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零差相干光通信关键技术研究

零差相干光通信关键技术研究

作者：魏江杰电子科技大学

学位级别：硕士

自由空间零差相干光通信具有传输速率高、功耗低、抗干扰能力强、通信距离远、保密性好、系统体积小重量轻等一系列优点,因此成为了通信领域新的研究热点。与传统的强度调制/直接检测(IM/DD)相比,空间零差相干光通信最突出的优势是灵敏... 详细信息

自由空间零差相干光通信具有传输速率高、功耗低、抗干扰能力强、通信距离远、保密性好、系统体积小重量轻等一系列优点,因此成为了通信领域新的研究热点。与传统的强度调制/直接检测(IM/DD)相比,空间零差相干光通信最突出的优势是灵敏度高。但是要将空间零差相干光通信真正投入到工程应用中,仍然有若干关键技术需要解决,本文主要解决平衡探测和90°光混频技术,并开展零差相干光通信实验研究。本文针对空间相干光通信的应用需求,详细分析了零差相干光通信的原理以及相关的关键技术,通过比较零差相干检测与IM/DD检测和外差相干检测,分析了零差检测的主要优势。对通信系统中的核心模块光学锁相环进行了理论分析,重点分析了两类常用的光学锁相环:平衡锁相环和科斯塔斯锁相环。对两者进行了噪声分析,计算了两锁相环的理论极限灵敏度,求出了在所需系统误码率BER=10-10下的激光器线宽与系统码率的关系。平衡锁相环虽然结构相对简单,但是对激光器线宽要求较高,是系统比特率的5.9 106??倍;科斯塔斯锁相环结构比较复杂,但对激光器线宽要求较低,是系统比特率的5.02 104??倍。对零差相干光通信系统中的平衡探测器和90°光混频器进行了理论分析,并对由于元器件的误差所造成的性能影响进行了分析。根据理论分析的结果,设计了平衡探测电路以及90°光混频器。经过测试可得,平衡探测器带宽为750MHz,光电转换率为240V/W。成功组装了90°光混频器,测得耦合效率为49.9%,平均相对相差与理论值相差5°。按照方案设计,搭建了实验平台,通过激光晶体温度和粘在激光晶体上的压电陶瓷来对本振激光器进行调谐,分别进行了基于平衡锁相环和基于科斯塔斯锁相环的通信实验。在基于平衡锁相环的通信系统中,在1.25Gbps通信速率下,信号光功率为-54dBm时,系统误码率为5.31×10-7,通信速率改为2.5Gbps,信号光功率为-50dBm时,系统误码率为3.12×10-6。完成了基于科斯塔斯锁相环零差相干光通信。

关键词：零差相干光通信光学锁相环相干检测平衡探测光混频器

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光学锁相环环路滤波技术研究

光学锁相环环路滤波技术研究

作者：史雪儿长春理工大学

学位级别：硕士

空间激光通信系统由于具有通信速率高、保密性好、抗干扰能力强的突出特点,而使其具有广泛的应用前景。从信号调制/解调模式上空间光通信可以分为强度调制/直接探测与相位调制/相干探测两种方式,相干探测由于具有探测灵敏高、信息容量... 详细信息

