光电原理实验指导书

1、长江大学 光电原理实验系统实验指导书内容简介本实验系统从了解和熟悉光电系统的角度出发，讨论光电系统中的主要技术问题。主要知识点包括：光电系统中常用的光源及其特性；常用光电探测器的工作原理、特性参数及光电信号检测的基本线路；光学调制器；光电探测方法及光电信号处理方法；CCD电荷耦合器原理及其应用等。本实验系统与理论紧密结合，注重实用，可作为测控技术与仪器、物理电子技术、仪器仪表、自动控制、精密仪器及办公自动化等专业本科生、研究生和有关科技人员课堂实验和研究。- 1 -长江大学 光电原理实验系统实验指导书目 录实验一 LD/LED的P-I-V特性曲线测试 . - 3 - 实验二 光电探测原理实验

2、. - 12 - 实验三 光电探测器直流特性测试 . - 23 - 实验四 光纤端面处理、耦合及熔接 . - 27 - 实验五实验六光纤衰减系数的测试 . - 33 - 光电倍增管特性参数的测试 . - 37 - 2 -长江大学 光电原理实验系统实验指导书实验一 LD/LED的P-I-V特性曲线测试一、实验目的1、通过测量LD半导体激光器域值电流、LED发光二极管和LD半导体激光器的输出功率电流（P-I）特性曲线和电压电流（V-I）特性曲线，计算阈值电流（Ith）和外微分量子效率，从而对LED发光二极管和LD半导体激光器工作特性有个基本了解。2、了解温度（T）对阈值电流（Ith）和光功率（P）

3、的影响。二、实验内容1、测试YSLED3215型LED发光二极管的电压电流（V-I）特性曲线。2、测试YSLED3215型LED发光二极管的输出功率与电流（P-I）特性曲线。3、测试YSLD3125型半导体激光器电压电流（V-I）特性曲线。4、测试YSLD3125型半导体激光器输出功率与电流（P-I）特性曲线。5、测试YSLD3125型半导体激光器工作域值电流。6、测试LD温度特性。三、实验仪器1、YSLD3125型半导体激光二极管（带尾纤输出，FC型接口） 1只2、YSLED3215型发光二极管 1只3、ZY606 LD/ LED电流源 1台4、温控器（可选） 1台5、光功率计 1台6、万用

4、表 1台四、实验原理1、激光器一般知识激光器是使工作物质实现粒子数反转分布产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。激光，其英文LASER就是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（受激辐射的光放大）的缩写。激光的本质是相干辐射与工作物质的原子相互作用的结果。尽管实际原子的能级是非常复杂的，但与产生激光直接相关的主要是两个能级，设Eu表示较高能级，El表示较低能级。原子能在高低能级间越迁，在没有外界影响时，原子可自发的从高能级越迁到低能级，并伴随辐射一个频率为n=(Eu-El)/h的光子，这过程称自发

5、辐射。若有能量为hn³Eu-El的光子作用于原子，会产生两个过程，一是原子吸收光子能量从低能级越迁到高能级，同时在低能级产生一个空穴，称为受激越迁或受激吸收，此激发光子消失；二是原子在激发光子的刺激下，从高能级越迁到低能级，并伴随辐射一个频率n=(Eu-El)/h的光子，这过程称受激辐射。受激辐射激发光子不消失，而产生新光子，光子增加，而且产生的新光子与激发光子具有相同的频率、相位和偏振态，并沿相同的方向传播，具有很好的相干性，这正是我们所需- 3 -长江大学 光电原理实验系统实验指导书 要的。受激辐射和受激吸收总是同时存在的，如果受激吸收超过受激辐射，则光子数的减少多于增加，总的效

6、果是入射光被衰减；反之，如果受激辐射超过受激吸收，则入射光被放大。实现受激辐射超过受激吸收的关键是维持工作物质的原子粒子数反转分布。所谓粒子数反转分布就是工作物质中处于高能级的原子多于处于低能级的原子。所以原子的粒子数反转分布是产生激光的必要条件。实现粒子数反转可以使受激辐射超过受激吸收，光在工作介质中得到放大，产生激光，但工作介质的增益都不足够大，若使光单次通过工作介质而要产生较强度的光，就需要很长的工作物质，实际上这是十分困难，甚至是不可能的。于是就想到了用光学谐振腔进行光放大。所谓光学谐振腔，实际上是在激光器两端，面对面地装两块反射镜，如下图所示：图1 光学谐振腔结构图一块几乎全反射，一

7、块为部分反射，激光可透过部分反射镜射出。被反射回到工作介质的光，可在工作介质中多次往返，设往返次数为m，则有效长度为：Leff=2mL （m=1，2，3，4）L为工作介质的的实际长度。由于谐振腔内工作介质存在吸收，反射镜存在透射和散射，而且只有沿轴线方向的光才被放大，因此光受到一定损耗，当增益和损耗相当时，在谐振腔内建立起稳定的激光振荡。即一个激光器，m有一个确定的值。谐振腔的另一个作用是选模，光在谐振腔内反射时，反射波将和入射波发生干涉，为了能在腔内形成稳定的振荡，必须满足相干相长的条件，也就是沿腔的纵向（轴线方向）形成驻波的条件，这条件是：L=q l2n 或l=2nL q式中，l为波长，n

