第四章光检测器
光检测器工作原理
光检测器工作原理
光检测器是一种用来测量光的强度、波长、频率和相位等参数的仪器。
它的工作原理可以分为两种类型：光电效应和光学效应。
一、光电效应
光电效应是指光照射到特定材料表面时，会产生光电子的释放现象。
光检测器利用光电效应来测量光的强度或波长。
其中一种常见的光电效应是光电子效应，即光照射到金属表面时，金属中的电子会被激发并从金属表面解离出来。
光检测器中的金属接收到光信号后，激发的电子会产生电流或电压，通过测量电流或电压的大小就可以知道光的强度或波长。
另一种光电效应是光致电离效应，即光照射到半导体材料表面时，会产生电子-空穴对，从而产生电流。
光检测器中的半导体材料接收到光信号后，电子-空穴对的产生会引起电流的变化，通过测量电流的变化就可以得到光的强度或波长。
二、光学效应
光学效应是指光在材料中的传播和衍射现象。
光检测器利用光学效应来测量光的频率、相位或其他参数。
其中一种常见的光学效应是干涉现象，即光在多个光学路径上相遇时会产生干涉，干涉现象与光的波长和相位有关。
光检测器中的光信号经过光学路径后，会产生干涉现象，通过测量干涉现象的变化就可以得到光的频率、相位或其他参数。
另一种光学效应是衍射现象，即光通过细缝或光栅等物体时会发生弯曲和扩散现象。
光检测器中的光信号经过细缝或光栅等物体后，会发生衍射现象，通过测量衍射的模式和角度就可以得到光的波长或其他参数。
综上所述，光检测器的工作原理主要包括光电效应和光学效应。
通过利用这些效应，可以实现对光的强度、波长、频率和相位等参数的测量。
光检测器工作原理
光检测器工作原理光检测器是一种用于测量和检测光信号的光电转换器件。
它通过将光信号转换为电信号来检测光的存在、强度和其他特征。
光检测器广泛应用于光通信、光谱分析、医学成像和电子设备等领域。
光检测器的工作原理可以归纳为光电效应和光电放大两个过程。
首先，光电效应是指当光射到光检测器的光敏表面上时，光子与光敏材料中的原子或分子相互作用，将光能转换为电能的过程。
光敏材料可以是半导体、光电导体或其他光电材料。
其中，最常用的光敏材料是硅（Si）和锗（Ge）。
在光电效应过程中，当光子与光敏材料相互作用时，光子的能量将导致光敏材料中的电子从价带跃迁到导带，形成（光电）电子和空穴对。
这些电子和空穴对会通过扩散或漂移运动进一步分离，并在电场作用下形成电流。
所以，光的强度越大，光电效应产生的电流也越大。
其次，光电放大是指在光电效应的基础上进一步放大电流信号的过程，以提高光检测器的灵敏度。
光电放大一般通过应用外部电子学电路来实现，常用的放大电路包括电压放大器、电流放大器和转换器。
常见的光检测器包括光电二极管（photodiode）、光电导体、光电转换器、光电二极管阵列等。
其中，光电二极管是最常用的光检测器之一。
光电二极管工作原理与上述光电效应和光电放大过程基本一致。
光电二极管的结构是将一个p-n结与光敏材料结合起来，其中p-n结的连接方式可以是正向偏置（forward bias）或反向偏置（reverse bias）。
在正向偏置情况下，当光照射到光电二极管上时，光子与光敏材料相互作用，产生光电效应。
由于正向偏置的存在，产生的电子和空穴将在p-n结的电场作用下产生漂移，形成电流。
因此，通过测量电流的变化，可以间接检测到光的存在和强度。
在反向偏置情况下，当光照射到光电二极管上时，类似于正向偏置情况，光子与光敏材料相互作用，产生光电效应。
然而，由于反向偏置，产生的电子和空穴不会形成电流，而是会被电压阻止。
但是，反向偏置情况下，当光电二极管受到光照时，其电流-电压特性会发生变化，导致反向电流的变化。
光电检测器的工作原理
光电检测器的工作原理
光电检测器是一种利用光电效应原理来检测光信号的装置。
它由光电发射器和光电接收器两部分组成。
光电发射器是一个发射光源，常见的有发光二极管（LED）或激光器。
当电流通过发光二极管时，其内部的半导体材料会发出特定波长的光。
光电接收器是一个接收光信号并产生电信号的元件，常见的有光敏二极管（LDR）或光电二极管（photodiode）。
光敏二极管或光电二极管的外围电路会对接收到的光信号进行放大和处理。
