学文网光电子器件篇1
薄膜制备方法多种多样，总的说来可以分为两种——物理的和化学的。物理方法指在薄膜的制备过程中，原材料只发生物理的变化，而化学方法中，则要利用到一些化学反应才能得到薄膜。
1.化学气相淀积法(CVD)
目前光电子器件的制备中常用的化学方法主要有等离子体增强化学气相淀积（PECVD）和金属有机物化学气相淀积（MOCVD）。
化学气相淀积是制备各种薄膜的常用方法，利用这一技术可以在各种基片上制备多种元素及化合物薄膜。传统的化学气相淀积一般需要在高温下进行，高温常常会使基片受到损坏，而等离子体增强化学气相淀积（PECVD）则能解决这一问题。等离子体的基本作用是促进化学反应，等离子体中的电子的平均能量足以使大多数气体电离或分解。用电子动能代替热能，这就大大降低了薄膜制备环境的温度，采用PECVD技术，一般在1000℃以下。利用PECVD技术可以制备SiO2、Si3N4、非晶Si:H、多晶Si、SiC等介电和半导体膜，能够满足光电子器件的研发和制备对新型和优质材料的大量需求。
金属有机物化学气相淀积（MOCVD）是利用有机金属热分解进行气相外延生长的先进技术，目前主要用于化合物半导体的薄膜气相生长，因此在以化合物半导体为主的光电子器件的制备中，它是一种常用的方法。利用MOCVD技术可以合成组分按任意比例组成的人工合成材料，薄膜厚度可以精确控制到原子级，从而可以很方便的得到各种薄膜结构型材料，如量子阱、超晶格等。这种技术使得量子阱结构在激光器和LED等器件中得到广泛的应用，大大提高了器件性能。2.物理气相淀积（PVD）
化学反应一般需要在高温下进行，基片所处的环境温度一般较高，这样也就同时限制了基片材料的选取。相对于化学气相淀积的这些局限性，物理气相淀积（PVD）则显示出其独有的优越性，它对淀积材料和基片材料均没有限制。制备光电子器件的薄膜常用的PVD技术有蒸发冷凝法、溅射法和分子束外延。
蒸发冷凝法是薄膜制备中最为广泛使用的一种技术，它是在真空环境下，给待蒸发物提供足够的热量以获得蒸发所必需的蒸汽压，在适当的温度下，蒸发粒子在基片上凝结，实现薄膜沉积。蒸发冷凝法按加热源的不同有可分为电阻加热法、等离子体加热法、高频感应法、激光加热法和电子束加热法，后两种在光电子器件的制备中比较常用。
电子束加热法是将高速电子束打到待蒸发材料上，电子的动能迅速转换成热能，是材料蒸发。它的优点是可以避免待蒸发材料与坩埚发生反应，从而得到高纯的薄膜材料。近年来人们又研制出具有磁聚焦和磁弯曲的电子束蒸发装置，使用这样的装置，电子束可以被聚焦到位于基片之间的一个或多个支架中的待蒸发物上。
激光蒸发法是一种在高真空下制备薄膜的技术，激光作为热源使待蒸镀材料蒸发。激光源放置在真空室外部，激光光束通过真空室窗口打到待蒸镀材料上使之蒸发，最后沉积在基片上。激光蒸发法具有超清洁、蒸发速度快、容易实现顺序多元蒸发等优点。后来人们使用脉冲激光，可使原材料在很高温度下迅速加热和冷却，瞬间蒸发在靶的某一小区域得以实现。由于脉冲激光可产生高功率脉冲，完全可以创造瞬间蒸发的条件，因此脉冲激光蒸发法对于化合物材料的组元蒸发具有很大优势。使用激光蒸发法可以得到光学性质较好的薄膜材料，包括ZnO和Ge膜等。
溅射是指具有足够高能量的粒子轰击固体表面（靶）使其中的原子或分子发射出来。这些被溅射出来的粒子带有一定的动能，并具有方向性。将溅射出来的物质沉积到基片上形成薄膜的方法成为溅射法，它也是物理气相淀积法的一种。溅射法又分直流溅射、离子溅射、射频溅射和磁控溅射，目前用的比较多的是后两种。在溅射靶上加有射频电压的溅射称为射频溅射，它是适用于各种金属和非金属材料的一种溅射淀积方法。磁控溅射的原理是，溅射产生的二次电子在阴极位降区内被加速称为高能电子，但它们并不直接飞向阴极，而是在电场和磁场的联合作用下进行近似摆线的运动。在运动中高能电子不断地与气体分子发生碰撞，并向后者转移能量，使之电离而本身成为低能电子。这些低能电子沿磁力线漂移到阴极附近的辅助阳极而被吸收，从而避免了高能电子对基片的强烈轰击，同时，电子要经过大约上百米的飞行才能到达阳极，碰撞频率大约为107/s，因此磁控溅射的电离效率高。磁控溅射不仅可以得到很高的溅射速率，而且在溅射金属时还可以避免二次电子轰击而使基板保持接近冷态。
分子束外延（MBE）技术是一种可在原子尺度上精确控制外延厚度、掺杂和界面平整度的超薄层薄膜制备技术。所谓“外延”就是在一定的单晶材料衬底上，沿着衬底的某个指数晶面向外延伸生长一层单晶薄膜。分子束外延是在超高真空条件下，精确控制原材料的分子束强度，把分子束射入被加热的底片上而进行外延生长的。由于其蒸发源、监控系统和分析系统的高性能和真空环境的改善，能够得到极高质量的薄膜单晶体，可以说它是一种以真空蒸镀为基础的一种全新的薄膜生长方法。
三、结语
光电子器件篇2
论文摘要：纳米光电子技术是一门新兴的技术，近年来越来越受到世界各国的重视，而随着该技术产生的纳米光电子器件更是成为了人们关注的焦点。主要介绍了纳米光电子器件的发展现状。
1纳米导线激光器
2001年，美国加利福尼亚大学伯克利分校的研究人员在只及人的头发丝千分之一的纳米光导线上制造出世界最小的激光器-纳米激光器。这种激光器不仅能发射紫外激光，经过调整后还能发射从蓝色到深紫外的激光。研究人员使用一种称为取向附生的标准技术，用纯氧化锌晶体制造了这种激光器。他们先是"培养"纳米导线，即在金层上形成直径为20nm～150nm，长度为10000nm的纯氧化锌导线。然后，当研究人员在温室下用另一种激光将纳米导线中的纯氧化锌晶体激活时，纯氧化锌晶体会发射波长只有17nm的激光。这种纳米激光器最终有可能被用于鉴别化学物质，提高计算机磁盘和光子计算机的信息存储量。
2紫外纳米激光器
继微型激光器、微碟激光器、微环激光器、量子雪崩激光器问世后，美国加利福尼亚伯克利大学的化学家杨佩东及其同事制成了室温纳米激光器。这种氧化锌纳米激光器在光激励下能发射线宽小于0.3nm、波长为385nm的激光，被认为是世界上最小的激光器，也是采用纳米技术制造的首批实际器件之一。在开发的初始阶段，研究人员就预言这种ZnO纳米激光器容易制作、亮度高、体积小，性能等同甚至优于GaN蓝光激光器。由于能制作高密度纳米线阵列，所以，ZnO纳米激光器可以进入许多今天的GaAs器件不可能涉及的应用领域。为了生长这种激光器，ZnO纳米线要用催化外延晶体生长的气相输运法合成。首先，在蓝宝石衬底上涂敷一层1nm~3.5nm厚的金膜，然后把它放到一个氧化铝舟上，将材料和衬底在氨气流中加热到880℃~905℃，产生Zn蒸汽，再将Zn蒸汽输运到衬底上，在2min~10min的生长过程内生成截面积为六边形的2μm~10μm的纳米线。研究人员发现，ZnO纳米线形成天然的激光腔，其直径为20nm~150nm，其大部分（95％）直径在70nm~100nm。为了研究纳米线的受激发射，研究人员用Nd:YAG激光器（266nm波长，3ns脉宽）的四次谐波输出在温室下对样品进行光泵浦。在发射光谱演变期间，光随泵浦功率的增大而激射，当激射超过ZnO纳米线的阈值（约为40kW／cm）时，发射光谱中会出现最高点，这些最高点的线宽小于0.3nm，比阈值以下自发射顶点的线宽小1/50以上。这些窄的线宽及发射强度的迅速提高使研究人员得出结论：受激发射的确发生在这些纳米线中。因此，这种纳米线阵列可以作为天然的谐振腔，进而成为理想的微型激光光源。研究人员相信，这种短波长纳米激光器可应用在光计算、信息存储和纳米分析仪等领域中。
3量子阱激光器
2010年前后，蚀刻在半导体片上的线路宽度将达到100nm以下，在电路中移动的将只有少数几个电子，一个电子的增加和减少都会给电路的运行造成很大影响。为了解决这一问题，量子阱激光器就诞生了。在量子力学中，把能够对电子的运动产生约束并使其量子化的势场称之成为量子阱。而利用这种量子约束在半导体激光器的有源层中形成量子能级，使能级之间的电子跃迁支配激光器的受激辐射，这就是量子阱激光器。目前，量子阱激光器有两种类型：量子线激光器和量子点激光器。
3.1量子线激光器
近日，科学家研制出功率比传统激光器大1000倍的量子线激光器，从而向创造速度更快的计算机和通信设备迈进了一大步。这种激光器可以提高音频、视频、因特网及其他采用光纤网络的通信方式的速度，它是由来自耶鲁大学、位于新泽西洲的朗讯科技公司贝尔实验室及德国德累斯顿马克斯·普朗克物理研究所的科学家们共同研制的。这些较高功率的激光器会减少对昂贵的中继器的要求，因为这些中继器在通信线路中每隔80km（50mile）安装一个，再次产生激光脉冲，脉冲在光纤中传播时强度会减弱（中继器）。
3.2量子点激光器
由直径小于20nm的一堆物质构成或者相当于60个硅原子排成一串的长度的量子点，可以控制非常小的电子群的运动而不与量子效应冲突。科学家们希望用量子点代替量子线获得更大的收获，但是，研究人员已制成的量子点激光器却不尽人意。原因是多方面的，包括制造一些大小几乎完全相同的电子群有困难。大多数量子装置要在极低的温度条件下工作，甚至微小的热量也会使电子变得难以控制，并且陷入量子效应的困境。但是，通过改变材料使量子点能够更牢地约束电子，日本电子技术实验室的松本和斯坦福大学的詹姆斯和哈里斯等少数几位工程师最近已制成可在室温下工作的单电子晶体管。但很多问题仍有待解决，开关速度不高，偶然的电能容易使单个电子脱离预定的路线。因此，大多数科学家正在努力研制全新的方法，而不是仿照目前的计算机设计量子装置。
4微腔激光器
微腔激光器是当代半导体研究领域的热点之一，它采用了现代超精细加工技术和超薄材料加工技术，具有高集成度、低噪声的特点，其功耗低的特点尤为显著，100万个激光器同时工作，功耗只有5W。该激光器主要的类型就是微碟激光器，即一种形如碟型的微腔激光器，最早由贝尔实验室开发成功。其内部为采用先进的蚀刻工艺蚀刻出的直径只有几微米、厚度只有100nm的极薄的微型园碟，园碟的周围是空气，下面靠一个微小的底座支撑。由于半导体和空气的折射率相差很大，微碟内产生的光在此结构内发射，直到所产生的光波积累足够多的能量后沿着它的边缘折射，这种激光器的工作效率很高、能量阈值很低，工作时只需大约100μA的电流。
长春光学精密机械学院高功率半导体激光国家重点实验室和中国科学院北京半导体研究所从经典量子电动力学理论出发研究了微碟激光器的工作原理，采用光刻、反应离子刻蚀和选择化学腐蚀等微细加工技术制备出直径为9.5μm、低温光抽运InGaAs／InGaAsP多量子阱碟状微腔激光器。它在光通讯、光互联和光信息处理等方面有着很好的应用前景，可用作信息高速公路中最理想的光源。
微腔光子技术，如微腔探测器、微腔谐振器、微腔光晶体管、微腔放大器及其集成技术研究的突破，可使超大规模集成光子回路成为现实。因此，包括美国在内的一些发达国家都在微腔激光器的研究方面投人大量的人力和物力。长春光机与物理所的科技人员打破常规，用光刻方法实现了碟型微腔激光器件的***形转移，用湿法及干法刻蚀技术制作出碟型微腔结构，在国内首次研制出直径分别为8μm、4.5μm和2μm的光泵浦InGaAs／InGaAsP微碟激光器。其中，2μm直径的微碟激光器在77K温度下的激射阔值功率为5μW，是目前国际上报道中的最好水平。此外，他们还在国内首次研制出激射波长为1.55μm，激射阈值电流为2.3mA，在77K下激射直径为10μm的电泵浦InGaAs／InGaAsP微碟激光器以及国际上首个带有引出电极结构的电泵浦微柱激光器。值得一提的是，这种微碟激光器具有高集成度、低阈值、低功耗、低噪声、极高的响应、可动态模式工作等优点，在光通信、光互连、光信息处理等方面的应用前景广阔，可用于大规模光子器件集成光路，并可与光纤通信网络和大规模、超大规模集成电路匹配，组成光电子信息集成网络，是当代信息高速公路技术中最理想的光源；同时，可以和其他光电子元件实现单元集成，用于逻辑运算、光网络中的光互连等。
