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。
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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】
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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：
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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