光电检测器的工作原理是当光电发射器发出的光照射到光电接收器上时，光能被光电接收器吸收并转化为电能。
这个转化过程是通过光电效应实现的。
光电效应的基本原理是当光束照射到半导体材料上时，光子会激发半导体材料中的电子跃迁到导带上，形成电子空穴对。
而这些电子空穴对可以导致半导体中的电流流动。
当光电接收器中的光电二极管或光敏二极管吸收到光子后，其内部会产生电流。
这个电流大小与光强度成正比。
通过对光电接收器产生的电流进行测量，我们可以间接地获得光的强度或光的存在与否。
光电检测器广泛应用于多个领域，如光通信、光电传感、光电测量等。
在各个领域中，光电检测器都起到了至关重要的作用。
光检测器工作原理
光检测器工作原理
光检测器是一种用于测量和检测光线的设备。
它能够将光信号转换为电信号，从而实现对光的定量或定性分析。
光检测器的工作原理主要分为以下几个步骤：
1. 光电效应：光线进入光检测器后，会与光敏材料相互作用。
在一些光检测器中，光线会击中光电导体表面的光电阴极，激发光电效应。
这个效应使电子被释放，并形成电子云。
2. 光电子扩散：在光电效应发生后，电场会将释放的电子加速到阳极。
电子通过光电导体内部的扩散过程将能量传递给阳极。
3. 电荷收集：一旦电子达到阳极，阳极上的电路就会收集电子，并将其转化为电信号。
这个过程中产生的电流或电荷量与光的强度成正比。
4. 信号放大和处理：电信号会经过放大器进行放大，以增加其幅度和灵敏度。
接下来，信号可能需要经过滤波、放大、模数转换等处理步骤，以便于后续分析或控制。
总之，光检测器通过光电效应将光转换为电信号，并经过一系列的电荷收集、信号放大和处理步骤，最终实现对光的测量和检测。
不同类型的光检测器在具体原理和实现方式上可能有所不同，但总体上都遵循类似的工作原理。
第4章-光生伏特检测器.
光电二极管及其实训项目
光电池及其实训项目
光电三极管及其实训项目
光伏探测器组合器件及其实训项目
利用半导体PN结光生伏特效应制成的器件称为光生伏特器件
(简称光生伏器件)，也称结型光电器件。这类器件品很多，其 中包括各种光电池、光电二极管、光电三极管、光电PIN管、 雪崩光电二极管、位置敏感探测器（PSD）等。 光生伏特效应与光导效应同属于内光电效应，然而两者的导电 机理相差很大，光生伏特效应是少数载流子导电的光电效应， 而光电导效应是多数载流子导电的光电效应。这就使得光生伏 特器件在许多性能上与光电导器件有很大差别。 光生伏特器件的暗电流小、噪声低、响应速度快、光电特性的 线性以及受温度影响小等特点是光电导器件所无法比拟的，而 光电导器件对微弱辐射的探测能力和光谱响应范围又是光生伏 特器件所不能比的。
4.1.2 光电二极管的特性参数
1. 暗电流ID 在无光照时，光电二极管加一定反 向电压时产生的电流，通常在50V 反压下的暗电流小于100nA。 2. 光电流IP 在受到一定光照和一定反压条件下 ，流过管子的电流为光电流。一般 光电流为微安级，并且与照度成线 性关系。 3. 光照特性 光电二极管的光电流会随光照强度 的变化而变化。
2018/9/6
4.4.1 实训一
硅光电池的检测
【实训目的】 1. 会正确使用仪器仪表检测光电池； 2. 掌握光电池的检测方法。 【实训器材】 硅光电池、万用表、25W白炽灯（或其他光源） 【实训内容及步骤】
2018/9/6
2018/9/6
4.4.2 实训二 光电池的特性测试
【实训目的】 1. 会正确使用仪器仪表检测光电池的特性参数； 2. 掌握光电池特性参数的检测方法。 【实训器材】 硅光电池、光源组件、照度计、电流表、电压表、 电阻箱 【实训内容及步骤】
光检测器的工作原理
光检测器的工作原理
光检测器是一种用于检测和测量光的仪器，它基于光的性质进行工作。
以下是光检测器的工作原理：
1. 光电效应：光检测器利用光电效应将光能转化为电能。
当光线照射到光检测器的光敏材料上时，光子能量会导致原子或分子中的电子发生跃迁，从而产生自由电子和空穴对。
这些电子和空穴对可以被电场收集，并在电极上产生电流。
2. PN结：一些光检测器使用PN结来实现光电转换。
PN结是由一个P型半导体和一个N型半导体组成的结构。
