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光电子技术LectureNew11PPT
光电子技术（11）
折射率椭球
在各向异性晶体中，电位移矢量 D 与电场矢量 E 之间通过电介张
量联系起来，即：
D [ij ]E
通过选择适当的坐标系XYZ，可以实现电介张量[ij]的对角化，即
ij 0i
i j i j
称这样的XYZ坐标轴为介电主轴。在介电主轴坐标系中，光率体
为一椭球，椭球方程为：
x2 y2 z2 1
x2 y2 n02
z2 ne2
2 41Ex yz
2 41Ey xz
2 63Ez xy
1
四、纵向和横向电光调制
纵向电光调制指电场方向与光波矢量平行，而横向电光调制指电场 方向与光波矢量垂直。
复习要点
1、脉冲调制技术，物理意义及调制信号的数学表示？ 2、脉冲编码调制？量化、编码的物理意义？
3、脉冲编码技术？脉冲编码调制的优点，缺点？ 4、双折射现象、主平面、主截面？O、e光的偏振态？
光电子技术（11）
PCM包括强度、频率和相位调制 1、PCM强度调制 强度调制就是以强脉冲表示数字位“1”，而以弱脉冲表示数字位 “0”。如8位A/D采样获得的8位字“11001001”的强度调制脉冲为：
201
2、PCM频率调制
PCM频率调制是利用两种不同频率的激光脉冲分别表示数字位“1” 和“0”。例如8位字“11001001”的频率调制为： 3、PCM相位调制 PCM相位调制相当于脉冲位置调制。以标准位置脉冲表示位“1”，
在任意直角坐标系中，折射率椭球方程可表示为：
光电子技术（11）
a11x2 a22 y2 a33z2 2a12 xy 2a23 yz 2a31xz 1
外电场作用下，折射率椭球系数发生变化，变化量为：
光电子技术课件
03
光电子技术的 突破：20世纪 中叶，激光器 的发明和光纤 技术的发展
04
光电子技术的应 用：20世纪末， 光电子技术在通 信、医疗、军事 等领域的应用越 来越广泛
光电子技术的未来趋势
光通信技术的发 展：高速、大容
量、低功耗 1
光电子技术的智 4
能化：与人工智 能、大数据等技
术的融合
光电子器件的微 型化：更小、更
C
B
光电探测：用于侦察、监 视和预警
D
光电导航：为武器装备提 供精确制导和导航服务
4
技术难题
光电子技术的 光电子技术的 基础理论研究 应用领域拓展
光电子技术的 光电子技术的
产业化发展
人才队伍建设
30% 10%
55%
5%
市场前景
01 光电子技术在通信、医疗、 能源等领域具有广泛的应 用前景
02 光电子技术在5G、物联 网、人工智能等新兴技术 领域具有巨大的市场潜力
01
兹发现光电效应 量子力学的建立：1925年，海
02
森堡提出量子力学理论 激光的发明：1960年，梅曼发
03
明激光 光电子技术的发展：20世纪70
04
年代，光电子技术开始快速发展
光电子技术的发展
01
光电子技术的 起源：19世纪 末，光电效应 的发现
02
光电子技术的 发展：20世纪 初，光电子技 术的应用开始 出现
光电效应的应用：光电管、光电池、光电倍增管等光电器件。
光电子器件
光电二极管：将光信号 转换为电信号的器件
01
光敏三极管：将光信号
06
02
转换为电压变化的器件
光电三极管：将光信号 转换为电流信号的器件
光电子技术复习
光电⼦技术复习第⼀章1、光电⼦技术的定义光电⼦技术是光学技术与电⼦技术结合的产物，是电⼦技术在光频波段的延续和发展。
是研究光（特别是相⼲光）的产⽣、传输、控制和探测的科学技术。
2、电磁波的性质1.电磁波的电场和磁场都垂直于博得传播⽅向，三者相互垂直，电磁波是横波，和传播⽅向构成右⼿螺旋关系。
2.沿给定⽅向传播的电磁波，电场和磁场分别在各⾃平⾯内振动，称为偏振。
3.空间个点磁场电场都做周期性变化，相位同时达到最⼤或最⼩。
