光电子技术复习题

第5章

光探测器：能把光辐射量转换成另一种便于测量的物理量的器件

光电探测器：把光辐射量转换成电量（电流或电压）的光探测器

光电探测器性能参数

1.量子效率

2. 响应度

3. 光谱响应

4. 等效噪声功率

5. 归一化探测度

6. 频率响应

7. 噪声谱

量子效率 : 是指每一个入射光子所释放的平均电子数。

响应度 R:响应度为探测器输出信号电压 Vs（或电流Is ）与输入光功率P之比

光谱响应:表征R 随波长 (拉门大)变化的特性参数

频率响应 R ( f )：频率响应 R( f ) 是描述光探测器响应度在入射光波长不变时，随入射光调制频率变化的特性参数。

等效噪声功率 NEP：定义为相应于单位信噪比的入射光功率，用来表征探测器探测能力，NEP越小，探测能力越强。

归一化探测度 D* ：探测度D：单位入射功率相应的信噪比。 D*表示单位探测器面积、单位带宽的探测度，

1.光电效应：光照射到物体上使物体发射电子，或电导率发生变化，或产生电动势，这些

因光照引起物体电学特性改变的现象，统称为光电效应

内光电效应：光子激发的载流子(电子或空穴) 将保留在材料内部。

外光电效应: 将电子打离材料表面，外光电效应器件通常有多个阴极，以获得倍增效内光电效应主要包括光电导效应与光伏效应

光电导效应是光照变化引起半导体材料电导变化的现象。

光伏效应指光照使半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。

光电导效应下的光敏电阻

光敏电阻的频率特性差，不适于接收高频光信号

前历效应：前历效应是指光敏电阻的时间特性与工作前“历史”有关的一种现象。

分暗态前历与亮态前历。

光敏电阻特点：优点：

1.光谱响应相当宽

2.所测的光强范围宽，即可对强光响应，也可对弱光响应

3.无极性之分，使用方便

4.灵敏度高，工作电流大，可达数毫安

缺点：强光照射下线性较差，频率特性也较差，不适于接收高频光信号，受温度影响大2.

第一象限：普通二极管

第三象限：光导工作模式光电二极管工作区域

第四象限：光伏模式光电池工作区域

光电池：太阳能电池－－用作电源，

测量光电池－－作光电探测

3.光电二极管和光电池的区别：

光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。和光电池相比，重要的不同点是结面积小，因此具有特别好的频率特性。

比较：光电二极管与光电池

1. 掺杂浓度较低；

2. 电阻率较高；

3. 结区面积小；

4. 通常多工作于反偏置状态；

5. 结电容小，频率特性好；

6. 光电流比光电池小得多，一般多在微安级

4.PIN光敏二极管：在P型半导体和N型半导体之间夹着一层本征半导体。

频带宽灵敏度高

频带宽：由于P-N结空间电荷层的间距加宽，因此结电容变小。相应时间变短，频带变宽。

灵敏度高：I层较厚，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量电子 - 空穴对。

5.雪崩光敏二极管：

高反压(100～200 V)

强电场载流子加速

碰撞新载流子

雪崩倍增－－光电流的放大

6.光敏三极管：光电三极管：输出光电流大光电特性“非线性”，频率特性较差

7.

散粒噪声产生-复合噪声热噪声低频噪声

散粒噪声：探测器的散粒噪声是由于探测器在光辐射作用或热激发下，光电子或光生载流子的随机产生所造成的。

产生-复合噪声：半导体中由于载流子产生与复合的随机性而引起的平均载流子浓度的起伏所产生的噪声称为产生—复合噪声，亦称G-R噪声(

热噪声：热噪声是由耗散元件中电荷载流子的随机热运动引起的

低频噪声：在低频时存在的噪声，几乎所有探测器中都存在。由于噪声功率与频率有近似反比的关系，也称为1/f 噪声

第1章

8. D DD 表明电荷产生电场，且电场是有源场

9.EEEE表明变化的磁场产生电场

10.BBBBB表明磁场是无源场，磁感线总是闭合曲线

11.HHHH表明传导电流和变化的电场都能产生磁场

12.D= 界面两侧电场的法向分量发生了跃变

B= 界面两侧磁场的法向分量连续

E= 界面两侧电场的切向分量连续

H= 界面两侧磁场的切向分量发生了跃变

13.两种理想介质分界面上的边界条件

在两种理想介质分界面上，通常没有电荷和电流分布，即JS＝0、ρS＝0

D的法向分量连续

B的法向分量连续

E的切向分量连续 ?