光电子器件篇3
关键词：电子科学与技术 光电子材料与器件 理论教学 实验教学
中***分类号：G423 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）09（b）-0154-02
电子科学与技术（以下简称“电科”）专业是以培养具备微电子、光电子、集成电路等领域宽厚理论基础、实验能力和专业知识，能在电子科学与技术及相关领域从事各种电子材料、元器件、集成电路、电子系统、光电子系统的设计、制造、科技开发，以及科学研究、教学和生产管理工作的复合型专业人才为目标的工程专业。作为电科专业教育中重要内容的光电子技术，不仅是当代信息技术两大支柱之一，而且随着现代科学技术的发展持续焕发着生命活力。而让光电子技术保持如此强劲发展势头的主要原因之一，正是光电子材料与器件的广泛应用，例如激光器与新型光电探测器的应用的人你还。另外，诸如纳米光电材料与器件、光子晶体及相关器件、超材料及相关器件与表面等离子体激元及器件等新型光电子材料与器件的研究与应用，是目前国际上光学与光电子学研究领域的前沿热门方向。由此可见，学习光电子材料与器件的相关知识，不仅对电科学生知识体系的构建与就业方向的确定具有积极的影响，也为那些将来希望从事新型光电子材料与器件科研工作的学生，提供了坚实的理论基础与知识储备。然而，根据笔者的调研，虽然国内许多重点大学的电科专业都开设了光电子技术课程，但很少有大学专门开设光电子材料与器件这门课程。而由于光电子技术的内容多、涉及知识面广，教学课时又往往有限（一般为32或48个学时），因此在光电子技术的实际教学过程中，讲授教师往往重视光电子技术基本概念与理论知识的教学，而轻视光电子材料与器件的教学。该文从光电子材料与器件的研究内容、应用及发展等方面说明其在电科专业教育中的重要性，并结合自身光电子材料与器件课程的教学经验，研讨电科专业中光电子材料与器件的教学方法。
1 光电子材料与器件简介
光电子材料是指能产生、转换、传输、处理、存储光电子信号的材料。光电子器件是指能实现光辐射能量与信号之间转换功能或光电信号传输、处理和存储等功能的器件。自1960年美国科学家梅曼发明世界上第一台红宝石激光器以来，光电子材料与器件如雨后春笋般发展迅速。在短短的50多年里，光电子材料与器件经历了从红宝石激光器的发明，到半导体激光器、CCD器件及低损耗光纤的相继问世；从各种光无源器件、光调制器件、探测与显示器件的小规模应用到系统级集成制造实用化阶段；从大功率量子阱阵列激光器的出现再到光纤激光器、光纤放大器和光纤传感器的诞生。光电子材料与器件从未停止过发展的脚步，并正在不断深刻影响着人类社会的方方面面。在实际需求的引导下，各种新型光电子材料与器件层出不穷，性能也不断提高。尤其是近年来，随着微米及纳米级加工技术的成熟，新型的微纳光电子材料与器件的研究异常活跃。纳米光电材料、光子晶体、超材料、表面等离子体器件等领域的研究成果丰硕，为未来光电子器件的微型化、集成化发展奠定了坚实的基础。
综上所述，光电子材料与器件在当代信息产业与科学技术中具有极其重要的地位，因此，光电子材料与器件这门课程不仅应当单独作为一门课程***教学，而且应该作为重视工程教育的电科专业的核心课程。
2 光电子材料与器件课程教学研究
2.1 光电子材料与器件课程的教学形式、课时安排与教材选择
光电子材料与器件课程不仅包含丰富的理论知识，例如光电子材料的物理特性以及光电子器件的工作原理等，而且与实际应用结合精密，因此，本课程宜采取理论教学与实验教学相结合的教学形式。
在课时安排方面，作为电科专业的一门核心专业课程，光电子材料与器件课程的总课时应不低于32学时（2学分），理论课学时不低于26学时，实验课不低于6学时。
另外，在教材选择方面，由于光电子材料与器件是光电子技术中的一部分内容，而目前国内关于光电子技术方向的参考书籍很多，其中亦不乏一些光电子技术课程的经典教材，例如西安电子科技大学安毓英主编的《光电子技术》[1]，西安交通大学朱京平主编的《光电子技术基础》[2]等。虽然这些光电子技术参考书中或多或少都会介绍与光电子技术相关的材料与器件，但是，目前专门介绍光电子材料与器件方向的教科书却是少之又少，市面上仅有国防工业出版社2012年出版的侯宏录主编的《光电子材料与器件》[3]一书。加之，该书中所涉及的理论知识较深，基础浅薄的本科生很难驾驭。由此可见，对于光电子材料与器件这门新兴课程而言，设立统一的教材并不合适。因此，笔者建议该课程的讲授教师根据理论教学与实验教学的内容，自行编写该课程的讲义与课件。
2.2 光电子材料与器件课程的理论教学
按照电科专业的专业定位以及培养目标，光电子材料与器件课程的理论教学也应该突出“工程”内容。传统的光电子技术教学中所重视的原理、定律与规律等内容，在光电子材料与器件教学中要弱化；而传统光电子技术教学中往往被弱化乃至忽视的光电子材料与光电子器件的相关知识，要在光电子材料与器件课程教学中占主体地位。如此才能保证在有限理论课时的前提下，让学生对光电子材料与器件有一个全面的认识。
在教学内容的设置方面，由于光电子材料与器件主要应用于光电子技术之中，因此，为了便于学生的理解与知识体系的构建，笔者建议光电子材料与器件课程理论教学的章节设置按照光电子技术的章节设置进行。以笔者讲授光电子材料与器件理论课程（共26学时）为例，该理论课程共被分成了绪论（2学时）、激光原理与典型激光器（5学时）、太阳能电池（4学时）、光通信器件与材料（5学时）、光探测器件（5学时）、光电显示器件（3学时）与光存储器件（2学时）等七个章节，这七章内容基本囊括了光电子技术中光产生、光转化、光传输、光探测、光显示以及光存储等各个重要环节中最为典型的器件以及所用到的材料。另外，在每章内容的设置上，也尽可能突出“工程”内容，弱化“理论”知识。下面，笔者将详细介绍笔者在光电子材料与器件教学中各章的教学内容。
第一章绪论主要包括光电子材料与器件课程简介以及光电子技术的基本知识简介。在光电子材料与器件课程简介中，向学生介绍课程设置的目的和意义、课程的主要内容、教学与考试方式与参考资料等。通过这部分内容的介绍，让学生对本课程的意义、内容、侧重点有一定的认识。在光电子技术基础知识简介中，重点向学生介绍光电子材料与器件与光电子技术的关系，并通过对光电子技术的概念、特征、发展等方面的介绍，让学生对光电子技术以及光电子材料与器件有一个整体的认识。
第二章激光原理与激光器重点介绍几种典型激光器的材料、结构与工作特性，其主要内容包括三个部分：激光原理简述、典型激光器与激光器的应用。在激光原理简述部分，由于多数电科专业在学习光电子材料与器件课程之前已经修过激光原理等类似课程，所以该部分内容为简略介绍的内容，主要帮助学生回顾激光的特征、历史与光辐射理论等知识点。而第二部分内容典型激光器是本章内容的重中之重，在该部分内容中，将依次向学生介绍固体、气体、液体与半导体这四大类激光器中的典型激光器的结构、特征与工作特性等知识。由于发光二极管与半导体激光器结构与工作原理上的相似，在介绍完半导体激光器后，可以顺理成章地介绍发光二极管的结构与特征。另外，本章最后还简单介绍了激光器的几种常见应用。
太阳能电池虽然是光电探测器中光伏效应的一种特殊应用，但是由于它在现如今光电子技术产业以及光电子器件中的重要地位以及良好的发展趋势，该部分内容被***成一章。在第三章太阳能电池中，主要分两小节给学生介绍，第一小节介绍当今能源与环境问题以及太阳能的开发和利用，让学生了解当今能源资源的现状以及新能源研究与应用的迫切需求，然后介绍太阳能利用的历史以及发展趋势；第二小节正式介绍太阳能电池的工作原理、结构以及特性等知识。
第四章光通信器件与材料主要介绍的是光通信系统中所用到的有源与无源光器件。本章内容共分为两小节：第一小节介绍光纤通信的基础知识，包括光纤通信的定义，光纤的结构、导光原理、发展历史，以及光纤通信系统的组成与特点。第二小节正式介绍光纤通信系统中所用到的各类光电子器件以及构成这些器件的核心材料。在光纤通信中，最重要的器件当属光纤，所以，本节开始就着重介绍光纤的相关知识，包括它的结构、原理、分类、特征参数与传输特性。然后，又将光纤通信系统中的其它光电子器件分为有源与无源器件两类，并分别介绍了这两类光器件中的代表器件：掺铒光纤放大器与波分复用与解复用器。最后，在本章结尾还介绍了光纤通信系统中其它几种常用光器件，例如光耦合器、光衰减器、光环行器等。
第五章光探测器首先介绍了光电探测器的物理效应、性能参数、噪声；其次，按照光电探测器物理效应的不同一一介绍了几种典型的外光电效应探测器（光电管与光电倍增管）与内光电效应探测器（光电导、光电池与光电二极管）。教学的重心仍然放在对探测器结构、工作原理以及特性等方面。
第六章光显示器件重点介绍四种光显示器：阴极射线管、液晶显示器、等离子显示器与电致发光显示器。
第七章光存储器件主要介绍了现如今最常用的一种光存储系统―― 光盘系统以及其中最总要的器件光盘。
2.3 光电子材料与器件课程的实验教学
光电子材料与器件实验课程的教学要与理论教学紧密相连，并重点介绍理论课上讲解过的光电子材料与器件，实验课程的学时应不低于6学时，开设的时间最好在理论教学完成之后，以保证学生在实验前已对实验器件与实验原理有一定的了解。在实验项目的设定方面，既要保证与理论课程内容的相辅相成，又要尽量避免与其它课程实验项目的重复，造成资源的浪费。例如，许多大学的电科专业都已经将激光原理一课作为该专业的核心专业课程，并配备了相应的激光器实验。在这种情况下，如果在光电子材料与器件实验教学中再次引入激光器的实验内容，不仅消耗了宝贵的实验时间，实验效果也会大大降低。
下面跟大家简单介绍笔者在光电子材料与器件实验教学（6学时）中的实验安排。
（1）实验内容：共包含六个实验项目，它们分别是：光控开关实验、光照度计实验、红外遥控实验、PSD位移测试实验、太阳能充电实验与光纤位移测量系统实验（每个实验1学时）。各实验中都应用到了一个或几个核心光电子器件，这些光电子器件基本涵盖了学生在理论课程中所学到的最为重要的几类器件，例如光控开关实验应用到了光电探测器中的光敏电阻作为核心元器件；而红外遥控实验中用到了发光二极管光源与红外探测器等光电子器件。
（2）实验要求：以往的光电子技术实验往往重视现象的观察与定性分析，但经笔者调研，这种实验方法很难最大限度激发学生的求知欲与动手能力，因此，在对原有的实验指导书进行改良后，笔者自行编写了实验的指导书，并在每个实验项目中加入了一些测量与定量分析的实验内容。例如太阳能充电实验，原来的实验指导书只是观察太阳能充电的效果，但是，在新改良的实验指导书中，要求同学测量不同光源照射下太阳能电池的输出电压与输出电流，并要求学生分析比较其差别。通过这种方式，充分调动学生的实验积极性，在具体的实验教学中也取得了很好的效果。
（3）实验方式：分组实验，共同撰写实验报告。这样，不仅提高实验效率，还能够锻炼学生的团队协作意识。
（4）考核方式：根据每位学生实验完成的情况与实验报告撰写的情况综合评分。
3 结语