4.任意时刻，在空间任意⼀点，H E µε=5.电磁波真空中传播速度为001µε=c ，介质中的为εµ1=v3、⾊温的概念规定两波长处具有与热辐射光源的辐射⽐率相同的⿊体的温度。
4、辐射度学与光度学的基本物理量作业：1、2第⼆章⼀、光波在⼤⽓中的传播1、光波在⼤⽓中传播时，引起的光束能量衰减和光波的振幅和相位起伏因素光波在⼤⽓中传播时，⼤⽓⽓体分⼦及⽓溶胶的吸收和散射会引起的光束能量衰减，空⽓折射率不均匀会引起的光波振幅和相位起伏2、⼤⽓分⼦散射的定义、特点；瑞利散射的定义和特点定义：当光线穿过地球周围的⼤⽓时，它的⼀些能量向四⾯⼋⽅反射。
特点：波长较短的光容易被散射，波长较长的光不容易被散射。
瑞利散射定义：在可见光和近红外波段，辐射波长总是远⼤于分⼦的线度，这⼀条件下的散射为瑞利散射。
瑞利散射特点：波长越长，散射越弱；波长越短，散射越强烈。
所以天空呈蓝⾊。
3、⼤⽓⽓溶胶的定义、瑞利散射、⽶-德拜散射；⼤⽓⽓溶胶：⼤⽓中有⼤量的粒度在0.03 µm到2000 µm之间的固态和液态微粒，它们⼤致是尘埃、烟粒、微⽔滴、盐粒以及有机微⽣物等。
由这些微粒在⼤⽓中的悬浮呈胶溶状态，所以通常⼜称为⼤⽓⽓溶胶。
瑞利散射：散射粒⼦的尺⼨远⼩于光波长时，散射光强。
⽶德拜散射：散射粒⼦的尺⼨⼤于等于光波长时，散射光强对波长的依赖性不强。
⼆、光波在电光晶体中的传播1、电光效应的定义及分类电光效应：在外电场作⽤下，晶体的折射率发⽣变化的现象。
光电子学完整PPT课件
第一章 电磁波与光波（理论基础） 第二章 激光与半导体光源 第三章 光波的传输 第四章 光波的调制 第五章 光波的探测与解调
.
未来是光通信的世界。
第一章 光波与电磁波
➢麦克斯韦方程组的积分形式 ➢高斯定理 斯托克斯定律 ➢麦克斯韦方程组的微分形式 ➢边界条件 ➢电磁波的性质 ➢电磁波谱
.
麦克斯韦方程组及其物理意义
E和H幅度成比例、复角相等
0E0 0H0
E H
电磁波的传播速度
v 1 k 00
C
1
00
3108.m/ s
介质中 真空中
为什么说光波是电磁波?
1) 根据麦氏方程推导, 电磁波在真空中的速度为
c 1 3.107 140 8ms
00
当时通过实验测得的真空中的光速也为 3108 m s
2) 根据麦氏方程: 电磁波在介质中的速度为
玻尔频率条件： h En Em 或 En Em
h
式中h为普郎克常数：
h 6 .6 2 1 3 0 J 4s
.
激光的基本原理、特性和应用 ——玻尔假说
原子能级
原子从高能级向低能 级跃迁时，相当于光 的发射过程；而从低 能级向高能级跃迁时， 相当于光的吸收过程； 两个相反的过程都满 足玻尔条件。
（对于非铁磁质）
v c
根据光学中折射率的定义，则
.
v c
nc vc vn
为什么说光波是电磁波?
如果光波是电磁波，比较上面两式：
v c 和v c
n
n
麦克斯韦 关系式
➢而当时测得的无极分子物质，按上式计算的折射率与测量的折射率 能很好的符合。 ➢当时测得的为有极分子物质，上式中的ε用光波频率时的值，则上式 就成立了。平时ε在低频电场下测量。 ➢所以麦克斯韦判定，光波是电磁波。
.
未来是光通信的世界。
第一章 光波与电磁波
➢麦克斯韦方程组的积分形式 ➢高斯定理 斯托克斯定律 ➢麦克斯韦方程组的微分形式 ➢边界条件 ➢电磁波的性质 ➢电磁波谱
.
麦克斯韦方程组及其物理意义
E和H幅度成比例、复角相等
0E0 0H0
E H
电磁波的传播速度
v 1 k 00
C
1
00
3108.m/ s
介质中 真空中
为什么说光波是电磁波?
1) 根据麦氏方程推导, 电磁波在真空中的速度为
c 1 3.107 140 8ms
00
当时通过实验测得的真空中的光速也为 3108 m s
2) 根据麦氏方程: 电磁波在介质中的速度为
玻尔频率条件： h En Em 或 En Em
h
式中h为普郎克常数：
h 6 .6 2 1 3 0 J 4s
.