当光线照射到PN结上时，光子的能量会打破晶格结构，产生电子和空穴对。
由于PN结的结构，电子和空穴会在电场的作用下被分离，形成电荷集中区。
这些电荷可以在电极上产生电流。
3. 光电二极管：光电二极管是一种常见的光检测器，它利用PN结的光电效应来测量光的强度。
当光线照射到光电二极管上时，光子的能量会产生电子和空穴对。
由于电极的存在，电子和空穴会被分离并形成电流。
通过测量电流的变化，可以确定光的强度。
4. 其他类型的光检测器：除了光电二极管以外，还有其他一些常见的光检测器，如光敏电阻、光电管等。
这些光检测器利用不同的工作原理，但都基于光的性质进行测量。
总的来说，光检测器的工作原理是通过将光能转化为电能来测
量光的强度或其他特性。
不同类型的光检测器可能使用不同的机制，但它们的基本原理都是利用光电效应来实现的。
光检测器工作原理
光检测器工作原理
光检测器是一种用于测量光强度的传感器。
其工作原理基于光电效应，即光子的能量可以促使材料中的电子进入激发态或被激发出来，从而产生电流。
光检测器通常由一个光敏元件和一个电子电路组成。
光敏元件可以是光电二极管（Photodiode）、光电效应管（Photoemissive tube）、光敏电阻（Photoresistor）或光阻（Photosensitive-resistance）等。
这些元件都具有灵敏度较高、响应速度快的特点。
当光线照射到光敏元件上时，光子的能量将被吸收并转化为电能。
这些电子将被电子电路捕获并形成电流。
电子电路负责将电流转换成易于测量并显示的输出信号。
光检测器的灵敏度取决于光敏元件的材料和结构。
对于光电二极管来说，当光线照射到P-N结的区域时，光子的能量会撞
击这个结，从而产生电子-空穴对。
这些载流子将在电场的作
用下分离，并形成一个电流。
光电二极管的灵敏度随着光的波长变化而变化。
光检测器可以广泛应用于医疗诊断、光通信、工业自动化、环境监测等领域。
在这些应用中，光检测器可用于测量光线的强度、检测光线的频率、判断目标物体的位置等。
由于其快速、准确、非侵入性的特点，光检测器成为了现代科学研究和工程应用中不可或缺的工具。
光检测器介绍(PIN、APD详细讲解)
例 (续)
光检测器暗电流：
iD2B 2qID B 2(1.6 1019 C)(4 109 A)(20106 Hz) 2.561020 A2
负载均方热噪声电流为：
iT2
4kBT B 4(1.381023 J / K)(293K) 20106 Hz 3231018 A2
倍增因子和响应度
光电二极管中所有载流子产生的倍增因子M定义为：
M
IM Ip
1
1
V /
VB
n
其中，IM 是雪崩增益后输出电流的平均值，而 Ip是未倍增时 的初级光电流，V是反向偏压，VB为二极管击穿电压，n一般 为 2.5~7。实际上，雪崩过程是统计过程，并不是每一个光 子都经历了同样的放大，所以M只是一个统计平均值。
因子F用于衡量由于倍增过程的随机性导致的检测器噪声的 增加。参数x称为过剩噪声指数，一般取决于材料，并在0~1 之间变化，x对于Si APD为0.3，对InGaAs APD为0.7，对Ge APD 为1.0。
总噪声
光检测器的总均方噪声电流为：
iN2
2 N
iQ2
iD2 B iD2 S
量子效率大约为90%，因此这个波长的响应度为：
q q hv hc
0.901.6 10 19 C
6.625 10 34 J s 3108 m/s
7.25 105
当波长为1300 nm时：
7.25 105A/W/m 1.30 106 m 0.942 A/W
当波长大于1600 nm时，光子能量不足以激发出一个电子，例
如In0.53Ga0.47As的带隙能量为Eg = 0.73 eV，故截止波长为：
《光纤通信》课程教学大纲-通信工程
《光纤通信》课程教学大纲一、课程基本信息课程名称：光纤通信课程编码：58082015课程类别：学科基础选修适用专业：通信工程开课学期：4-2课程学时：总学时：32学时；其中理论 32 学时，实验 0 学时。