光电子材料与器件在信息产业的发展与现代科学的研究中都具有举足轻重的地位。它不仅是电科专业知识体系中的重要环节，也为电科专业学生提供着良好的就业竞争力与科研基础。本文通过对电子科学与技术专业特点与光电子材料与器件课程内容的分析，讨论了光电子材料与器件在电科专业教育中的重要性，并根据笔者自身的授课经验，提出了光电子材料与器件在电科专业中的教学形式、课时安排、教材选择以及理论与实验课程内容设置的一些意见与建议。
参考文献
[1] 安毓英，刘继芳，李庆辉.光电子技术[M].3版.北京：电子工业出版社，2013.
光电子器件篇4
摘 要：该年度的主要研究内容和预期目标，开展了大量的理论和实验研究工作，该报告中包含的主要研究成果如下：（1）研究了一种简化空芯微结构光纤的传导机制和模式特性，揭示了其传导机理。将荧光（激光）染料填充并复合到了空芯光纤的中心孔中，并结合光纤侧面探测技术提出了一种高灵敏度的、空间分辨的荧光探测技术，实现的浓度探测极限达1pM，较传统方法提高一个数量级以上，为目前报道的光纤基同类技术中的最好值。成果详见Applied Physics Letters 102，011136（2013）。（2）理论分析了选择性填充不同折射率的高折射率功能材料以及不同的选择性填充结构的微结构光纤的模式耦合特性及模式双折射特性，揭示了纤芯模式与高折射率柱模式的耦合特性对光纤双折射特性的调控，实现了具有独特双折射特性的微结构光纤。实现了不同选择性填充结构的高折射率功能材料填充的微结构光纤，实验研究了其Sagnac干涉仪传输光谱和传感特性，揭示了具有不同群双折射特性的微结构光纤Sagnac干涉仪不同的光谱和传感特性，以及传感灵敏度对波长和温度的强烈依赖性，实现了在56.5 °C时高达-45.8 nm/°C（112，531 nm/RIU）的温度（折射率）灵敏度，以及19.6 nm/N轴向拉力灵敏度。
关键词：微结构光纤 功能器件 异质兼容结构 光子晶体光纤
Abstract：According to the main research topics and expectations of the mission statement for this year， we carried out a lot of theoretical and experimental studies， the main findings of the report include the following：（1）The conduction mechanism and mode characteristics of a simplified hollow-core microstructure optical fiber have been investigated and revealed. A high efficiency fluorescence measurement technology based on the simplified hollow-core microstructure optical fiber and lateral side detection approach has been demonstrated. A highlighted sensitivity with dye concentrations down to 1 pM is achieved， which is the best value in the reported to our best knowledge.（2）The mode coupling and modal birefringence characteristics of various types of the high-index-filled MOFs with different selective filling configurations and different materials have been theoretically investigated. Sensors with ultrahigh sensitivity based on the Sagnac interferometer using this type of birefringence fiber has been proposed and demonstrated.（3）A twin-resonance-coupling phenomenon in a selectively single-hole fluid-filled microstructure optical fiber have been proposed， demonstrated and investigated. Sensitivities of 290 nm/°C （739，796 nm/RIU） and 591.84 nm/N （701.2 pm/με） are achieved， which are the highest for a fiber-based device to date to our best knowledge.（4）A fluid-filled two-mode photonic crystal fiber （PCF）-based intermodal interferometer have been demonstrated and investigated.（5）We have reported on the fabrication and resonance mechanism of a fiber Bragg grating （FBG） with multiple resonances in a two-dimensional waveguide array microstructured optical fiber. Simultaneous measurement results of curvature and axial strain have also demonstrated.（6）The acousto-optic mode coupling in grapefruit microstructured optical fibers （GMOFs） has been investigated and unequal acoustic modulation is generated， and orthogonal acoustic gratings come into being in the GMOF.（7）We have demonstrated the formation of an acoustic grating in a simplified hollow-core photonic crystal fiber. （8）We have investigated the modal characteristics of a square fiber.An all-fiber twist sensor with low temperature sensitivity and a compact magnetic field sensor have been proposed and fabricated. Additionally， we have also investigated some of nonlinear characteristics in microstructure optical fibers and describe some of the results.
Key Words：Microstructural optical fibers functional devices；Heterogeneous compatible structure；Photonics crystal fibers
阅读全文链接（需实名注册）：http：///xiangxiBG.aspx？id=50431&flag=1
光电子器件篇5
选择合适的材料是实现有机光敏二极管功能以及提高其性能的第一步。目前研究者们对有机光敏二极管的光敏材料研究涉及紫外、可见、红外光区各个波段。一些已报道的有机光敏二极管的性能如表1所示。
1.1可见光光敏二极管材料富勒烯及其衍生物是研究较早也是目前较为热门的一类n型有机半导体材料。研究者正不断地探索该类材料的潜能，Lee等［6］报道了一种多层结构的并五苯/C60器件，该器件在500～690nm的波长范围内都有良好的吸光效率，而在670nm左右，其EQE甚至可以超过100%。P3HT(聚-3-己基噻吩，***2)和PC61BM(［6，6］-苯基-碳六十一-丁酸甲酯，***2)也是一组常见的给体、受体材料组合，有报道显示用P3HT∶PC61BM制备的器件在540nm光照，－5V偏压下光响应度可以达到390mA/W，(***3)［7］。近年来，聚芴衍生物及其共聚物也被证明是一类很有前途的有机半导体材料，目前已经报道的聚芴衍生物F8T2(聚(9，9-二辛基芴-二噻吩)，***2)为给体，PC61BM为受体，得到的器件光响应度约为625mA/W(460nm，9mW/cm2光照，－10V偏压)［8］。而Park等［9］报道DMQA(N，N-二甲基喹啉并吖啶)∶DCV3T(二氰乙烯基-三联噻吩，***2)材料用于有机光敏二极管，可以得到光响应度超过250mA/W(5mW/cm2光照，－3V偏压)，外量子效率超过64%的器件。本课题组在可见光光敏二极管方面也有着一定的研究基础。2009年，基于C60/NPB(N，N''''-二(1-萘基)-N，N''''-二苯基-1，1''''-联苯-4-4''''-二胺，***6)有机异质结，我们报道了一个蓝光敏感的有机光敏二极管［10］。以蓝色OLED(发光波长为462nm)为光源，我们将此有机光敏二极管应用到有机光电耦合(OOC)器件中，实现了0.17%的电流传输效率，这是当时已报道的有机小分子光电耦合器件中的最高值。同时，其截止频率达到了400kHz，并且在1MHz的输入信号下也能表现出极好的跟随特性(如***4)。在此工作基础上，基于C60/m-MTDATA(4，4''''，4″-三(N-3-甲基苯基-N-苯基氨基)三苯胺，***6)有机异质结，其在462nm的OLED光源下的光响应度达到130mA/W，将有机光耦的电流传输效率提高到了1.3%［3］。同时，我们实现了在柔性基底上制备该有机光耦，可以应用于压力传感中。由于其良好的电隔离性能，可将其应用到低压控制电路中，实现了对处于2000V高电势电路的控制(***5)。随着应用需求的增加，对特定颜色选择性吸收的有机光敏二极管也逐渐地为人们所重视，Burn等［11］合成了一种以氧化花青素为核心的树枝状分子(Dendrimers3，***2)，以它和PC61BM组成的体异质结有机光敏二极管可以选择性地吸收460～570nm的绿光，而在500nm光照条件下，该器件在0V时的光暗电流比可以达到2.7×104。Park等［12］报道的DMQA/SubPc(二氯硼酞菁，***2)器件也显示出了对绿光较好的选择性，其在560nm光照条件下的比探测率可以达到2.34×1012Jones。红光选择型器件在这方面报道较少，有课题组利用P6T(α，ω-二苯基六噻吩，***2)和BP3T(α，ω-二(联苯-4-基)三噻吩，***2)作为蓝绿光吸收材料来阻止蓝绿光到达传统的CuPc(铜酞菁)/C60结构的器件光敏层，从而得到较好的红光选择性，该器件的比探测率可以达到4.0×1011Jones，EQE达到51.4%［13］。