空间激光通信系统由于具有通信速率高、保密性好、抗干扰能力强的突出特点,而使其具有广泛的应用前景。从信号调制/解调模式上空间光通信可以分为强度调制/直接探测与相位调制/相干探测两种方式,相干探测由于具有探测灵敏高、信息容量大、波长选择性好、调制格式多样等特点成为近年研究热点。相干通信从信号处理方式上可分为数字相干通信与模拟相干通信,数字相干系统一般应用于光纤通信中,由于具有较大功耗,并且需要使用高速模数转换器件（A/D转换）等要求,限制了其在空间场景的应用。因此,零差方式的模拟相干光通信系统,在空间应用领域获得广泛关注。光锁相环系统作为相干光通信系统的重要组成部分,由光压控振荡器、鉴相器、环路滤波器等部分构成,实现入射光与本振激光载波同步,相位误差最小,进而解调出基带信号。锁相环系统性能直接影响光通信系统性能,影响锁相环性能的主要因素有多普勒频移、激光器线宽、相位噪声、探测器散粒噪声等,可通过锁相选型、关键器件优化选取、复合环路滤波设计等方式对上述误差进行有效抑制,提高锁相环性能。本文以相干通信技术为研究背景,开展光锁相环相关技术研究,通过对比分析各种典型锁相环的实现形式、难易程度、技术需求等,确定以科斯塔斯环作为研究对象。推导90°光混频器与光电平衡探器组合鉴相原理;研究环路滤波器作用、组成及工作原理;阐述光压控振荡器组成、特点及实现形式。推导环路噪声特性与环路带宽之间关系,并完成相关内容仿真分析,为后续带宽设计提供支撑;建立光锁相环路模型,包括光鉴相器模型,环路滤波模型,光压控振荡模型,压电陶瓷调谐和声光调制调谐复合实现大范围、高精度环路模型等,完成环路参数设计及仿真分析。完成关键器件选取及部分硬件电路设计;搭建实验系统对锁相环路性能进行测试,结果表明通过复合环路方式可完成锁相功能保,证相干通信正常进行。锁相范围最大30GHz,环路带宽1.7MHz,最大锁相误差5.1°。研究成果可促进相干光通信技术发展。

关键词：相干光通信光学锁相光混频器调谐激光器环路滤波

单行载流子光电二极管太赫兹响应特性的数值模拟研究

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单行载流子光电二极管太赫兹响应特性的数值模拟研究

作者：郭乾文浙江大学

学位级别：硕士

太赫兹技术作为一种新兴技术,被广泛地运用于传感成像、生物医疗、物质检测和高速无线通信等领域。太赫兹波的生成可以通过电子学和光子学两类方法。近年来,基于光外差原理获得太赫兹波辐射的光子学方法得到了学术界的大量关注。光外差... 详细信息

太赫兹技术作为一种新兴技术,被广泛地运用于传感成像、生物医疗、物质检测和高速无线通信等领域。太赫兹波的生成可以通过电子学和光子学两类方法。近年来,基于光外差原理获得太赫兹波辐射的光子学方法得到了学术界的大量关注。光外差法产生太赫兹波的基本原理是利用两路频率差处于太赫兹波段的激光信号进行合波拍频,利用集成天线的光混频器件将拍频信号转化成太赫兹波信号辐射出来。光外差法是一种简单有效的太赫兹波辐射方法。利用光子集成技术,可以将激光光源、光波导、光耦合器以及光混频器片上集成,提高了系统的稳定性,同时满足了小型化、低成本以及批量化的市场需求。在光外差太赫兹光子芯片设计中,光混频器是极为关键的核心器件。单行载流子光电二极管是一类超高速光探测器,被视为光混频器的理想选择之一。由于太赫兹波的频率极高,而且在大气环境中传输会存在严重的衰减现象,因此如何提高单行载流子光探测器的响应带宽和输出功率是亟待解决的技术难点。本文的主要工作如下:(1)利用商业光电仿真软件APSYS对单行载流子光探测器进行器件建模。通过优化吸收层的厚度,提高了器件的响应带宽。(2)通过模拟在大功率条件下器件的电场、能带以及载流子分布情况,分析了自感应电场和空间电荷效应对器件高频响应性能的影响。(3)本文详细分析了悬崖层对器件内部的影响,通过对悬崖层的掺杂优化研究,有效地解决了大功率下器件出现的性能下降问题。(4)本文通过漂移扩散模型,详细分析了电子和空穴的渡越时间对单行载流子光探测器的响应速度的影响。本工作首次报道了不同输入光功率条件下的改进型单行载流子光探测器的器件优化工作。研究结果表明,降低耗尽吸收层的掺杂水平有利于提高器件的响应速度。同时,器件的输入光功率条件将会影响器件的混合吸收层的最佳结构。经过器件吸收层结构优化,最终实现了10 mW/μm的大功率光输入下,本征3dB响应带宽超过190 GHz的超高速器件设计。

关键词：太赫兹光子集成芯片光混频器单行载流子光探测器高速大功率

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空间光输入90度混频器的设计与研究

空间光输入90度混频器的设计与研究

作者：张晨祥武汉邮电科学研究院

学位级别：硕士

空间光通信是以自由空间(Free Space)作为传输介质的光通信方式。随着光通信技术的发展,光通信技术的应用领域不断扩大。传统光通信系统采用的光传输介质是光纤光缆。而在某些应用场景(如太空、军事战场)中,是不能或者不宜采取光纤光缆... 详细信息