8、是工作介质的折射率，q=1，2，3，4，为某一整数，为驻波波幅的个数，它表征了腔内纵向光场的分布，称为激光的纵模，q=1称单纵模激光器，q2称多纵模激光器。每个驻波的频率是不一样的，第q个驻波的频率由：nq=qc 2LC=3´108m/s，为光速。以上两式都说明，虽然由于导带和价带是由许多连续能级组成的有一定宽度的能带，两个能带中不同能级之间电子的跃迁会产生许多不同波长的光波，但只有符合激光振荡的相位条- 4 -长江大学 光电原理实验系统实验指导书 件的那些波长存在，不符合激光振荡的相位条件的那些波长的光将衰减掉，这些波长取决于激光器工作物质的纵向长度L。多纵模激光器输出q个波长的光

9、，但幅度不一样，幅度最大的称为主模，其余的称为边模。2、半导体激光器的结构半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带，如下图（a）所示，能量低的能带称为价带，能量高的能带称为导带，导带底的能量Eu和价带顶的能量El之间的能量差Eu-El=Eg称度或带隙，不同的半导体材料有不同的带隙。本征半导体中导带和价带被电子和空穴占据的几率是相同的，N型半导体导带被电子占据的几率大，P型半导体价带被空穴占据的几率大。如下图（b）、（c）所示。图2 半导体激光器的电子和空穴分布半导体激光器的结构多种多样，基本结构是下图所示的双异质结平面条形结构。

10、这种结构由三层不同类型半导体材料构成，中间层通常为厚度为0.10.3m的窄带隙P型半导体，称为有源层，作为工作介质，两侧分别为具有较宽带隙的N型和P型半导体，称为限制层。具有不同带隙宽度的两种半导体单晶之间的结构称为异质结。有源层与右侧的N层之间形成的是P-N异质结，而与左侧的P层之间形成的是P-P异质结，故这种结构又称N-P-P双异质结构，简称DH结构。图3 半导体激光器的基本结构施加正向偏压后，就能使右侧的N层向有源层注入电子，左侧的P层向有源层注入空穴，但由于左侧的P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P层，同理，注入到有源层的空穴也不可能

11、扩散到N层。这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在0.10.3m的有源层内，形成了粒子数的反转分布。 前后两个晶体解理面作为反射镜构成谐振腔。给半导体激光器施加正向偏压，即注入电流是维持有源层介质的原子永远保持粒子数的反- 5 -长江大学 光电原理实验系统实验指导书 转分布，自发辐射产生的光子作为激发光子诱发受激辐射，受激辐射产生的更多新光子作为新的激发光子诱发更强的受激辐射。3、半导体激光器的主要特性（1）输出电压特性LD和LED都是半导体光电子器件，其核心部分都是P-N结。因此其具有与普通二极管相类似的V-I特性曲线，如下图所示：VVI图4 激光器输出V-I特性曲线由V-I曲线我们可以计算

12、出LD/LED总的串联电阻R和开门电压VT。（2）输出光功率特性激光器光功率特性通常用输出光功率与激励电流I的关系曲线，既PI曲线表示。PthI图5 LD/LED的P-I特性曲线在结构上，由于LED与LD相比没有光学谐振腔。因此，LD和LED的功率电流的P-I关系特性曲线则有很大的差别。LED的P-I曲线基本上是一条近似的直线。从图5中可以看出LD的P-I曲线有一阈值电流Ith，只有在工作电流If>Ith部分，P-I曲线才近似一根直线。而在If<Ith部分，LD输出的光功率几乎为零。给半导体激光器注入电流，就是给激光器有源层半导体工作介质注入能量，对价带上的载流子（电子）进行激发，

13、当注入电流较小时，导带和价带间载流子不能形成反转分布，这时从导带上跃迁到价带上的载流子主要以自发辐射为主，产生的是荧光，即非相干光。当注入电流达到一定值时，导带和价带间载流子才能形成反转分布，产生受激辐射，激光器才有激光(即相干光)输出，这个一定值称为阈值电流。阈值电流以后，随着注入电流的增大，导带和价带间粒子数差值增大，激光增益系数增大，输出功率增加，并与注入电流近似成线性关系，如下式所示。- 6 -长江大学 光电原理实验系统实验指导书P=Pth+(If-Ith)×式中If为注入电流，h=6.628´10-34hDhfe J×S为普朗克常数，f=cl为入射光频率

14、，c=3´108m/s为光速，l为入射光波长，e为电子电量，D为外微分量子效率，Ith为阈值电流，Pth为阈值功率。根据P-I曲线可以求出激光器的阈值电流Ith和外微分量子效率D：将P-I曲线的线性部分作直线与横坐标相交，交点处的电流值即为激光器的阈值电流；曲线线性部分的斜率为hDhfe，由曲线求得斜率，可计算D。（3）温度特性激光器输出光功率是随温度而变化的，有两个原因：一是激光器阈值电流Ith随温度升高而增大，二是激光器外微分量子效率流Ith随温度的变化更加明显。阈值与温度的近似关系可以表示为： 温度升高时，Ith增大，D减小，D随温度升高而减小。输出光功率明显下降，达到一定温度

