光电子技术复习题(重庆大学)

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，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k0n1B’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。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。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。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。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）其它损耗色散特性：材料色散模式色散波导色散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。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&LD1.LED是利用注入有源区的载流子自发辐射复合发光2.LD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