空间光通信是以自由空间(Free Space)作为传输介质的光通信方式。随着光通信技术的发展,光通信技术的应用领域不断扩大。传统光通信系统采用的光传输介质是光纤光缆。而在某些应用场景(如太空、军事战场)中,是不能或者不宜采取光纤光缆作为传输介质的。传统光通信系统采用的激光调制方式通常是幅度调制,幅度调制在光传输介质为光纤时,传输速率、信噪比等指标都十分优秀;但以空间作为传输介质时,幅度调制就不能满足光通信系统的要求。在空间激光通信领域,相干光通信技术是一种应用较为普遍的技术。光混频器是相干光通信系统的关键器件。一般的光混频器多采用光纤输入,而本文研究设计了一种空间光输入的90度混频器。这种混频器的优点是能够直接接收在空间中传输一段较长距离之后的激光,满足激光通信领域的某些特殊需求。本文设计了一种空间光输入90度混频器的结构。在分析90度混频器一般原理的基础上,建立数学模型;根据琼斯矩阵算法,得出了输入与输出的数学关系。讨论了各种元件参数对于器件性能的影响,着重分析了90度混频器的相位误差和光损耗产生的各种因素。本文根据理论研究,在光学实验台,利用偏振分光镜、波片、准直器等元件制作完成了空间光输入90度混频器。利用现有的实验室设备水平,设计了测量各项元件相位误差、插入损耗的方法。对实验样品的插损、相位差等性能指标进行了详细的测量与分析。测得样品的插损小于3.5dB,I路与Q路时间延迟在5ps左右。最后还提出了一些改进空间光输入90度混频器性能的方法与要点。

关键词：空间光光混频器相位误差插入损耗

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近零差相干光时域反射技术研究

近零差相干光时域反射技术研究

作者：廖航宇电子科技大学

学位级别：硕士

随着光纤传感技术的快速发展,人们对传感性能的要求不断增加。基于相干光时域反射的光纤传感技术具有高灵敏度、高分辨率、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点,因此该技术开始得到研究人员的重视。相干光时域反射传感技术在国防,安保,环境监测等... 详细信息

随着光纤传感技术的快速发展,人们对传感性能的要求不断增加。基于相干光时域反射的光纤传感技术具有高灵敏度、高分辨率、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点,因此该技术开始得到研究人员的重视。相干光时域反射传感技术在国防,安保,环境监测等关键领域获得广泛应用。本文开展基于相干光时域反射技术的分布式光纤传感机理与关键技术研究,主要研究内容如下:(1)分析了不同类别的分布式光纤传感技术,并简要介绍了它们的传感原理和发展现状,以及它们在不同领域的应用前景。(2)概述了相干光时域反射技术的基本原理,对光在光纤中后向散射光强度的变化情况进行了理论分析与推导,将光纤故障所引起不同物理量变化的传感机制与后向散射光相位变化结合,得出相干光时域反射技术机理。(3)提出了一种基于正交相位检测的近零差相干检测方法。该方法利用90°混频器进行相干解调,可在发射脉冲信号带宽内进行信号检测,显著提高系统接收信噪比和灵敏度。本文设计基于相干光时域反射技术的分布式光纤传感系统,并初步验证了系统运行可行性,预期可提高故障的定位精度并降低系统的误报率。(4)根据光纤光栅激光器的结构与原理设计并制作了输出波长为1540nm的单频脉冲光纤激光器。利用高浓度的掺铒光纤作为有源介质,0.1nm带宽的布拉格光栅作为谐振腔,单模光纤耦合的半导体激光器作为泵浦源共同构成DBR光纤激光器,获得了自调Q脉冲激光输出,并对其输出特性进行测试。对本振激光器的强度噪声和降噪方法展开了分析。

