放大器主要是半導(dǎo)體激光放大器和摻稀土金屬光纖放大器，特別是摻餌光纖放大器（EDFA）倍受青睞。1985年英國南安普頓大學(xué)首次研制成摻餌光纖，1989年以后摻餌光纖放大器的研究工作不斷取得重大

突破。由于光纖放大器的問世，在1990年到1992年不到兩年的時間里，光纖系統(tǒng)的容量竟增加了一個數(shù)量級。而在1982年到1990年的8年時間里，光纖系統(tǒng)的容量才只增加了一個數(shù)量級。光放大器的作用和光纖傳輸容量的突飛猛進，為光纖通信展現(xiàn)了無限廣闊的發(fā)展前景。

當(dāng)前光纖通信系統(tǒng)工作在兩個低損耗窗口：1.55?m波段和1.31?m波段。選擇不同的摻雜元素，可使放大器工作在不同窗口。

非線性的研制始于80年代，并在90年代初取得重大突破。光纖拉曼放大器是利用光纖的非線性光學(xué)效應(yīng)——受激拉曼散射效應(yīng)產(chǎn)生的增益機理而對光信號進行放大的。其優(yōu)點是傳輸線路與放大線路同為光纖，因此，放大器與線路的耦合損耗小，噪聲較低，增益穩(wěn)定性較好。但由于這種光放大器需要很大的泵浦功率（數(shù)百毫瓦）和很長的光纖（數(shù)公里）。另外，光纖拉曼放大器的特性對光纖的偏振狀態(tài)十分敏感。因此，光纖拉曼放大器目前還不能用于光纖通信。

2、光無源器件

光無源器件是光纖通信系統(tǒng)的重要組成部分，在光纖通信向大容量、高速率發(fā)展的今天，光無源器件顯得尤為重要。今年來，新材料、新工藝和新產(chǎn)品在不斷涌現(xiàn)，光無源器件正面臨一個迅速發(fā)展的時期。

1)光纖活動連接器

光纖（纜）活動連接器是實現(xiàn)光纖之間活動連接的光無源器件，它還具有將光纖與其他無源器件、光纖與有源器件、光纖與系統(tǒng)和儀表進行活動連接的功能。在進一步提高光纖活動連接器性能的基礎(chǔ)上，使其向小型化、集成化方向發(fā)展。

光纖活動連接器的集成化，不但增加了連接器的功能，而且更重要的是體高其它器件的密集度和可靠性，給使用者帶來極大方便。

2)固定連接器

固定連接器又稱固定接頭或接線子，它能夠把兩個光纖端面結(jié)合在一起，以實現(xiàn)光纖與光纖之間的永久性連接。固定接頭的制作方法按其工作原理有熔接法、V形槽法、毛細管法、套管法等。

光纖熔接機正朝著兩個方向發(fā)展：一是向全自動、多功能方向發(fā)展；二是向小型化、簡易化方向發(fā)展。目前普遍使用的全自動光纖熔接機設(shè)備笨重，價格昂貴。今后這一機型會朝著提高精度、降低成本、尤其是增加連接芯數(shù)的方向發(fā)展。

同時，隨著光纖應(yīng)用領(lǐng)域的擴大及用戶不同的需要，對光纖熔接技術(shù)的要求也逐漸趨于多樣化。因此，研制小型和超小型熔接機就成為第二個發(fā)展方向。同時致力于多芯光纖熔接機和保偏光纖熔接機的研究生產(chǎn)。

3)光衰減器

光衰減器是光通信中發(fā)展最早的無源器件之一，目前已形成了固定式、步進可調(diào)式、連續(xù)可調(diào)式及智能型光衰減器四種系列。

目前，光衰減器的市場越來越大。由于固定光衰減器具有價格低廉、性能穩(wěn)定、使用簡便等優(yōu)點，所以市場需求比可變光衰減器大一些。而可變光衰減器由于其靈活性，市場需求仍穩(wěn)步增長。

國外的光衰減器性能已達到高性能要求，目前國外的一些光學(xué)器件公司正在不斷開發(fā)各種新型光衰減器，以求獲得性能更高、體積更小、價格更適宜的實用化產(chǎn)品。

從市場需求的角度來看，光衰減器將向著小型化、系列化、低價格的方向發(fā)展。此外，由于普通型光衰減器已相當(dāng)成熟，所以今后的研究將側(cè)重于其高性能方面。

4)無源光耦合器

光耦合器的研制、開發(fā)及應(yīng)用已經(jīng)歷了近四十年，目前基本形成了以熔融拉錐型器件為主、波導(dǎo)器件逐漸發(fā)展的局面。隨著光纖通信、光纖傳感技術(shù)、光纖CATV、局域網(wǎng)、光纖用戶網(wǎng)以及用戶接入網(wǎng)等的迅速發(fā)展，對光耦合器的需求會進一步增大。

當(dāng)前，能進行大批量生產(chǎn)單模光纖耦合器的方法是熔融拉錐法。但是在這種方法中，由于光纖之間的耦合系數(shù)與波長有關(guān)，所以光傳輸波長發(fā)生變化時，耦合系數(shù)也會發(fā)生變化，即耦合比發(fā)生變化，一般它隨波長的變化率為0.2%nm。所以寬帶化是耦合器的一個重要方向。

與此同時，為了適應(yīng)各種光纖網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)量劇增的需要，一方面需要大功率的光源，另一方面在不斷增加耦合器路數(shù)的同時，進一步降低附加損耗、減少器件體積，并提高使用的可靠性。

綜上所述，未來的光耦合器將是寬帶的、集成化的、低損耗和易接入的器件，還應(yīng)根據(jù)要實現(xiàn)多路數(shù)、小型化等。

5)光隔離器

隔離器是一種光單向傳輸?shù)姆腔ヒ灼骷?，它對正向傳輸光具有較低的插入損耗，而對反向傳輸光有很大的衰減作用。

目前，光隔離器已經(jīng)產(chǎn)生了一系列的器件，如陣列光隔離器、小型化光隔離器，還有一些隔離器與WDM、Tap、GFF等濾波器混合的器件，這些器件都已研制成功，并批量生產(chǎn)。到目前為止，自由空間型、偏振相關(guān)型隔離器應(yīng)用較多，主要用于有源器件的封裝。

從實用的角度來看，光隔離器發(fā)展的主要方向是高性能偏振無關(guān)在線型光隔離器、高性能偏振靈敏微型光隔離器以及多功能光隔離器。

6)光開關(guān)

隨著密集波分復(fù)用系統(tǒng)和全光通信網(wǎng)的使用，各結(jié)點上的信號交換直接在光域中完成，這就需要光開關(guān)。由于這些結(jié)點上進行交換的光纖和波長數(shù)量很多，所以這種光開關(guān)應(yīng)當(dāng)是大端口數(shù)的矩陣開關(guān)。因此，光開關(guān)的矩陣化和小型化是光開關(guān)發(fā)展的一個重要趨勢。

今年來出現(xiàn)了能繼承大規(guī)模矩陣陣列而又有良好性能的兩種新型光開關(guān)，即微機械光開關(guān)（MEMS）和熱光開關(guān)。

【參考文獻】

[1] 穆道生主編.現(xiàn)代光纖通信系統(tǒng).北京：科學(xué)出版社，2005.9

[2] 劉增基，周洋溢，胡遼林，周綺麗編著.光纖通信.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2001.8

第二篇：光電子材料與器件

光電子材料與器件

緒論 例舉信息技術(shù)與光電子技術(shù)所涵蓋的幾大方面：

信息技術(shù)主要包括信息的產(chǎn)生、傳輸、獲取、存儲、顯示、處理等六大方面；與之相對應(yīng)的光電子技術(shù)主要包括光的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)化、光傳輸、光探測、光存儲、光顯示、光信息處理。2 簡述光電子技術(shù)的定義及其特征： 光電子技術(shù)：是電子技術(shù)與光子技術(shù)相結(jié)合而形成的一門新興的綜合性的交叉學(xué)科，主要研究光與物質(zhì)中的電子相互作用及其能量相互轉(zhuǎn)換的相關(guān)技術(shù)。

