第4章(光源和光电检测器)
பைடு நூலகம்
《光纤通信技术》
3）调制特性 从LED的P-I特性可见，当注入小电流时，其线性相当好，当注入电流较大时， 由于PN结发热而逐渐饱和。因此对模拟传输来说，LED工作在线性区是很合适的， 但对线性要求特别高时，需要进行线性补偿。在数字调制时，可由电流源直接调 制控制LED的通断；在模拟调制时，则先要将LED直流偏置。
《光纤通信技术》
2. PIN光电二极管 普通P-N结的耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收，因而光电转 换效率低，响应速度慢。为了克服P-N结光电二极管的缺点，在PIN光电二极管中 设置了I层，其结构如下图所示：
光子
I P 耗尽层 N
电场
z
《光纤通信技术》
PIN光电二极管的中间是掺杂浓度非常低的I层，两侧是掺杂浓度很高的P 型和N型半导体。I层很厚，吸收系数很小，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，因而大幅度提高了光电转换效率；两侧很薄， 吸收入射光的比例很小，I层几乎占据整个耗尽层，因而光生电流中漂移分量 占支配地位，从而大大提高了响应速度。另外，可通过控制耗尽层的宽度，来 改变器件的响应速度。
发出的是相干的激光，而LED发出的是非相干的荧光。发光二极管有两类：表面
发光二极管（SLED）和侧面发光二极管（ELED），其结构如下图所示 :
《光纤通信技术》
2.发光二极管的工作特性 1）P-I特性 LED是非阈值器件，发光功率随工作电流的增大而增大，并在大电流时逐渐饱 和。LED的工作电流通常为50~100mA，偏置电压为1.2~1.8V，输出光功率为几mW， 入纤功率只有几十微瓦。工作温度提高时，同样工作电流下LED的输出功率要下降，
《光纤通信技术》
一般说来，处于高能级的导带的电子是不稳定的，它们会向低能级的价 带跃迁，从而将能量以光子的形式释放出来，发射光子的能量hf等于导带和 价带的能量差，即： hf = E2 - E1= Eg h=6.626×10-34（焦·秒）为普朗克常数，Eg为禁带能量。
这就是半导体器件的发光机理。
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4.2.1
光电检测器的工作原理
1. 光电二极管（PD） 光电二极管把光信号转换为电信号的功能，是由半导体P-N结的光电效应实
现的，如下图所示：
扩散区
自建电场 P区 扩散区 导带 光子 N区 禁带 价带 耗尽区 吸收区
《光纤通信技术》
光电二极管的工作原理如下：
P—N结本身存在一个内建电场，方向由N→P；
《光纤通信技术》
第4章：光源和光电检测器
《光纤通信技术》
内容目录
4.1 光 源
4. 2 光电检测器
4.3 光放大器
《光纤通信技术》
通信用光器件可以分为有源器件和无源器件两种类型。在上章我们介 绍了光无源器件，这些器件对光纤通信系统的构成、功能的扩展和性能的 提高都是不可缺少的。有源器件包括光源、光检测器和光放大器，它们是 光发射机、光接收机和光中继器的关键器件，和光纤一起决定着基本光纤 传输系统的水平。
平均入射光功率之比，即： R=IP/Pin IP为光检测器的平均输出电流；Pin为入射在光电检测器光敏面上的平均 光功率； R的单位为A/W或µA/µW。响应度高，表示光转换为电的效果好。 2.量子效率 量子效率η 的定义为一次光生电子-空穴对和入射光子数的比值： η =(光生电子-空穴对)/入射光子数=(IP/e)/(P/hf)（×100%）
《光纤通信技术》
4.1 光 源
能发出一定波长范围的电磁波（包括可见光与紫外线、红外线等不可见
光）的物体称为光源。光纤通信系统对光源的要求主要有： 光源所发射的波长要在光纤的低损耗区；
光源的谱宽要窄，以降低光纤色散的影响；
光源必须容易进行调制，线性要好； 如果光源采用直接调制方式，要求其调制速率要高； 寿命长，体积小，稳定性好； 耗电小，光束的发散角小，与光纤的耦合效率高。
P
=输出光功率/消耗的电功率
λ =hf/Eg=1.24/Eg 不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg，因而有不同的发射波长。GaAlAs-
GaAs材料适用于0.85μ m波段，InGaAsP-InP材料适用于1.31μ m、1.55μ m波段。
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4.1.3 发光二极管LED 1.发光二极管的结构及特性 发光二极管LED的工作原理与半导体激光器LD有所不同，LD发射的是受激辐 射光，LED发射的是自发辐射光。LED的结构与LD相似，大多采用双异质结结构， 把有源层夹在P型和N型限制层中间；不同的是LED没有谐振腔，没有阈值，且LD
《光纤通信技术》