1.2紫外光光敏二极管材料m-MTDATA是紫外吸收材料里的明星分子，目前报道的基于m-MTDATA∶BPhen(二苯基邻菲咯啉，***6)的器件，在－12V偏压，365nm的光照条件下，其光响应度达到872mA/W［14］。而m-MTDATA搭配Cu(I)配合物CuDD(硼氟酸二［2-(二苯基膦基)苯基］醚•二吡啶并(3，2-a:2''''，3''''-c)吩嗪合铜(Ⅱ)，***6)组成的器件在365nm光照条件下，其光响应度可达560mA/W，比探测率达到2.82×1011Jones［15］。NPB也是一种不错的紫外光吸收材料，基于NPB/PBD(2-(4-叔丁基苯基)-5-(4-联苯基)-1，3，4-二唑，***6)的器件光响应度可以达到4.5A/W(3V偏压，350nm，60μW/cm2光照)，同时光暗电流比达到了2.4×103［16］。纳米复合材料同样得到了研究者们的青睐，如Huang等将C-TPD(4，4''''-二［(对-三氯代甲硅烷基苯基)苯基氨基］-联苯，***6)和ZnO组成的纳米复合材料与C60用于紫外光敏二极管，得到EQE约400%的高效率器件［17］。然而，以上器件或多或少都会在可见光区有所吸收，这对它们的应用造成了一定的限制，另外，由于ITO对深紫外区光线的吸收也给深紫外区的探测造成了困难，为解决这个问题，有课题组利用在12nm的超薄铝电极上加镀一层TPD(N，N''''-二(3-甲基苯基)-N，N''''-二(苯基)联苯胺，***6)作为可见光吸收材料的方法，得到了紫外区与可见光光响应度比值达到1000左右的器件［18］，也有课题组利用PVA(聚乙烯醇)达到了类似的效果。
1.3红外光光敏二极管材料红光-红外区域的探测在光学通信、遥感控制等领域有着无法替代的作用，然而由于有机半导体红外吸收材料较少，使得相关研究目前要落后于紫外和可见光区的研究。Chen等［20］通过在半导体层P3HT和PC61BM间插入Ir-125(4，5-苯并吲哚三碳菁，***7)染料，使得器件的光谱探测上限从650nm提升到1050nm处，在－1.5V偏压下，该器件在800nm处的EQE达到了757%，然而，该器件在可见光区域更加明显的光响应使其并不能被称为一个典型的红外探测器(***8)。Sampietro课题组［21］报道了基于方酸菁类化合物AlkSQ的有机光敏二极管，700nm处的比探测率达到3.41012Jones。此外，基于二硫纶类材料也表现出不错的红外吸收性能，Awaga等［22］报道的以二硫纶类材料BDN(二(4-二甲基氨基二硫代苯偶酰)合镍(Ⅱ)，***7)为基础的器件探测范围可以覆盖700～1600nm区域，比探测率达到1.6×1011Jones，带宽约为1.4MHz。曹镛研究组近年来在近红外有机光敏探测器方面做了很好的研究工作，他们报道了两种性能优良的红外光敏材料，即苯并三唑类的高聚物PTZBTTT-BDT(***7)和卟啉类小分子材料DHTBTEZP(***7)［23，24］，用它们和PC61BM配合制成的器件在近红外区处的比探测率都可以达到1012Jones以上，是两种很有潜力的红外光敏二极管材料。另外，他们还尝试采用ZnO纳米线作为电子取出层，使得PDDTT(聚(5，7-二(4-癸基-2-噻吩基)-噻吩并(3，4-b)-噻二唑-噻吩-2，5)，***7)和PCBM制成的器件可以对400～1450nm的光照产生响应，且在1300～1450nm的红外区比探测率达到109Jones以上［25］，这也为提高红外光敏二极管的性能提供了一种有效的方法。
2有机光敏二极管的结构优化与界面修饰
有机光敏二极管依异质结构造方式的不同大致可以分为平面异质结(***9a)、体异质结(***9b)以及混合型(***9c)三类器件。不同结构的器件往往会有很不一样的性能表现。
2.1平面异质结结构平面异质结结构是有机光敏二极管较为常见的结构，其中acceptor和donor分别成层，两者有一个平面界面，形成异质结。如Wang等［27］设计的基于C60/TPBi(1，3，5-(1-苯基-1H-苯并咪唑-2-基)苯，***6)的器件就是基于这一结构，该课题组发现该器件在做成平面异质结结构的时候可以对365和330nm双波长的光线发生响应，而一旦做成体异质结结构则会失去这一特点。在平面异质结的基础上，研究者们也通过不同的优化手段来提高器件的性能，Lee等设计了超薄的并五苯与C60层交替多层的器件(***10a)，该器件充分利用了并五苯内单线态激子裂变形成两个三线态激子的特性，将器件EQE提高到了100%以上(670nm光照条件下)［6］。也有一些课题组尝试在给体/受体之间插入一个内联层作为红光吸收材料，有效地提高了红光的利用率，EQE最高超过了7000%［20］。另外，有课题组采用C-TPD等作为阳极缓冲层对平面异质结结构的器件做修饰，C-TPD是一种良好的空穴传输材料，有很低的电子迁移率，另一方面，它较高的LUMO能级也有效地阻挡了C60层电子的注入，因此，它的引入可以使器件的暗电流降低3～4个量级［28］。
2.2体异质结结构体异质结结构的有机光敏二极管近年来发展迅速，有研究人员认为这是比平面异质结更有效率的结构［26］。这主要取决于体异质结结构相比于平面异质结结构具有的更加大的acceptor和donor的接触面积。由于光照产生的空穴电子对的分离主要发生在acceptor和donor界面处，随之迁移到电极中产生光电流，因而体异质结中的空穴电子对能够得到更加有效的分离，进而得到较高的光电转换效率。MEH-PPV(聚［2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1，4-亚苯基-亚乙烯基］，***2)∶PC61BM组成的体异质结器件暗电流密度可以降到1nA/cm2以下［2］。Gong课题组［29］利用溶液法制备的P3HT∶PCBM体异质结的器件EQE约为80%，比探测率(500nm，0.32mW/cm2光照，－0.5V偏压)超过1×1013Jones，线性动态范围超过120dB，暗电流同样低至nA/cm2量级。研究者也通过表面修饰的方式来提高体异质结结构的器件性能。Leem等［30］以DMQA和DCV3T组成的体异质结为基础，利用TPD/MoOX双层结构作为阳极缓冲层得到的器件在540nm处EQE达到55.2%，而在－3V偏压下的暗电流降低到6.41nA/cm2。其他还有利用PEIE(聚乙烯亚胺)作为PBDTT-C(***2)和PC70BM组成的体异质结结构器件的阳极缓冲层，最终得到的器件在－2V偏压下暗电流为2nA/cm2，比探测率(680nm光照，－2V偏压)可达1013Jones，带宽为12kHz。
2.3其他结构还有一些器件采用给体/体异质结/受体这样的三层混合结构。如Ma等［32］发现他们构建的ITO/红荧烯(Rubrene)/红荧烯∶C60/C60/Al结构的器件的带宽比普通的平面异质结器件有显著的提高，达到15.6MHz，比探测率(405nm光照条件下)在较低的－2V偏压下就高达5×1012Jones，此时暗电流仅为1.5nA/cm2。另外，该器件在同一电压下入射光强改变约5个量级的范围内，光电流都与光强成线性关系。该课题组还采用TAPC(1，1-双［(二-4-甲苯基氨基)苯基］环己烷，***2)和C70这一组材料，器件结构也是平面-体异质结混合的结构(***10b)，同样取得了很好的器件性能，其比探测率达到2.5×1013Jones，EQE为62%，在同一电压下，光电流可以和入射光强在6个量级的范围内呈线性关系［33］。近年来也有一些无机纳米棒、纳米等与有机半导体材料相结合的新型异质结组合，Xie等［34］报道的TiO2纳米棒与Spiro-MeOTAD组成的器件即是这样的结构(***11)，Ogale研究组［35］报道的ZnO(N)纳米棒-Spiro-MeOTAD杂交光敏二极管也是类似的结构，此类器件往往有自供电的特性，即可以在0V偏压下表现出光响应性，符合未来社会节能环保化的倾向。
2.4界面机理研究对有机光敏二极管器件的电子空穴传输机理的研究有利于人们通过设计器件结构得到最优化的器件性能。目前，有机光敏二极管的机理研究多集中在界面处。Hayden课题组［36］利用TSC(热激发电流分析)研究有机光敏二极管内的界面陷阱状态，他们发现在低光强下，有机光敏二极管的带宽受到界面陷阱的影响，而当光强足够高时，体陷阱的影响居主导地位。Wang等［37］研究了有机光敏二极管在光照下的性能衰退现象，最终他们将引起光电流降低的原因定位在了界面处的光解现象上，并提出合适的缓冲层有利于器件性能的提高。本课题组通过调节C60/NPB异质结中半导体薄膜的厚度，建立了OPD界面中关于耗尽区形成的定量模型，并提供了一个普遍适用的方法来探究有机半导体界面的信息。该模型描述了暗电流和开路电压与C60和NPB薄膜厚度的关系。界面处的相关电子结构信息，如内建电场、电荷密度、耗尽区完全形成的最小厚度和异质结每一侧上的能级弯曲，都可以从这个拟合模型中得到(***12)。该模型的拟合结果显示，有光照和无光照情况下，半导体耗尽区的厚度分别是5nm(C60)/70nm(NPB)和8nm(C60)/60nm(NPB)。器件的性能优化结果验证了拟合模型的合理性。以此为基础，对有机光敏二极管(OPD)进行了结构优化，并与有机发光二极管(OLED)组装成OOC。测试表明该OOC的电流传输比、信噪比、截止频率、跟随频率分别为0.58%、3×104、400kHz、1.25MHz［38］。
2.5光强分布的计算有机薄膜器件中由于光在薄膜内的反射与干涉现象，光场强度在薄膜内层波浪状分布(***13)，研究器件内部光强分布对于器件光敏性能的优化有指导性的意义。O''''connor研究组在光伏器件中引进了一个Cap层，通过转移矩阵法计算了不同Cap层厚度下异质结界面处的光强分布，他们发现当器件界面处光强分布达到最大时，器件的光电流也达到最大值［40］。Hung等同样用器件内部光场强度的变化来解释改变器件厚度时，器件光电流的变化［41］。本课题组发展了利用光强分布预测光电流的方法，将器件薄膜厚度对器件内部的光场和电场分布的影响同时列入考虑，提出了一个模型，可以预测mMTDATA/C60器件光电流随厚度变化的趋势，并指导器件结构的优化，使器件光敏性能得到了显著提高。该方法也可用于其他材料体系［42］。
2.6有机光敏二极管的稳定性有机光敏二极管的稳定性也是一个非常重要的性能指标。器件在使用过程中，通常会受到来自环境中水、氧的侵蚀，还会出现由光和电引起的材料老化或降解，这些都会导致器件性能的衰减，影响器件使用寿命。通常情况下，我们可以使用高功函的电极，如Au、Ag等，作为光敏二极管的阴极，这样可以降低电极氧化的几率，在一定程度上对器件起到保护的作用，以提高其稳定性。但这对器件内部的能级匹配提出了较为严格的要求和限制。Wang课题组在电极和有机层界面处引入界面修饰层LiF和Li-acac(乙酰丙酮合锂)，通过其和无界面修饰层器件的瞬态光电流谱的对比，得出了电极/有机层界面在光生激子的衰减方面起着十分重要的作用。并且在界面处引入界面修饰层可以有效地降低光生激子的衰减，从而得到较稳定的器件性能。Simonato课题组通过在Ag电极和光敏层之间引入缓冲层聚乙烯亚胺(PEIE)，使得该器件在环境条件下放置100天之后，性能仍没有出现明显的衰减，如***14所示。这些研究对制备高稳定、高效率的光敏二极管器件起到十分有效的指导作用。
3未来发展方向
光电子器件篇6
关键词:光电探测器 光电导效应 光电导器件