光電子技術(shù)的特征：光源激光化、傳輸波導(dǎo)（光纖）化、手段電子化、現(xiàn)代電子學(xué)中的理論模式和電子學(xué)處理方法光學(xué)化。簡述信息技術(shù)的發(fā)展趨勢及各階段的主要特點： 第一階段——電子信息技術(shù)

其特征是：信息的載體是電子；半導(dǎo)體，計算機等

第二階段——光電子信息技術(shù)

其特征是：光子技術(shù)和電子技術(shù)相結(jié)合；激光器，光纖等 第三階段——光子信息技術(shù)

其特征是：以光子作為信息的載體；全光通信，光計算機等 4 簡述光子傳遞信息的特點：

（1）極快的響應(yīng)時間，可用于超高速、寬帶通信（2）傳輸信息容量大

（3）信息傳輸過程中失真?。?）高抗干擾、高可靠性

（5）光儲存具有儲存量大、速度快、密度高、誤碼率低的優(yōu)點 總之，超高速、抗干擾、大容量、高可靠性是光子技術(shù)的特點。

太陽能電池

1、舉例說明太陽能利用的優(yōu)缺點

優(yōu)點：普遍（不受地域及技術(shù)條件限制，無需開采和運輸）?

潔凈（不產(chǎn)生廢渣、廢水、廢氣，無噪聲，不影響生態(tài)）

?

巨大（1.68×1024cal/年，相當(dāng)于20萬億噸標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒的熱量）

缺點：能流密度低（1kw/m2，需要相當(dāng)大的采光集熱面才能滿足使用要求）

?

不穩(wěn)定（受時間，天氣影響明顯）

大規(guī)模使用的成本和技術(shù)難度均很高（5～15倍）

2、例舉太陽能電池發(fā)展史中的里程碑事件

1839年法國科學(xué)家E.Becquerel發(fā)現(xiàn)液體的光生伏特效應(yīng)（簡稱光伏現(xiàn)象）

1954年美國貝爾實驗室三位科學(xué)家關(guān)于單晶硅太陽電池的研制成功，在太陽電池發(fā)展史上起到里程碑的作用

3、光電效應(yīng)包括哪幾類？舉出每類的代表性器件

光電效應(yīng)(photoelectric effect)：物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量而產(chǎn)生的電效應(yīng)。根據(jù)電子吸收光子能量后的不同行為，光電效應(yīng)可分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。外光電效應(yīng)：在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象。——金屬

§其主要應(yīng)用有光電管和光電倍增管。內(nèi)光電效應(yīng)：光照射到半導(dǎo)體材料上激發(fā)出電子-空穴對而使半導(dǎo)體產(chǎn)生了電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)可分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)?！雽?dǎo)體

光電導(dǎo)效應(yīng)是指光照射下半導(dǎo)體材料的電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，從而引起材料電阻率的變化。其應(yīng)用為光敏電阻?！菊骰驌诫s半導(dǎo)體

光生伏特效應(yīng)是指光照射下物體內(nèi)產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象。其應(yīng)用主要有光伏電池（太陽能電池）、光(電)敏二極管、光(電)敏三極管等。——PN結(jié)半導(dǎo)體

4、簡述太陽能電池的光能-電能轉(zhuǎn)化原理

當(dāng)光照射p-n結(jié)上時，如果入射電子的能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度(Eg)，就會在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生大量的自由載流子-空穴和電子。它們在p-n結(jié)內(nèi)建電場的作用下，空穴往p-區(qū)移動，使p-區(qū)獲得附加正電荷；而電子往n-型區(qū)移動，n-區(qū)獲得負電荷，產(chǎn)生一個光生電動勢，這就是光伏效應(yīng)(光生伏打效應(yīng))。當(dāng)用導(dǎo)線連接p-型區(qū)和n-型區(qū)時，就會形成電流.5、說明太陽能電池結(jié)構(gòu)中金屬梳狀電極以及SiO2保護薄膜的作用

金屬梳狀電極：一方面金屬收集載流子，要比半導(dǎo)體有效；另一方面梳狀不會完全的阻擋陽光，增加了光的入射面積；

SiO2保護膜：硅表面非常光亮，制作者給它涂上了一層反射系數(shù)非常小的SiO2保護膜（減反層），將反射損失減小到5％甚至更??；

6、簡述發(fā)光二極管、太陽能電池以及光電二極管工作原理的異同 太陽能電池和光電二極管都是基于光伏效應(yīng)的光電器件。其主要區(qū)別在于：①光伏電池在零偏置下工作，而光電二極管在反向偏置下工作②光伏電池的摻雜濃度較高1016-19從而具有較強的光伏效應(yīng)，而光電二極管摻雜濃度較低1012-13③光伏電池的電阻率較低0.1-0.01 Ω/cm，而光電二極管則為1000Ω/cm④光伏電池的光敏面積要比光電二極管大得多，因此光電二極管的光電流小得多，一般在uA級。

發(fā)光二極管：Light Emitting Diode，在電場作用下，電子和空穴分別從陰極和陽極注入，空穴和電子在發(fā)光層中相遇、復(fù)合形成激子，激子經(jīng)過馳豫、擴散、遷移等過程復(fù)合而產(chǎn)生光子。

7、推導(dǎo)理想光電池最大輸出功率公式

8、畫出理想太陽電池的等效電路，寫出通過負載電阻的電流公式，開路電壓及短路電流公式。

9、太陽能電池按材料分分哪幾類？例舉各類型中有代表性的太陽能電池。

10、簡述太陽能電池的應(yīng)用能夠解決人類社會發(fā)展在能源和環(huán)境方面的三個主要問題，并逐一舉例說明。

開發(fā)宇宙空間所需要的連續(xù)不斷的能源：太陽電池非常適合空間應(yīng)用，因為它不消耗燃料，不消耗自身、不排放廢物，目前通信衛(wèi)星、空間探測器、空間站等都廣泛采用太陽電池。地面一次能源（天然能源）的獲得，解決礦物燃料短缺與環(huán)境污染問題：目前最重要的地面應(yīng)用為并網(wǎng)發(fā)電,包括城市與建筑結(jié)合得并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)(BIPV)和大型荒漠光伏發(fā)電站.目前60%的太陽電池用于并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng),主要用于城市.日益發(fā)展的消費電子產(chǎn)業(yè)所需要的電力供應(yīng)：太陽電池也作為小功率電源使用,如太陽路燈、庭院燈、草坪燈、太陽能噴泉、太陽能城市景觀、太陽能信號標(biāo)識、太陽能廣告燈箱、太陽能充電器、太陽能鐘、太陽能計算器、汽車換氣扇、太陽能汽車、太陽能游艇等。

光通信

1、從通信波長、傳輸速率、中繼距離等方面說明各代光纖通信系統(tǒng)的主要特點。光纖通信：以光波作為載波；以光纖作為傳輸媒介 1.頻率高、頻帶寬、容量大 2.損耗小，中繼距離長 3.保密性能好 4.抗干擾能力強

5.原料豐富、成本低、重量輕、壽命長

6.耐高溫、耐高壓、抗腐蝕、性能穩(wěn)定、可靠性高

2、光纖通信的主要優(yōu)點有哪些？

3、光纖通信系統(tǒng)的主要組成部分？

光纖通信系統(tǒng)一般由電端機(收發(fā))、光發(fā)射機、光接收機、光中繼器以及光纜等組成。此外還包括一些互連與光信號處理器件，如光纖連接器、隔離器、調(diào)制器、濾波器、光開關(guān)及路由器、分插復(fù)用器ADM等。