课程学分：2先修课程：现代通信原理、电磁场与电磁波并修课程：现代交换技术课程简介：《光纤通信》作为通信工程专业的一门学科基础选修课程，旨在介绍光纤通信的基本原理和系统，使学生对光纤通信这一当今信息领域内高速发展并起着关键作用的技术有一较好的了解。
主要讲述光纤通信的基本技术原理和系统组成、应用，对光纤、光缆的传输特性与应用进行分析，并阐明光纤通信领域的主要应用技术原理；同时，对目前光纤通信领域的新技术和发展动态加以说明。
二、课程教育目标《光纤通信》课程以光纤通信的基本技术原理和系统组成为基础，对光纤、光缆的传输特性与应用进行分析，并阐明光纤通信领域的主要应用技术原理；同时，对目前光纤通信领域的新技术和发展动态加以说明。
通过本课程的学习，使学生掌握光纤通信技术的发展和应用概况，掌握光纤的特性和光纤通信技术基础。
本课程要求学生掌握光纤的传输特性和光缆的结构，掌握光端机的收发原理和相关技术；掌握光纤通信系统的组成和波分复用原理，学习系统设计的初步算法。
了解ASON智能交换光网络基本原理及新兴光纤通信系统OBS、OPS等基本概念。
三、课程教学内容、要求及学时安排第一章引言【教学内容】1．光纤通信的发展历史与现状2．光纤通信系统简介3．光纤通信中若干基本名词介绍1．了解光通信的发展历史与发展前景；2．了解光通信的特点。
【教学方法】多媒体演示与板书结合教学【学时】2学时第二章光纤【教学内容】1.光纤的几何描述2.光在光纤中的传输3.光纤的模式4.光纤的损耗5.光纤的色散6.光纤的双折射与偏振7.光纤的非线性特性【教学要求】1.掌握用射线方法分析光纤导光原理、数值孔径和时延差；2.掌握模式的有关概念；3.掌握光纤的损耗、色散和非线性以及影响；4.了解光纤的结构与分类；5.了解常用光纤的主要特性参数；6.了解光纤的模式理论。
光检测器介绍(PIN、APD详细讲解)
因此，检测器不能用于波长范围大于869 nm的系统中。
pin的量子效率
如果耗尽区宽度为w，在距离w内吸收光功率为:
P w P in (1e sw )
当电载流子在材料中流动时，一些电子 - 空穴对会重新
复合而消失，此时电子和空穴的平均流动距离分别为Ln和Lp，
这个距离即扩散长度，分别由下式决定:
LnDn n1/2
LpDp
1/2 p
Dn和Dp分别为电子和空穴的扩散系数，tn和tp为电子和空穴 重新复合所需的时间，称为载流子寿命。
在半导体材料中光功率的吸收呈指数规律:
光检测器介绍
主要内容
光电二极管的物理原理 光检测器噪声 检测器响应时间 雪崩倍增噪声 InGaAs APD结构 温度对雪崩增益的影响
光电检测器的要求
光电检测器能检测出入射在其上面的光功率，并完成光/ 电信号的转换。对光检测器的基本要求是:
- 在系统的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； - 具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，以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。
目前常用的半导体光电检测器有两种: pin光电二极管和 APD雪崩光电二极管。
6.1 光电二极管的物理原理
光电二极管实际上类似于一个加了反向偏压的pn结。它 在发向偏压的作用下形成一个较厚的耗尽区。当光照射到光 电二极管的光敏面上时, 会在整个耗尽区 (高场区) 及耗尽区 附近产生受激跃迁现象, 从而产生电子空穴对。电子空穴对在 外部电场作用下定向移动产生电流。
光通信技术的研究与应用
光通信技术的研究与应用第一章：引言随着信息技术的迅猛发展，我们的生活越来越多地依赖于高速、可靠的通信网络。
在这种情况下，光通信技术应运而生。
光通信技术是一种基于光传输的通信技术，它具有带宽高、传输损耗低、抗干扰能力强等特点。
在当今的通信领域，光通信技术已经成为一种重要的通信方式。
第二章：光通信技术的基本原理光通信技术利用光纤作为传输介质，从而大大提高了通信带宽和传输距离。
在光通信系统中，信息首先被转换成光信号，然后通过光纤进行传输，最后再转换回电信号。
光通信的基本原理包括三个方面：光源、光纤和光检测器。
2.1 光源光源是光通信系统中产生光信号的主要部分。