光电探测器是一种利用半导体材料的光电导效应制成的能够将光辐射转换成电量的器件,它利用这个特性可以进行显示及控制的功能。光探测器可以代替人眼,由于具有光谱响应范围宽的特点,光探测器亦是人眼的一个延伸。光电探测器利用被照射材料由于辐射关系电导率发生改变的物理特点,在红外波段中的应用主要在红外热成像、导弹制造及红外遥感等一些方面;在可见光或近红外波段中的应用主要在在工业自动控制、光度计量及射线测量和探测等方面。随着电子科学技术的日趋成熟,光电探测器的应用将更加广泛。
1、光电探测器的发展
1873年,英国W.史密斯发现硒的光电导效应,但是这种效应长期处于探索研究阶段,未获实际应用。第二次世界大战以后,随着半导体的发展,各种新的光电导材料不断出现。在可见光波段方面,到50年代中期,性能良好的硫化镉、硒化镉光敏电阻和红外波段的硫化铅光电探测器都已投入使用。60年代初,中远红外波段灵敏的Ge、Si掺杂光电导探测器研制成功,典型的例子是工作在3～5微米和8～14微米波段的Ge:Au(锗掺金)和Ge:Hg光电导探测器。60年代末以后,HgCdTe、PbSnTe等可变禁带宽度的三元系材料的研究取得进展。
在60年代初以前还没有研制出适用的窄禁带宽度的半导体材料,因而人们利用非本征光电导效应。Ge、Si等材料的禁带中存在各种深度的杂质能级,照射的光子能量只要等于或大于杂质能级的离化能,就能够产生光生自由电子或自由空穴。非本征光电导体的响应长波限λ由下式求得λc=1.24/Ei式中Ei代表杂质能级的离化能。
到60年代中后期,Hg1-xCdxTe、PbxSn1-xTe、PbxSn1-xSe等三元系半导体材料研制成功,并进入实用阶段。它们的禁带宽度随组分x值而改变,例如x=0.2的HG0.8Cd0.2Te材料,可以制成响应波长为 8～14微米大气窗口的红外探测器。
2、光电探测器的工作原理
光电探测器的工作原理是基于光电效应,热探测器基于材料吸收了光辐射能量后温度升高,从而改变了它的电学性能,它区别于光子探测器的最大特点是对光辐射的波长无选择性。
所谓光电导效应,是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象,它光是内光电效应的一种。当照射的光子能量hv等于或大于半导体的禁带宽度Eg时,光子能够将价带中的电子激发到导带,从而产生导电的电子、空穴对,这就是本征光电导效应。这里h是普朗克常数,v是光子频率,Eg是材料的禁带宽度(单位为电子伏)。因此,本征光电导体的响应长波限λc为λc=hc/Eg=1.24/Eg(μm)式中c为光速。本征光电导材料的长波限受禁带宽度的限制。
光电导器件:利用具有光电导效应的半导体材料做成的光电探测器称为光电导器件,通常叫做光敏电阻。在可见光波段和大气透过的几个窗口,即近红外、中红外和远红外波段,都有适用的光敏电阻。光敏电阻被广泛地用于光电自动探测系统、光电跟踪系统、导弹制导、红外光谱系统等。
光电子发射器件:光电管与光电倍增管是典型的光电子发射型(外光电效应)探测器件。其主要特点是灵敏度高,稳定性好,响应速度快和噪声小,是一种电流放大器件。尤其是光电倍增管具有很高的电流增益,特别适于探测微弱光信号;但它结构复杂,工作电压高,体积较大。光电倍增管一般用于测弱辐射而且响应速度要求较高的场合,如人造卫星的激光测距仪、光雷达等。
硫化镉CdS和硒化镉CdSe光敏电阻是可见光波段用得最多的两种光敏电阻;硫化铅PbS光敏电阻是工作于大气第一个红外透过窗口的主要光敏电阻,室温工作的PbS光敏电阻响应波长范围1.0～3.5微米,峰值响应波长2.4微米左右;锑化铟InSb光敏电阻主要用于探测大气第二个红外透过窗口,其响应波长3～5μm;碲镉汞器件的光谱响应在8～14 微米,其峰值波长为10.6微米,与CO2激光器的激光波长相匹配,用于探测大气第三个窗口(8～14微米)。
3、光电探测器的结构
第一支InGaAs光电探测器在1978年就被报道,略晚于第一支InGaAsP光电探测器。这些探测器都可以通过改变组分含量从而达到需要的波长响应,一种典型的InGaAsP光电探测器结构***如下***所示:
*** 一种典型的InGaAsP光电探测器结构***
利用异质结构以In0 6qGa0 31As0 66P0 34作为本征吸收层,以In0.7:Ga0.22As0.47P0.53为P型表面入射窗,得到了峰值响应波长为1.36 gm的窄的频谱响应。为了制作方便,一股将这种光电探测器做成台面结构。
InGaAsP光电探测器中,表面钝化层、载流子产生复合及隧穿等都会引起暗电流。通过优化表面钝化层可以使表面漏电流密度小到IlA/cm量级。
s.R.Forrestt等人指出,在较低偏压***流子产生复合对暗电流起主导作用,只有当偏压大于100V时隧穿电流才变得显著。即使由产生复合引起的小的暗电流也会对光电探测器灵敏度产生不利影响,因此应合理设计结构使暗电流最小。
为了制作方便,将这种光电探测器做成台面结构,包括外延生长,扩散及离子注入等方法。然而这些台面不利于集成,难以实现光电子集成回路(OEIC),因此人们又做出了各种平面结构,这些平面结构类似于上***所示,同时这种平面结构有助于因表面漏电流引起的暗电流。
4、光电探测器的种类
光电子器件篇7
关键词：信息化时代；电子产品；传感器；光电计算器；计数脉冲
中***分类号：TP332.12 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 02-0011-02
随着科学技术发展，人类对光电信息产品越来越有依赖性，一系列的微波计数器产品已经受到市场欢迎。由于光电计数存在的设计理念，这会有利于光电计数较大的发展。目前，市场依然对电子计数器有着比较大的需求，在这方面上，一些厂家的产能出现供应不足的问题，对此，就需要厂家逐渐提高产能、改进技术，提高企业的经济效应。
一、光电计算器的理论概述
光电计算器的理论基础是光电效应。这类效应大致可分为三类。第一类是外光电效应，即在光照射下，能使电子逸出物体表面。利用这种效应所做成的器件有真空光电管、光电倍增管等。第二类是内光电效应，即在光线照射下，能使物质的电阻率改变。这类器件包括各类半导体光敏电阻。第三类是光生伏特效应，即在光线作用下，物体内产生电动势的现象，此电动势称为光生电动势。这类器件包括光电池、光电晶体管等。光电效应都是利用光电元件受光照后，电特性发生变化。敏感的光波长是在可见光附近，包括红外波长和紫外波长。市场上的光电计数器采用的光电传感器有摄像头、光电管等，采用的光的种类有普通光和激光，可见光和不可见光等。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器，光电检测方法具有精度高、应用快、非接触等优点，而可测参数多，光电传感器的结构简单，形式灵活多变因此，光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。
传感与检测技术是一门知识面广、综合程度高、实用性很强的专业课程。它从传感器的基本理论入手，着重讲叙传感器的结构与感测原理，传感器是一个二端口的装置，不同的传感器输入-输出特性不同，同一传感器适应不同的被测信号呈现的特性也有所不同。尤其当被测信号为静态信号时两种状态下，传感器的输入-输出特性完全不同。感测技术在许多新知识里都有应用，以信息的传感、转换、处理为核心，从基本物理概念入手，阐述热工量、机械量、几何量等参数的测量原理及方法。
光电式传感器是将光信号转化为电信号的一种传感器。它的理论基础是光电效应。这类效应大致可分为三类。第一类是外光电效应，即在光照射下，能使电子逸出物体表面。利用这种效应所做成的器件有真空光电管、光电倍增管等。第二类是内光电效应，即在光线照射下，能使物质的电阻率改变。这类器件包括各类半导体光敏电阻。第三类是光生伏特效应，即在光线作用下，物体内产生电动势的现象，此电动势称为光生电动势。这类器件包括光电池、光电晶体管等。光电效应都是利用光电元件受光照后，电特性发生变化。敏感的光波长是在可见光附近，包括红外波长和紫外波长。数字式电子计数器有直观和计数精确的优点，目前已在各种行业中普遍使用。数字式电子计数器有多种计数触发方式，它是由实际使用条件和环境决定的。有采用机械方式的接触式触发的，有采用电子传感器的非接触式触发的，光电式传感器是其中之一，它是一种非接触式电子传感器。采用光电传感器制作的光电式电子计数器。这种计数器在工厂的生产流水线上作产品统计，有着其他计数器不可取代的优点。该例光电触发式电子计数器只有两位数，但通过级联可以扩展为四位，甚至多位。
二、以STC89C52为核心的计数电路
基于单片机的光电计数器，使用STC89c52单片机，电路简单，需要编写程序，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制，而且体积小，硬件实现简单，安装方便，可实现数码显示和键盘设定等多种功能。
采用遮光式光电传感器，将红外发光管与光电接收管相对安放，每当物体通过一次，红外光就被遮挡一次，光电接收管的输出电压就发生一次变化，这个变化的电压信号通过放大和处理后，形成计数脉冲，通过光电隔离耦合并行输入至STC89c52单片机的P1口，通过软件控制和键盘设定计数值并用LED加以显示，便可实现对物体的计数统计。
采用反射式光电传感器，将红外发光管与光电接收管相邻安放，每当物体通过一次，红外光就被反射，光电接收管接收一次，光电接收管的输出电压就发生一次变化，这个变化的电压信号通过放大和处理后，形成计数脉冲，通过光电隔离耦合并行输入至STC89c52单片机的P1口，通过软件控制和键盘设定计数值并用LED加以显示，便可实现对物体的计数统计。
本设计除了单片机外无其他芯片，在发射与接收电路中也只简单的用红外发光二极管和感光三极管组成检测部分。接线排线有规律、整齐、增强电路板的艺术美感。全部采用分立元器件或常用的小规模集成电路，电路结构简单可靠，能够提供准确的统计值，成本低廉，非常适合小型加工厂的产品流水线中自动统计产品个数等。电路采用模块化设计，因此具有较高的二次开发性，如将电路用于统计一定时间中吊瓶滴下液滴的数目用来判定是否点滴是否将要滴尽；将信号采集电路应用于报警器中等。
随着科学技术的发展，电子计数器的辅助功能也逐渐增加，现在已经出现了多功能计数器，多功能计数器产品的响应度较高。中国电子计数器行业市场现状，为外资企业入驻中国创造了条件，国际许多电子计数器行业企业已经看中在中国低成本拓展市场的机会，随着外资投入逐步加大，中国国内企业改革重组迅速加快。同时新的行业制度等***策的颁布和实施将促使我国电子计数器行业洗牌，企业兼并重组将在***策的促使下大力发展。由于当前电子计数器行业效益下滑，所以对电子计数器行业企业授信更要慎重。必须关注电子计数器行业子行业，关注电子计数器行业上下游企业，优化客户结构，针对电子计数器行业行业需求进行新产品开发。
国内的制造技术水平远不如国外，制造技术不仅是衡量一个国家科技发展水平的重要标志，也是国际间科技竞争的重点。我国正处于经济发展的关键时期，制造技术是我们的薄弱环节。只有跟上发展先进制造技术的世界潮流，将其放在战略优先地位，并以足够的力度予以实施，才能尽快缩小与发达国家的差距，才能在激烈的市场竞争中立于不败之地。总之，在我国研究和发展先进制造技术势在必行。
参考文献：
[1]柴黎，程乃平，姚秀芳，王卫国.对负反馈电路的几点认识[A].全国高等学校电子技术研究会2008年年会论文集[C].2008.