关键词：光时域反射近零差检测光混频器

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偏振分集相干光时域反射系统技术研究

偏振分集相干光时域反射系统技术研究

作者：孙茂程齐鲁工业大学

学位级别：硕士

2022年我国基础设施投入45万亿,相比于之前保持在8.5%的增长,桥梁、铁路、高速公路、电力热力燃气及水管线等得到了大幅度发展。这些与民生密切相关的基础设施要使用几十年甚至上百年,就必须要满足耐用性和安全性。但在使用的过程中,无... 详细信息

2022年我国基础设施投入45万亿,相比于之前保持在8.5%的增长,桥梁、铁路、高速公路、电力热力燃气及水管线等得到了大幅度发展。这些与民生密切相关的基础设施要使用几十年甚至上百年,就必须要满足耐用性和安全性。但在使用的过程中,无法预测基础设施受到搭建环境、材料腐蚀、自然灾害以及人为破坏等不利因素的影响。基于瑞利散射的分布式光纤声波传感技术由于其能够实现远程监测、高空间分辨率、宽传感带宽等独特优势,在许多领域得到了广泛的应用。相干光时域反射(Coherent Optical Time Domain Reflectometry,COTDR)技术因其拥有更高的空间分辨率和信噪比,频带响应范围更宽,能够准确还原扰动信号等优势,得到了研究人员的广泛研究,但是在具体应用场景,该系统的灵敏度不能满足应用需要,一方面是因为入射到光纤干涉结构的入射光的偏振方向随环境温度等变化随机扰动;光纤的随机弯曲、扭转等效应导致的双折射效应对传输光的偏振态产生影响,而这些影响又随环境温度、机械振动等外界因素的变化而变化,光路存在偏振衰落现象,导致信号恢复存在误差,影响解调的准确性;另一方面,在大多数应用场景中仍在使用铠装通信光缆作为传输器件,这类光缆虽然使用寿命和耐久性较高,但牺牲了光缆的灵敏度,导致微弱信号的丢失。本文为了解决以上问题,从分布式光纤声波传感(Distributed Acoustic Sensing,DAS)系统硬件设计与搭建入手,采用正交(In-phase and Quadrature,IQ)解调算法和偏振分集接收的两种方法消除偏振衰落,然后针对光缆的基本属性进行仿真模拟并制作出新型高灵敏光缆后进行实验验证,实现了系统灵敏度的提升,主要研究内容如下:(1)分析与分类现有传感器和分布式光纤传感技术,并介绍其工作原理以及发展状况,对光缆的研究进展进行了归纳。(2)推导了一维后向瑞利散射模型与光相位调制机理,在此基础上概述了相干光时域反射技术的工作原理以及相位解调算法,说明IQ解调算法的工作流程。后续针对偏振问题阐述偏振态的表示方法、偏振衰落产生的原因以及抑制偏振衰落现象的解决方法。最后分析系统的性能指标,为后续搭建系统提供理论指导。(3)提出一种基于IQ解调算法和偏振分集接收技术的相干光时域反射系统。针对相干光时域系统拍频信号进行仿真,然后搭建系统,利用二入八出的光混频器进行相干解调。对搭建系统使用的关键器件进行原理推导以及性能测试,在测定系统关键指标,与相位敏感光时域反射系统进行比较,得到偏振分集相干光时域反射系统有效的抑制了偏振衰落问题。(4)研究了光缆应力传递原理,设计了增敏光缆结构。首先针对光缆应力传递进行了理论分析,得到光缆增敏效果与传递到光纤上的应力相关,也就是光缆的每个结构都必须尽可能小地削弱应力的结论。其次,对于影响光缆性能的参数进行了仿真模拟,利用有限元仿真软件构建出四种不同样式的光缆,改变光缆结构、材质、尺寸和光纤节距,对光缆应力进行分析。最后将制作完成的四种光缆进行光纤水听器实验以验证仿真结果。实验结果表明,应力传递损耗相对较小的结构,较小的外护套尺寸,和较窄的光纤节距的光缆增敏效果最好,并验证偏振分集相干光时域反射系统验证该系统在水听器领域监测的可行性。

关键词：分布式光纤传感光混频器偏振分集增敏光缆

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部分相干光相干探测实验研究

部分相干光相干探测实验研究

作者：穆毅西安理工大学

学位级别：硕士

相干光通信技术的核心是平衡探测系统,其系统拥有高抗干扰能力、高信号光利用率的优势。这些优点使其赢得科研人员的重视与研究,与此同时,相干探测系统也面对着多重挑战。大气退偏效应造成信号光偏振态的变化,且无法较好的预测这些变化... 详细信息