15、时，激光器就不激射了。当以直流电流驱动时，阈值电T-Tr)/T0 Ith(T)=Ith(Tr)exp(式中，Tr为室温，Ith(Tr)为室温下的阈值电流，T0为特征温度。不同温度下，LD的P-I曲线如图3，根据此图可以求出LD的特征温度。(T2>T1)th1th2I图6 LD温度特性曲线五、设备简介1、 ZY-YSLD3125型激光器我们所用ZY-YSLD3125型半导体激光器是具有多量子阱F-P腔激光器LD，内置背景光探测器PD，这种激光器使用时具有下图所示四种型式：- 7 -长江大学 光电原理实验系统实验指导书图7 LD激光器的四种形式图中，LD为激光器，PD为背景光探测器。PD-N

16、 side dwon的管是探测器PD的负（N）与激光器LD的负（N）或正（P）相连，PD-P side dwon的管是探测器PD的正负（P）与激光器LD的负（N）或正（P）相连，与激光器LD的负（N）相连的称为DVD型管，与激光器LD的正（P）相连的称为POINT型管。所用ZY-YSLD3125型激光器为PD-N side dwon的POINT型管，单模光纤同轴封装，带尾纤FC连接。性能指标如下表所示图8 LD引脚说明：1.激光器正&管壳； 2.激光器负；3.探测器负；4.探测器正。2、 ZY-YSLED3215型LED发光二极管ZY-YSLED3215型LED发光二极管的性能指标如下

17、表所示：- 8 -长江大学 光电原理实验系统实验指导书图9 LED引脚说明：1.管壳； 2.LED负；3.LED正3、 ZY606型LD/ LED电流源本机为激光二极管（LD）专用测试设备，可广泛用于650nm、780nm、808nm、850nm、980nm、1310nm、1550nm等各种中小功率LD的电流测试及老化测试。设备内部带APC(Automatic Power Control)电路及ACC(Automatic Current Control)电路，可以实现以下三种功能：1） LD电源2） Iop及Im电流测试 3） LD恒功老化及恒流老化 性能指标供给电流（Iop）max：150m

18、A 反馈测量电流(Im)max：2000uA Iop的测量准确度： ±0.5mA Iop分辨率：0.1mA Im测量准确度：±5uA Im分辨率：1uA 仪器结构仪器面板结构图如图10 LD/LED电流显示 激光器背向探测电流显示 电源开关 LD/LED电流输出 DVD管、POINTER管切换开关（DVD管则按下开关，POINTER管则弹起） 恒功、恒流切换开关 输出电流粗调旋钮 输出电流细调旋钮- 9 -长江大学 光电原理实验系统实验指导书图10 仪器前面板操作说明1) 本机只能对PD-N side down的LD进行测量，不能用来测量PD-P side down安装的激

19、光器，否则会损坏激光器。2) 本机的一大特色是设备内部带APC（Automatic Power Control）电路，这种电路是LD在实际应用时通常采用的一种恒功控制电路。因此，一只LD在本机上所表现的直流特性，将与它在实际应用时的直流特性完全一致。有了这种恒功控制电路，就可以长期通电对LD进行寿命及稳定性考核。从而反映出LD在应用产品（如光通信模块、DVD激光头等）中工作时的稳定性。没有APC电路的设备，则不能实现上述功能。 操作步骤1）通电之前，确保“粗调”“细调”旋钮在最小值位置。这样可防止冲击电流损坏LD。2）确认LD或LED已经插接良好后，打开电源开关。此时电源输出为零，LD或LED

20、尚未发光。3）恒功测量：将切换开关拨到恒功档，顺时针缓慢调节输出功率“粗调”旋钮，LD射出激光。改调“细调”旋钮，可将LD输出调至要求的数值（用一台光功率计来测量LD的输出功率）。通过Iop显示窗口可以读出输出电流值，通过Im显示窗口可以读出探测电流值。注意：LED内部没有探测器，故不能用恒功档测试，只能用恒流档进行测试。4）恒流测量：将切换开关拨到恒流档，该方式下“细调”旋钮无效，Im窗口显示读数也无效。只需要调节输出功率“粗调”旋钮即可，通过Iop显示窗口可以读出输出电流值。5）恒功老化：将被测LD调到固定的功率输出（这个值由用户根据需要确定），并保持不断电，记录该LD在通电一定时间后工作

21、电流的变化量，从而反映出LD产品在实际应用中的稳定性。6）恒流老化：将被测LD调到固定的电流输出（这个值由用户根据需要确定），并保持不断电，记录该LD在通电一定时间后输出功率的变化量，从而反映出LD产品在实际应用中的稳定性。六、实验装置及步骤激光器测试实验装置如下1、按图连接线路，连接图如下。关于ZY606型LD/ LED电流源的详细使用方法参见设备简介。- 10 -长江大学 光电原理实验系统实验指导书2、若实验中用到温控器，启动温控器电源，并将温度调到20。3、因YSLD3125型半导体激光器为Pointer型， 将电流源“DVD、Pointer”管切换钮置于Pointer，恒功恒流切换置于

22、恒功，“粗调”和“细调”置于最小。开启电流源，缓慢调节电流旋纽使电流由0mA逐渐增加到18mA，每隔3mA记录LD的电压值和光功率值，绘制P-I曲线和V-I曲线。切记电流最大不能超过40mA，否会损坏激光器！注意：LD为静电敏感元件，因此操作者不要用手直接接触激光器引脚以及与引脚连接的任何测试点和线路，以免损坏激光器。电流由0mA逐渐增加到30mA，每隔5mA记录LED的电压值和光功率值。绘制LED的P-I曲线和V-I曲线。4、 通过P-I曲线的线性部分作直线与横坐标相交，交点处的电流值即为激光器的阈值电流，计算外微分量子效率D。5、调节温控器，升高LD的工作温度，重复实验步骤3，记录LD的P