激光的基本原理、特性和应用 ——玻尔假说
原子能级
原子从高能级向低能 级跃迁时，相当于光 的发射过程；而从低 能级向高能级跃迁时， 相当于光的吸收过程； 两个相反的过程都满 足玻尔条件。
（对于非铁磁质）
v c
根据光学中折射率的定义，则
.
v c
nc vc vn
为什么说光波是电磁波?
如果光波是电磁波，比较上面两式：
v c 和v c
n
n
麦克斯韦 关系式
➢而当时测得的无极分子物质，按上式计算的折射率与测量的折射率 能很好的符合。 ➢当时测得的为有极分子物质，上式中的ε用光波频率时的值，则上式 就成立了。平时ε在低频电场下测量。 ➢所以麦克斯韦判定，光波是电磁波。
最新光电子技术课件ppt2[1]教学讲义ppt
![最新光电子技术课件ppt2[1]教学讲义ppt](https://img.taocdn.com/s3/m/2af7249afe4733687f21aabb.png)
14
I I 1 I 2 2I 1 I 2c os
• 非相干光源
co s0
I = I 1 + I 2 —非相干叠加
• 完全相干光源 co s co s
▲相长干涉（明） 2k,
I I m I a 1 x I 2 2 I 1 I 2
▲相消干涉（暗） (2 k 1 ) ,
光电子技术课件ppt2[1]
光子的相干性和光子简并度
相格的空间体积===========相干体积？ 结论：
1、相格空间体积以及一个光波模式或光子态占有的 空间体积都等于相干体积。
2、属于同一量子态的光子或同一模式的光波是相干 的，不同量子态的光子或不同模式的光波是不相干 的。
3、模式、光子的量子态、相干体积、相格等价
（1）基于晶体双折射原理起偏 （2）布儒斯特角起偏
这是利用光在界面上的反射与吸收过程获得偏振光的一种方式：
n1 ····i i ····
n2
r·
自然光反射和折射 后产生部分偏振光
n·1 ···i0
线偏振光
i0····S
n2
r0
·
起偏振角
2021/3/12
光电子技术与应用
12
i i = 0 时，反射光只有S分量 i0 r0 900 i 0 — 布儒斯特角或 起偏角
I I m I i1 n I 2 2I 1 I 2 (k= 0,1,2,3…)
2. 条纹衬比度（对比度，反衬度）
V ImaxImin Imax Imin
2021/3/12
光电子技术与应用
15
一. 双缝干涉 单色光入射
px x
dd
r1 r1
·p x x
rr22
第三章光电子技术-PPT课件
LD的工作特性（模式特性）
（1）
提高LD性能的方法
（2）
单纵模（SLM）激光器 设计的基本思想
使
几种典型的SLM激光器
大功率光纤激光器
包层泵浦技术
光纤耦合技术
大功率光纤激光器
美 国 IPG Photonics 公 司 、 德 国 Jena 大 学 的 应 用 物 理 所 和 英 国 Southampton 的 ORC 研 制 的 单 根 双包层光纤激光器，连续输出功率 分别达到135W、150W、1000W、 4000W, 20000W
难点
控制能力差
电子技术的发展
半导体电子学的强大生 命力在于它能够实现集 成化
处理功能和运行速度得 到大幅度提高，功耗大 大降低
尺寸大大缩小
芯片的成品率、可靠性 和性价比极大改善
但是利用电子作为信息的载体， 由于路径延迟和电磁串扰效应 的存在，无论从技术局限或是 经济代价以及信息安全的角度 来考虑，电子技术都出现了它 的阶段局限性。
5、半导体光电探测器
5.1 PN光电二极管
5.2 PIN光电二极管
5.3 APD光电二极管
5.4 光电二极管工作特性和参数
原因：W越大，光子入射到该区域的可能性 越大，被吸收产生光电流的概率就越高。
5.5 光电二极管一般性能和应用
谢谢
半导体掺杂材料的选择原则: 如果掺入的杂质原子代替半导 体晶格中的原子后存在多余的价电子，该杂质为施主杂质；如 果掺入的杂质原子代替半导体晶格中的原子后尚缺乏成键所需 要的电子，即存在电子空位，该杂质为受主杂质。
3、激光基本原理
光发射和光吸收
T为热力学温度，k=1.381×10-23J/K为玻尔兹曼常数