能满足上述要求且已广泛应用于光纤通信系统中的半导体光源有两种： 发光二极管LED和激光二极管LD。两种光源的主要区别在于：LED输出的 是非相干光，其谱宽宽，入纤功率小，调制速率低，经济，寿命长，调制 电路简单，适宜于短距离低速系统；LD输出的是相干光，谱宽窄，调制速 率高，入纤功率大，适宜于长距离高速系统。 4.1.1 半导体器件的发光原理 万事万物都是由原子构成，原子又是由原子核和电子组成。电子以原 子核为中心，按不同的电子层排列在原子核周围旋转，这些特定的电子层 称为能级，对半导体材料，电子的能级重叠在一起形成能带。其中能量低 的能带称为价带E1，能量高的能带称为导带E2，E2和E1之间的能量差称 为禁带。
《光纤通信技术》
3.雪崩光电二极管（APD） 雪崩光电二极管的特点是具有雪崩倍增作用。其工作原理是当外加的反向 偏压增加到使电场达到200kV/cm以上时，由光电效应产生的载流子在高电场区
获得足够能量而加速运动，它们在高速运动中与晶体的原子相互碰撞，使晶体
中的原子电离，产生新的电子-空穴对。这些电子-空穴对在高速电场以相反的 方向运动时又被加速，又可能碰撞电离其它原子，经过多次碰撞，产生连锁反 应，使载流子数量迅速增加，反向电流迅速增大，形成雪崩倍增效果。 雪崩电压对环境温度变化较敏感，使用有点不便。但由于有内部电流放大
《光纤通信技术》
3.LED与LD的比较 LED与LD的比较如下表所示:
《光纤通信技术》
4.2 光电检测器
在光纤通信工程中所使用的光接收器件，其作用是把接收到的光信号 转换为电信号，称为光电检测器。光电检测器按工作的光电效应可分为外 光电效应（如光电倍增管）和内光电效应（如半导体光电二极管）。外光 电效应是指入射光的能量很大，能将光敏材料的内部电子激发出来；内光 电效应是指入射光子并不能直接轰击出光电子来，仅是将内部的电子从较 低能级提升到较高的能级。光纤通信中所用的光电检测器利用的是内光电 效应。
当用光子能量hf≧Eg的光照射PN结时，电子吸收光能从低能级（价带）跃 迁到高能级（导带），在耗尽区产生许多电子空穴对，即光生载流子； 光生载流子在内建电场的作用下，电子漂移到N区，空穴漂移到P区，形成 光生电动势； 在外加偏压作用下，PN结耗尽区变宽、电场进一步增高，PN结的动态阻抗 增大。（外加电场加强自建电场，使耗尽层变宽）； 接通回路，负载上有电流，将光转变为电。
《光纤通信技术》
2）效率特性 激光器的效率特性有两个参数：微分量子效率η d和功率转换效率η 微分量子效率η d的定义是： η
d P
。
=输出光子数增量/输入电子数增量=eΔ P/ hfΔ I
微分量子效率η d是衡量激光器电/光转换效率的参数。η d大，转换效率高。 功率转换效率η P的定义是：
η
3）发射波长
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4.3 光放大器
光放大器是将光信号直接进行放大的一种设备。光放大器可以置换光/ 电/光中继器，从而节约成本、提高可靠性、缩小体积，是实现全光通信的 措施之一，也是光通信研究的热门课题。 4.3.1 光放大器的类型
《光纤通信技术》
4.1.2 半导体激光器LD 半导体激光器是利用在有源区中受激而发射光的光器件。只有在工作电 流超过阈值电流的情况下，才会输出激光（相干光），因而是有阈值的器件。 1.LD的基本结构及工作原理
《光纤通信技术》
双异质结对电子和光子有限制作用，把电子和光子限制在有源区内。限制 作用表现在两个方面：有源层的禁带宽度比限制层大，电子难以越过两边的边 界，而被限制在有源区内，使有源区的电子浓度增加；另一方面，有源层的折 射率比限制层大，在有源区形成一个波导结构，将光发射限制在有源区内。 半导体激光器发光利用的是受激辐射原理。给二极管加上正偏压，电子和 空穴在有源区内复合而发光，由于电子和光子被限制在有源区内，有源区的电 子不断增加，形成电子数反转分布，电子数反转分布是产生受激辐射的必要条 件，但只有电子数反转分布是不够的，还不能产生激光，必须把激活物质置于 光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振 荡输出。
对于LED和LD两种半导体发光器件都是利用PN结发光。 如果在PN结加上正向偏压，则N型区的电子和P型区的空穴源源不断地注入 PN结区。在PN结区中，电子与空穴自发地复合。复合时，电子从高能级的导 带跃迁到低能级的价带，同时发射一定频率的光子。
《光纤通信技术》
电子在E2和E1之间的跃迁有三种基本方式，分别为自发辐射、受激吸收、 受激辐射。如下图所示：
《光纤通信技术》
设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2（E2＞E1）的电子数分别为
N1和N2，当物质中的原子处在正常温度时的热平衡状态下，存在下面的分布：