[2]宁为群，谢忠艳，薛凡，马庆.浅谈高等院校非计算机专业的计算机应用基础教学思路[J].黑龙江医学，2011，07.
[3]王同彦，陈庆.KFJ-3A型转子式翻车机的改造思路[A].苏鲁皖赣四省金属学会第十三届焦化联合学术年会论文集[C]，2005.
[4]张徐，陈运.煤炭基建安全培训发展思路的探讨[A].矿山建设工程新进展――2006全国矿山建设学术会议文集（下册）[C]，2006.
光电子器件篇8
关键词：电子科学与技术；本科培养方案；课程设置；办学特色
中***分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）30-0070-02
21世纪被称为信息时代，电子科学与技术在信息、能源、材料、航天、生命、环境、***事和民用等科技领域将获得更广泛的应用，必然导致电子科学与技术产业的迅猛发展。这种产业化趋势反过来对本专业的巩固、深化、提高和发展起到积极的促进作用，也对人才的培养提出了更高的要求。因此，本文从人才的社会需求出发，结合我校实际情况，进行了本科专业培养方案的改革探索，并详细介绍了培养方案的制定情况。
一、人才的社会需求情况
目前，我校电子科学与技术专业的本科毕业生主要面向长三角地区庞大的微电子、光电子、光伏和新能源行业，市场对专业人才的需求基本上是供不应求的。但是也应该注意到电子科学与技术产业的分布不均，分类较细，且发展变化较快。另外，电子科学与技术产业结构具有多样性，既有劳动密集型的大型企业、大公司，更多的是小公司和小企业；既有国有企业和私营企业，更有合资、独资的外企。因此，社会需求与本专业毕业生的供需矛盾还会继续存在。
二、专业的培养目标和定位
本专业培养具备微电子、光电子领域的宽厚专业基础知识，熟练实验技能，能掌握电子材料、电子器件、微电子和光电子系统的新工艺、新技术研究开发和设计技能，有较强的工程实践能力，能够在该领域从事各种电子材料、元器件、光电材料及器件、集成电路的设计、制造和相应的新产品、新技术、新工艺的研究、开发和管理工作工程技术人才。并且结合我校“大工程观”人才培养特色，依据“卓越工程师”教育理念下工程技术型人才培养的原则，培养适应微电子和新兴光电行业乃至区域社会经济建设需求的工程技术型人才。
三、本科培养方案制定的思路
电子科学与技术专业培养方案参照工程教育认证的要求，以及专业下设微电子、光电子材料与器件两个本科培养方向的思路制定。注重培养学生的专业基础知识和实践工程能力，使毕业生能满足长三角地区微电子、光电子和新能源行业发展的需求。微电子方向的课程设置专注于电子材料与电子器件、集成电路与系统设计方面，光电子材料与器件方向则偏向于光电信息、光电材料与光电器件方面。
四、本科培养方案的改革探索
要实现电子科学与技术专业的培养目标，适应电子信息产业的不断发展，并结合我校学科发展方向和特色，对电子科学与技术专业本科人才培养方案进行了研究，并对省内外几所高校电子科学与技术专业的培养方案进行调研，最终形成了富有特色的电子科学与技术专业人才培养方案，主要内容如下：
1.培养方案的模块化设计。在设计电子科学与技术专业本科培养方案的整体框架时，根据“加强基础、拓宽专业、培养能力”和培养工程技术型人才的办学理念下，专业培养方案分人文与社会科学、专业基础和专业课三个模块，下设微电子和光电子材料与器件两个专业方向。学生在前两年学习相同的课程，到大三时根据自己的兴趣选择专业方向，选修各自方向的专业课。由于两个方向的不同培养要求，因此在专业基础选修课、专业必修课和专业选修课方面设置限选模块，每个专业方向必须修满相应的学分才能毕业。
2.改革专业基础课程。专业基础课程是为专业课程奠定基础，因此，在保留了原有电子信息类专业通常所开设的电子类课程外，增加了与专业相关的课程，如EDA技术、通信原理、数字信号处理、物理光学、应用光学、激光原理与技术等课程，删减了原先与物理类相关的一些课程，如物理学史、原子物理、热力学与统计物理学等，并删减了一些计算机软件类课程，如C++程序设计、计算机在材料科学中的应用等。专业基础选修课程分方向限选模块，两个专业方向对应有不同的专业基础选修课程。
3.优化专业课程。专业课程是整个专业教育中的主干部分，微电子方向的课程设置紧紧围绕半导体和集成电路设计方向，开设有集成电路设计、微电子工艺原理与技术、工艺与器件可靠性分析、半导体测试技术、现代电子材料及元器件、集成电路工艺与器件模拟等课程。光电子材料与器件方向围绕光电材料和光纤通信方向，开设光电子材料与器件、光电检测原理与技术、太阳能电池原理与技术、光纤传感原理与技术、光纤通信技术等课程。另外专业课程里面还设置有专业实验，通过加强实验环节，训练学生的动手操作能力，增强学生的理论知识。
五、与省内外专业人才培养的区别
具有电子科学与技术专业的各大高校分布在不同的地区，服务于不同的区域经济，这就要求专业学生的培养具有区域化、差异化。我们分析了杭州电子科技大学、浙江工业大学、苏州大学、南京理工大学和徐州工程学院这五所不同地区、不同层次高校的电子科学与技术专业的培养方案。不仅使我们能学习到其他高校的先进办学理念、合理的课程设置体系，也可以发现与其他高校之间的差异。具体表现为以下几个方面：
1.专业定位。各个学校的电子科学与技术专业依据自身的师资力量、办学条件、区域经济要求确定专业的发展定位。杭州电子科技大学的电子科学与技术专业依托1个***重点实验室、2个部级实验教学示范中心、3个省部级重点实验室，人才培养定位于能从事电子元器件、电子电路乃至电子集成系统的设计和开发等方面工作的工程技术人才。浙江工业大学的电子科学与技术专业主要培养光通信、电子电路系统、集成电路设计等方面的人才。苏州大学的电子科学与技术专业定位在培养能够在电路与系统、集成电路与系统等领域从事各类系统级、板级和芯片级研发工作的高级工程技术人才。南京理工大学的电子科学与技术专业主要是突出光电技术和微电子与信息处理学科的交叉和融合，以光电成像探测理论与技术及微电子理论与技术为专业特色。徐州工程学院的电子科学与技术专业主要定位在培养能从事光电子材料与器件开发的工程技术人才。而我校的电子科学与技术专业定位于服务长三角地区半导体和新能源行业，培养能从事集成电路设计与开发、光电子材料与器件的研发等工作的工程技术人才。
2.课程体系。杭州电子科技大学的电子科学与技术专业培养学生设计、开发电子元器件、电子电路系统、电子集成系统的能力，在课程设置上开设了通信电子电路、EDA技术、薄膜物理与技术、电子材料与电子器件、电子系统设计与实践、集成电路设计、嵌入式系统原理和应用、现代DSP技术及应用等专业课程。浙江工业大学的电子科学与技术专业培养学生设计、开发电子电路系统、集成电路系统的能力，开设了电路原理、模电数电、通信电子线路、集成电路设计、光纤通信原理、光网络技术、数字信号处理等专业课程，以及电子线路CAD实验、单片机综合实验、通信原理实验、通信电子线路大型实验、微电子基础实验、半导体器件仿真大型实验、集成电路设计大型实验等实验类课程。苏州大学的电子科学与技术专业培养学生设计与开发电路与系统、集成电路与系统，从事各类系统级、板级和芯片级研发工作的能力，开设了信号与系统、电磁场与电磁波、高频电路设计与制作、电子线路CAD、CMOS模拟集成电路设计、VLSI设计基础等专业课程，以及电子技术基础实验、信号与电路基础实验、电子线路实验、电子系统综合设计实验等实验类课程。南京理工大学培养学生从事光电子器件、光电系统和集成电路的设计、开发、应用的能力，开设了信号与系统、光学、光电信号处理、光辐射测量、光电子器件、光电成像技术、超大规模集成电路设计、光电子技术、显示技术、光电检测技术、数字***像处理、半导体集成电路、集成电路测试技术、微电子技术、光电子线路、电视原理等专业课程。徐州工程学院的电子科学与技术专业培养学生设计与开发光电子材料与器件的能力，开设有信号与系统、光电子学、光电子技术、激光原理与技术、光伏材料等专业课程，以及模拟电路课程设计、数字电路课程设计、单片机原理课程设计等实践性课程。我校的电子科学与技术专业主要培养学生集成电路设计、光电子材料与器件的设计与制备能力，开设有半导体物理学、半导体器件原理、MEMS技术、微电子工艺原理与技术、薄膜材料及制备技术、工艺与器件可靠性分析、集成电路工艺与器件模拟、EDA技术、通信原理、数字信号处理、光电子材料与器件、光电检测原理与技术、太阳能电池原理与技术、光纤通信技术等专业课程，以及近代物理实验、专业实验等实验类课程。
3.人才培养特色。杭州电子科技大学的电子科学与技术专业的人才培养特色是注重集成电路设计、系统集成方面能力的培养。浙江工业大学的人才培养注重光纤通信、集成电路设计方面能力的培养。苏州大学的人才培养注重电路与系统设计、集成电路与系统设计方面能力的培养。南京理工大学的人才培养注重光电技术和微电子与信息处理学科的交叉和融合，以光电成像探测理论与技术及微电子理论与技术为专业特色。徐州工程学院的人才培养注重光电材料与器件方面能力的培养。我校的人才培养注重电子材料与电子器件的设计与开发、集成电路设计方面能力的培养。
参考文献：
[1]陈鹤鸣，范红，施伟华，徐宁.电子科学与技术本科人才培养方案的改革与探索[A]//电子高等教育年会2005年学术年会论文集[C].17-20.