相干光通信技术的核心是平衡探测系统,其系统拥有高抗干扰能力、高信号光利用率的优势。这些优点使其赢得科研人员的重视与研究,与此同时,相干探测系统也面对着多重挑战。大气退偏效应造成信号光偏振态的变化,且无法较好的预测这些变化,在光混频器内,信号光和本振光混频过程需要信号光的偏振态完美的匹配本振光的偏振态,所以大气湍流效应会导致本振光和信号光的偏振失配,降低了系统的外差效率,严重影响整个通信系统的性能。为了实现更优的混频效能,研究信号光与本振光在混频过程中偏振状态的匹配显得尤为关键。相干光在大气中传输时会受到大气湍流效应的影响,研究表明,部分相干光具有抑制湍流效应的能力,可以改善无线激光通信性能。具有更强的适应性和稳定性,因此部分相干光用于相干探测时的性能也受到了广泛研究。本文以相干光通信为背景,通过实验产生了电磁高斯谢尔光束(Electromagnetic Gaussian-Schell Model,EGSM),利用偏振器件产生分析了不同偏振态的电磁高斯谢尔光束束的混频效率,主要工作如下:1.本研究首先系统地阐述了直接探测基本理论、相干探测原理、以及部分相干光的基本特性,并对直接探测、外差探测及零差探测这三种技术的原理、各自特点及优劣进行了全面对比,并深入探讨了相干探测的性能问题,为未来研究工作的顺畅开展铺设了基石。2.根据相干偏振矩阵和部分相干电磁高斯谢尔光束光束的交叉谱密度矩阵,深入分析了影响部分相干光在相干探测中表现的关键要素,具体涉及偏振度、失配角、大气湍流效应,以及探测器孔径尺寸对外差探测效率的潜在影响。3.通过琼斯矩阵和90°光混频器原理,阐述了改变信号光与本振光的偏振状态的具体方法,推导了不同偏振态下信号光与本振光偏产生的中频信号强度以及混频效率之间的内在联系,并深入探讨了这些因素如何共同作用于系统整体。通过实验,利用偏振器件对信号光电磁高斯谢尔光束和本振光电磁高斯谢尔光束的偏振状态进行了调控,产生了线偏振电磁高斯谢尔光束、圆偏振电磁高斯谢尔光束和椭圆偏振电磁高斯谢尔光束,并研究了部分相干电磁高斯谢尔光束光束分别处于线偏振、圆偏振和椭圆偏振下所表现出的不同性能。信号光的输出功率一定时,利用中频信号的输出幅值来衡量衡量相干检测系统的性能。实验发现当信号光处于线偏振态,本振光分别为线偏振态、圆偏振态和椭圆偏振态时,其中频信号的幅值分别为369.6mv、146.6mv和92.1mv;当信号光处于圆偏振态,其中频信号的幅值分别为446.4mv、504.0mv和159.2mv;当信号光处于椭圆偏振态,中频信号的幅值分别为94.4mv、124.0mv和254.8mv;结果表明,当信号光与本振光的偏振态保持一致或近似时,可以实现更优的混频效果。

关键词：部分相干光光混频器相干检测偏振态混频效率

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低损耗紧凑型光波导耦合器的模式调控与应用

低损耗紧凑型光波导耦合器的模式调控与应用

作者：蒋剑坤华南理工大学

学位级别：硕士

目前,硅光波导器件的尺寸通常在数百微米,远大于硅基电子器件。为实现光电融合一体发展,结构紧凑的硅光波导器件成为研究关注的重点。为减小硅光波导器件的尺寸,通常采用增大折射率对比度,引入等离激元效应和采用亚波长结构等方式。然... 详细信息