23、-I曲线和V-I曲线。比较在不同温度下，LD的特性曲线变化。注意：插拔激光器之前，务必先把输出功率“粗调”旋钮调到最小，然后关闭电源开关，这是因为带电插拔LD会造成LD的劣化。六、实验报告要求1、 在坐标纸上作出YSLED3215型发光二极管的VI曲线和 PI曲线。2、 在坐标纸上作出YSLD3125型半导体激光器的VI曲线和 PI曲线，并确定出阈值电流和外微分量子效率。在坐标纸上作出YSLD3125型半导体激光器的温度特性曲线。七、思考题1、串联电阻R对于LD/LED的应用性能有何影响？2、为什么LD/LED的输出特性有较大差异？- 11 -长江大学 光电原理实验系统实验指导书实验二 光电探

24、测原理实验一、实验目的1、了解光照度基本知识、光照度测量基本原理，学会光照度的测量方法。2、了解光电二极管和光电池的工作原理和使用方法3、掌握光电二极管和光电池的光照特性及其测试方法4、理解光电二极管和光电池的的伏安特性并掌握其测试方法1、 光电探测原理实验箱2、 光照度计3、 光电二极管和光电池4、 光源 二、实验仪器三、实验原理1、光照度基本知识（1）光照度是光度计量的主要参数之一，而光度计量是光学计量最基本的部分。光度量是限于人眼能够见到的一部分辐射量，是通过人眼的视觉效果去衡量的，人眼的视觉效果对各种波长是不同的，通常用V（）表示，定义为人眼视觉函数或光谱光视效率。因此，光照度不是一个

25、纯粹的物理量，而是一个与人眼视觉有关的生理、心理物理量。光照度是单位面积上接收的光通量，因而可以导出：由一个发光强度I的点光源，在相距L处的平面上产生的光照度与这个光源的发光强度成正比，与距离的平方成反比，即：E=I/L式中：E光照度，单位为Lx；I光源发光强度，单位为cd；L距离，单位为m。（2）光照度计的结构光照度计是用来测量照度的仪器，它的结构原理如图1.1。2图 1光照度计结构图图中D为光探测器，图1.2为典型的硅光探测器的相对光谱响应曲线；C为余弦校正器，在光照度测量中，被测面上的光不可能都来自垂直方向，因此照度计必须进行余弦修正，使光探测器不同角度上的光度响应满足余弦关系。余弦校正

26、器使用的是一种漫透射材料，当入射光不论以什么角度射在漫透射材料上时，光探测器接收到的始终是漫射光。余弦校正器的透光性要好；F为V（）校正器，在光照度测量中，除了希望光探测器有较高的灵敏度、较低的噪声、较宽的线性范围和较快的响应时间等外，还要求相对光谱响应符合视觉函数V（），而通常光探测器的光谱响应度与之相差甚远，因此需要进行V（）匹配。匹配基本上都是通过给光探测器加适当的滤光片（V（）滤光片）来实现的，满足条件的滤光片往往需要不- 12 -长江大学 光电原理实验系统实验指导书 同型号和厚度的几片颜色玻璃组合来实现匹配。当D接收到通过C和F的光辐射时，所产生的光电信号，首先经过I/V变换，然后经

27、过运算放大器A放大，最后在显示器上显示出相应的信号定标后就是照度值。（3）照度测量的误差因素1）照度计相对光谱响应度与V（）的偏离引起的误差。2）接收器线性：也就是说接收器的响应度在整个指定输出范围内为常数。3）疲劳特性：疲劳是照度计在恒定的工作条件下，由投射照度引起的响应度可逆的暂时的变化。4）照度计的方向性响应。5）由于量程改变产生的误差：这个误差是照度计的开关从一个量程变到邻近量程所产生的系统误差。6）温度依赖性：温度依赖性是用环境温度对照度头绝对响应度和相对光谱响应度的影响来表征。7）偏振依赖性：照度计的输出信号还依赖于光源的偏振状态。8）照度头接收面受非均匀照明的影响。2、光生伏特应

28、和光伏探测器的原理光生伏特效应是光照使半导体产生光生电子和空穴，这些电子和空穴在某种“力”的作用下向相反的方向移动和积聚而产生电位差的现象。使电子和空穴向相反的方向移的“力”可以是同质半导体由于不同的掺杂形成的pn结、不同质的半导体组成的异质结或金属和同质半导体接触形成的肖特基结的内建电场，也可以是磁场等。下面以pn结为例说明光生伏特效应的原理。其原理如下图图2 光生伏特效应原理图如图a所示，未光照时，P区的多数载流子空穴和n区的多数载流子电子，由于浓度差会向对方扩散，结果在接触面附近形成正负离子组成的空间电荷层及相应的由n区指向P区的内建电场，该电场阻止两边的载流子的扩散，但使电子和空穴产生