N2/N1=exp[-（E2-E1）/kT] 上式中，k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为绝对温度。 正常的状态下，N1＞N2，即低能级上的电子数多，这种状态称为热平衡状态 （即正常分布状态）。此时即使有外部光的入射，也会由于吸收的光要比受激辐 射的光多，而不会产生发光现象。为了能使原子发光就必须从外部给原子以能量， 使高能级E2上的电子数增加并多于低能级E1上的电子数。 对于N1＜N2的状态，相当于将上式中的T变为负值，因此称作为负温度状态。 相比于N1＞N2的正常分布， N1＜N2的分布也称为粒子（电子）数反转分布，这是 半导体器件发光的首要条件。
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3）调制特性 从LED的P-I特性可见，当注入小电流时，其线性相当好，当注入电流较大时， 由于PN结发热而逐渐饱和。因此对模拟传输来说，LED工作在线性区是很合适的， 但对线性要求特别高时，需要进行线性补偿。在数字调制时，可由电流源直接调 制控制LED的通断；在模拟调制时，则先要将LED直流偏置。
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2. PIN光电二极管 普通P-N结的耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收，因而光电转 换效率低，响应速度慢。为了克服P-N结光电二极管的缺点，在PIN光电二极管中 设置了I层，其结构如下图所示：
光子
I P 耗尽层 N
电场
z
《光纤通信技术》
PIN光电二极管的中间是掺杂浓度非常低的I层，两侧是掺杂浓度很高的P 型和N型半导体。I层很厚，吸收系数很小，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，因而大幅度提高了光电转换效率；两侧很薄， 吸收入射光的比例很小，I层几乎占据整个耗尽层，因而光生电流中漂移分量 占支配地位，从而大大提高了响应速度。另外，可通过控制耗尽层的宽度，来 改变器件的响应速度。
发出的是相干的激光，而LED发出的是非相干的荧光。发光二极管有两类：表面
发光二极管（SLED）和侧面发光二极管（ELED），其结构如下图所示 :
《光纤通信技术》
2.发光二极管的工作特性 1）P-I特性 LED是非阈值器件，发光功率随工作电流的增大而增大，并在大电流时逐渐饱 和。LED的工作电流通常为50~100mA，偏置电压为1.2~1.8V，输出光功率为几mW， 入纤功率只有几十微瓦。工作温度提高时，同样工作电流下LED的输出功率要下降，
《光纤通信技术》
一般说来，处于高能级的导带的电子是不稳定的，它们会向低能级的价 带跃迁，从而将能量以光子的形式释放出来，发射光子的能量hf等于导带和 价带的能量差，即： hf = E2 - E1= Eg h=6.626×10-34（焦·秒）为普朗克常数，Eg为禁带能量。
这就是半导体器件的发光机理。
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4.2.1
光电检测器的工作原理
1. 光电二极管（PD） 光电二极管把光信号转换为电信号的功能，是由半导体P-N结的光电效应实
现的，如下图所示：
扩散区
自建电场 P区 扩散区 导带 光子 N区 禁带 价带 耗尽区 吸收区
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光电二极管的工作原理如下：
P—N结本身存在一个内建电场，方向由N→P；
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第4章：光源和光电检测器
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内容目录
4.1 光 源
4. 2 光电检测器
4.3 光放大器
《光纤通信技术》
通信用光器件可以分为有源器件和无源器件两种类型。在上章我们介 绍了光无源器件，这些器件对光纤通信系统的构成、功能的扩展和性能的 提高都是不可缺少的。有源器件包括光源、光检测器和光放大器，它们是 光发射机、光接收机和光中继器的关键器件，和光纤一起决定着基本光纤 传输系统的水平。
平均入射光功率之比，即： R=IP/Pin IP为光检测器的平均输出电流；Pin为入射在光电检测器光敏面上的平均 光功率； R的单位为A/W或µA/µW。响应度高，表示光转换为电的效果好。 2.量子效率 量子效率η 的定义为一次光生电子-空穴对和入射光子数的比值： η =(光生电子-空穴对)/入射光子数=(IP/e)/(P/hf)（×100%）
《光纤通信技术》
4.1 光 源
能发出一定波长范围的电磁波（包括可见光与紫外线、红外线等不可见