H的切向分量连续

14.理想导体表面上的边界条件理想导体：电导率为无限大的导电媒质特征：电磁场不

可能进入理想导体内设媒质2为理想导体，则E2、D2、 H2、B2均为零

理想导体表面上电荷密度等于D的法向分量

理想导体表面上B的法向分量为0

理想导体表面上E的切向分量为0

理想导体表面上电流密度等于H的切向分量

15.平面电磁波：任意时刻，如果在平面等相位面上，每一点的电场强度均相同，这种电

磁波称为均匀平面波。 1. 均匀平面波满足一维波动方程

均匀平面波是横电磁波（TEM波）

对于无限大、均匀、理想介质中的均匀平面波，相速等于波速

9. 其他条件相同时，受激辐射和受激吸收具有相同几率。

10. 热平衡状态下，高能级上原子数少于低能级上原子数，故正常情况下，吸收比发射更频繁，其差额由自发辐射补偿。

11. 自发辐射的出现随V3而增大，故波长越短，自发辐射几率越大。

12. 激光的纵模：光场沿轴向传播的振动模式 ?

13. 激光的横模：激光腔内与轴向垂直的横截面内的稳定光场分布称为激光的横模

激光横模形成的主要因素是谐振腔两端反射镜的衍射作用。

激光器输出的频率个数（纵模数）N，由激活介质所发射的谱线对应的频宽和纵模间隔的比值决定

用接收屏观察激光器输出光束屏上形成的光斑图形。按其对称性可分为轴对称横模和旋转对称横模。

轴对称横模TEMmn旋转对称横模TEMpl

纵模选择

色散腔粗选

短腔法 F-P标准具复合腔

横模（基模）选择

小孔光阑选模

聚焦光阑选模

猫眼腔选模

第3章

1. 单色平面波是指电场强度E 和磁场强度H都以单一频率随时间作正弦变

化而传播的波。单色 + 平面波

2.高斯光束激光器发出的光沿z轴方向传播的高斯光束（激光束），

不管是由何种稳定腔产生的

R：z点处的波阵面半径ω(z)：z点处的光斑半径二维高斯函数平面波因子球面波因子

3. 高斯光束半径：将在光束截面内，振幅下降到最大值的1/e时，离光轴

的距离定义为该处的光斑半径ω(z)

只要光学元件的孔径大于3ω/2，即可保证高斯光束的绝大部分功率有效透过

4. 在z=0处:

波阵面半径R(0)趋于无穷波阵面为平面波

光斑半径等于束腰半径ω=等于ω0

在z→∞处：波阵面半径R(0)趋于无穷波阵面为平面波

5. 在z=0处和z→∞处，R(z)的值均为∞(平面波)，则在中间某位置必存在一最小R(z)

瑞利长度（共焦参数）的物理意义：高斯光束传播过程中的两特殊点，在此点，波阵面半径最小，具有两对称点（相对束腰）互为其波面球心。

6. 能量密度 w：表示场内单位体积的能量，是空间位置x和时间t的函数，w=w(x,t)

（能流密度）S ：

单位时间内，通过垂直于波的传播方向的单位面积的辐射能。

7. 相速度：单色波的等相位面传播的速度

群速度：合成波波包上等振幅面传播的速度

8.瑞利群速公式。在正常色散区域大于0，群速小于相速；在反常色散区域dvp/dλ<0，群速大于相速；在真空中无色散等于0，群速等于相速9.

（1）在真空中传播时，波速相同，相速度和群速度相等。

（2）在色散介质中传播时，不同频率的光波传播速度不同，合成波形在传播过程中会不断地变化，相速度和群速度不同。

（3）光波能量正比于电场振幅的平方，而群速度是振幅面传播的速度，所以群速度是光波能量传播的速度

10. 外腔式激光管加装布儒斯特窗，以产生线偏振激光。

11.全反射设光波从光密介质射向光疏介质 (n1>n2)，折射角θ2大于入射角θ1。当 sinθ1＝n2/n1时，θ2为90度，这时折射角沿界面掠过。若入射角再增大，使 sinθ1>n2/n1 ，这时不能定义实数的折射角。使90度的入射角θ1称为临界角，记作θc ，即

