光电子复习总结

辐射度学与光度学：辐射通量（）光通量（）光谱光效能辐射出射度（）光出射度（）辐射强度光强度立体角辐射亮度（）光亮度（）余弦定律：朗伯辐射体：辐照度（）光照度（）平方反比定律：（）（）（）
热辐射基本定律：单色辐射出射度,单色吸收比,单色反射比,,绝对黑体;基尔霍夫辐射定律：同一温度下，不同物体对相同波长的单色辐射出射度与单色吸收比之比都等于该温度下黑体对同一波长的单色辐射出射度。

；普朗克公式：黑体
的单色辐射出射度,第一辐射常数,第二辐射常数,；瑞利-琼斯公式：当很大时, ;维恩公式：当很小时,;维恩位移定律：;斯忒藩-玻尔兹曼公式：,
激光原理：原子跃迁的三个过程：自发辐射受激辐射受激吸收；光放大条件：受激辐射＞受激吸收；光学谐振腔的作用：光放大和选模；稳定腔：稳定腔：＜＜非稳定腔：＞或＜临界腔：或；高斯光束：光斑半径腰斑半径
远场发散角等相位面模体积；稳定球面腔的饱和谐振腔：：＝；如何实现粒子数反转：a.粒子的能级处于亚稳态结构；b.施加外部作用：激励/泵浦源。

小信号增益与饱和增益：
增益饱和（）（）；典型激光器：a.固体激光器具有器件小、坚固、使用方便、输出功率大的特点。

泵浦方式：光泵浦--气体放电灯、半导体激光器；b.气体激光器具有结构简单、造价低；操作方便；工作介质均匀，光束质量好；以及长时间连续工作的优点；体积较庞大；泵浦方式：采用气体放电中电子,加速碰撞原子激发;c. 半导体二极管激光器特点输入能量最低，效率最高，体积最小，重量最轻，可直接调制，结构简单，与集成电路工艺兼容，价格低廉，可靠性高，寿命长等。

销量占各种激光器的99% 。

泵浦方式：电注入；d.光纤激光器特点：具有高转换效率、低阈值、高增益、输出光束质量好和线宽窄等特点；方便与光纤通信系统高效连接；柔绕性好，小巧灵活、结构紧凑、易于系统集成与固体、气体激光器相比：能量转换效率高、结构紧凑、可靠性高、适合批量生产；与半导体激光器相比：单色性好，与光纤耦合损耗小增益介质：掺稀土元素的玻璃光纤。

泵浦方式：半导体激光器；
电磁理论：麦克斯韦方程组：;
;;;波动方程(各向同性，同源，均匀介质)：
；平面波及复数形式：;平面波的偏振：
（）（）线偏振光：（，，）时，线偏振光m 为零或偶数时，光振动方向在I 、III 象限内;m 为奇数时，光振动方向在II 、IV 象限内；圆偏振光：（）（，，），（＋）时右旋，（）时左旋；逆着光传播的方向看，符合右手定则时，称为右旋椭圆偏振光，反之，称为左旋；＜＜（＋）时右旋，（）＜＜时左旋；边界方程：电磁场法相边界条件：;反射折射定律：；菲涅尔方程：将电矢量分解为垂直于入射面的 s 分量和平行于入射面的分量和平行于入射面的 p 分量。

菲涅耳公式就是确定这两个振动分量反射、折射特性的定量关系式。

（）（）（）
反射率透射率;布儒斯特角（）（）（）
临界角（）全反射：
光波在不同媒介中的传播：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。

瑞利散射光的强度与波长的四次方成反比。

由于分子散射与波长的四次方成反比。

波长越长，散射越弱；波长越短，散射越强烈。

故可见光比红外光散射强烈，蓝光又比红光散射强烈。

在晴朗天空，其他微粒很少，因此瑞利散射是主要的，又因为蓝光散射最强烈，故明朗的天空呈现蓝色。

当光的波长相当于或小于散射粒子尺寸时，即产生米氏散射。

米氏散射则主要依赖于散射粒子的尺寸、密度分布以及折射率特性，与波长的关系远不如瑞利散射强烈（可以近似认为与波长无关）。

弱导：波导的性质由纤芯和包层的折射率分布决定，工程上定义为纤芯和包层间的相对折射率差。

当时，（光纤波导的弱导条件）；子午光线：当入射光线通过光纤轴线，且入射角大于界面临界角时，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，包含子午光线的平面称为子午面。