4、分別計算光信號在衰減系數(shù)為0.2dB/km、20dB/km與1000dB/km的光纖通信系統(tǒng)傳輸1km，5km以及20km距離后輸出光功率與輸入光功率的比值。

5、分別計算光信號在衰減系數(shù)為0.2dB/km、20dB/km與1000dB/km的光纖通信系統(tǒng)中傳輸時，光功率衰減一半所需要的傳輸距離。

6、簡述光纖通信發(fā)展所經(jīng)歷的三次技術(shù)飛躍。

20世紀60年代。1962年第一臺半導(dǎo)體激光器誕生，隨后半導(dǎo)體光檢測器也研究成功。特別是1966年英籍華人科學(xué)家高錕與Hockham提出用玻璃可以制成衰減為20dB/km的通信光導(dǎo)纖維，1970年美國康寧公司首先制出了20dB/km的光纖，這標(biāo)志著光纖通信系統(tǒng)的實際研究條件得以具備。

20世紀70年代。1970年發(fā)明了LD的雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，使得光源與光檢測器的壽命都達到了10萬小時的實用化水平。1979年發(fā)現(xiàn)了光纖1310nm和1550nm新的低損耗窗口，緊接著單模光纖問世。光纖的衰減系數(shù)一下降到0.5dB/km。這使得光纖通信邁進了實用化階段，從80年代初開始光纖通信便大步地邁向了市場。20世紀90年代初。1989年摻鉺光纖放大器EDFA的研制成功是光纖通信新一輪突破的開始。EDFA的應(yīng)用不僅解決了光纖傳輸衰減的補償問題，而且為一批光網(wǎng)絡(luò)器件的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。使得光纖通信的數(shù)字傳輸速率迅速提高，促成了波分復(fù)用技術(shù)的實用化。

7、光纖通信常用的低損耗窗口有哪些？它們的最低損耗系數(shù)分別是多少？ 光纖通信常用的三個低損耗窗口：

0.85 ?m ：2dB/km、1.31 ?m：0.5dB/km、1.55 ?m：0.2dB/km

1、計算n1=1.52，n2=1.51的階躍光纖在空氣（n0=1）中的數(shù)值孔徑，對于這種光纖來講，最大入射角是多大？

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2、設(shè)光纖的纖芯半徑為25um，折射率n1=1.46，n2=1.45，光纖的工作波長為0.85um，求歸一化頻率及傳播模式數(shù)。如果工作波長為1.3um，傳播模式數(shù)為多少？

3、當(dāng)工作波長λ=1.31μm，某光纖的損耗為0.5dB/km，如果最初射入光纖的光功率是0.5mW，試問經(jīng)過40km以后，輸出光功率？

4、一光信號在光纖中傳輸，入射光功率為200W，經(jīng)過1km傳輸功率變?yōu)?00W，又傳輸一段距離后功率變?yōu)?5W，問后一段距離為多少？

5、影響光纖通信傳輸損耗的因素主要有哪些？目前有幾個通信窗口？為什么光纖通信要向NA?nsin??n?n1.55um的長波方向發(fā)展。

包括本征吸收、雜質(zhì)吸收、原子缺陷三種。

影響較大的是在1.39、1.24、0.95、0.72?m，峰之間的低損耗區(qū)0.85，1.30，1.55 ?m構(gòu)成了光纖通信的三個窗口。

光探測

1.簡述光電效應(yīng)與光熱效應(yīng)的區(qū)別。

光電（光子）效應(yīng)：探測器吸收光子后，直接引起原子或分子內(nèi)部電子狀態(tài)的改變，光子能量的大小直接影響內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。對光波頻率表現(xiàn)出選擇性，響應(yīng)速度一般比較快（ns～us）。

光熱效應(yīng)：探測元件吸收光輻射能量后，并不直接引起內(nèi)部電子狀態(tài)的改變，而是把吸收的光能變?yōu)榫Ц竦臒徇\動能量，引起探測元件溫度上升，溫度上升的結(jié)果又使探測元件的電學(xué)性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化。一般對光波頻率沒有選擇性，響應(yīng)速度比較慢（ms）。2.光電探測器中的常見噪聲有哪些？簡述它們產(chǎn)生的原因。

熱噪聲：或稱約翰遜噪聲，即載流子無規(guī)則的熱運動造成的噪聲。

散粒噪聲：也稱散彈噪聲，穿越勢壘的載流子的隨機漲落（統(tǒng)計起伏）所造成的噪聲。光電探測器的研究表明：散粒噪聲是主要的噪聲來源。

半導(dǎo)體受光照，載流子不斷產(chǎn)生—復(fù)合。在平衡狀態(tài)時，在載流子產(chǎn)生和復(fù)合的平均數(shù)是一定的,但在某一瞬間載流子的產(chǎn)生數(shù)和復(fù)合數(shù)是有起伏的，這種起伏導(dǎo)致載流子濃度的起伏，由這種起伏引起的噪聲產(chǎn)生—復(fù)合噪聲。

1/f噪聲：或稱閃爍噪聲或低頻噪聲。由于光敏層的微粒不均勻或不必要的微量雜質(zhì)的存在，當(dāng)電流流過時在微粒間發(fā)生微火花放電而引起的微電爆脈沖稱為1/f噪聲。3.根據(jù)量子效率的定義推導(dǎo)量子效應(yīng)與電流響應(yīng)度之間的關(guān)系。4.光電倍增管由哪幾部分組成？簡述每部分的作用。

光入射窗：光窗分側(cè)窗式和端窗式兩種，它是入射光的通道。由于光窗對光的吸收與波長有關(guān)，波長越短吸收越多，所以倍增管光譜特性的短波閾值決定于光窗材料。

光電陰極：光電陰極由光電發(fā)射材料制作。光電發(fā)射材料大體可分為：金屬材料、半導(dǎo)體材料。

電子光學(xué)系統(tǒng)：(1)使光電陰極發(fā)射的光電子盡可能全部會聚到第一倍增極上，而將其他部分的雜散電子散射掉，提高信噪比；

(2)使陰極面上各處發(fā)射的光電子在電子光學(xué)系統(tǒng)中有盡可能相等的渡越時間，以保證光電倍增管的快速響應(yīng)。二次發(fā)射倍增系統(tǒng)：倍增系統(tǒng)是由許多倍增極組成的綜合體，每個倍增極都是由二次電子倍增材料構(gòu)成，具有使一次電子倍增的能力。因此倍增系統(tǒng)是決定整管靈敏度最關(guān)鍵的部分。陽極：陽極是采用金屬網(wǎng)作的柵網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，把它置于靠近最末一級倍增極附近，用來收集最末一級倍增極發(fā)射出來的電子。

5.某光電倍增管具有5級倍增系統(tǒng)，倍增系數(shù)（二次發(fā)射系數(shù)）δ=100。如果用λ=488nm，光功率p=10-8w的紫光照射倍增管的光電陰極，假設(shè)光電陰極的量子效率為10%，試計算收集陽極處短路電流強度。（h=6.63×10-34J·s，e=1.602×10-19C，c=3.0×108m/s）

NN解：

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5?19

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1、簡述PN結(jié)的形成過程以及PN型光電二極管的工作原理。

當(dāng)光照射到光電二極管的光敏面上時，能量大于或等于帶隙能量Eg的光子將激勵價帶上的電子吸收光子的能量而躍遷到導(dǎo)帶上（受激吸收），產(chǎn)生電子-空穴對（稱為光生載流子）。電子-空穴對在反向偏置的外電場作用下立即分開并在結(jié)區(qū)中向兩端流動，從而在外電路中形成電流（光電流）。