光）的物体称为光源。光纤通信系统对光源的要求主要有： 光源所发射的波长要在光纤的低损耗区；
光源的谱宽要窄，以降低光纤色散的影响；
光源必须容易进行调制，线性要好； 如果光源采用直接调制方式，要求其调制速率要高； 寿命长，体积小，稳定性好； 耗电小，光束的发散角小，与光纤的耦合效率高。
P
=输出光功率/消耗的电功率
λ =hf/Eg=1.24/Eg 不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg，因而有不同的发射波长。GaAlAs-
GaAs材料适用于0.85μ m波段，InGaAsP-InP材料适用于1.31μ m、1.55μ m波段。
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4.1.3 发光二极管LED 1.发光二极管的结构及特性 发光二极管LED的工作原理与半导体激光器LD有所不同，LD发射的是受激辐 射光，LED发射的是自发辐射光。LED的结构与LD相似，大多采用双异质结结构， 把有源层夹在P型和N型限制层中间；不同的是LED没有谐振腔，没有阈值，且LD
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能满足上述要求且已广泛应用于光纤通信系统中的半导体光源有两种： 发光二极管LED和激光二极管LD。两种光源的主要区别在于：LED输出的 是非相干光，其谱宽宽，入纤功率小，调制速率低，经济，寿命长，调制 电路简单，适宜于短距离低速系统；LD输出的是相干光，谱宽窄，调制速 率高，入纤功率大，适宜于长距离高速系统。 4.1.1 半导体器件的发光原理 万事万物都是由原子构成，原子又是由原子核和电子组成。电子以原 子核为中心，按不同的电子层排列在原子核周围旋转，这些特定的电子层 称为能级，对半导体材料，电子的能级重叠在一起形成能带。其中能量低 的能带称为价带E1，能量高的能带称为导带E2，E2和E1之间的能量差称 为禁带。
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3.雪崩光电二极管（APD） 雪崩光电二极管的特点是具有雪崩倍增作用。其工作原理是当外加的反向 偏压增加到使电场达到200kV/cm以上时，由光电效应产生的载流子在高电场区
获得足够能量而加速运动，它们在高速运动中与晶体的原子相互碰撞，使晶体
中的原子电离，产生新的电子-空穴对。这些电子-空穴对在高速电场以相反的 方向运动时又被加速，又可能碰撞电离其它原子，经过多次碰撞，产生连锁反 应，使载流子数量迅速增加，反向电流迅速增大，形成雪崩倍增效果。 雪崩电压对环境温度变化较敏感，使用有点不便。但由于有内部电流放大
《光纤通信技术》
3.LED与LD的比较 LED与LD的比较如下表所示:
《光纤通信技术》
4.2 光电检测器
在光纤通信工程中所使用的光接收器件，其作用是把接收到的光信号 转换为电信号，称为光电检测器。光电检测器按工作的光电效应可分为外 光电效应（如光电倍增管）和内光电效应（如半导体光电二极管）。外光 电效应是指入射光的能量很大，能将光敏材料的内部电子激发出来；内光 电效应是指入射光子并不能直接轰击出光电子来，仅是将内部的电子从较 低能级提升到较高的能级。光纤通信中所用的光电检测器利用的是内光电 效应。
当用光子能量hf≧Eg的光照射PN结时，电子吸收光能从低能级（价带）跃 迁到高能级（导带），在耗尽区产生许多电子空穴对，即光生载流子； 光生载流子在内建电场的作用下，电子漂移到N区，空穴漂移到P区，形成 光生电动势； 在外加偏压作用下，PN结耗尽区变宽、电场进一步增高，PN结的动态阻抗 增大。（外加电场加强自建电场，使耗尽层变宽）； 接通回路，负载上有电流，将光转变为电。
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2）效率特性 激光器的效率特性有两个参数：微分量子效率η d和功率转换效率η 微分量子效率η d的定义是： η
d P
。
=输出光子数增量/输入电子数增量=eΔ P/ hfΔ I
微分量子效率η d是衡量激光器电/光转换效率的参数。η d大，转换效率高。 功率转换效率η P的定义是：
η
3）发射波长
《光纤通信技术》
4.3 光放大器
光放大器是将光信号直接进行放大的一种设备。光放大器可以置换光/ 电/光中继器，从而节约成本、提高可靠性、缩小体积，是实现全光通信的 措施之一，也是光通信研究的热门课题。 4.3.1 光放大器的类型
《光纤通信技术》
4.1.2 半导体激光器LD 半导体激光器是利用在有源区中受激而发射光的光器件。只有在工作电 流超过阈值电流的情况下，才会输出激光（相干光），因而是有阈值的器件。 1.LD的基本结构及工作原理
《光纤通信技术》