目前,硅光波导器件的尺寸通常在数百微米,远大于硅基电子器件。为实现光电融合一体发展,结构紧凑的硅光波导器件成为研究关注的重点。为减小硅光波导器件的尺寸,通常采用增大折射率对比度,引入等离激元效应和采用亚波长结构等方式。然而高的折射率对比度会显著增加波导模式对波长或偏振的色散,等离激元效应会明显增大波导的传输损耗,而亚波长结构对位置和尺寸有着精确的要求。因此,上述方法均会引起器件性能的劣化,使得在光波导耦合器件的实际应用中,难以同时满足紧凑器件尺寸和低传输损耗的要求。例如,目前的平面光波导型RGB合束器大多采用低折射率的二氧化硅,传输效率高但器件长度仍在毫米量级;使用等离激元波导的90°光混频器具有极小的器件尺寸,但插入损耗远大于传统电介质波导的设计等。本文的主要工作是研究了两种平面光波导器件中的模式调控并进行结构设计,其一是基于级联双模干涉耦合器的氮化硅RGB合束器,另一种是基于等离激元定向耦合器的90°光混频器。利用模式干涉理论计算了双模干涉波导的耦合长度,使用传输矩阵方法分析了光混频器的相位关系,并采用时域有限差分法分别仿真了器件的光场传输,所设计的二种平面光波导器件分别在可见光波段和电信波段实现了紧凑器件尺寸和低传输损耗的良好配合。具体内容如下:1.在可见光波段,研究了级联结构氮化硅RGB合束器中各分支波导的宽度和分支角等结构参数对插入损耗的影响,分析了RGB合束器在整个可见光谱的传输特性,并探讨了其对分支波导横向位移和芯包层材料折射率偏差等制造误差的容忍度。研究结果显示,氮化硅波导中的双模干涉配置减轻了由波长色散引起的自映像点偏移的不利影响,实现了小的器件长度和高的传输效率。器件的占地面积仅为3μm×70μm,与低折射率差的二氧化硅基RGB合束器相比,其长度减少了两个数量级。此外,该合束器在RGB三色波长下插入损耗均小于0.56 d B,其3 d B带宽均超过55 nm,并且具有良好的制造公差。2.采用耦合的混合等离激元波导（Coupled Hybrid Plasmonic Waveguide,CHPW）构建90°光混频器。该结构由CHPW构造的定向耦合器、90°弯曲波导和Y分束器构成,从而可避免采用交叉波导结构和移相器。分析了CHPW的顶层硅厚度和弯曲半径对传输损耗的影响,通过仿真确定了结构中两种不同的定向耦合器的耦合间距和耦合长度,并使用粒子群优化算法得到Y分束器的形状。最终实现了90°光混频器的紧凑设计,器件尺寸为12μm×6μm。通过采用定向耦合器,避免了高阶模式导致的损耗,C波段范围内CHPW光混频器的插入损耗小于0.5 d B,比传统基于多模干涉型等离激元波导的90°光混频器的插入损耗降低了1 d B。此外,CHPW光混频器的相位偏差小于5°,功率不平衡度小于1 d B,共模抑制比小于-20 d B,均满足光互连论坛（OIF）的标准要求。获得相位传输谱图证明了器件实现了90°光混频功能。最后,还提出了基于CHPW的集成光相干接收机方案,根据石墨烯的电导率模型和一维热传递方程,计算了其中基于CHPW的石墨烯光热电效应探测器的电压电流响应度,其估计值为79 V/W和1.58 A/W,等效噪声功率为11.5 p W/（Hz）。

关键词：平面光波导 RGB合束双模干涉光混频器等离激元波导

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红外材料器件参数测试技术交流会论文摘要

激光与红外 1984年第9期 56-61页

红外探测器探测率D~*检测标准讨论兵器工业部211所顾伯奇探测率D~*标准化既涉及到探测器本质的了解,也涉及到探测器可能的潜在利用。在测试中把探测器作为四端网络看待,输入端是500K黑体辐照通量密度J,单位μW/cm~2,输出端是电压(或电流... 详细信息

红外探测器探测率D~*检测标准讨论兵器工业部211所顾伯奇探测率D~*标准化既涉及到探测器本质的了解,也涉及到探测器可能的潜在利用。在测试中把探测器作为四端网络看待,输入端是500K黑体辐照通量密度J,单位μW/cm~2,输出端是电压(或电流)V_s,V_N,单位μV。探测率D~*定义为:

关键词：红外材料光学材料探测率载流子浓度载流子密度禁带宽度晶体器件参数光混频器电学性能红外探测器 IR 探测器实验设备论文摘要