2、比較PIN型以及APD型光電二極管與PN型光電二極管的異同。

PIN光電二極管是在摻雜濃度很高的P型、N型半導(dǎo)體之間，加一層輕摻雜的N型材料，稱為I（Intrinsic，本征的）層。由于是輕摻雜，電子濃度很低，經(jīng)擴散后形成一個很寬的耗盡層，這樣可以提高其響應(yīng)速度和轉(zhuǎn)換效率。

利用PN結(jié)在高反向電壓下（100-200V，接近反向擊穿電壓），光生載流子在耗盡層內(nèi)的碰撞電離效應(yīng)產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)，實現(xiàn)光電流倍增（電流增益達106）。具有靈敏度高，響應(yīng)速度快的特點。

3、列出熱電器件的種類以及其代表器件。熱敏電阻—輻射熱計效應(yīng) 熱釋電器件—熱釋電效應(yīng) 熱電偶—溫差電效應(yīng)

4、畫出熱釋電探測器的原理圖，并簡述其工作原理。

溫度恒定時，面束縛電荷被晶體內(nèi)部或外部的自由電荷所中和，而觀察不到它的自發(fā)極化現(xiàn)象。因此靜態(tài)時不能測量自發(fā)極化。

當(dāng)溫度變化時，晶體表面的極化電荷則隨之變化（馳豫時間約10－12s），而自由電荷中和面束縛電荷所需時間長（一般在1~103秒量級）因此跟不上它的變化，在來不及中和之前，熱電體側(cè)表面就呈現(xiàn)出相應(yīng)于溫度變化的面電荷變化，失去電的平衡，這時即顯現(xiàn)出晶體的自發(fā)極化現(xiàn)象。

5、簡述各類熱輻射探測器的特點。

熱電器件的共同特點是，光譜響應(yīng)范圍寬，從紫外到毫米量級的電磁輻射幾乎都有相同的響應(yīng)。而且響應(yīng)率都很高，但響應(yīng)速度都較低。

1）由半導(dǎo)體材料制成的溫差電堆：響應(yīng)率很高，但機械強度較差，使用時必須十分當(dāng)心。它的功耗很小，測量輻射時，應(yīng)對所測的輻射強度范圍有所估計，不要因電流過大燒毀熱端的黑化金箔。保存時，輸出端不能短路，要防止電磁感應(yīng)。2）熱敏電阻（測輻射熱計）：響應(yīng)率也很高，對靈敏面采取致冷措施后，響應(yīng)率會進一步提高。但它的機械強度也較差，容易破碎，所以使用時要當(dāng)心。它要求踉它相接的放大器要有很高的輸入阻抗。流過它的偏置電流不能大，免得電流產(chǎn)生的焦耳熱影響靈敏面的溫度。3）熱釋電器件：一種比較理想的熱探測器，機械強度、響應(yīng)率、響應(yīng)速度都很高。但根據(jù)它的工作原理，它只能測量變化的輻射，入射輻射的脈沖寬度必須小于自發(fā)極化矢量的平均作用時間。輻射恒定時無輸出。利用它來測量輻射體溫度時，它的直接輸出，是背景與熱輻PP?I??????e??????eh?hc10?488?10??0.1?100?1.602?106.63?10?3.0?10?3.93A射體的溫差，而不是熱輻射體的實際溫度。另外，因各種熱釋電材料都存在一個居里溫度，所以它只能在低于居里溫度的范圍內(nèi)使用。

光顯示

1，什么是三基色原理？

自然界中任意一種顏色均可以表示為三個確定的相互獨立的基色[紅(700 nm)、綠(546.1 nm)、藍(435.8nm)]的線性組合。將三基色按一定比例相加混合，就可以模擬出各種顏色。2，光度量有哪些？單位分別是什么？

(1)光通量: 單位時間內(nèi)所發(fā)出的光量；單位：流明(lm)。

(2)發(fā)光強度: 在給定方向的單位立體角（）輻射的光通量，單位：坎德拉(cd)。(3)光照度:單位受光面積（S）上所接收的光通量，單位：勒克斯(lx).(4)亮度:垂直于傳播方向單位面積（）上的發(fā)光強度，單位cd/m2 3，黑白CRT主要由哪幾部分構(gòu)成？簡述其工作原理。CRT顯示器的核心部件是CRT顯像管（即陰極射線管），其主要由五部分組成：電子槍(Electron Gun)、偏轉(zhuǎn)線圈(Defiection coils)、蔭罩(Shadow mask)、熒光粉層(Phosphor)及玻璃外殼，其中電子槍是顯像管的核心。

工作時，電子槍中陰極K被燈絲加熱發(fā)射大量的電子，電子束首先由加在第一控制柵極的視頻電信號調(diào)制，然后經(jīng)加速和聚焦后，高速轟擊熒光屏上的熒光體，熒光體發(fā)出可見光。電子束的電流是受顯示信號控制的，信號電壓高，電子槍發(fā)射的電子束流也越大，熒光體發(fā)光亮度也越高——不同灰度級的實現(xiàn)。

最后通過偏轉(zhuǎn)磁軛控制電子束，在熒光屏上從上到下，從左到右依次掃描，從而將圖像或文字完整地顯示在熒光屏上。

4，簡述彩色CRT中蔭罩的作用。

蔭罩的作用——為了防止每個電子束轟擊另外兩個顏色的熒光體，在熒光面內(nèi)設(shè)有選色電極－蔭罩。當(dāng)電子束到達屏幕后部時，還要通過一個非常薄的，大約只有0.1MM厚的蔭罩板，只使有用的電子束通過，無用電子束擊打在蔭罩板上做無用功發(fā)熱。對于原來孔狀的蔭罩板，其上每一個孔都與屏幕上的一組三個熒光粉顆粒相對應(yīng)(一個點有紅綠藍三個熒光粉顆粒組成)。

5，簡述CRT顯示器件的優(yōu)缺點。優(yōu)點：

1、亮度高（可調(diào)）

2、對比度高

3、視角大

4、色彩還原度好

5、色度均勻

6、分辨率高（可調(diào)）

7、響應(yīng)時間短 缺點：

1、耗電量大

2、尺寸大，重量大

3、無法制造較大面積的顯示屏

技術(shù)上的困難：較大真空玻璃外殼容易破裂

顯示面積較大時，掃描頻率降低，無法顯示運動影像

4、受電磁場影響，容易發(fā)生線性失真

5、存在輻射，影響使用者身體健康

1，按照液晶分子排列狀態(tài)分類，液晶可分為哪幾類？簡述它們的分子排列特征。按液晶分子排列狀態(tài)，熱致液晶相可分為三大類：

近晶相液晶:棒狀或條狀分子按層狀排列，二維有序，層內(nèi)分子長軸相互平行，其方向可垂直于層面或與層面傾斜。分子質(zhì)心位置在層內(nèi)無序，分子可在層內(nèi)轉(zhuǎn)動或者滑動。

向列相液晶:由長徑比很大的棒狀分子組成，保持與軸向平行的排列狀態(tài)。分子的重心雜亂無序，并容易順著長軸方向自由移動，像液體一樣富于流動性。

膽甾相液晶:具有層狀結(jié)構(gòu)，分子長軸在層內(nèi)是相互平行的，而在垂直于層的平面上，每層分子都會旋轉(zhuǎn)一個角度。整體呈螺旋結(jié)構(gòu)，螺距的長度與可見光波長相當(dāng)。膽甾型液晶具有負的雙折射性質(zhì).膽甾相和向列相液晶可互相轉(zhuǎn)換。2，何為液晶的電光效應(yīng)？ 電光效應(yīng)：

液晶材料在施加電場（電流）時，其光學(xué)性質(zhì)會發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱為液晶的電光效應(yīng)。