双异质结对电子和光子有限制作用，把电子和光子限制在有源区内。限制 作用表现在两个方面：有源层的禁带宽度比限制层大，电子难以越过两边的边 界，而被限制在有源区内，使有源区的电子浓度增加；另一方面，有源层的折 射率比限制层大，在有源区形成一个波导结构，将光发射限制在有源区内。 半导体激光器发光利用的是受激辐射原理。给二极管加上正偏压，电子和 空穴在有源区内复合而发光，由于电子和光子被限制在有源区内，有源区的电 子不断增加，形成电子数反转分布，电子数反转分布是产生受激辐射的必要条 件，但只有电子数反转分布是不够的，还不能产生激光，必须把激活物质置于 光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择，才能获得连续的光放大和激光振 荡输出。
对于LED和LD两种半导体发光器件都是利用PN结发光。 如果在PN结加上正向偏压，则N型区的电子和P型区的空穴源源不断地注入 PN结区。在PN结区中，电子与空穴自发地复合。复合时，电子从高能级的导 带跃迁到低能级的价带，同时发射一定频率的光子。
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电子在E2和E1之间的跃迁有三种基本方式，分别为自发辐射、受激吸收、 受激辐射。如下图所示：
《光纤通信技术》
设在单位物质中，处于低能级E1和处于高能级E2（E2＞E1）的电子数分别为
N1和N2，当物质中的原子处在正常温度时的热平衡状态下，存在下面的分布：
N2/N1=exp[-（E2-E1）/kT] 上式中，k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为绝对温度。 正常的状态下，N1＞N2，即低能级上的电子数多，这种状态称为热平衡状态 （即正常分布状态）。此时即使有外部光的入射，也会由于吸收的光要比受激辐 射的光多，而不会产生发光现象。为了能使原子发光就必须从外部给原子以能量， 使高能级E2上的电子数增加并多于低能级E1上的电子数。 对于N1＜N2的状态，相当于将上式中的T变为负值，因此称作为负温度状态。 相比于N1＞N2的正常分布， N1＜N2的分布也称为粒子（电子）数反转分布，这是 半导体器件发光的首要条件。
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信息光学中的光源及检测器
信息光学中的光源及检测器信息光学是一门研究光在信息处理中的应用的学科，光源和光检测器是信息光学中至关重要的两个组成部分。
本文将就信息光学中的光源和光检测器进行讨论。
一、光源光源是信息光学系统中的一个关键元素，它能够产生一定波长的光线。
在信息传输、光通信、成像和光学测量等领域中，常使用各种不同类型的光源来满足特定的需求。
1. 激光器激光器是一种能够产生高度单色、高亮度和高方向性光束的光源。
由于其出色的光学特性，激光器被广泛应用于信息光学系统中。
在激光雷达、光纤通信、光存储和激光打印等领域中，激光器发挥着重要作用。
2. LEDLED（发光二极管）是一种便携式、低功耗的光源，具有方便控制、寿命长和效率高等特点。
在信息显示、指示灯和背光源等领域中，LED广泛应用。
3. 空间光调制器空间光调制器（Spatial Light Modulator，SLM）是一种能够改变光的幅度、相位或偏振状态的器件。
通过控制SLM，可以实现对光的任意调制，从而实现信息的传输和处理。
二、光检测器光检测器能够将光信号转化为电信号，并对其进行测量和分析。
在信息光学系统中，光检测器用于接收和检测来自光源的信号，并将其转化为可处理的电信号。
1. 光电二极管光电二极管是一种常见的光检测器，其工作基于光电效应。
当光线照射到光电二极管上时，光子会激发电子，从而产生电流。
光电二极管具有简单、经济和高响应速度的特点。
2. 光电倍增管光电倍增管（Photomultiplier Tube，PMT）是一种能够对弱光信号进行增强的光检测器。
PMT由光电阴极、倍增级和收集极等部分组成，通过光电效应和倍增效应来增强光信号。
3. 接收机在光通信系统中，接收机是一种将光信号转化为电信号的设备。
光通信接收机采用光电检测器来接收和转化光信号，并通过解调和放大来恢复原始信息。
总结：信息光学中的光源和光检测器是构建光学系统的关键元素。
不同类型的光源和光检测器在信息传输、光通信、成像和光学测量等领域中发挥着重要作用。
光纤通信(第四版)光源与光检测器
3.13 光检测器
性能参数
噪声 量子噪声又称散弹噪声
光电效应是一种统计过程
光子流统计涨落 光电效应统计涨落 电子-空穴对自发复合统计涨落
量子噪声是一种具有均匀频谱的白噪声，带宽 B 内量子噪声电流的均方值可表示为：
iQ2
2 Q
2qIP B
3.2LD的输出光功率
半导体LD的速率方程：
A( N e
N0)N p
Ne
e
J ed
A( N e
N0)N p
Np
p
Ne
e
0
J th
ed (N e )th
e
3.2LD的输出光功率