在电光晶体中的传播：折射率椭球体法：未外加电场时，施加电场后
,;KDP类晶体：，，；；外加电场平行于z轴，，；
将xy轴绕z轴旋转角，则，，，；令交叉项等于0，得，，利用，得，，；纵向运用：令则，，相位延迟分别为：,，相位差，半波电压；当晶体上未加电场时，，相当于全波片；当晶体上所加电场为时，，相当于波片；当晶体上所加电场为时，，相当于半波片；横向运用：z方向加电场。

垂直于z轴传播，并于y轴成45°角，晶体采用45°-z切割。

进入晶体后分解为与z两个分量。

，，传播距离L后，产生相位差，自然双折射，（线性光电效应）；略去自然双折射的半波电压（）
电光晶体调制：电光调制的物理基础是电光效应，即某些晶体在外加电场的作用下，其折射率将发
生变化，当光波通过此介质时，其传输特性就受到影响而改变，这种现象称为电光效应。

纵向电光
强度调制：纵向电光调制器（通光方向与电场方向一致）具有结构简单、工作稳定、不存在自然双
折射的影响等优点。

其缺点是半波电压太高，特别在调制频率较高时，功率损耗比较大。

电光相位调制：由起偏器和电光晶体组成。

起偏器的偏振方向平行于晶体的感应主轴x’(或y’)，此时入射晶体的线偏振光不再分
解成沿x’、y’两个分量，而是沿着x’(或y’)轴一个方向偏振，故外电场不改变出射光的偏振状态，仅改变其相位。

如何得到线性调制？如何消除自然双折射的影响？
在声光晶体中传播：产生拉曼-纳斯衍射的条件：当超声波频率较低，光波平行于声波面入射，声光互作用长度L较短时，在
光波通过介质的时间内，折射率的变化可以忽略不计，则声光介质可近似看作为相对静止的“平面相位栅”。

拉曼-纳斯衍射
的特点：由出射波阵面上各子波源发出的次波将发生相干作用，形成与入射方向对称分布的多级衍射光。

各级衍射的方位角
，各级衍射强度（），；产生布喇格衍射条件：声波频率较高，声光作
用长度L较大，光束与声波波面间以一定的角度斜入射，介质具有“体光栅”的性质。

布喇格衍射的特点：衍射光各高级次
衍射光将互相抵消，只出现0级和+1级（或−−1级）衍射光。

，，
光波在磁光晶体中：法拉第旋转效应:它使一束线偏振光在外加磁场作用下的介质中传播时，其偏振方向发生旋转，其旋转
角度的大小与沿光束方向的磁场强H和光在介质中传播的长度L之积成正比，沿x方向偏振的入射光经过长
度为L的磁光介质后将偏转一个角度;磁光调制器:磁光调制主要是应用法拉第旋转效应使一束线偏振光在外加磁场作用下的
介质中传播时，其偏振方向发生旋转;直接调制：即直接对光源进行调制，通过控制半导体激光器的注入电流的大小，
改变激光器输出光波的强弱，又称为内调制。

直接调制方式的特点是:输出功率正比于调制电流，简单、损耗小、成本低；1.
半导体激光器（LD）直接调制的原理：产生足够的粒子数反转分布，谐振腔能够起到反馈作用，光子增益等于或大于光子的
损耗；2.半导体发光二极管（LED ）的调制特性：非相干光，光谱较宽，发散角大；LD和LED相比，其主要区别在于，前者发出的是激光，后者发出的是荧光，因此，LED的谱线宽度较宽，调制效率低，与光纤的耦合效率也较低；但它的输出特性曲线线性好，使用寿命长，成本低，适用于短距离、小容量的传输系统。

而LD 一般适用于长距离、大容量的传输系统，在高速率数字传输设备上已被广泛采用。

光波调制的基本原理：这种将信息加载于激光的过程称之为调制。

完成这一过程的装置称为调制器。

其中激光称为载波；起控制作用的低频信息称为调制信号。

a.振幅调制就是载波的振幅随着调制信号的规律而变化的振荡，简称调幅。

b.调频或调相就是光载波的频率或相位随着调制信号的变化规律而改变的振荡。

因为这两种调制波都表现为总相角的变化，因此统称为角度调制。

c.强度调制是光载波的强度(光强)随调制信号规律而变化的激光振荡。

激光调制通常多采用强度调制形式，这是因为接收器(探测器)一般都是直接地响应其所接收的光强度变化的缘故。

d.脉冲调制是用一种间歇的周期性脉冲序列作为载波，这种载波的某一参量按调制信号
规律变化的调制方法。

先用模拟调制
信号对一电脉冲序列的某参量(幅度、宽度、频率、位置等)进行电调制，使之按调制信号规律变化，成
为已调脉冲序列，再用已调电脉冲序列对光载波进行强度调制，就可以得到相应变化的光脉冲序列。