3，說明TN-LCD的工作原理。

當(dāng)入射光通過偏振片后成為線偏振光，在無外電場作用時，由于扭曲向列液晶的旋光特性，線偏光經(jīng)過扭曲向列液晶時偏振方向跟隨扭曲向列液晶旋轉(zhuǎn)90°，在出射處，檢偏片與起偏片相互垂直，旋轉(zhuǎn)了90°的偏振光可以通過，因此呈透光態(tài)。

在有電場作用時，當(dāng)電場大于閾值場強后，液晶盒內(nèi)液晶分子長軸都將沿電場方向排列，即與表面呈垂直排列，此時入射的線偏振光不能得到旋轉(zhuǎn)，因而在出射處不能通過檢偏片，呈不透光態(tài)。

4，何為液晶顯示器的“交叉效應(yīng)”？該效應(yīng)存在于哪幾種液晶顯示器中？

若半選擇點上的有效電壓大于閾值電壓時，在屏幕上將出現(xiàn)不應(yīng)有的顯示，使對比度下降，這就是交叉效應(yīng)。TN、STN-LCD存在所謂的“交叉效應(yīng)”。由于每個像素相當(dāng)于一個電容，當(dāng)一個像素被先通時，相鄰像素將處于半選通狀態(tài)，產(chǎn)生串?dāng)_。因此對于多路、視頻運動圖像的顯示很難滿足要求。5，簡述LCD的優(yōu)缺點。

優(yōu)點：低壓、低功耗；平板結(jié)構(gòu)；顯示信息量大；易于彩色化；長壽命；無輻射、無污染。缺點：顯示視角??；響應(yīng)速度慢；亮度相對較低；對比度低；畫面均勻度相對較差、存在點缺陷。

6，PDP如何實現(xiàn)彩色顯示？。

PDP顯示原理：PDP是利用氣體放電發(fā)光進行顯示的平面顯示板。這種屏幕采用等離子管作為發(fā)光元件，大量等離子管排列構(gòu)成屏幕。每個等離子管對應(yīng)的每個小室內(nèi)部充滿惰性氣體（AC： Ne； DC： Ne, Ar, Hg；彩色：Ne:Xe, Ag:Hg）。等離子管電極間加上高壓后，封裝在兩個玻璃之間的氣體放電，產(chǎn)生等離子體，等離子體產(chǎn)生紫外光照射三基色熒光粉發(fā)出可見光。

第三篇：光電子器件習(xí)題

題型：填空20，選擇20，判斷對錯10，計算題20，簡答題30

1.衡量光電子器件探測能力的參數(shù)有哪些？其中光譜響應(yīng)度和響應(yīng)度，最小可探測功率

和探測率之間具有怎樣的關(guān)系？光電器件的性能參數(shù)主要有哪些？并做簡要說明

2.光電效應(yīng)的種類，解釋什么是內(nèi)光電效應(yīng)，外光電效應(yīng)，光電導(dǎo)效應(yīng)，光伏效應(yīng)。何

為外光電效應(yīng)，何為內(nèi)光電效應(yīng)，分別解釋其原理及利用各自原理的主要器件。

3.光敏電阻的性能特點

4.影響光敏電阻光譜特性的主要有那兩個因素？

5.光敏電阻的光電特性，計算一個照度上會產(chǎn)生多大的電流，或電壓。

6.試解釋光生伏特效應(yīng)。主要的光伏器件有哪些？試以一種器件為例說明其工作原理。

7.2DU型光電二極管環(huán)極的作用及連接方式。

8.推導(dǎo)光電二極管的最小可探測功率。

9.當(dāng)光的增益功率足夠大時就會產(chǎn)生受激吸收和發(fā)射光電子的現(xiàn)像。

10.外光電效應(yīng)的兩個定律是什么，解釋每個個規(guī)定。給出一個閾值功率。代表什么含義。

11.光電被增管的增益和那些因素有關(guān)？（倍增極材料，偏置電壓）調(diào)整偏置電壓時是否

可以改變增益？

12.影響光電倍增管的長波閾值和短波閾值分別是什么？

13.光電倍增管的性能特點及特性參數(shù)的計算。

14.光電成像器件的種類。

15.熱電探測器件有哪些，試簡要說明各自特點。

16.17.18.19.像管的種類與功能。微光像增強器的基本原理與結(jié)構(gòu)。攝像管功能。單個電荷耦合器件的基本原理和信息傳遞過程。

20.CCD的主要特性參數(shù)。

21.如何減少傳遞中的電荷損失，提高轉(zhuǎn)移效率？

22.CCD的上下限頻率特性由什么決定？

23.簡單畫出幀場轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)面陣CCD的結(jié)構(gòu)，并說明其工作原理。

24.CCD圖像傳感器的附加電路有哪些？

25.CMOS圖像傳感器單個像元的工作原理。

26.CCD圖像傳感器與CMOS圖像傳感器實現(xiàn)光電信息轉(zhuǎn)換的相同點和不同點。

27.CMOS圖像傳感器芯片的基本構(gòu)成。

28.比較CCD圖像傳感器與CMOS圖像傳感器不同。

29.致冷型紅外成像器件主要利用黑體的什么定律來實現(xiàn)紅外檢測？

30.SPRITE探測器的工作原理，（光電導(dǎo)效應(yīng)）實現(xiàn)全部掃出必須滿足的兩個條件。

31.微測輻射熱計的工作原理。

32.光子探測器和熱探測器的區(qū)別。

33.熱探測器的基本原理——熱效應(yīng)

34.熱釋電探測器的基本原理——熱釋電效應(yīng)

35.紫外光的劃分。

36.紫外探測的特點。

37.X射線的范圍。

38.人造X射線的工作原理。

第四篇：光電子器件概念總結(jié)

1.光的基本屬性：光的波粒二象性。

2.激光的特性：方向性好、單色性好、亮度高、相干性好。

3.玻爾假說：定態(tài)假設(shè)和躍遷假設(shè)。定態(tài)假設(shè)：原子存在某些定態(tài)，在這些定態(tài)中不發(fā)出也不吸收電磁輻射能。原子定態(tài)的能量只能采取某些分立的值，而不能采取其它值。躍遷假設(shè)：只有當(dāng)原子從較高能量的定態(tài)躍遷到較低能量的定態(tài)時，才能發(fā)射一個能量為h?的光子。

4.光與物質(zhì)的共振相互作用的三種過程：自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射。

5.自發(fā)輻射躍遷幾率的意義：在單位時間內(nèi)，E2能級上N2個粒子數(shù)中自發(fā)躍遷的粒子數(shù)與N2的比值；也可以理解為每一個處于E2能級的粒子在單位時間內(nèi)發(fā)生自發(fā)躍遷的幾率。

6.自發(fā)輻射躍遷壽命：粒子在E2 能級上停留的平均時間稱為粒子在該能級上的平均壽命，簡稱壽命。τ=1/A21 7.亞穩(wěn)態(tài)：壽命特別長的激發(fā)態(tài)稱為亞穩(wěn)態(tài)。

8.受激輻射的光子性質(zhì)：放出光子的頻率、振動方向、相位都與外來光子一致。9.受激吸收和受激輻射這兩個過程的關(guān)系及其宏觀表現(xiàn)：在外來光束照射下，兩能級間受激吸收和受激輻射這兩個過程總是同時存在，相互競爭。當(dāng)吸收過程比受激輻射過程強時，宏觀看來光強逐漸減弱；反之，當(dāng)吸收過程比受激輻射過程弱時，宏觀看來光強逐漸加強。

10.受激輻射與自發(fā)輻射的區(qū)別：最重要的區(qū)別在于光輻射的相干性，由自發(fā)輻射所發(fā)射的光子的頻率、相位、振動方向都有一定的任意性，而受激輻射所發(fā)出的光子在頻率、相位、振動方向上與激發(fā)的光子高度一致，即有高度的簡并性。

