《新型光电子材料》教学课件.ppt

*************************************CMOS图像传感器结构与工作原理CMOS图像传感器由像素阵列、行/列解码器、模数转换器和控制逻辑等部分组成。每个像素包含光电二极管、复位晶体管、选择晶体管和放大晶体管等。入射光子在光电二极管中产生电子-空穴对，光生电荷转换为电压信号，然后通过像素内部的放大器放大，最后经过模数转换后输出数字信号。像素类型与演进早期的CMOS传感器采用被动像素传感器（PPS）结构，灵敏度低。现代CMOS传感器多采用有源像素传感器（APS）结构，每个像素内置放大器。为提高灵敏度，先后发展了光电二极管APS、埋入光电二极管APS和背照式（BSI）CMOS等技术。另外，堆栈式传感器将光电转换层和读出电路分离，进一步提高了性能。优势与应用与CCD相比，CMOS传感器具有功耗低、集成度高、读出速度快、成本低等优点。近年来，随着工艺改进，CMOS传感器的图像质量也已达到或超过CCD水平。CMOS传感器已广泛应用于智能手机、数码相机、安防监控、计算机视觉、汽车辅助驾驶等领域。新兴应用如3D传感、生物识别、AR/VR等也推动了CMOS传感器技术的持续创新。红外探测器材料1热探测器材料热探测器基于入射辐射引起材料温度变化，进而导致材料电学、机械或光学特性变化。常用的热探测器包括热电偶/热电堆（基于塞贝克效应）、热释电探测器（基于热释电效应，常用材料有钽酸锂、三甘醇硫酸盐等）和微测辐射热计（基于温度计效应）。热探测器响应范围宽，对波长不敏感，但响应速度较慢，灵敏度较低。2光子探测器材料光子探测器基于光电效应，入射光子直接产生电子-空穴对。根据工作波段，常用的光子探测器材料包括：近红外波段（0.7-3μm）的InGaAs、锗；中红外波段（3-5μm）的HgCdTe、InSb、PbSe；远红外波段（8-14μm）的HgCdTe、GaAs/AlGaAs量子阱红外光电探测器、量子点红外光电探测器等。光子探测器灵敏度高、响应速度快，但通常需要低温制冷。3新型红外探测材料新兴的红外探测材料包括黑磷、二维过渡金属硫化物、石墨烯等。这些材料具有带隙可调、柔性好、易于集成等优点。其中，黑磷的带隙约为0.3eV，对应约4.1μm的红外光；石墨烯虽然无带隙，但可通过等离子体效应、光热效应或与其他材料复合实现红外探测。此外，近年来发展的钙钛矿材料也展现出在红外探测领域的应用潜力。4探测性能与应用红外探测器性能由探测率D*、响应度、噪声等效功率（NEP）等参数表征。不同应用对性能要求不同：热成像需要高空间分辨率和温度灵敏度；气体探测需要特定波长的高灵敏度；高速通信需要快速响应。红外探测器广泛应用于军事、安防、医疗诊断、环境监测、天文观测和工业过程控制等领域。光纤材料和结构光纤是一种由芯层、包层和保护层组成的圆柱形波导结构。芯层通常由掺杂二氧化硅（SiO?）制成，掺杂元素如锗（Ge）、磷（P）或氟（F）等，用于提高或降低折射率；包层通常为纯二氧化硅或低折射率材料；保护层则采用聚合物材料，提供机械保护。根据传输模式，光纤可分为单模光纤和多模光纤。单模光纤芯径较小（约8-10μm），只允许一种模式传输，具有低损耗和高带宽，适合长距离传输；多模光纤芯径较大（50-62.5μm），允许多种模式同时传输，易于连接但模间色散导致带宽受限。按折射率分布，可分为阶跃型和渐变型光纤，后者能减少模间色散，提高带宽。光纤损耗机制光纤损耗是指光在纤中传输过程中功率的减弱，通常以dB/km表示。主要损耗机制包括材料吸收、瑞利散射和弯曲损耗。材料吸收包括本征吸收（如二氧化硅的红外吸收和紫外吸收）和杂质吸收（如OH?离子在1.38μm的吸收峰）。瑞利散射源于材料微观密度涨落，与波长的四次方成反比，短波长光散射更强。现代通信用石英光纤在1.55μm波长处损耗最低（约0.18dB/km），这一低损耗窗口与二氧化硅材料的本征吸收、OH?杂质吸收和瑞利散射的综合作用有关。零水峰光纤通过特殊制备工艺降低了OH?含量，拓宽了可用波长范围。此外，弯曲损耗在短波长下较小，长波长下较大，这对光纤的布线和安装有重要影响。稀土掺杂光纤放大器工作原理稀土掺杂光纤放大器利用稀土离子能级跃迁实现光信号放大。当泵浦光注入稀土掺杂光纤时，稀土离子被激发到高能级，形成粒子数反转。信号光通过时，会触发受激辐射，产生与信号光相同波长、相位和方向的光子，从而实现信号放大。EDFA（掺铒光纤放大器）掺铒光纤放大器是最成熟的光纤放大器，工作波长范围为1530-1565nm（C波段）和1565-1625nm（L波段），与光纤通信低损耗窗口匹配。EDFA通常使用98