光电子器件篇9
关键词：光电振荡器； 微波光子学； 相位噪声； 宽带调谐； 频率稳定性
中***分类号：TN29 文献标识码：A 文章编号：1006-3315（2015）04-003-003
一、引言
振荡器（Oscillator）是一种将连续的直流信号转换为周期性模拟信号（通常是正弦波或方波）的装置。光电振荡器是电子技术中应用非常广泛的器件之一，已被应用于广播通讯、雷达、导航、电子测量、电子对抗等工业生产以及日常生活的方方面面，例如振荡器可以为无线电发射机提供其工作频段的载波信号；为超外差接收机提供本地振荡信号；在高速数字通信系统和各种电子测量设备中作为频率（或时间）基准信号；为分布式系统提供参考源等。
一般来说，微波振荡器产生微波信号的质量决定于振荡腔的储能性能。要产生高质量的微波信号，必须要有高Q值和低损耗的储能单元。当前的微波振荡器大多基于电子学（如电介质振荡器）和声学（如晶体振荡器）储能元件。这些元件在GHz以上频率工作时，储能特性会急剧下降，所产生高频微波的相位噪声与频谱纯度较差。1996年，加州理工喷气动力实验室的X.S.Yao和L.Maleki在利用光子学技术改进微波系统工作性能的过程中开发了一种基于光子学储能单元的微波振荡器，这种振荡器被命名为光电振荡器（optoelectronic oscillator，OEO）[1]。与基于电子学和声学储能单元的微波振荡器相比，光电振荡器可产生数MHz到数百GHz的高纯度微波或毫米波信号，其储能元件的Q值高达1010，产生高频信号的相位噪声在频偏10kHz处低至-163dBc/Hz，并具有光、电两种输出，是一种非常理想的高性能微波振荡器，有望在未来得到广泛的应用。
二、光电振荡器工作原理
光电振荡器的基本结构如***1所示，它是由激光器、电光调制器、高Q光储能单元（如一定长度的光纤）、光电探测器、带通滤波器、微波放大器、移相器和微波耦合器等组成的正反馈回路。振荡的能量来自于电光调制器前的注入光，注入光经过电光调制器调制后变成载有特定频率的光信号，这个光信号被光电探测器转化成电信号后放大，再经过带通滤波器滤出特定频率，一部分用于输出，一部分反馈入电光调制的微波输入口，完成一次循环。经过不断循环，最终形成稳定的振荡。由于光电振荡器采用了低损耗的长光纤等高Q光学储能单元，输出信号具有极低的相位噪声。此外，光纤等光学储能单元内损耗不随微波频率改变而变化，因此理论上光电振荡器输出信号的性能不会随着频率升高而恶化。
经过近二十年的不断探索，对光电振荡器的研究已取得了飞速进展，在美国，光电振荡器作为高质量本振源已成功应用于无人机等尖端技术领域。尽管如此，光电振荡器要想得到更广泛的应用，还需要在性能与稳定性等方面不断完善。目前对光电振荡器的研究主要集中在相位噪声降低、边模抑制比提高、频率稳定性提升、输出频率拓展、频率调谐性能提升、小型化与多频振荡等方面，具体如下：
1.相位噪声
光电振荡器输出信号的相位噪声主要来源于激光器、光电探测器以及放大器等有源器件的热噪声、散射噪声、相对强度噪声。可以通过优化微波光子链路的结构和器件的工作方式来降低相位噪声。在D.Eliyahu等产生极低相位噪声（-163 dBc/Hz@6kHz）信号的实验中，采用了相对强度噪声低的高功率Nd：YAG激光器和低相位噪声的阵列放大器[2]。P.S.Devgan等利用低偏置的马赫曾德调制器和光放大器实现了全光增益的光电振荡器，与采用电放大器的光电振荡器相比，该方案的相位噪声有10dB改善[3]。此外，采用高功率的光电探测器能有效降低白噪声，而采用光电探测器阵列接收信号则能有效降低闪烁噪声的影响[4]。文献[4]中还实验验证了系统中有源器件的饱和状态能够抑制相位噪声。
2.边模抑制
要获得低相位噪声的微波输出，光电振荡器的谐振腔必须具有极高的Q值（Q=2πfτ，f为中心频率，τ为能量衰减时间），即需要极大的能量衰减时间。通过增加光纤长度可以获得较大的τ，但随着光纤长度增加，光电振荡器腔内纵模间距（Δf=1/τ）不断减小（可低至几十kHz），要有效抑制非振荡模式并选择出单一振荡频率，需要相当窄的微波带通滤波器。
一种抑制边模的方法是采用双环路光电振荡器。在光电振荡器腔内构成两个不同长度的光纤环路，只有同时满足两个环路选模条件的模式，才有可能起振。分别选取适当的环路长度，能够最终实现单模起振[5-8]。双环路光电振荡器方案可分为电域耦合的光电混合双环路结构[5]和光域耦合双环路结构[6-8]。本课题组提出了基于偏振调制和偏分复用的双环路光电振荡器[7]。其中的偏振分束器不仅实现了偏振调制到强度调制的转换，还实现了将入射光波分成偏振态正交的两路形成双环路。本方案产生的10GHz信号的边模抑制比达到了78dB。相比于电域耦合双环路方案，光域耦合方案仅需一个光电探测器。光域耦合双环路方案也可以利用波分复用技术实现[8]。另一种抑制边模的方法是利用耦合式光电振荡器（coupled optoelectronic oscillator，COEO）[9，10]。耦合式光电振荡器包括主动锁模激光器环路和光电反馈环路两个部分，其中主动锁模光纤激光器环路能够有效提高振荡器的Q值，因此，采用较短的光纤长度即可获得较低的相位噪声。本课题组利用非泵浦掺铒光纤实现了10.7GHz稳定输出的耦合式光电振荡器，其相位噪声低于-120dBc/Hz@10kHz[10]。
3.频率稳定性
影响光电振荡器频率稳定性的因素主要为两个方面：一是系统中的高Q元件（包括长光纤和窄带电滤波器）易受环境的影响发生变化，使起振模式发生改变造成输出频率不稳定，特别是光纤受温度等环境因素的影响而引起等效腔长的改变；二是由于光电振荡器中使用的滤波器通常具有比较大的通带范围，所以在环路的增益带宽内会出现很多边模。这些边模中的一个可能会在腔长的变化过程中获得足够的增益而代替原有的起振频率，造成起振频率不稳定。此外，常用的电光调制器存在的偏置点漂移问题，也会影响输出频率的稳定性。
将光电振荡器与环境隔离或者利用温度控制装置，可以降低环境变化对系统的影响，例如在X.S.Yao等的实验中，光电振荡器被放置于一个填充泡沫的盒子里，以隔绝振动带来的影响[5]。采用主动锁相环电路控制，将光电振荡器的振荡信号锁定到外部参考源上，也可以有效改善光电振荡器的频率稳定性[11]。
4.工作频率
理论上光电振荡器可产生数MHz至上百GHz的信号，并且相位噪声与频率无关，但高频毫米波光电振荡器却难以实现。这主要是因为光电振荡器中要使用光电调制器、微波耦合器、微波移相器、微波放大器和微波传输线等微波器件，其工作频率受到电子瓶颈的限制。虽然近期已有研制出高频微波或毫米波器件的报道，但这些器件一般成本高昂、功耗较大，性能并不理想。
针对以上问题，M.Shin等利用LiNbO3马赫曾德调制器半波电压与波长的正比关系实现了10GHz基频和20GHz倍频信号的同时产生[12]。本课题组等提出了一种基于偏振调制器的倍频光电振荡器[13]。在该系统中，偏振调制器后面级联两个检偏器的结构等效为一个双输出强度调制器。通过分别调节两路检偏器前的偏振控制器，其中一路等效偏置于线性点并反馈至偏振调制器，实现基频振荡，另一路等效偏置在最小传输点，实现倍频信号的输出。本课题组还基于单个偏振调制器和级联偏振调制器分别实现了四倍频的光电振荡器[14，15]，使得光电振荡器工作范围扩展到原来的四倍。
5.可调谐性
为产生宽带可调的微波信号，光电振荡器需使用宽带可调的高Q滤波器，该滤波器可以为可调谐电滤波器，光滤波器或微波光子滤波器[24，25]。受限于电子瓶颈，采用可调电滤波器的光电振荡器输出信号的调谐范围有限[16]。基于微波光子滤波器的光电振荡器通常具有较大的调谐范围。本课题组提出利用外部光注入的F-P激光器实现宽带频率可调的微波光子滤波器，通过改变注入光波波长或改变温度，使光电振荡器的频率调谐范围达到6.41GHz 至10.85 GHz[17]。本课题组还提出基于偏振调制器和啁啾光纤光栅的可调谐光电振荡器，实现了5.8-11.8GHz的频率调谐范围[18]。此系统利用偏振调制对色散的控制实现可调微波光子滤波器，通过改变在偏振调制器后面的光信号的偏振态来改变环路中的滤波响应，从而实现可调频率信号的输出。
6.小型化研究
光电振荡器通常包括激光源、强度调制器、长光纤延时线、光电探测器、电放大器、电相移器、电带通滤波器和其他电的或光的器件。这些分立电学和光学元件使光电振荡器体积大，同时也导致较大的功率损耗。通过采用高Q光谐振器（如回音壁模式谐振器）替代长达数千米的光纤，可以显著减小光电振荡器储能单元的体积[19]。本课题组提出并实现了一种基于电吸收调制激光器的小型化光电振荡器，本方案中仅用一个电吸收调制激光器即代替了传统光电振荡器中激光器、强度调制器及光电探测器三个器件，可节省两个器件和相应的驱动电路[20]。
7.多频振荡
光电振荡器通常只产生一个纯净的单频信号。而在宽带信道化接收机与多频段雷达等应用场合，需要多个频率的信号。2012年，F.Kong等利用相移布拉格光栅的双折射特性实现了一种双频光电振荡器[21]。该方案的不足之处是仅能产生两个频率的信号，并且系统对环境非常敏感。本课题组提出并实现了基于单个相位调制器的多频光电振荡器[22]。此方案采用了多波长光源，在每个光载波上分别形成了一个单通带的可调谐微波光子滤波器。实验中同时获得了频率为10GHz和40GHz的信号，通过增加光载波数目，将很容易获得更多路的不同频率信号输出。
三、结论和展望
光电振荡器具有工作频率范围广、相位噪声低、频谱纯度高和调谐范围大等优点，是一种较为理想的高性能微波振荡器，具有广阔的应用前景。目前国内在光电振荡器上主要是以学术探索为主，其稳定性和小型化问题尚未得到有效解决，因此迫切需要开展相关研究，以推动光电振荡器的实用化。相信随着光子集成芯片等相关技术的发展，光电振荡器可以被制作成一个集成化的紧凑器件，从而在经济建设和科技发展中得到广泛的应用。
参考文献：
[1]Yao X S， Maleki L. Optoelectronic microwave oscillator [J].JOSA B， 1996， 13（8）：1725-1735
[2]Eliyahu D， Seidel D，Maleki L. Phase noise of a high performance OEO and an ultra low noise floor cross-correlation microwave photonic homodyne system[C]//Frequency Control Symposium， 2008 IEEE International. IEEE， 2008： 811-814
[3]Devgan P S，Urick V J，Diehl J F， et al. Improvement in the phase noise of a 10 GHz optoelectronic oscillator using all-photonic gain [J]Journal of Lightwave Technology， 2009， 27（15）： 3189-3193
[4]Eliyahu D，Seidel D， Maleki L. RF amplitude and phase-noise reduction of an optical link and an opto-electronic oscillator [J]Microwave Theory and Techniques， IEEE Transactions on， 2008， 56（2）： 449-456
[5]Yao X S， Maleki L. Multiloop optoelectronic oscillator [J]. Quantum Electronics， IEEE Journal of， 2000， 36（1）： 79-84
[6]Yang J， Jin-Long Y， Yao-Tian W， et al. An optical domain combined dual-loop optoelectronic oscillator [J]. Photonics Technology Letters， IEEE， 2007，19（11）： 807-809