当θ1≥θc时，没有折射光，入射光全部返回介质1，这个现象为全反射。

12. 入射平面波在上下界面均产生全反射，此时形成的波称为导波

有一部分能量从薄膜中辐射出去，这种情况下的波称为辐射模

13.射线从B’到C’的相位变化为k0 n1 B’C’

射线从B到C的相位变化为(k0n1BC-2Φ2-2Φ3)

两射线的相位差为：

薄膜波导的特征方程

13. k0n1cosθ1是薄膜中波矢量x方向分量，是薄膜中的横向相位常数，可表示为：k1x=k0n1cosθ1 特征方程可写为：

k1xd是横过薄膜的横向相位变化

2φ2，2φ3是在边界上全反射时的相位突变

m是模序数，当m=0，1，2…时，可得到

14.当m=0时其场沿x方向的变化不足半个驻波

当m=1时，其场沿x方向变化不足一个驻波，其他依此类推。因而m表示了导波场沿薄膜横向出现的完整半驻波个数。m越大，导波的模次越高

16.由特征方程还可以看出，在其他条件不变的情况下，若θ1减小，则m增

大，因而表明高次模是由入射角θ1较小的平面波构成的。

17.波序数m相同的TE模和TM模的截止波长不同。当m相同时，TE模的截止

波长较长，因而在所有的波导模式中， TE0模的截止波长最长。

18.由于TE0模的截止波长最长，因而它的传输条件最容易满足。薄膜波导中

的TE0 模是基模。如果波导的结构或选择的工作波长只允许TE0模传输，其他模式均截止，则称为单模传输。单模传输的条件是

19.对称薄膜波导：该式对TE模，TM模都适用。即模序数相同的 TE模和TM模

具有相同的截止波长λc。当TE0 模出现时，TMm模也伴随出现，这就叫兼并。

对于对称波导，TM0模截止波长λc=∞，没有截止现象，这是对称波导的特有性质。

20.数值孔径：表示光纤捕捉光线的能力的物理量

光纤能够接受外来入射光的最大受光角Φ的正弦与入射区折射率的乘积21.入射角不同的光线在阶跃光纤中传播时，几何程长是不同的，因而其轴向速

度有所不同，引起模式色散。为减小模式色散，设计了折射率沿半径渐变的光纤，称为梯度光纤或非均匀光纤。由于中心折射率最大，两边折射率逐渐变小，因此光线轨迹不再是直线而是曲线。并且使全部的射线以同样的轴向速度在光纤中传播，从而消除了模式色散。这种现象叫自聚焦现象，这种光纤叫自聚焦光纤。

22.光纤损耗:吸收损耗(包括：本征吸收杂质吸收 ) 散射损耗（瑞利散

射瑞利散射损耗与入射波长的4次方成反比，因而这种损耗随着波长的增加而迅速减小。米氏散射非线性散射）其它损耗

23.色散特性：材料色散模式色散波导色散

24.波导色散是由光纤的几何结构决定的色散，它是由某一波导模式的传播常

数β随光信号角频率变化而引起的，也称结构色散。

25.对多模光纤，模式数量大，总色散基本取决于模式色散其次为材料色散 ?

对应单模光纤，主要是材料色散和波导色散

原理：外加电场实现粒子数反转，大量电子空穴对复合导致发光 LED & LD 是利用注入有源区的载流子自发辐射复合发光是受激辐射复合发光 3.结构上的差别：LD有光学谐振腔，使产生的光子在腔内振荡放大，LED没有谐振腔。 4.性能上的差别：LED没有阈值特性,光谱密度比LD高几个数量级, LED输出光功率小, 发散角大。

能量密度w表示场内单位体积的能量，是空间位置x和时间t 的函数，w=w(x,t)； ?

能流密度S描述能量在场内的传播，S在数值上等于单位时间内垂直流过单位横截面

的能量，其方向代表能量传播的方向。

高斯光束半径将在光束截面内，振幅下降到最大值的1/e时，离光轴的距离定义为该处的光斑半径?(z)

相速度：单色波的等相位面传播的速度群速度：合成波波包上等振幅面传播的速度

即瑞利群速公式。在正常色散区域dvp/dλ>0，群速小于相速；在反常色散区域dvp/d λ<0，群速大于相速；在真空中无色散dvp/dλ＝0，群速等于相速