29、与扩散运动方向相反的漂移运动，最后达到热平衡，形成一个稳定的内建电场E内。内建电场存在的区域称作耗尽层。从能量的角度看，内建电场E内在耗尽层形成一个势垒，电子在n区具有较低的势能，在P区具有较高的势能，空穴则相反，如图b所示，最终使能带发生倾斜。n区的电子和P区的空穴要想从一区进如另一区都需要提供能量。- 13 -长江大学 光电原理实验系统实验指导书 当有入射光作用时，如果光子的能量大于或等于带隙（hf³Eg），在耗尽层区、n区和P区都会发生受激吸收，即价带的电子吸收光子的能量越迁到导带形成光生电子-空穴对。若电子-空穴对在耗尽层内，由于内部电场的作用，电子向N区运动，空穴向P区运动

30、，形成漂移电流。若电子-空穴对在耗尽层两侧没有电场的中性区，由于热运动，部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层，然后在电场的作用下，形成与漂移电流相同方向的电流，称为扩散电流。漂移电流和扩散电流的总和即为光生电流。若外电路开路，则光生的电子和空穴分别在N区和P区积累，形成电动势，这就是光生伏特效应。若外电路闭合，N区过剩的电子通过外电路流向P区，同样，P区的空穴流向N区，便形成了光生电流。当入射光变化时，光生电流随之变化，从而将光信号转换成电信号。这种由PN结构成，在入射光作用下，由于受激吸收过程产生的电子-空穴对的运动，在闭合电路中形成光生电流的器件，就是简单的光电二极管（PD）。这种

31、简单的光电二极管（PD），由于PN结耗尽层只有几微米，大部分光入射光被中性区吸收，中性区内的电子和空穴是靠扩散运动形成电流的，一方面它形成电流的几率小，即转换效率低，另一方面响应速度也慢。为了改善这种情况，使用PD管时，总是施加适当的反向偏压，即N区加正电压，P区加负电压，外加电压与内部电场方向相同，从而增大了耗尽层宽度，减小了中性区的宽度，从而提高了转换效率和响应速度。利用光伏效应制作的光伏探测器种类繁多，如普通光电二极管（PD）、PIN光电二极管、雪崩光电二极管（APD）、光电三极管、异质结光电二极管、金属半导体光电二极管、量子阱光探测器等。本实验只讨论普通光电二极管（PD）和光电池。3、

32、光电二极管的结构和特性参数(一) 光电二极管的结构电二极管的核心部分也是一个PN结，和普通二极管相比有很多共同之处，它们都有一个PN结，因此均属于单向导电性的非线性元件。但光电二极管作为一种光电器件，也有它特殊的地方。例如，光电二极管管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照；光电二极管PN结势垒区很薄，光生载流子的产生主要在PN结两边的扩散区，光电流主要来自扩散电流而不是漂移电流；又如，为了获得尽可能大的光电流，PN结面积比普通二极管要大的多，而且通常都以扩散层作为受光面，因此，受光面上的电极做的很小。为了提高光电转换能力，PN结的深度较普通二极管浅。图3为光电二极管外形图（a）、结构简图（b）、

33、符号（c） 和等效电路图（d）。a b c d 图 3 光电二极管光电二极管在电路中一般是处于反向工作状态，在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小（一般小于0.1微安），这个反向电流称为暗电流，当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，称为光生载流子。它们在PN结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。如果在外电路上接上负- 14 -长江大学 光电原理实验系统实验指导书 载，负载上就获得了电信号。因此光电二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。（二）光电二极管的特性参数这里仅就与实验有关的参数简单说明。（1）伏

34、安特性光电二极管（PD）就是一个p-n结，根据固体物理对p-n结的研究，无光照时，p-n结上的电压V和通过它的电流的伏安关系为ID=ISO(eqV/KT-1) （1）式中ISO为p-n结的反向饱和电流，k=1×381´10学温度，q为电子电荷量。有光照时，产生光生电流IS -23J/K为波尔兹曼常数，T为热力IS=qhP （2） hn式中h为量子效率，P为光功率。这两部分电流方向相同，则总电流I为I=ISO(eqV/KT-1)+IS （3） 下图表示光照PN结的伏安特性，图4 P-N结的伏安特性有光照时，相对于无光照曲线向下平移，光照越强，曲线愈往下平移，光电流越大。图中第

35、一象限为PN结加正偏压状态，此时PN结暗电流ID远大于光生电流，做为探测器工作在这个区域是没有意义的。第三象限为PN结加反偏压状态，此时PN结暗电流ID=ISO，数值很小，远小于光生电流IS，光伏探测器输出的总电流I=ISO+IS»IS，光伏探测器多工作在这个区域。由图可见，在低反压下电流随电压变化比较明显，这是因为反向偏压增加使耗尽层加宽，结电场增强，使结区光的吸收率和光生载流子的收集效率增大。当反向偏压进一步增加，光生载流子的收集已达极限，光电流趋于饱和。这时，光电流与外加反向偏压几乎无关，而仅取决于入射光功率。图中还标注了开路光电压和短路光电流的定义。由式（3）式可以求得光伏探