在光源中，最常用的是激光器。
激光器具有单色性好、脉冲响应快等优点，可以产生非常稳定的光源。
此外，半导体激光器也成为光通信中的一种重要光源。
2.2 光纤光纤是光通信中传输介质的基础。
光纤是一种非常细的玻璃或塑料管道，通过光纤中的反射和折射，使光信号能够在其中传输。
光纤的优点在于具有传输距离远、传输效率高、抗干扰能力强等特点。
2.3 光检测器当光信号传输到光接收器时，光信号便转化为电信号。
而光检测器就是将接收到的光信号转化为电信号的设备。
常用的光检测器包括光电二极管、光电池等。
第三章：光通信技术的发展史光通信技术的发展始于20世纪60年代。
当时，光通信技术还处于早期阶段，只能完成短距离的信息传输。
直到20世纪80年代，随着光纤放大器的问世，光通信技术才开始进入快速发展的阶段。
此后，光通信技术在传输距离、传输速度等方面取得了重大的进展。
3.1 光传输1.0时代20世纪60年代到70年代初期，光传输只能完成一定范围内的信息传输，以此为代表的是光传输1.0时代。
这时期的光通信技术还非常原始，没有成熟的设备和技术来支持其发展。
3.2 光传输2.0时代20世纪80年代，随着光纤放大器的问世，光传输2.0时代开始到来。
在这一时期，光通信技术取得了显著的进展，传输距离和传输速度都有所提高。
光通信技术课后答案-第四章
第4章光检测器与光放大器
代高凯201027209 通信103班
4-8.EDFA的泵浦方式有哪些，各有什么优缺点？
答：目前商用化的光放大器一般都采用如下3中泵浦方式：同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。
①同向泵浦——优点：构成简单、噪声性能较好；
缺点：在同样的泵浦方式下，同向泵浦光的输出最低。
②反向泵浦——优点：当光信号放大到很强的时候，泵浦光也强，不易达到饱和，
因而具有较高的输出功率；
缺点：随着输出功率或者光线长度的增加，反向泵浦的噪声系数
递增较快且比另外两种方式较大；
③双向泵浦——优点：这种方式结合了同向泵浦和反向泵浦的优点，使得泵浦光
在光纤中均匀分布，从而使其增益在光纤中也均匀分布。
这种配置具有更高的输出信号功率，最多可以比上述单向
泵浦型高6dB，而且EDFA的性能与信号传输方式无关；
缺点：由于增加了一个泵浦激光器及相应的控制电路，成本较高。
4-12.EDFA在光纤通信系统中的应用形式有哪些？
答：EDFA在光纤通信系统中的应用形式可以分为3种：
①中继放大器（LA）—在光纤线路上每隔一定距离设置一个光纤放大器，以延长干线网的传输距离。
②前置放大器（PA）—此放大器置于光接收机前面，放大非常微弱的光信号，以改善接收灵敏度，作为前置放大器，对噪声要求非常苛刻。
③后置放大器（BA）—此放大器置于光发射机后面，以提高发射光功率，对后置放大器噪声要求不高，而饱和输出光功率是主要参数。
通工专业-光纤通信技术-第四章-光探测器与光接收机
光纤通信系统对光探测器的要求
（1）灵敏度高：灵敏度高表示探测器把 光功率转变为电流的效率高。在实际的光接 收机中，光纤传来的信号极其微弱，有时只 有1nw左右。为了得到较大的信号电流，人 们希望灵敏度尽可能的高。
（2）响应速度快：指射入光信号后，马上就有 电信号输出；光信号一停，电信号也停止输出， 不要延迟。这样才能重现入射信号。实际上电信 号完全不延迟是不可能的，但是应该限制在一个 范围之内。随着光纤通信系统的传输速率的不断 提高，超高速的传输对光电检测器的响应速度的 要求越来越高，对其制造技术提出了更高的要求。
RC 2.2RT CT （4.6）
式中，CT为电路的总电容，RT为电路的总电阻。
考虑上述三个因素的影响，总的上升时间为
(
2 RC
2 d
2 i
)1/ 2
PIN-PD特性参数(3)噪声
•噪声
噪声直接影响光接收机的灵敏度。
散粒噪声（信号电流和暗电流产生）
暗电流是器件在反偏压0.9UB条件下，没有入射光时 产生的反向电流，与光电二极管的材料和结构有关