光波扫描：a.电光扫描：利用电光效应来改变光束在空间的传播方向。

b. 电光数字扫描，由电光晶体
（S）和双折射晶体（B）组成;c.声光扫描原理，布拉格衍射理论，改变超声波的频率就可以改变偏
转角从而达到控制光束传播方向的目的。

空间光调制器：泡克耳读出光调制器工作原理：它是把图像的光强分布转化为加在BOS晶体上电压的空间分布，从而把图像传递到读出光束上去，前者是利用晶体的光电导性质，后者是利用晶体的泡克耳电光效应；液晶空间光调制器工作原理：
光辐射的探测：光电探测器的基本物理效应：1.光子效应：指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。

探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。

光子能量的大小直接影响内部电子状态的改变。

特点是对光波频率表现出选择性，响应速度一般比较快；2.光热效应：探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升，温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。

3.光电发射效应：在光照下，物体向表面以外的空间发射电子（即光电子）的现象。

光电发射体能产生光电发射效应的物体，在光电管中又称为光阴极；4.光电导效应；5.光伏效应；6.温差电效应：当两种不同的配偶材料（可以是金属或半导体）两端并联熔接时，如果两个接头的温度不同，并联回路中就产生电动势，称为温差电动势。

7.热电释效应；8.光电转换定律：光电探测器对入射功率响应(光电流)，一个光子探测器可视为一个电流源。

光功率P正比于光电场的平方——平方律探测器——非线性器件(本质)；性能参数：1.积分灵敏度（R）(A/W),(V/W);2.光谱灵敏度;3.频率灵敏度；4.量子效率，量子效率正比于灵敏度而反比于波长，光电探测器的特性的微观量-宏观量描述；5.通量阈 (W)和噪声等效功率;6.归一化探测度,大的探测器其探测能力一定好; ;散粒噪声散粒噪声: 在光辐射或热激发作用下，光电探测器光电子或载流子随机起伏造成的。

散粒噪声的电流功率谱密度 e电子电荷,i流过探测器的平均电流,M探测器的内增益，，；热噪声：由载流子的热运动引起的起伏就是电阻材料的热噪声，或称为约翰逊噪声。

热噪声是由导体或半导体中载流子随机热激发的波
动而引起的。

其大小与电阻的阻值、温度及工作带宽有关。

热噪声功率谱,,;噪声描述方法——方均根值;
光敏电阻：光敏电阻阻值对光照特别敏感，是一种典型的利用光电导效应制成的光电探测器件。

对于本征型，可用来检测可见光和近红外辐射对于非本征型可以检测波长很长的辐射；特性参数：1.光电流及增益:无光照时流过器件的电流称暗电流，由入射光引起的称光电流。

①、减小样品长度可以大大提高增益；②、增加载流子的寿命也可提高增益。

2.光电导灵敏度定义为光电导与输入光照度E之比;①、灵敏度是光电导体在光照下产生光电导能力的大小(材料特性)。

②、增
益指在工作状态下，各参数对光电导效应的增强能力（结构参数）。

3.光照特性：
光，：光照指数，：电压指数;弱光时，
光
与照度E成线性关系,，强光
时，光电流与照度成抛物线,强光照下光电特性的分析：光照增强的同时，载流子浓度不断的增加，同时光敏电阻的温度也在升高，从而导致载流子运动加剧，因此复合几率也增大，光电流呈饱和趋势（冷却可以改善）。

4.伏安特性：为了使∆u变化最大，选取合适的负载电阻：，处于匹配工作状态，在匹配工作状态下：（）；5.温度特性：温度的变化，引起温度噪声，导致其灵敏度、光照特性、响应率等都发生变化。