36、测器的输出电压V=I-IkTS-1)qISO （4）- 15 -长江大学 光电原理实验系统实验指导书 在PN结开路时（即外负载电阻RL®¥），光伏探测器的输出电压称为开路电压VOC，这时经外回路负载RL上的总电流I=0，在式（4）中，将I=0代入，可得开路电压的表达式IkTS-1)qIOS （5）若将PN短路（即V=O），由式（2）可得短路电流ISC为qhISC=IS=Phn （6） VOC=其数值可以从伏安特性曲线上得到；由式（5）、VOC和ISC是光伏探测器的两个重要参数，（6）可看出，两者都随光强增大而增大，但ISC随光强增大线性上升，而VOC则按对数规律增加，如下图

37、所示。图5 VOC和ISC随光强变化曲线（2） 光谱特性l等于带隙Eg，光子才能被吸收产生电子-空穴对，不同半导体材料具有不同的Eg，因此对光的波长具有选择性，除与材料有关外，还与具体结构有关。下图给出了硅、锗材料光电二极管的光谱响应特性，硅光电二极管最佳响应波长在0·81·0mm；锗材料能响应到1·7mm。图b显示了由硅、硒材料制成的光电池的光谱响应特性曲线。光伏探测器对不同波长的光的灵敏度是不同的，这是因为光子的能量hf=c必须大于或- 16 -长江大学光电原理实验系统实验指导书（3）光照特性光电二极管在一定负偏压下，当入射光的强度发生变化时，通过光电二极管的

38、电流随之变化，在较小负载电阻下，光电流和照度成线性关系。如下图所示（4）暗电流当没有光照射时，光电二极管的反向饱和电流ID称为暗电流。4、光电池的结构和特性参数(一) 光电池的结构原理光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用时实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。 光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”的，它实质上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴， 电子-空穴对从表面向内迅速扩散， 在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。 图4.1为

39、硅光电池原理图。其中（a) 结构示意图； (b) 等效电路。电极(a)(b)图 7 硅光电池原理图(一) 光电池的特性参数这里讨论光电池的光照特性，用入射光强-电流电压特性和入射光强-负载特性来描述。 入射光强-电流电压特性描述的是开路电压VOC和短开路电流ISC随入射光强变化的规律，如下图所示。- 17 -长江大学 光电原理实验系统实验指导书图8 光电池的光照特性曲线VOC随入射光强按对数规律变化，ISC与入射光强成线性关系。光电池用作探测器时，通常是以电流源形式使用，总要接负载电阻RL，这时电流记作ILC，它与与入射光强不在成线性关系，RL相对光电池内阻Rd越大，线性范围越小，如下图所示：

40、入射光强-负载特性描述的是在相同照度下，输出电压、输出电流、输出功率随负载变化的规律。如下图所示：当RLRd时，可近似看做短路，输出电流为ISC，与入射光强成正比，RL越小，线性度越好，线性范围越大。当RL为时，可近似看做开路，输出电压为VOC。随着RL的变化，输出功率也变化，当RL=RM时，输出功率最大，RM称最佳负载。四、实验内容1、 光电二极管和光电池的输出光电流与入射光的照度的关系测量。2、 光电二极管和光电池的伏安特性测试。3、 光电二极管和光电池的暗电流测试。- 18 -长江大学 光电原理实验系统实验指导书五、仪器简介所用主要仪器为光电探测原理实验箱，实验箱配备有012V可调的直流

41、电压源，可为光电二极管提供可以调节的偏置电压、20LX-2000 LX照度计用来测量照度、200mV-20V电压表和20A-200mA电流表、亮度可调12V/5W的卤素灯作为光源、探测器为通光口径5的硅光电二极管和光敏直径为6的光电池。各表头显示单元和各种调节单元都放在面板上，而光源、照度计探头、硅光电池和硅光电二极管均在箱外，可用引线连接到面板上，面板上还配有电阻RL1、RL2、RL3、R1和R2，阻值分别为2.4 K、5.6 K、10 K、51K和100 K，可供光电池和光电二极管作为负载。实验箱还配备10K粗调电位器RP1和47K多圈精密细调电位器RP2，可供学生配合其它元件自己动手搭建

42、实验之用。面板操作示意图：六、实验步骤1、光电二极管反向伏安特性的测量实验原理框图如下：- 19 -长江大学光电原理实验系统实验指导书(1)、负载RL选择RL1=2.4K。将“光电二极管偏置电压输入”端与电流表“”端用导线连接，电流表“”端与RL1任一端连接，RL1另一端与“光电二极管偏置电压输入”端相连，此时光电二极管偏压为零。(2)、电流表档位调节至20A档，“光照度调节“旋钮逆时针调节至最小值位置。打开电源开关，顺时针调节照度调节旋钮，使照度值为50Lx，记录此时电流表读数。关闭电源，拆掉电流表“”端与RL1之间的连线。(3)、电压表调到20V档，“幅度调节”旋钮逆时针调至最小值位置。将

43、“直流电源0-12V”端与RL1连接，将“直流电源另一端（接地端）与电流表“”端连接。再将电压表“”端与“直流电源0-12V”端相连，“直流电源”接地端与电压表“”端相连。(4)、打开电源开关，调节“幅度调节”旋钮，直至电压表显示为2.00V为止，记下光电二极管所加反向偏压为2V时电流表的读数。(5)、重复步骤4，分别记下反向偏压为4V、6V、8V和10V时的电流表读数。(6)、重复上述步骤。分别测量光电二极管在100Lx、200Lx和300Lx照度下，不同偏压下的光生电流值，并分别作出伏安特性曲线。比较四条伏安特性特性曲线有什么不同。(7)、实验完毕，拆除所有连线。将“幅度调节”和“光照度调