I层较厚，几乎占据了整个耗 尽区。绝大部分的入射光在I层 内被吸收并产生大量的电子-空 穴对。在I层两侧是掺杂浓度很 高的P型和N型半导体，P层和 N层很薄，吸收入射光的比例 很小。因而光产生电流中漂移 分量占了主导地位，这就大大 加快了响应速度。另外，可通 过控制耗尽层的宽度w，来改 变器件的响应速度。
4.1 光探测器
4.1.1光电检测原理——PN结的光电效应
光电二极管(PD)把光信号转换为电信号的功能， 是由半导 体PN结的光电效应实现的。
当光照射到光电二极管的光敏面 上时，能量大于或等于带隙能量 Eg的光子将激励价带上的电子吸 收光子的能量而跃迁到导带上 （受激吸收），可以产生自由电 子-空穴对（称为光生载流子）。 在耗尽层，由于内部电场的作用， 电子向N区运动，空穴向P区运动， 形成漂移电流。
光检测器原理
光检测器原理
光检测器主要利用光电效应原理来实现光信号的检测。
光电效应是指光束照射在某些材料上，会激发出电子的运动，从而产生电信号。
光检测器通常由光源、光学系统和光电转换器件组成。
光源可以是激光器、LED等发光体，用来产生光束。
光学系
统主要包括镜片、透镜、滤波器等光学元件，用来控制和聚焦光束，以便能够准确地照射到待检测对象上。
光电转换器件是光检测器的核心部件，它能够将光信号转化为电信号。
常见的光电转换器件有光敏电阻、光电二极管（Photodiode）、光电二极管阵列（Photodiode Array）、光电
流放大器和光电倍增管等。
光敏电阻是一种光电效应最为简单的转换器件，通过控制材料电阻的变化来探测光信号强度的变化。
光电二极管是一种利用光电效应的单个二极管，在光照射下产生电流输出。
光电二极管阵列是多个光电二极管的阵列，能够实现对多个位置的光信号检测，并输出相应的电信号。
光电流放大器是一种将光电二极管输出的微弱电流放大的器件，以增强信号的检测灵敏度。
光电倍增管则是通过多级倍增放大器将光电子转换为电信号，并通过增强效应将电信号指数增强。
光检测器根据不同的应用需求，可以选择不同类型的光电转换器件。
光电转换器件的性能参数，如响应速度、量子效率、噪
声等，会直接影响光检测器的灵敏度和测量精度。
综上所述，光检测器是一种利用光电效应原理来实现光信号检测的装置。
通过合理选择光源和光电转换器件，可以实现对不同光信号的精确检测和测量。
光检测器原理
光检测器原理光检测器是一种常见的光电传感器，它能够将光信号转化为电信号，广泛应用于光电传输、光通信、光谱分析等领域。
本文将介绍光检测器的原理及其在实际应用中的作用。
一、光检测器分类根据工作原理的不同，光检测器可分为光电二极管（Photodiode）、光敏场效应管（Phototransistor）、光电倍增管（Photomultiplier Tube）等几种类型。
这些光检测器在结构和工作原理上有所差异，但都能实现将光能转化为电能的功能。
二、光检测器工作原理光检测器的工作原理基于光电效应。
当光线照射到光检测器表面时，光子将被吸收并释放出电子。
这些电子将通过器件中的特殊结构（例如PN结或增强型场效应结构）而形成电流。
光强越强，释放的电子越多，因此光检测器输出的电流与入射光的强度成正比。
三、光检测器特性1. 噪声特性：光检测器在测量光信号时容易受到噪声的影响。
主要的噪声源包括热噪声、暗电流噪声和光电流噪声。
为了提高信噪比，常采用降低噪声、增加光功率或采用信号处理技术等方法。
2. 响应速度：光检测器的响应速度指的是它对光信号变化的快速程度。
高速响应的光检测器可以实现对高频光信号的准确检测。
3. 波长特性：不同类型的光检测器对不同波长的光有不同的响应特性。
根据具体应用需求，选择合适波长范围的光检测器十分重要。
四、光检测器应用1. 光通信: 光检测器在光通信中起着至关重要的作用。
它可以接收来自光纤的光信号并将其转化为电信号，以实现信息的传输与处理。
2. 光电传感: 光检测器广泛应用于光电传感器中，用于检测光线的强度和方向。
例如，在自动调节照明系统中，光检测器可实时检测环境光强度，并自动调节灯光的亮度。
3. 光谱分析: 光检测器在光谱仪中被广泛使用，用于检测和分析不同波长的光信号。
通过光检测器的输出信号，可以获取物质的光谱信息，并进行化学分析或物质识别。
4. 医疗设备: 光检测器在医疗设备中也扮演着重要角色。