光电子技术复习课件
子午光线的平面称为子午面。
2.5光波在光纤波导中的传播
设光线从折射率为n0的介质通过波导端面中心 点入射，进入波导后按子午光线传播。根据折射定
律，当产生全反射时，要求1 0 ，因此有：
sin 0
1 n0
(n12
n22 )1/2(2.6
5)
一般情况下，n0=1（空气），则子午光线对应
(1.3 3) 1)
令 C1 2hc2 ，C2 hc / kB ，则(1.3-3)式可改写为 ：
Mvb (T )
C1
5
1 eC2 / T
(W/cm m)
1
其中： C1 (3.741832 0.000020 ) 10 12 W cm2 数 C2 (1.438786 0.000045 ) 10 4 μm K
角 和光线与光纤轴线的夹角。 (b) 偏斜光线的螺旋路经及其在纤芯横截面上的投影
2.5光波在光纤波导中的传播
（i）子午光线
当入射光线通过光纤轴线，且入射角1大于界面
临界角
0
s in 1
n2 n1
时 ，光线将在柱体界面上不断
发生全反射，形成曲折回路，而且传导光线的轨迹始
终在光纤的主截面内。这种光线称为子午光线，包含
光纤是一种能够传输光频电磁波的介质波导。光纤的典 型结构如图1（a）所示，它由纤芯、包层和护套三部分组成。 纤芯和包层构成传光的波导结构，护套起保护作用。波导的 性质由纤芯和包层的折射率分布决定，图1（b)、(c) 是两 种典型的纤芯折射率剖面图。
护套
包层
(a)
2a
纤芯
阶跃 剖面n(r) n1
纤芯 a
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因此，热敏电阻无选择性地吸收各种波长的辐射，可以说它是一种
无选择性的光敏电阻。
.精品课件.
18
一般金属的能带结构外层无禁带，自由电子密度很大，以致外 界光作用引起的自由电子密度相对变化较半导体而言可忽略不计。 相反，吸收光以后，使晶格振动加剧，妨碍了自由电子作定向运动。 因此，当光作用于金属元件使其温度升高，其电阻值还略有增加， 也即由金属材料组成的热敏电阻具有正温度系数，而由半导体材料 组成的热敏电阻具有负温度特性。
这个条件)的电流，称为反
向电流或暗电流。
.精品课件.
2
当光辐射作用到如图3-1（b）所示的光电二极管上时， 光电二极管的全电流方程为
I
q
hc
(1
exp(d ))Φe,
Id
(1
exp(qU
/
k T))
（3-2）
式中η为光电材料的光电转换效率，α为材料对光的吸收系数。
.精品课件.
3
如何正确理解光电二极管的灵敏度：
2. 热敏电阻的原理、结构及材料
半导体材料对光的吸收除了直接产生光生载流子的本征吸收和杂 质吸收外，还有不直接产生载流子的晶格吸收和自由电子吸收等， 并且不同程度地转变为热能，引起晶格振动的加剧，器件温度的上 升，即器件的电阻值发生变化。
由于热敏电阻的晶格吸收，对任何能量的辐射都可以使晶格振
动加剧，只是吸收不同波长的辐射，晶格振动加剧的程度不同而已，
I
2 n
2qIM
n f
（3-15）
式中指数n与雪崩光电二极管的材料有关。对于锗管，n=3；对于硅 管为2.3<n<2.5。
显然，由于信号电流按M倍增加，而噪声电流按Mn/2倍增加。因
此，随着M增加，噪声电流比信.精号品课电件流. 增加得更快。
8
.精品课件.
9
.精品课件.
பைடு நூலகம்
10
.精品课件.
11
.精品课件.
光电子技术 复习专题二
.精品课件.
1
第三章 如何正确理解光电二极管的全电流方程？
在无辐射作用的情况下（暗室中），PN结硅光电二极管的
正、反向特性与普通PN结二极管的特性一样，如图3-2所示。其 电流方程为
I
I
D
q
e
U
kT
1
（3-1）
ID为U为负值（反向偏置时） 且 U >> kT q 时(室温下 kT/q≈0.26mV，很容易满足
1.光电二极管的灵敏度
定义光电二极管的电流灵 敏度为入射到光敏面上辐射量
的变化（例如通量变化dΦ）引
起电流变化dI与辐射量变化之 比。
Si
dI d
q
hc
(1 ed )
.精品课件.