11.光譜線加寬現(xiàn)象:實際上光強分布總在一個有限寬度的頻率范圍內(nèi),每一條譜線都有一定的寬度, v = v0只是譜線的中心頻率.這種現(xiàn)象稱為光譜線加寬。

12.譜線加寬的原因:由于能級有一定的寬度。

13.譜線加寬的物理機制分為哪兩大類？它們的區(qū)別？

可以根據(jù)譜線加寬的物理機制，將譜線加寬分為均勻加寬和非均勻加寬。

均勻加寬：引起加寬的物理因素對每個原子都是等同的。發(fā)光粒子的光譜因物理因素加寬后中心頻率不變,由它們迭加成的光源光譜形狀與發(fā)光粒子相同。主要包括自然加寬、碰撞加寬和熱振動加寬等。譜線形狀是洛倫茲形的。非均勻加寬：引起譜線加寬的物理因素對介質(zhì)中的每個發(fā)光原子不一定相同，每個發(fā)光原子所發(fā)的光只對譜線內(nèi)某些確定的頻率。發(fā)光粒子的光譜因物理因素使得中心頻率發(fā)生變化,由它們迭加成的光源光譜形狀與發(fā)光粒子不同。主要包括多普勒加寬和殘余應(yīng)力加寬。譜線形狀是高斯形的。14.譜線加寬對原子與準(zhǔn)單色光輻射場相互作用的影響:由于發(fā)光粒子的譜線加寬，與它相互作用的單色光頻率不一定精確等于粒子中心頻率時才發(fā)生受激躍遷。而在v’=v0附近范圍內(nèi)，都能產(chǎn)生受激躍遷。當(dāng)v‘=v0時躍遷幾率最大，v’ 偏離v0躍遷幾率急劇下降。

15．參與普通光源的發(fā)光的光與物質(zhì)共振相互作用過程:受激吸收和自發(fā)輻射。

16.激光產(chǎn)生的必要條件和充分條件:必要條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布和減少振蕩模式；充分條件：起振和穩(wěn)定振蕩。

17.激光器的基本結(jié)構(gòu)及其各部分的作用:激光工作物質(zhì)、泵浦源、光學(xué)諧振腔。泵浦源：實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)。光學(xué)諧振腔：減少振蕩模式數(shù)。

18.增益飽和現(xiàn)象:當(dāng)入射光強度足夠弱時，增益系數(shù)與光強無關(guān)，是一個常量；而當(dāng)入射光強增加到一定時，增益系數(shù)將減小，這種現(xiàn)象稱為增益飽和現(xiàn)象

19.二能級系統(tǒng)為什么不能充當(dāng)激光工作物質(zhì)？光抽運可以將粒子從低能級抽運到高能級。在二能級系統(tǒng)中，由于發(fā)生受激吸收和受激輻射的幾率是相同的（B12=B21），最終只有達到兩個能級的粒子數(shù)相等而使系統(tǒng)趨向穩(wěn)定。20.三能級和四能級系統(tǒng)如何實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？為什么四能級系統(tǒng)比三能級系統(tǒng)的效率高？

E1為基態(tài)，E2、E3 為激發(fā)態(tài)，中間能級E2為亞穩(wěn)態(tài)。在泵浦作用下，基態(tài)E1的粒子被抽運到激發(fā)態(tài)E3上，E1上的粒子數(shù)N1隨之減少。但由于E3能級的壽命很短，粒子通過碰撞很快地以無輻射躍遷的方式轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)E2上。由于E2態(tài)壽命長，其上就累積了大量的粒子，即N2大于N1，于是實現(xiàn)了亞穩(wěn)態(tài)E2與基態(tài)E1間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。

四能級系統(tǒng)是使系統(tǒng)在兩個激發(fā)態(tài)E2、E1之間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。因為這時低能級E1 不是基態(tài)而是激發(fā)態(tài)，其上的粒子數(shù)本來就極少，所以只要亞穩(wěn)態(tài)E2上的粒子數(shù)稍有積累，就容易達到N2 大于N1，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，在能級E2、E1 之間產(chǎn)生激光。于是，E3 上的粒子數(shù)向E2 躍遷，E1上的粒子數(shù)向E0 過渡，整個過程容易形成連續(xù)反轉(zhuǎn)因而四能級系統(tǒng)比三能級系統(tǒng)的效率高。21.激光的縱模和橫模:光場沿軸向傳播的振動模式稱為縱模；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。22.激光橫模形成的主要因素: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。23.激活離子:為產(chǎn)生激光發(fā)射作用而摻入的離子。

24.固體激光器的基本構(gòu)成:工作物質(zhì)、泵浦系統(tǒng)、諧振腔和冷卻、濾光系統(tǒng)。25.紅寶石激光器的激活離子和能級系統(tǒng):Cr3+ 三能級系統(tǒng)。26.Nd3+:YAG的能級系統(tǒng):四能級系統(tǒng)。

27.He-Ne激光器的基本結(jié)構(gòu)？其中激光管主要包括哪三部分？激光管和激光電源。放電管、電極和光學(xué)諧振腔。

28.在He-Ne激光器中，為保證632.8nm譜線起振并提高其輸出功率, 設(shè)法抑制3.39μm譜線的振蕩所采取的方法？棱鏡色散法；腔內(nèi)放置甲烷吸收盒；外加非均勻磁場法

29.雙簡并半導(dǎo)體的能帶特點：半導(dǎo)體中存在兩個費米能級。兩個費米能級使得導(dǎo)帶中有自由電子；價帶中有空穴。

30.pn結(jié)如何形成雙簡并能帶結(jié)構(gòu)：當(dāng)給P－N 結(jié)加以正向電壓V時，原來的自建場將被削弱，勢壘降低，破壞了原來的平衡，引起多數(shù)載流子流入對方，使得兩邊的少數(shù)載流子比平衡時增加了，這些增加的少數(shù)載流子稱為“非平衡載流子”。這種現(xiàn)象叫做“載流子注入”。此時結(jié)區(qū)的統(tǒng)一費米能級不復(fù)存在，形成結(jié)區(qū)的兩個費米能級EF+和EF-，稱為準(zhǔn)費米能級。它們分別描述空穴和電子的分布。在結(jié)區(qū)的一個很薄的作用區(qū)，形成了雙簡并能帶結(jié)構(gòu)。31.同質(zhì)結(jié)砷化鎵(GaAs)激光器的特性 ：單向?qū)щ娦?/p>

32.從提高雙異質(zhì)結(jié)型半導(dǎo)體激光器的性能要求出發(fā),對異質(zhì)結(jié)兩側(cè)的材料的技術(shù)要求：(1)要求兩種材料的晶格常數(shù)盡可能相等,若在結(jié)合的界面處有缺陷,載流子將在界面處復(fù)合掉,不能起到有效的注入、放大和發(fā)光的作用;(2)為了獲得較高的發(fā)光效率,要求材料是直接躍遷型的;(3)為了獲得高勢壘,要求兩種材料的禁帶寬度有較大的差值。

33.雙異質(zhì)結(jié)型半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)：雙異質(zhì)結(jié)（DH)LD由三層不同類型的半導(dǎo)體材料構(gòu)成，不同材料發(fā)不同的波長。結(jié)構(gòu)中間一層窄帶隙P型半導(dǎo)體為有源層，兩側(cè)分別為寬帶隙的P型和N型半導(dǎo)體是限制層，三層半導(dǎo)體置于基片上，前后兩個晶體解理面為反射鏡構(gòu)成諧振腔。光從有源層沿垂直于PN結(jié)的方向射出。34.光波導(dǎo)的分類：（1）平板波導(dǎo)、（2）矩形波導(dǎo)、（3）圓柱形波導(dǎo)