为了提高灵敏度，必须采用冷却装置，
尤其是杂质型半导体受温度影响更明显。

光伏探测器的工作模式：第一象限：加正向偏压，p-n结
暗电流I D >>光生电流，光探测器不工作在这个区
域。

第三象限：p-n结加反向偏压，此时p-n结暗电流
＝光电二极管。

第四
象限中，外偏压为零。

流过探测器的电流仍为反向光电流，
随着光功率的不同，出现明显的非线性。

这时探测器的输
出是通过负载电阻R L 上的电压或流过R L 上的电流来
体现，因此，称为光伏工作模式。

通常把光伏工作模式的光伏探测器称为光电池。

应特别注意，光电流总是反向电流，而光电流在R L 上的电压降，对探测器产生正向偏置称为自偏压，当然要产生正向电流。

最终两个电流抵消，伏安曲线中止于横轴上。

开路电压和短路电流:光伏探测器p-n结开路电压 (光电池的重要参数)开路时，即时，得到电压为：;短路电流（光电二极管的参数）短路时，, 短;开路电压输出：非线性，灵敏度高——开关测量；短路电流输出：线性好，灵敏度低——线性检测；
噪声特性分析：噪声主要有：（1）散粒噪声（2）热噪声；总噪声为，反偏工作时，非常大，因热噪声可忽略不计。

；（1）无光照时：①在零偏置时：流过p-n结的电流包含热激发产生的正向和反向的暗电流，它们对总电流的贡献为零，而对噪声的贡献是叠加的，因此总噪声为：，②当器件处于负偏压工作时：由于,,无光照时，负偏压可以抑制噪声;(2）有光照时：①偏压为0时，流过p-n结的电流有三部分，总噪声为：
，②当器件处于负偏压工作时，由于，因此总噪声为：,为降低暗电流噪声，探测器需工作在负偏压。

硅光电二极管：特点：环形p-n结，为了消除表面漏电流，工作于较小的负偏压；通常用平面镜和聚焦透镜作为入射窗口；聚焦透镜：提高灵敏度，由于聚焦位置与入射光方向有关，因此能减小杂散背景光的干扰。

频率响应：光电二极管的频率响应远比硅光电池高，达到MHz量级。

增加了耗尽层的宽度，结电容减小，提高了器件的频率响应特性。

ＰＩＮ光电二极管：(1)本征层厚度近似等于反偏压下耗尽层的厚度，厚度为500um左右(2)本征层相对于n区和p区是高阻区，高电阻使暗电流明显减小。

反向偏压主要集中于这个区域，形成高电场区，由于p区很薄，光电变换主要集中在本征层，强电场使光生载流子渡越时间变短，改善了频率响应(3)本征层的引入使得耗尽层加宽，减少了结电容，使电容时间常数变小，响应时间更快(1)本征层厚度近似等于反偏压下耗尽层的厚度，厚度为500um左右(2)本征层相对于n区和p区是高阻
区，高电阻使暗电流明显减减少了结电容，使电容时间常数变小，响应时间更快；引入本征层对提高器件灵敏度和频率响应起非常重要的作用。

雪崩光电二极管（APD）：雪崩二极管是小。

反向偏压主要集中于这个区域，形成高电场区，由于p区很薄，光电变换主要集中在本征层，强电场使光生载流子渡越时间变短，改善了频率响应(3)本征层的引入使得耗尽层加宽，具有内增益的光伏探测器，利用光生载流子在高电场区内的雪崩效应获得光电流增益，具有高灵敏度，响应快等优点。

工作原理：雪崩效应。

p-n结加强反偏电压和光照光生载流子产生强电场作用下获得高能量，与晶格原子碰撞，晶格原子电离产生电子-空穴对强电场作用下获得高能量，再次与晶格原子碰撞产生新的电子-空穴对。

上述过程不断重复，使p-n结内电流急剧倍增放大，这就是雪崩效应。

特点：(1)体积小，有较高的灵敏度，结构紧凑，工作电压低，使用方便;(2)性能与入射光功率有关：通常当入射光功率在1nW到几uW时，倍增电流与入射光具有较好的线性关系，适合弱光探测。

(3)同PIN光电二极管相比，具有更高的灵敏度，由于有内增益，可大大降低对前置放大器的要求。

(4)由于偏压较高，载流子在结区的渡越时间短，结电容很小，所以雪崩光电二极管的响应速度很快
光电三极管：工作电压：发射结正向电压，集电结反向电压发射结正向电压，集电结反向电压材料：硅npn型居多，锗pnp型居多硅npn型居多，锗pnp型居多功能：1、光电转换，在集-基结内进行，与一般二极管相同；2、光电放大：共发射极放大。