例如，它可以用于测量患者的心率、血氧饱和度等生理参数，以提供医疗诊断和监护。
第四章 光谱分析技术及相关仪器习题参考答案
第四章光谱分析技术及相关仪器习题参考答案一、名词解释1．激发光谱：将激发光的光源用单色器分光，连续改变激发光波长，固定荧光发射波长，测定不同波长的激发光照射下，物质溶液发射的荧光强度的变化，以激发光波长为横坐标，荧光强度为纵坐标作图，即可得到荧光物质的激发光谱。
从激发光谱图上可找出发生荧光强度最强的激发波长λex。
2．荧光光谱：选择λex作激发光源，并固定强度，而让物质发射的荧光通过单色器分光，测定不同波长的荧光强度。
以荧光波长作横坐标，荧光强度为纵坐标作图，便得荧光光谱。
荧光光谱中荧光强度最强的波长为λem 。
荧光物质的最大激发波长（λex）和最大荧光波长（λem）是鉴定物质的根据，也是定量测定中所选用的最灵敏的波长。
3．光谱分析：对物质发射辐射能的能谱分析或对辐射能与物质相互作用引起的能谱改变的分析均称为光谱分析。
4．吸收光谱：光照射到物质时，一部分光会被物质吸收。
在连续光谱中某些波长的光被物质吸收后产生的光谱被称作吸收光谱。
每一种物质都有其特定的吸收光谱，因此可根据物质的吸收光谱来分析物质的结构和含量。
5．发射光谱：一部分物质分子或原子吸收了外来的能量后，可以发生分子或原子间的能级跃迁，所产生的光谱称为发射光谱，包括线状光谱、带状光谱及连续光谱。
通过测定物质发射光谱可以分析物质的结构和含量。
6．摩尔吸光系数（ε）：摩尔吸光系数表示在一定波长下测得的液层厚度为1cm, 溶液浓度c为1mol/L时的稀溶液吸光度值。
吸光系数与入射光波长、溶液温度、溶剂性质及吸收物质的性质等多种因素有关。
当其它因素固定不变时，吸光系数只与吸收物质的性质有关，可作为该物质吸光能力大小的特征数据。
7．分光光度计：能从含有各种波长的混合光中将每一单色光分离出来并测量其强度的仪器称为分光光度计。
它具有分析精密度高、测量范围广、分析速度快和样品用量少等优点。
根据所使用的波长范围不同可分为紫外光区、可见光区、红外光区以及万用（全波段）分光光度计等。
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第四章 光检测器和光接收机
4.1 光检测器的工作原理 4.2 光检测器的特性参数 4.3 光接收机
4.4 光收发合一模块
Light Detector
驱动电路 调制器 光源
中继器 光纤
光电二极 管
光纤
放大器
判决器
光接收机 光接收机是光纤通信系统的重要组成部 分，其作用是将光信号转换回电信号， 恢复光载波所携带的原信号。
4.1 光检测器的工作原理
External Photoelectric Effect(外部光电效应)： 金属表面通过吸收入射光子流的能量从而释 放电子，形成光生电流——真空光电二极管 和光电倍增管 Internal Photoelectric Effect(内部光电效应)： 半导体结型器件通过吸收入射光子产生自由 电荷载流子（电子和空穴）——PN结光电二 极管，PIN结光电二极管，雪崩光电二极管
4.1 Semiconductor Photodiode 半导体光电二极管
半导体光电二极管体积小，重量轻，灵敏度 高，响应速度快，在几伏的偏置电压下即可 工作。 PN型光电二极管 PIN型光电二极管 雪崩型（APD）光电二极管
光探测原理----受激吸收
Ec 吸收光子后 产生电子 (输 出 电 流 ) Ev
例1，铯是一种常见的光致发光材料，其功 函数为1.9eV,计算其截止波长。
1.24 0.65 m 1.9
光波长小于这个值时，光子能量超过功函数， 才能被铯阴极检测到。
Quantum Efficiency 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电子数与入射光子数之比 ，即 发射电子数 每秒钟发射电子数 P hf 入射光子数
PN结光电检测原理