35.以非對稱型平板介質(zhì)波導(dǎo)為例，平板介質(zhì)中可能存在的模式？以及相應(yīng)的入射角與全反射角的關(guān)系？ 包層模、襯底模和導(dǎo)模θ1<θc13<θc12，θc13<θ1<θc12，θc13<θc12<θ1 36.從平板介質(zhì)波導(dǎo)中的導(dǎo)波的特征方程，入射角與模序數(shù)的關(guān)系：由特征方程還可以看出，在其他條件不變的情況下，若θ1減小，則m增大，因而表明高次模是由入射角θ1較小的平面波構(gòu)成的。

37.截止波長是的定義：當(dāng)θ1=θc12 時處于截止的臨界狀態(tài)，導(dǎo)波轉(zhuǎn)化為輻射模，此時的波長就是該模式的截止波長。

38.在非對稱型平板介質(zhì)波導(dǎo)所有模式中，截止波長最長的模式？以及單模傳輸?shù)臈l件？TE0模的截止波長最長。λc(TM0)<λ0<λc(TE0)39.在對稱型的平板介質(zhì)波導(dǎo)中的兩種特殊的現(xiàn)象：當(dāng)TEm模出現(xiàn)時TMm模也伴隨出現(xiàn)的兼并現(xiàn)象和沒有截止現(xiàn)象。40.光纖的基本結(jié)構(gòu)：由折射較高的纖芯和折射率較低的包層組成。

41.光纖涂覆層的作用：涂覆層的作用則是隔離雜散光、提高光纖強度和保護光纖等。

42.光纖是否為單模傳輸與什么有關(guān)：與光纖自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)和光纖中傳輸?shù)墓獠ㄩL有關(guān)。

43.漸變型光纖與階躍型光纖的區(qū)別：漸變型光纖與階躍型光纖的區(qū)別在于其纖芯的折射率不是常數(shù)，而是隨半徑的增加而遞減直到等于包層的折射率

44.光調(diào)制：光調(diào)制就是將一個攜帶信息的信號疊加到載波光波上 45.這些參數(shù)包括：光波的振幅、位相、頻率、偏振、波長等。

46.什么是內(nèi)調(diào)制，什么是外調(diào)制：振幅內(nèi)調(diào)制是將要傳輸?shù)男盘栔苯蛹虞d于光源，改變光源的輸出特性來實現(xiàn)調(diào)制。外調(diào)制是在光源外的光路上放置調(diào)制器，將要傳輸?shù)男盘柤虞d于調(diào)制器上，當(dāng)光通過調(diào)制器時，透過光的物理性質(zhì)將發(fā)生改變，實現(xiàn)信號的調(diào)制。

47.調(diào)制的波形特點：調(diào)幅波的振幅（包絡(luò)）變化規(guī)律與調(diào)制信號波形一致；調(diào)幅度ma反映了調(diào)幅的強弱程度

48.電光效應(yīng)：某些晶體在外加電場的作用下，其折射率將發(fā)生變化，當(dāng)光波通過此介質(zhì)時，其傳輸特性就受到影響而改變

49.KDP晶體在外加電場時，折射率橢球體的變化：KDP晶體沿 z（主）軸加電場時，由單軸晶變成了雙軸晶體，折射率橢球的主軸繞z軸旋轉(zhuǎn)了45o角，此轉(zhuǎn)角與外加電場的大小無關(guān)，其折射率變化與電場成正比。

50.什么是縱向電光效應(yīng)，什么是橫向電光效應(yīng)？電場方向與通光方向一致, 稱為縱向電光效應(yīng);電場與通光方向相垂直, 稱為橫向電光效應(yīng)。

51.半波電壓：當(dāng)光波的兩個垂直分量Ex’ , Ey’ 的光程差為半個波長(相應(yīng)的相位差為π)時所需要加的電壓，稱為“半波電壓”。52.電光強度調(diào)制器件的器件組成及工作原理：①起偏器、電光晶體、檢偏器、1/4波片。②當(dāng)一束線偏振光沿著 z 軸方向入射晶體, 且 E 矢量沿 x 方向，進入晶體(z=0)后即分解為沿 x’ 和 y’方向的兩個垂直偏振分量。由于二者的折射率不同, 則沿x’ 方向振動的光傳播速度快, 而沿 y’ 方向振動的光傳播速度慢, 當(dāng)它們經(jīng)過長度 L 后所走的光程分別為 nx’L 和ny’L, 這樣, 兩偏振分量產(chǎn)生相位延遲，這個相位差作用就會改變出射光束的偏振態(tài)。如果在晶體的輸出端放置一個與入射光偏振方向相垂直的偏振器，當(dāng)晶體上所加的電壓變化時。從檢偏器輸出的光只是橢圓偏振光的Y向分量，因而可以把偏振態(tài)的變化變換成光強度的變化

53.電光開關(guān)原理：電光開關(guān)的基本結(jié)構(gòu)與電光調(diào)制器類似。在晶體前后放置兩塊通光方向相互垂直的偏振片，根據(jù)晶體性質(zhì)，在兩端加上相應(yīng)的半波電壓，使得進入晶體的偏振光在經(jīng)過晶體后的偏振方向改變了? /2，正好與檢偏器的通光方向一致，因而光波能完全通過，相當(dāng)于開關(guān)接通的情況；如果不加電壓，使得從晶體中出射光的偏振方向與檢偏器的通光方向垂直，光波完全被阻擋，相當(dāng)于開關(guān)斷開的情況。

54.聲光效應(yīng)：聲波在介質(zhì)中傳播時，它使介質(zhì)產(chǎn)生相應(yīng)的彈性形變，從而激起介質(zhì)中各質(zhì)點沿聲波的傳播方向振動，引起介質(zhì)的密度呈疏密相間的交替變化，因此，介質(zhì)的折射率也隨著發(fā)生相應(yīng)的周期性變化。超聲場作用的這部分如同一個光學(xué)的“相位光柵”，該光柵間距(光柵常數(shù))等于聲波波長?s。當(dāng)光波通過此介質(zhì)時，就會產(chǎn)生光的衍射。其衍射光的強度、頻率、方向等都隨著超聲場的變化而變化。

55.光相互作用的兩種類型及其區(qū)別：拉曼—納斯衍射：超聲波頻率較低。布拉格衍射：聲波頻率較高。56.聲光體調(diào)制器的組成：聲光介質(zhì)、電—聲換能器、吸聲(或反射)裝置及驅(qū)動電源等。

57.聲光調(diào)制的工作過程：根據(jù)聲光調(diào)制器的工作過程，首先是由電—聲換能器把電振蕩轉(zhuǎn)換成超聲振動，再通過換能器和聲光介質(zhì)間的粘合層把振動傳到介質(zhì)中形成超聲波，當(dāng)光波通過聲光介質(zhì)時，由于聲光作用，使光載波受到調(diào)制而成為“攜帶”信息的強度調(diào)制波。

58．磁光調(diào)制的工作過程：磁光調(diào)制是電信號先轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的交變磁場，由磁光效應(yīng)改變在介質(zhì)中傳輸?shù)墓獠ǖ钠駪B(tài)，從而達到改變光強度等參量的目的。

59.光電探測器：對各種光輻射進行接收和探測的器件。

60.光電探測的物理效應(yīng)的三大類：光電效應(yīng)、光熱效應(yīng)、波擾動效應(yīng)。

61.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)。

62.光熱效應(yīng)：器件吸收入射輻射功率產(chǎn)生溫升，溫升引起材料某種有賴于溫度的參量的變化，檢測該變化，可以探知輻射的存在和強弱。

63.內(nèi)光電效應(yīng)以及包括的兩類效應(yīng)：光子激發(fā)的載流子(電子或空穴)將保留在材料內(nèi)部，主要包括光電導(dǎo)效應(yīng)和光伏效應(yīng)。64.光電導(dǎo)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

65.光伏效應(yīng)：光伏效應(yīng)指光照使不均勻半導(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。