P-I曲线 激光二极管的总发射光功率P与注入电流I的关系曲线。
NP
p
ed
(J
J th )
阈值电流Ith：开始发射受激发射的电 流值。阈值电流与腔的损耗、尺寸、 有源区材料和厚度等因素有关。
3.12 光源与光纤的耦合 面发光二极管与光纤的透镜耦合
（a）中光纤的端面作成球透镜， （b）中采用截头透镜， （c）中采用集成微透镜
3.12 光源与光纤的耦合 边发光LED与光纤的透镜耦合
3.13 光检测器
原理
光检测器由半导 体材料制成，当光 照射到其表面时价 带中的电子吸收光 子，获得能量的电 子跃迁到导带同时 在价带中留下了空 穴，在外加偏置电 压的情况下电子空 穴对的运动形成了 电流，常称为光生 电流。
光纤
限流区
金属 接触层
胶 电极
有源区
SiO2
SiO2
Cu热沉
面发射型LED
双异质结 结构
电极
衬底
Cu热沉
边发射型LED
(完整版)第四章光电信号检测电路
4.2 光电信号输入电路的静态计算
静态计算法是对缓慢变化的光信号采用直流电路 检测时使用的设计方法，由于光电检测器件的非线 性伏安特性，所采用的方法包括非线性电路的图解 法和分段线性化的解析法。
按照伏安特性的基本性质可分为三种类型：恒流 源型、光伏型和可变电阻。
4.2.1 恒流源型器件光电信号输入电路
0 Q
UQ
图解法 分析：
U
O
U
光伏型器件负载电阻和光通量的影响分析：
伏安特性 非线性
光通量较小时 近似线性关系 光通量较大时 逐渐饱和状态
电阻越大越明显
RL 0
RM
RL↑
负载电阻的选取影响输出信号
UM
短路电流或线性电流放大(区域I) 空载电压输出(区域IV) 线性电压输出(区域 II)
短路电流或线性电流放大区域 I
1、负载电阻很小,接近于0,电 路工作状态接近于短路工作状态, 可实现电流变换。后续电流放大 级可从光电池中吸取最大的输出 电流。此时输出电流为：
I
I I p Is eIRL UT 1 RL 0
I p Isc S
和 I S
RL 0
i
R1 I
II
RM
Isc2 2 I sc1 1
O
所以 R
S Gp Gd 2
R2S
即有：I
R 2U b S
R RL 2
和
U L
RLI L
R 2U b S
R RL 2
RL
练习思考
R IL
10K
UL
Ub
已知负载10k，偏置电压100V,光电导灵敏度为 S=0.5×10-6S/lm，暗电导为0，假设静态工作点光通量 为100lm时，光敏电阻阻值为20k，试求光通量在50lm 到150lm的范围内变化时电路负载上输出电流和输出电
2019光源与光检测器C4精品文档
2πr.MV=nh ——电子轨道的量子条件
X
三．晶体中的能带
第
发光机理
9
页
制造光源和检测器的材料:共价晶体。（能带结构）
共价晶体：每个原子最外层的电子和邻近原子形成 共价键，整个晶体通过这些共价键原子联系起来。
X
发光机理
第 10
页
能带----晶体的能谱在原子能级的基础上按共有化 运动的不同分裂成若干组，每组能级彼此靠得很 近，组成有一定宽度的带。
I：注入电流
P：发对光功率
Ith
I
（b）实际曲线
PI 特性
只有I> Ith 时，才有激光输出。
目前的激光器Ith 一般为十几个mA，最大输出功率 可大于2mw。PI特性也称出光特性。
X
外微分量的效率（ηd）（内量子效率，外量 子效率，外微分量子效率）
定义——在阀值点以上，单位时间发射的光 子数变化量与注入的电子——空穴对数变化量 之比。
受激辐射产生出的光子——激光
X
4.1.2 半导体激光器的发光原理
第 21
页
一．激射条件
• 有源区里产生足够的粒子数反转分布
• 存在光学谐振腔，并在谐振腔里建立越 稳定的振荡
X
第
半导体激光器的发光原理 22 页
有源区里产生足够的粒子数反转分布
1）半导体激光器是用直接带隙材料（光跃迁） 做成的二极管。
X
半导体激光器的发光原理
第
27
--高掺杂PN结能带图
页
导带（EC）N 价带（EV）N 导带（EC）N 价带（EV）N
导带（EC）P
价带（EV）P
e VD
（a）
VD
d
光电探测技术与应用第4章课后习题与答案
最大输出功率 Pm U m I m 340.8 56 10 3 19.08mW 转换效率 m
Pm Pm 19.08 9.54% E S 200 1
7 已知光电三极管变换电路及其伏安特性曲线如图 3-45 所示。若光敏面上的照 度变化 e 120 80sin wt (lx) ，为使光电三极管的集电极输出电压为不小于 4V 的 正弦信号， 求所需要的负载电阻 RL 、 电源电压 U bb 及该电路的电流、 电压灵敏度， 并画出三极管输出电压的波形。
2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
而 ID
I e
qU oc kT
1 e
6 10 3
1.61019 550103 1.3810 23300