（3-3）4
显然，当某波长λ的辐射作用于光电二极管时，其
电流灵敏度为与材料有关的常数，表征光电二极管的光
电转换特性的线性关系。必须指出，电流灵敏度与入射
红外辐射通过探测窗口投射到热敏元件上，引起元件的电阻变 化。为了提高热敏元件接收辐射.精的品课能件.力，常将热敏元件的表面进2行0 黑化处理。
热敏电阻的参数
热敏电阻探测器的主要参数有：
（1）电阻-温度特性
热敏电阻的阻温特性是指实际阻值与电阻体温度之间的依赖关系， 这是它的基本特性之一。电阻温度特性曲线如图5-1所示。
目前，用来制造PN结型光电二极管的半导体材料主要有硅、
锗、硒和砷化镓等，用不同材料制造的光电二极管具有不同的
特性。
.精品课件.
7
噪声
由于雪崩光电二极管中载流子的碰撞电离是不规则的，碰撞后 的运动方向更是随机的，所以它的噪声比一般光电二极管要大些。 在无倍增的情况下，其噪声电流主要为如式（3-6）所示的散粒噪声。 当雪崩倍增M倍后，雪崩光电二极管的噪声电流的均方根值可近似 由下式计算。
光电二极管的噪声包含低频噪声Inf、散粒噪声Ins和热噪声InT等 3种噪声。其中，散粒噪声是光电二极管的主要噪声，低频噪声和 热噪声为其次要因素。
散粒噪声是由于电流在半导体内的散粒效应引起的，它与电流
的关系
I2 ns
2qIf
(3-6)
光电二极管的电流应包括暗电流Id、信号电流Is和背景辐射引 起的背景光电流Ib，因此散粒噪声应为
②结构简单，体积小，可以测量近似几何点的温度。
③电阻率高，热惯性小，适宜做动态测量。
④阻值与温度的变化关系呈非线性。
⑤不足之处是稳定性和互换性较.精差品课。件.
17
大部分半导体热敏电阻由各种氧化物按一定比例混合，经高温烧结 而成。多数热敏电阻具有负的温度系数，即当温度升高时，其电阻 值下降，同时灵敏度也下降。由于这个原因，限制了它在高温情况 下的使用。
倍以上。所以热敏电阻探测器常用半导体材料制作而很少采用贵重
的金属。
.精品课件.
19
由热敏材料制成的厚度为0.01mm左右的薄片电阻（因为在相同的入 射辐射下得到
较大的温升）粘 合在导热能力高 的绝缘衬底上， 电阻体两端蒸发 金属电极以便与 外电路连接，再 把衬底同一个热 容很大、导热性 能良好的金属相 连构成热敏电阻。
图5-1所示分别为半导体材料和金属材料（白金）的温度特性曲
线。白金的电阻温度系数为正值，大约为±0.37%左右；将金属氧
化物（如铜的氧化物，锰-镍-钴的氧化物）的粉末用黏合剂黏合后，
涂敷在瓷管或玻璃上烘干，即构成半导体材料的热敏电阻。半导体
材料热敏电阻的温度系数为负值，大约为-3%~-6%，约为白金的10
12
.精品课件.
13
.精品课件.
14
.精品课件.
15
.精品课件.
16
热敏电阻
❖ 5.2.1 热敏电阻
1. 热敏电阻及其特点
凡吸收入射辐射后引起温升而使电阻改变，导致负载电阻两端电压 的变化，并给出电信号的器件叫做热敏电阻。
相对于一般的金属电阻，热敏电阻具备如下特点：
①热敏电阻的温度系数大，灵敏度高，热敏电阻的温度系数常比一 般金属电阻大10～100倍。
辐射波长λ的关系是复杂的，定义光电二极管的电流灵
敏度时通常定义其峰值响应波长的电流灵敏度为光电二
极管的电流灵敏度。在式（3-3）中，表面上看它与波长
λ成正比，但是，材料的吸收系数α还隐含着与入射辐
射波长的关系。因此，常把光电二极管的电流灵敏度与
波长的关系曲线称为光谱响应。
.精品课件.
5
光电二极管的噪声
I2 ns
2q(Id
I I S.精品课件b. ) f
(3-7)
6
根据电流方程，并考虑反向偏置情况，光电二极管电流与 入射辐射的关系 ，得到
I2 ns
2q2 (Φs
hc
Φb ) f
2qIdf
再考虑负载电阻RL的热噪声
I
2 n
2q2 (Φs
hc
Φb ) f
2qIdf
4KTf RL
(3-8) (3-9)