光电二极管（ PD ）是一个工作在反向偏压 下的 PN结二极管，由光电二极管作成的光 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 附近基本上没有载流子，称为耗尽区。当 光束入射到 PN 结上，且光子能量 hf 大于半 导体材料的带隙 Eg 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。
M 1.9610
N
6
Photomultiplier
光电倍增管产生内部增益(Internal Gain)，可 以在不显著降低信噪比的情况下放大信号， 而放大器的外部增益（External Gain）一般 会引入噪声，降低信噪比。 光电倍增管响应速度很快，不到1ns。 缺点：成本高，体积大，重量大，需要一个 能提供数百伏偏置电压的电压源。
二次发射 电子
Photomultiplier
每个倍增电极的增益(Gain)指每个入射电子所产生 的二次发射电子数的平均值。通常在2~6之间。 假设每个倍增电极的增益为δ，总的增益为：
M
N
通过外电路的电流为：
MeP i hf
例2，假定一个光电倍增管有9个倍增电极， 每个倍增电极的增益为5，计算此光电倍增 管的电流放大倍数。
输入 光子
h
假如入射光子的能量超过禁带能量 Eg，耗尽区 (PN结的结区也就是中间势垒所在区域，没有 自由电子)每次吸收一个光子，将产生一个电子 空穴对，发生受激吸收。
PN型光电二极管检测原理说明 入射光
光电转换器件 原理：光吸收
半导体
在半导体材料上，当入射光子能量hf超过带隙能量 时，每当一个光子被半导体吸收就产生一个电 子—空穴对。在外加电压建立的电场作用下，电 子和空穴就在半导体中渡越并形成电流流动，称 为光电流。
检测器输出的电流波形
Vacuum photodiode 真空光电二极管
入射光子 阴极 发射电子 阳极
Vacuum photodiode真空光电二极管
Vacuum photodiode
单个电子从阴极逃逸需要一个最低的能量值，称为功函数 (Work Function)，入射光子的能量必须大于此值才能产生 光致电子发射。
主放 大器
均衡 滤波
判 决 器
输出
AGC电路 前端 性能指标:接收灵敏度、 误码率或信噪比 线性通道
时钟恢复 时钟提取与数据再生 （CDR）
对信号进行高增益放大与整形， 提高信噪比，减少误码率。
前 言
发射机发射的光信号经光纤传输后，不仅 幅度衰减了，而且脉冲波形也展宽了。 光接收机的作用就是检测经过传输后的微 弱光信号，并放大、整形、再生成原输入 信号。 它的主要器件是利用光电效应把光信号转 变为电信号的光电检测器。 对光电检测器的要求是灵敏度高、响应快 、噪声小、成本低和可靠性高，并且它的 光敏面应与光纤芯径匹配。 用半导体材料制成的光电检测器正好满足 这些要求。
h
光子能量hv大于功函数时，电子可以吸收光子而逸出，否 则不论入射光多强，光电效应都不会发生。所以，任何一 种材料制作的光电二极管都有截止波长(Cutoff wavelength )C：(um)
1.24 C (eV )
hc
光波长大于这个值时，入射光子没有足够的能量激励检测 器，因而不能被检测到，波长小于这个值时，光子能量超 过功函数，能被检测到。
1．Responsivity 响应度 光检测器的主要性能指标
光检测器的输出电流与入射光功率之比称为 响应度。
IP Pin
单位：安培每瓦/伏特每瓦
2. Rise Time 上升时间tr
在入射光功率呈阶跃变化的条件下，检 测器的输出电流从最大值的10%上升到 90%所用时间。
输入功率波形
光纤通信第四章
Light Detector And Light Receiver 光检测器和光接收机驱动电Biblioteka 调制器 光源中继器 光纤
光电二极 管
光纤
放大器
判决器
光接收机 光接收机是光纤通信系统的重要组成部 分，其作用是将光信号转换回电信号， 恢复光载波所携带的原信号。
光信号 光电 变换
前置 放大
i
eP eP
hf hc
P hf
CP
检测电流正 比于光功率
在光电二极管的应用中， i 100 e个光子会产生 e 30到95个电 子－空穴对，因此检测器的量子效率范围为 30%~95%。
hc
Photomultiplier （PMT） 光电倍增管
入射光子 阴极 倍增电极 阳极