3.529 10 12 A 3.529 10 9 mA 1
则 I D 相对于 I 非常小，
U oc1 U oc
I 1 I D KT ln q I I D
解：由题意，当 T=300K， E e U oc 550mV , I SC 28mA ，则由
U oc
100mW / cm 2 时，
q kT I 以及 I sc I (1 e d ) e , ln 1 hv q ID
E e1 200 I sc 28 56mA Ee 100
，
E e1 50mW / cm 2时
U oc1 U oc
I sc1 I 1
Ee1 50 I sc 6 3mA Ee 100
KT1 I1 KT I 1 1 In I q I 又 T1 T q I D D
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。
《光源与光检测器》课件
LED
效率高、寿命长、体积小、控制简单，成本也在逐 步降低。
激光器
单色性好、方向性强、光强大，但成本高，应用较 为专业。
光源特性
光强
量化光源强度的指标，单位为坎德拉。
相干性
光源发出的光线是否在时间和空间上保持一定的 相位关系。
谱分布
光源发出的光线不是单一波长，而是由多个频率 的光线复合而成。
极化态
应用场景进行选择。
3
线性范围
光电测量值与光信号的线性关系，应该
信噪比
4
尽量保持。
信号与背景噪声之比，高信噪比能提高 信号检测的精度。
应用案例
光电传感器
常用于测量、控制、分选等 场合。
光电编码器
将旋转或线性位移转换成光 电信号，用于测量位置和速 度。
光学测量仪器
如光谱仪、测频仪等，常用 于科学研究和工程设计。
光源发出的光线电矢量的振动方向。
常见光检测器
光电二极管
响应速度快，控制简 单。
光敏电阻
响应速度慢，但控制 简单，成本低。
光电倍增管
响应速度快，但价格 较高。
应用案例
如光电传感器、自动 光控分选机、分光仪 等。
光检测器特性
1
响应速度
一般以时间常数来衡量，数值越小则响
响应波长
2
应速度越快。
光检测器对应的波长范围，应根据实际
《光源与光检测器》PPT 课件
光源与光检测器是光电领域的两个核心组成部分，本课程将介绍它们的种类、 特性和应用。
作用
光检测器
将光信号转换成电信号，用于控制或测量。
光源种类
白炽灯
效率低，寿命短，但成本低。
日光灯
光学仪器中的光源与检测器
光学仪器中的光源与检测器光学仪器在现代科技和工业中起着至关重要的作用。
无论是在医学、通信、环境监测还是材料科学领域，光学仪器都扮演着不可或缺的角色。
而在这些光学仪器中，光源和检测器则是两个至关重要的组成部分。
一、光源的作用与种类光源是光学仪器中产生光的装置，它为仪器提供了所需的光线。
光源的选择对于仪器的性能和测量结果至关重要。
根据不同的应用需求，光源可以分为白光源和单色光源。
白光源是指能够发出连续光谱的光源，如白炽灯、氙灯等。
它们的优点是光强高、成本低，适用于一些对光谱分辨率要求不高的应用。
然而，白光源的波长范围广，不适合一些需要特定波长的应用。
相比之下，单色光源则能够提供特定波长的光。
例如，激光器就是一种常见的单色光源。
激光器具有高亮度、窄谱宽和方向性好的特点，适用于高分辨率的光学测量和精确的实验研究。
二、检测器的作用与种类检测器是光学仪器中用于测量光信号的装置。
它能够将光信号转化为电信号，进而进行信号处理和分析。
根据不同的测量需求，检测器可以分为光电二极管、光电倍增管、光电探测器等。
光电二极管是一种常见的检测器，它是利用光电效应将光信号转化为电信号的装置。
光电二极管具有响应速度快、灵敏度高和结构简单的特点，适用于一些对测量速度要求较高的应用。
光电倍增管是一种能够将微弱光信号放大的检测器。
它通过在光电二极管前面串联一系列的二次发射电子倍增器，使得微弱的光信号被放大到可以被测量的范围。
光电倍增管适用于对光信号强度要求较高的应用，如天文观测和粒子物理实验等。
光电探测器是一类能够将光信号转化为电信号的高灵敏度检测器。
它的工作原理基于光电效应、光致电子发射等。
光电探测器具有高灵敏度、宽波长范围和快速响应的特点，适用于各种光学测量和光谱分析应用。
三、光源与检测器的匹配与优化在光学仪器中，光源和检测器的匹配与优化对于仪器的性能至关重要。
合理选择和优化光源和检测器，可以提高仪器的灵敏度、分辨率和可靠性。
首先，光源和检测器的光谱特性需要匹配。
第4章 光源与光电探测器分析
一切能产生光辐射的辐射源，无论是天然的，还是人 造的，都称为光源。天然光源是自然界中存在的，如 太阳、恒星等，在天文学电探测中，常常会遇到这些 光辐射的测量。人造光源是人为将各种形式能量（热 能、电能、化学能）转化成光辐射能的器件，其中利 用电能产生光辐射的器件称为电光源。在一般光电测
量系统中，电光源是最常见的光源。