[7]Cai S， Pan S， Zhu D， et al. Coupled frequency-doubling optoelectronic oscillator based on polarization modulation and polarization multiplexing[J]Optics Communications， 2012， 285（6）： 1140-1143
[8]Shumakher E， Eisenstein G. A novel multiloop optoelectronic oscillator [J]Photonics Technology Letters， IEEE，2008， 20（22）： 1881-1883
[9]Yao X S， Davis L， Maleki L. Coupled optoelectronic oscillators for generating both RF signal and optical pulses [J]Journal of lightwave technology， 2000， 18（1）： 73
[10]Cai S， Pan S， Zhu D， et al. Stabilize the coupled optoelectronic oscillator by an unpumped erbium-doped fiber[C]//Communications and Photonics Conference （ACP）， 2012 Asia. IEEE， 2012： 1-3
[11]Eliyahu D， Sariri K， Kamran A， et al. Improving short and long term frequency stability of the opto-electronic oscillator[C]//Frequency Control Symposium and PDA Exhibition， 2002. IEEE International. IEEE， 2002： 580-583
[12]Shin M， Grigoryan V S， Kumar P. Frequency-doubling optoelectronic oscillator for generating high-frequency microwave signals with low phase noise [J]Electronics Letters， 2007， 43（4）： 242-244
[13]Pan S，Yao J.A frequency-doubling optoelectronic oscillator using a polarization modulator [J]Photonics Technology Letters， IEEE， 2009， 21（13）： 929-931
[14]Zhu D，Pan S，Ben D.Tunable frequency-quadrupling dual-loop optoelectronic oscillator [J]Photonics Technology Letters， IEEE， 2012， 24（3）： 194-196
[15]Zhu D，Liu S，Ben D，et al. Frequency-Quadrupling optoelectronic oscillator for multichannel upconversion[J]IEEE Photonics Technology Letters， 2013，25：426-429
[16]Eliyahu D， Maleki L. Tunable， ultra-low phase noise YIG based opto-electronic oscillator[C]//Microwave Symposium Digest，2003 IEEE MTT-S International.IEEE，2003，3：2185-2187
[17]Pan S，Yao J.Wideband and frequency-tunable microwave generation using an optoelectronic oscillator incorporating a FabryCPerot laser diode with external optical injection [J]Optics letters， 2010，35（11）：1911-1913
[18]Tang Z，Pan S，Zhu D，et al.Tunable optoelectronic oscillator based on a polarization modulator and a chirped FBG[J]Photonics Technology Letters，IEEE，2012，24（17）：1487-1489
[19]Matsko A B， Maleki L，Savchenkov A A，et al.Whispering gallery mode based optoelectronic microwave oscillator[J]Journal of Modern Optics，2003，50（15-17）：2523-2542
[20]Zhou P，Pan S，Zhu D，et al.A Compact Optoelectronic Oscillator Based on an Electroabsorption Modulated Laser [J] 2014
[21]Kong F，Li W，Yao J. Transverse load sensing based on a dual-frequency optoelectronic oscillator[J]Optics letters， 2013，38（14）：2611-2613
光电子器件篇10
关键词：电子式电流互感器；高压侧电源；供能电路
前言
传统的电磁式电流互感器对于当前电力系统传输容量不断加大，而且电压等级不断提升的情况其适用性越来越差，使电力系统的发展带来了一定的制约作用。在这种情况下，开发电子式电流互感器则具有必然性，由于于其通过利用光通信及微电子技术，并采用新型的传感原理，有效的规避了传统电力互感器所存在的不足之处，利用数字信号进行输出，确保了电力系统安全、稳定的运行，不仅实现了成本的节约，而且也实现了对二次设备的优化。目前数字化变电站的建设更是需要以电子式互感器和光纤通讯网作为其基础，所以电子式电流互感器在当前电力系统运行了具有极为重要的意义。
1 电子式电流互感器类型及特点
1.1 无源式
无源式电子式电流互感器是不需要电源供电的光电电流和电压测量的装置，利用磁光晶体和光纤作为传感器，而且光纤不仅可以作为信号传输通道，而且也可作为传感元件，由于无源式互感器其种类较多，所以利用了较多的物理效应。
1.2 有源式
有源式电子式电流互感器其是以电子器件为其传感头，同时需要在一次侧提供电源，利用一次侧的采术传感器来进行取样，信号通道以光纤为主，将一次侧的光信号在地面进行处理后将其还原为被测信号。这种有源式的互感器具有非常好的绝缘性和抗电磁干扰性，而且不仅制造成本得到了有效的降低，而且无论是体积还是重量都有所减小，而且能够更好的将常规电流测量装置的优势有效的发挥出来，利用电子器件作为传感头，有效的规避了传统传感头光路复杂及对温度及振动敏感的问题。由于在有源式电流互感器上所采用的电阻和电容器件都是沿用了传统的器件，具有更高的精确度，而且结构更为简单，易与实现与计算机的联通，更具有实用性。
2 电子式电流互感器的设计思想
2.1 基本原理
电子式电流互感器共分四个模块传感头、光纤传输、信号接收单元、电子式互感器校验仪，而传感头又是由Rogowski线圈、小信号铁芯CT、A/D采样及温度补偿、电能供应四个部分组成。
小信号铁芯CT根据国家标准GB1208-1997对电流互感器的规定，对于测量通道，应保证在小于1.2倍额定电流的情况下能够实现正常测量，误差在规定的范围之内；铁芯采用硅钢片或超微晶合金材料，环形穿心结构，没有气隙、漏磁少。
A/D转换电路是整个传感头的核心部分，它的要求是A/D转换器件功耗小、采样率足够高；线圈输出的电流为正弦波，因此A/D转换器件要具有双极性输入，串行输出；采用时分复用方式传送下行信号。
高电位侧的电源供应问题现阶段共有四种供电方式：特制CT线圈从母线采电的供能方式；激光供能方式；蓄电池或太阳能电池供能方式；超声电源供能方式。
基于Rogowski线圈的电子式电流互感器主体是一个空心线圈，待测的母线电流从线圈中心流过，***圈中产生感应电势。由于线圈中没有铁芯，其输出的电压值很小，可以直接输入微机系统，这样就形成了集数据采集、实时处理系统于一体，经由光纤输出数字信号的电子式电流互感器。
2.2 Rogowski线圈介绍
Rogowski线圈（罗氏线圈）又叫电流测量线圈、微分电流传感器，其利用非铁磁性材料进行环形缠绕，通过电流对时间的微风来对信号进行输出，而且可以对输出的电压信号进行积分，从而实现输入电流的真实还原。而且该线圈可以实时进行电流的测量，能够快速的进行响应，不会有饱和和相位误差的产生。所以可以用于继电保护及一些大电流的场合。
2.3 其他模块
首先，在进行光纤传输与光纤绝缘子设计时，对于传光光纤需要通过绝缘结构时是允许的，而且要对各种过电压具有较好的耐受性，抗震能力要相当好。同时在进行绝缘设计时需要确保绝缘结构具有小巧、灵活的特点，而且传输上需要采取无线传输。但这种设计也避免不了会存在一定的缺陷，即会存在传输的盲区，而且容易发生故障，不具有***性。
其次，信号接收机的组成分为四个部分：O/E变换部分（光电转换）；逻辑控制电路部分-提供控制信号；信号接收机的模拟通道-数字还原成模拟信号；信号接收机的数字通道-将数据采集进计算机。O/E变换部分（光电转换）将传感头传下来的两组信号：一组是数据信号，另一组是时钟信号，转换成电脉冲信号，器件采用PIN光电二极管，同时放大整形电路将微弱的电信号还原成标准的TTL电平信号。器件采用高精度的比较器。逻辑控制电路将系统的四路时钟信号和数据信号分离开来，并产生器件要求的时序；送入D/A转换器和PC机接口卡，分别进行处理。信号接收机的模拟通道将传感头传输的串行信号转换为并行数字信号，送入到D/A转换器件中。
最后一个模块是电子式互感器校验仪，它的原理是信号调理箱将基准信号和待测信号变换成高精度数据采集卡能承受的电压信号，经采集卡进入计算机，得到两个离散数据序列；通过对这两个离散序列的软件分析得到两个信号各自的特征和它们之间的比差和角差；软件分析的主要算法是基于离散信号的傅立叶变换。
3 电子式电流互感器光电池的选择
光电转换器件即光电池，其能够将入射光能转化为电能，从而实现激光器供电发出的能量以光的形式来进行传送。目前可以选用的光电池具有较多的种类，但在实际工作中最为经常采用的还是硅光电池。由于其具有较高的转换效率，所以更易于实现产品化和商业化的发展。而且电子式电流互感器的激光器输出波长正好处于硅光电池的峰值波长之间，所以在光电池的最佳转换工作状态正好处于激光器输出的波长之下。而且在高压设备测量时，利用硅光电池的光照强度不会对器件及周围环境的变化带来敏感性。同时硅光电池的输出电压、电流及峰值功率都决定了其具有较好的宽广光谱响应。光照灵敏度和良好线性，而且硅光电池自身也具有较好的稳定性，这就决定了在电子式电流互感器内选择硅光电池是较为适宜的。
4 电子式电流互感器电源的性能参数
电子式电流互感器电源由光电转换模块和激光输出共同组成，激光输出模块是主要有电流驱动，驱动电流为2.2A电流，可达到驱动电流要求。光纤的出口处光功率是1.6W，在利用光电进行转换后的电功率可达125mW左右。
5 结束语
随着信息化技术的快速发展，电子式电流互感器在我们的生活中得以广泛的应用，所以需要确保电子式电流互感器的质量和可靠性，确保其在应用过程中能够发挥更好的作用，同时我们也要加强对电子式电流互感器的研究力度，使其在应用过程中不断完善，推动电力行业的健康发展。
参考文献
[1]王涛，郑薇，潘晨.电子互感器在智能变电站中的应用研究[J].华章， 2011.