44、节”旋钮都逆时针旋到底。2、光电二极管在-6V偏压下光照特性测量（1）照上图连接线路，载RL选择RL1=2.4K，电流表档位调节至20A档。（2）调节“幅度调节”旋钮，使电压表指示为6伏。（3）将光源、照度计、光电二极管插入实验箱相应孔中。（4）将“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值，测-6V偏压下的电流，即为暗电流值。（5）分别测出光照度为25LX、50LX、100 LX、150 LX、200 LX、250LX、300 LX时的电流值。（6）绘出光电二极管的光照特性曲线。3、光电池照度电流特性测试实验原理框图如下图分别测出下表所示光照度和负载下的光生电流。作出光照度电流特性曲线，并对曲线-

45、20 -长江大学 光电原理实验系统实验指导书进行分析。4、光电池照度电压特性测试 实验原理框图如下图分别测出下表所示光照度下的光生电压，作出光照度开路电压特性曲线。 5、入射光强-负载特性测试 实验原理框图如下图。（1）按图连接线路，光照度取50Lx，将电压表选择2V档，电流表选择200A档。 （3） 作出50Lx光照度下光电池的光生电流、光生电压随负载变化的曲线。 （4） 光照度取100Lx、200Lx、300Lx，重复上述步骤。- 21 -长江大学 光电原理实验系统实验指导书（5） 作出100Lx、200Lx、300Lx 50Lx光照度下光生电流、光生电压负载变化的曲线，比较四条曲线的不同

46、，并加以分析。七、实验报告要求1、分析光电二极管的光照特性，根据实验测试记录，在坐标纸上画出光电二极管-6V偏压下的照度电流曲线图。2、分析光电二极管的伏安特性，根据实验测试记录，在坐标纸上画出光电二极管反向伏安特性曲线。3、根据实验测试记录，在坐标纸上画出光电池的光照度电流特性曲线图，并分析实验现象。4、根据实验测试记录，在坐标纸上画出光电池的光照度开路电压特性曲线图，并分析实验现象。5、根据实验测试记录，在坐标纸上画出光电池的光生电流、光生电压随负载变化的曲线，并分析实验现象。- 22 -长江大学 光电原理实验系统实验指导书实验三 光电探测器直流特性测试光谱响应度是光电探测器的基本性能参数

47、之一，它表征了光电探测器对不同波长入射辐射的响应。通常光子探测器的光谱响应具有明显的选择性，一般情下，以波长为横坐标，以探测器接收到的等能量单色辐射所产生的电信号的相对大小为纵坐标，绘出光电探测器的相对光谱响应曲线。一、实验目的1、加深对光谱响应概念的理解；2、掌握光谱响应的测试方法；3、熟悉Si光电二极管的应用。二、实验内容测量Si光电二极管的光谱响应曲线。三、实验仪器1、硅光电探测器 1只2、卤素灯光源 1台3、WGD3型组合式多功能光栅光谱仪 1台4、微机 1台5、光电探测原理实验箱 1台6、光功率计 1台四、基本原理光谱响应是光探测器对单色入射光辐射的响应能力。电压光谱响应度RV()定

48、义为在波长为的单位入射辐射功率的照度下，光电探测器输出的信号电压，用公式表示为：Rv(l)=V(l)/P(l)而光电探测器在波长为的单位入射辐射功率的照度下，光电探测器输出的信号电流叫做光电探测器的电流光谱响应度，用公式表示为：Ri(l)=I(l)/P(l)式中，P()是波长为时的入射光功率，V()是光电探测器在入射光功率P()作用下的输出信号电压；I()为输出信号电流。为简单起见，电流光谱响应特性和电压光谱响应特性都简称为光电探测器的光谱响应特性，但在具体计算时应该区别对待，因为两者具有不同的单位。通常，测量光电探测器的光谱响应多用单色仪对辐射源的辐射功率进行分光得到不同波长的单色辐射，然后

49、测量在各种波长辐照下，探测器输出的电信号。然而，由于实际光源的辐射功率是波长的函数，因此在测量时应该确定单色辐射功率P()。不同材料半导体探测器，对不同波长的入射光有不同的吸收系数，从而在规定的反向偏压下，不同波长的恒定功率入射光，可能产生不同的响应度。波长与响应度的关系，即为光谱响应特性曲线，定义该曲线相应于峰值的10处对应两个波长之间的间隔为光谱响应范围。五、实验装置实验测试系统框图如下：- 23 -长江大学光电原理实验系统实验指导书 1、光源：光源用GY-1A型卤素灯，输出功率最大30W，是理想的可见光-远红外光源，由直流012V稳压电源供电2、单色仪：单色仪用WGD-3型多功能光栅光谱

50、仪，它由WGD-3型光栅单色仪、WGD-3型电控箱和计算机配套组成，WGD-3型光栅单色仪光学系统原理可参见实验一。3、直流电源、电流表、电压表、限流电阻：用光电探测原理实验箱，直流电源给探测器加反向偏压，以便提高灵敏度，R为限流电阻。4、光功率计：为AV6333型光功率计，为测量方便，对仪器进行了改造：即用APD光电二极管作为光电转换探头，其输出接入功率计后面板的“监视输出”即可。仪器前面板结构如下：这里仅就本实验所用功能给予说明，其它功能请参考使用说明书。开机仪器LCD显示仪器当前状态如下：CH：A ：当前通道为A（仪器仅此一个通道）；AUTO：量程自动切换，要想使量程不随测量值大小自动改