由于光电探测器信号的产生和消失存在着一个滞后过程，所以入 射光辐射的频率对光电探测器的响应将会有较大的影响。光电探 测器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性称为频率响应。 利用时间常数可得到光电探测器响应度与入射辐射调制频率的关 系，其表达式为 R0
R( f )
1 (2f )
2 1/ 2
§4.1.1 光源的基本特性参数
3. 空间光强分布
对于各向异性光源，其发光强度在空间各 方向上是不相同的，若在空间某一截面上， 自原点向各径向取矢量，矢量的长度与该 方向的发光强度成正比。将各矢量的端点 连起来，就得到光源在该截面上的发光强 超高压球形氙灯的光强分布 度曲线，即配光曲线。 在有的情况下，为了提高光的利用率，一般选择发光 强度高的方向作为照明方向。为了进一步利用背面方 向的光辐射，还可以在光源的背面安装反光罩，反光 罩的焦点位于光源的发光中心上。
光源种类 普通钨丝灯 卤钨灯 普通荧光灯 发光效率(lm.W-1) 8-18 14-30 35-60 光源种类 高压汞灯 高压钠灯 球形氙灯 发光效率(lm.W-1) 30-40 90-100 30-40
三基色荧光灯
55-90
金属卤化物灯
60-80
§4.1.1 光源的基本特性参数
典型的光谱功率分布
太阳的光谱能量分布曲线
§4.1.2 热辐射源
第四章 光源与光探测器
Efc
EE f
fv
(d) 双兼并型半导体
§4-2 半导体光源的工作原理
三、PN结
在N型半导体中存在 大量带负电的电子， 在P型半导体中存在大量 同时还存在着等量的 带正电的空穴，同时还存 带正电的电离施主， 内建电场 在着等量的带负电的电离 它们的电性相互抵消 受主，它们的电性相互抵 P型半导体和N型半导体形成PN结时，载流子的浓度差引 而表现出电中性。 消而表现出电中性。
§4-2 半导体光源的工作原理
1 e p(E)是电子在各能级分布的概率，所以有 p( E ) 1
( E E f ) / kT
，E f 费米能级
①当E=Ef时， p(E) =1/2， 能级E被电子占据的概率和空穴占据的概率相等，实际 上费米能级不存在； ②当E<Ef时， p(E) >1/2， 能级E被电子占据的概率比较大，如果(Ef-E)>>kT，则 p(E) →1，能级几乎被电子占据； ③当E>Ef时， p(E)<1/2， 能级E被电子占据的概率比较小，如果(E-Ef)>>kT，则 p(E) →0，能级几乎被空穴占据。
N1 E2 E1 exp N2 KT
k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为绝对温度。 由于(E2-E1)>0，T>0，所以在热平衡状态下， 总是N1>N2，这说明电子总是首先占据能量低的能级。
§4-2 半导体光源的工作原理
自发辐射：高能级E2上的电子不稳定，会按一定的概率 自发地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量以光 子（频率为υ，能量为hυ= E2- E1 ）的形式辐射。 分裂的能带，这些光子仅仅能量相同而彼此无关， 可以有不同的相位和不同的偏振方向，可以向空间 各个方向传播，是非相干光（荧光）。
EE f
fv
(d) 双兼并型半导体
§4-2 半导体光源的工作原理
三、PN结
在N型半导体中存在 大量带负电的电子， 在P型半导体中存在大量 同时还存在着等量的 带正电的空穴，同时还存 带正电的电离施主， 内建电场 在着等量的带负电的电离 它们的电性相互抵消 受主，它们的电性相互抵 P型半导体和N型半导体形成PN结时，载流子的浓度差引 而表现出电中性。 消而表现出电中性。
§4-2 半导体光源的工作原理
1 e p(E)是电子在各能级分布的概率，所以有 p( E ) 1
( E E f ) / kT
，E f 费米能级
①当E=Ef时， p(E) =1/2， 能级E被电子占据的概率和空穴占据的概率相等，实际 上费米能级不存在； ②当E<Ef时， p(E) >1/2， 能级E被电子占据的概率比较大，如果(Ef-E)>>kT，则 p(E) →1，能级几乎被电子占据； ③当E>Ef时， p(E)<1/2， 能级E被电子占据的概率比较小，如果(E-Ef)>>kT，则 p(E) →0，能级几乎被空穴占据。
N1 E2 E1 exp N2 KT
k=1.381×10-23J/K，为波尔兹曼常数，T为绝对温度。 由于(E2-E1)>0，T>0，所以在热平衡状态下， 总是N1>N2，这说明电子总是首先占据能量低的能级。
§4-2 半导体光源的工作原理
自发辐射：高能级E2上的电子不稳定，会按一定的概率 自发地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量以光 子（频率为υ，能量为hυ= E2- E1 ）的形式辐射。 分裂的能带，这些光子仅仅能量相同而彼此无关， 可以有不同的相位和不同的偏振方向，可以向空间 各个方向传播，是非相干光（荧光）。