66.光生伏特效應(yīng)過程：當(dāng)光照射pn結(jié)時，只要光子能量大于禁帶寬度，無論p區(qū)、n區(qū)或結(jié)區(qū)都會產(chǎn)生少數(shù)載流子。那些在結(jié)附近n區(qū)中產(chǎn)生的少數(shù)載流子離pn結(jié)的距離小于它的擴散長度，總有一定概率擴散到結(jié)界面處，它們一旦到達pn結(jié)界面處，就會在結(jié)電場作用下被拉向p區(qū)。同樣，如果在結(jié)附近p區(qū)中產(chǎn)生的少數(shù)載流子擴散到結(jié)界面處，也會被結(jié)電場迅速拉向n區(qū)。結(jié)內(nèi)產(chǎn)生的電子-空穴對在結(jié)電場作用下分別被移向n區(qū)和p區(qū)。如果電路處于開路狀態(tài)，光生電子和空穴積累在pn結(jié)附近，使p區(qū)獲得附加正電荷，n區(qū)獲得附加負電荷，使pn結(jié)獲得光生電動勢。

67.光子器件和熱電器件的區(qū)別：光子器件響應(yīng)波長有選擇性，熱電器件波長無選擇性，光子器件響應(yīng)快，熱電器件響應(yīng)慢。69.為什么光電探測器存在噪聲？光探測器會有哪些噪聲？在光電轉(zhuǎn)換過程中，半導(dǎo)體中的電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶，或者電子逸出材料表面等過程，都是一系列獨立事件，是一種隨機的過程。每一瞬間出現(xiàn)多少載流子是不確定的，所以隨機的起伏將不可避免地與信號同時出現(xiàn)。尤其在信號較弱時，光電探測器的噪聲會顯著地影響信號探測的準(zhǔn)確性。光電探測器的噪聲可大致分為散粒噪聲、產(chǎn)生—復(fù)合噪聲、光子噪聲、熱噪聲和低頻噪聲。

第五篇：淺談納米光電子器件的發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 量子線激光器

近日，科學(xué)家研制出功率比傳統(tǒng)激光器大1000倍的量子線激光器，從而向創(chuàng)造速度更快的計算機和通信設(shè)備邁進了一大步。這種激光器可以提高音頻、視頻、因特網(wǎng)及其他采用光纖網(wǎng)絡(luò)的通信方式的速度，它是由來自耶魯大學(xué)、位于新澤西洲的朗訊科技公司貝爾實驗室及德國德累斯頓馬克斯·普朗克物理研究所的科學(xué)家們共同研制的。這些較高功率的激光器會減少對昂貴的中繼器的要求，因為這些中繼器在通信線路中每隔80km（50mile）安裝一個，再次產(chǎn)生激光脈沖，脈沖在光纖中傳播時強度會減弱（中繼器）。

3.2 量子點激光器

由直徑小于20nm的一堆物質(zhì)構(gòu)成或者相當(dāng)于60個硅原子排成一串的長度的量子點，可以控制非常小的電子群的運動而不與量子效應(yīng)沖突?？茖W(xué)家們希望用量子點代替量子線獲得更大的收獲，但是，研究人員已制成的量子點激光器卻不盡人意。原因是多方面的，包括制造一些大小幾乎完全相同的電子群有困難。大多數(shù)量子裝置要在極低的溫度條件下工作，甚至微小的熱量也會使電子變得難以控制，并且陷入量子效應(yīng)的困境。但是，通過改變材料使量子點能夠更牢地約束電子，日本電子技術(shù)實驗室的松本和斯坦福大學(xué)的詹姆斯和哈里斯等少數(shù)幾位工程師最近已制成可在室溫下工作的單電子晶體管。但很多問題仍有待解決，開關(guān)速度不高，偶然的電能容易使單個電子脫離預(yù)定的路線。因此，大多數(shù)科學(xué)家正在努力研制全新的方法，而不是仿照目前的計算機設(shè)計量子裝置。微腔激光器

微腔激光器是當(dāng)代半導(dǎo)體研究領(lǐng)域的熱點之一，它采用了現(xiàn)代超精細加工技術(shù)和超薄材料加工技術(shù)，具有高集成度、低噪聲的特點，其功耗低的特點尤為顯著，100萬個激光器同時工作，功耗只有5W。

該激光器主要的類型就是微碟激光器，即一種形如碟型的微腔激光器，最早由貝爾實驗室開發(fā)成功。其內(nèi)部為采用先進的蝕刻工藝蝕刻出的直徑只有幾微米、厚度只有100nm的極薄的微型園碟，園碟的周圍是空氣，下面靠一個微小的底座支撐。由于半導(dǎo)體和空氣的折射率相差很大，微碟內(nèi)產(chǎn)生的光在此結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)射，直到所產(chǎn)生的光波積累足夠多的能量后沿著它的邊緣折射，這種激光器的工作效率很高、能量閾值很低，工作時只需大約100μA的電流。

長春光學(xué)精密機械學(xué)院高功率半導(dǎo)體激光國家重點實驗室和中國科學(xué)院北京半導(dǎo)體研究所從經(jīng)典量子電動力學(xué)理論出發(fā)研究了微碟激光器的工作原理，采用光刻、反應(yīng)離子刻蝕和選擇化學(xué)腐蝕等微細加工技術(shù)制備出直徑為9.5μm、低溫光抽運InGaAs／InGaAsP多量子阱碟狀微腔激光器。它在光通訊、光互聯(lián)和光信息處理等方面有著很好的應(yīng)用前景，可用作信息高速公路中最理想的光源。

微腔光子技術(shù)，如微腔探測器、微腔諧振器、微腔光晶體管、微腔放大器及其集成技術(shù)研究的突破，可使超大規(guī)模集成光子回路成為現(xiàn)實。因此，包括美國在內(nèi)的一些發(fā)達國家都在微腔激光器的研究方面投人大量的人力和物力。長春光機與物理所的科技人員打破常規(guī)，用光刻方法實現(xiàn)了碟型微腔激光器件的圖形轉(zhuǎn)移，用濕法及干法刻蝕技術(shù)制作出碟型微腔結(jié)構(gòu)，在國內(nèi)首次研制出直徑分別為8μm、4.5μm和2μm的光泵浦InGaAs／InGaAsP微碟激光器。其中，2μm直徑的微碟激光器在77K溫度下的激射闊值功率為5μW，是目前國際上報道中的最好水平。此外，他們還在國內(nèi)首次研制出激射波長為1.55μm，激射閾值電流為2.3mA，在77K下激射直徑為10μm的電泵浦InGaAs／InGaAsP微碟激光器以及國際上首個帶有引出電極結(jié)構(gòu)的電泵浦微柱激光器。值得一提的是，這種微碟激光器具有高集成度、低閾值、低功耗、低噪聲、極高的響應(yīng)、可動態(tài)模式工作等優(yōu)點，在光通信、光互連、光信息處理等方面的應(yīng)用前景廣闊，可用于大規(guī)模光子器件集成光路，并可與光纖通信網(wǎng)絡(luò)和大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路匹配，組成光電子信息集成網(wǎng)絡(luò)，是當(dāng)代信息高速公路技術(shù)中最理想的光源；同時，可以和其他光電子元件實現(xiàn)單元集成，用于邏輯運算、光網(wǎng)絡(luò)中的光互連等。新型納米激光器

據(jù)報道，世界上最早的納米激光器是由美國加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家于2001年制造的，當(dāng)時使用的是氧化鋅納米線，可發(fā)射紫外光，經(jīng)過調(diào)整后還能發(fā)射從藍色到深紫外的激光。但是，美中不足的是只有用另一束激光將納米線中的氧化鋅晶體激活，其才會發(fā)射出激光。而新型納米激光器具備了電子自動開關(guān)的性能，無需借助外力激活，這無疑會使其實用性大為增強。