51、变，可按“保持”键，此时显示HOLD；850nm：上次关机前的测量波长；-74.48 dBm: 开机默认的测量方式下光功率测量值，仪器有绝对测量和相对测量两种测量方式，开机默认为绝对测量方式，绝对测量方式的光功率有两种表示方法：其一是对数表示法，以dBm为功率单位，另一种是线性表示法，以W、mW、uW、nW、pW等为单位。按“dBm/W”键可在两种表示方法间切换。按“dB”键可在绝对测量和相对测量两种测量方式间切换，相对测量以dB- 24 -长江大学 光电原理实验系统实验指导书为单位，表示的是按“dB”键的瞬间的绝对功率与仪器所设的参考功率的差值。用线性表示法测光的绝对功率1、将光电转换探头接

52、入功率计后面板的“监视输出”；2、按“保持”键将量程设置为自动切换；3、按“dB”键将测量方式设置为绝对测量；4、按“dBm/W”键将光功率表示方法设置为线性表示法；5、按“波长”键，显示屏下方将错就错出现 PRM： 0650nm字样，0650nm表示的是波长值。用 使光标移到波长值的某位，用“”或“”键设定波长值，使与待测光信号的波长一致。六、实验步骤1、将光源安装在S1狭缝，将PIN光电探测器安装在S2狭缝，并按图接好电路，给探测器加-5V偏置电压，电流表调至适当档。2、读得电流表示值，即为探测器在-5V偏压下的暗电流。3、开启光源、光栅光谱仪电源，光源电源电压调至8V，光谱仪转换开关拨至

53、“光电倍增管”位置，启动工作软件，从工作界面上点击“检索”，在对话框中输入待检索的波长700，此时光谱仪自动检索，输出光束波长为700nm。4、调整S1和S2狭缝宽度，使电流表有适当读数（若电流太小，可适当增大狭缝宽度，建议调至2mm，即螺旋测微器刻度指零）。5、保持S1和S2狭缝宽度不变，将“工作范围”栏内的“起始波长”设置为400（之所以从400nm 开始，是因为我们所用光功率计最低测量波长为400nm ），“终止波长” 设置为850，点击“单程”，则光栅光谱仪从400nm到850nm进行扫描，在扫描过程中注意探测器输出电流的变化，尤其注意峰值电流的位置。6、从工作界面上点击“检索”，在对

54、话框中输入待检索的波长400，此时光谱仪自动检索，输出光束波长为400nm，读取电流表读数IP(1)。7、重复“6”，每隔50 nm（峰值附近每隔25 nm）读取一次电流表读数IP(i)，直到850nm。8、保持S1和S2狭缝宽度不变，光源电压不变，将光功率计探头置于S2狭缝处。9、从工作界面上点击“检索”，在对话框中输入待检索的波长400，此时光谱仪自动检索，输出光束波长为400nm，用光功率计测量波长为400nm时的光功率P(i)。10、重复“9”，每隔50 nm（峰值附近每隔25 nm）测量相应波长时的光功率P(i)，直到850nm。11、将上述电流IP(i)对应的P(i)值记入下表，计

55、算PIN光电探测器的响应度。- 25 -长江大学 光电原理实验系统实验指导书 注：1、若只有一台光功率计，有的组8、9、10步不能做，我们给出了光源的功率波长曲线，可由曲线查得电流IP(i)对应的功率，它虽然不是真实的绝对功率值，但随波长变化的规律不变，故计算的光电探测器的响应度随波长变化的规律不变。2、光源的功率波长曲线随激励电压稍有变化，故实验时光源的激励电压最好与给出的功率波长曲线所用激励电压一致。七、实验报告要求1、 给出实验数据表格；2、 画出硅光电探测器的光谱响应曲线；3、 分析实验结果，确定硅光电探测器的峰值响应波长。- 26 -长江大学 光电原理实验系统实验指导书实验四 光纤端

56、面处理、耦合及熔接一、实验目的1、掌握光纤端面的处理技术。2、掌握光纤熔接的基本技术。二、实验内容光纤端面处理，光纤熔接及光纤熔接质量测试。三、实验仪器1、光纤跳线（两端均为FC型接口） 1根2、稳定光源 1台3、光功率计 1台4、光纤切割刀 1台5、光纤熔接机 1台6、光纤剥皮钳 1把四、实验原理光纤端面的处理是一项基本技术，其形式有两种：平面光纤头和微透镜光纤头。前者多用于各种光无源器件与光纤之间的接续。后者主要用于光纤与光源、光探测器之间的耦合。光纤端面处理质量的好坏直接影响到接续后的光纤损耗和光纤与光源或光探测器的耦合效率。光线端面处理的基本步骤为：1）光纤涂覆层的剥除；2）光纤头的制备；3）光纤头的检验1、涂覆层的剥除一般光纤的结构是由三层组成，即：纤芯、包层、涂覆层和套塑层。真正的光传输介质是纤芯层和包层，涂覆层和套塑层只是起保护作用。因此在制备光纤头之前，需要剥除光纤的套塑层和涂覆层，