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1、光纤系统光接收部分光电转换原理光接收机是光纤通信系统的重要组成部分，其作用是将来自光纤的光信号转换成电信号，恢复光载波所携带的原信号。图 4.3.1-8 给出了数字光接收机的组成框图。 1 0 1 0 1 1APD光信号电信号主放大器峰值检波均衡器判决再生高压直流变换器前置放大AGC定时提取1. 光检测器光电检测器是光接收机的第一个关键部件，其作用是将由光纤传送来的光信号转换成电信号。光电检测器主要有 PIN 光电二极管和雪崩光电二极管 APD 两种。 PIN 管使用简单，只需 1020V 的反向偏压，但 PIN 管没有增益。APD 管具有 10200 倍的增益，可以提高光接收机的灵敏度，但需
2、要几十伏以上的偏压，增益特性受温度的影响较严重2、前置放大器 经光电检测器检测到的微弱的信号电流，流经负载电阻建立起信号电压后，由前置放大器进行预放大。除光电检测器性能优劣影响光接收机的灵敏度之外，前置放大器对光接收机的灵敏度有十分重要的影响。为此，前置放大器必须是低噪声、宽频带的放大器。 3.主放大器主放大器用来提供高的增益，将前置放大器的输出信号放大到适合判决电路所需的电平。前置放大器的输出信号电平一般为 mV 量级，而主放大器的输出信号电平一般为 13V。 4、均衡器 光在光纤中传输时，由于将受到色散的影响，信号将发生畸变与展宽，使码元间相互影响，出现误码。均衡器的作用是对主放大器输出的
3、失真的数字脉冲信号进行整形，使之成为最有利于判决、码间干扰最小的波形，通常为升余弦波 5、判决再生与定时提取 判决即是用一判决电平与均衡器输出信号进行比较，当在判决时刻输出的电压信号比判决电平高，则判断为“1”码，否则判断为“0”码。这样，可在判决再生电路的输出端得到一个和发送端发出的数字脉冲信号基本是一致由矩形脉冲组成的数字脉冲序列。为了精确地确定“判决时刻” ，就需要从信号码流中提取准确的定时信息用来标定，以保证和发送端一致。这个工作由“定时提取”电路来完成。 6、峰值检波器与 AGC 放大器将由升余弦波组成的数字脉冲信号取出一部分送到峰值检波器进行检波，检波后的直流信号再送到AGC 放大
4、器进行比较放大，产生一个 AGC 电压。用该电压一方面去控制光电检测器（APD 管）的反向偏置电压，另一方面送到主放大器去调整主放大器的工作点，以控制主放大器的增益，从而使均衡器输出幅度稳定的升余弦波，保证码元判决的正确性。 一、时分复用系统时分复用（Time Division Multiplexing，TDM） ，是将不同信道的信号在时间上交二、波分复用系统单模光纤具有非常宽的带宽。在 1.3m (1.251.35m)波段和 1.55m(1.501.60m)波段，都具有高达 100nm 的低损耗传输范围。另一方面，作为光源的半导体激光器的线宽已小于 0.1nm，因此，在一根单模光纤中，可同时
5、传输多个不同波长的信号。波分复用（Wavelength Division Multiplexing， WDM）技术正是基于这种思想，通过在一根单模光纤中传输多个信道信号，来大幅度增加通信容量的。 图 4.3.2-2 为一单向传输的 WDM 系统原理框图。 n 个光发送机发送出由不同波长 1 ，2，n 承载的光信号，通过光复用器耦合到同一根单模光纤中，经过光纤传输到达接收端后，由解复用器将不同波长信号在空间上分开，分别进入各自的光接收机。对于长途通信，还需在传输光纤中加入中继器或光放大器，以补偿光信号的损耗。复用器解复用器 1 2 n 1 2 n 1 2 n光纤光放大器光接收机1光接收机2光接收
6、机n光发送机1光发送机2光发送机n随着 1.55m 波段掺铒光纤放大器(EDFA)的商用化，可以利用 EDFA 对传送的光信号进行放大，实现超长距离无电再生中继传输，WDM 系统得到了极其广泛的应用。在 1.55m 波段传送多路信道信号，这些信道波长间隔非常窄，且共享一个 EDFA，将这种信道密集的 WDM 系统称为密集波分复用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）系统。 1. 复用器 /解复用器 波分复用系统的核心部件是波分复用器件，即复用器和解复用器（也称合波器与分波器） 。这里介绍闪烁光栅波分复用器。 1 2 3 41 234光纤 透镜
7、 闪烁光栅闪烁光栅是在玻璃衬底上沉积环氧树脂，然后在环氧树脂上制造光栅线。如图 4.3.2-3 所示，当不同波长的入射光从同一角度照射到光栅上后，由于光栅的色散作用，不同波长的光将以不同的角度反射，然后经透镜会聚到不同的输出光纤，实现解复用的功能；反过来，可以完成光波的复用功能。 2、 光放大器在长途 DWDM 系统中，需要对光信号进行中继放大。如果采用光电混合中继方式的话，则首先要对光信号进行解复用，然后对每一信道进行中继再生，再将各信道光信号复用到传输光纤中。这样，将需要大量的中继设备，系统成本非常高。宽带宽的光放大器可以对多信道信号同时放大，而不需要进行解复用，目前应用最广泛的光放大器是
8、掺铒光纤放大器(Er Doped Fiber Amplifier，EDFA) 信号光耦合器 光隔离器掺铒光纤隔离器光 光滤波器 输出光泵浦光铒是一种稀土元素，在制造光纤的过程中，向纤芯中掺入三价铒离子( Er+3)，便形成了掺铒光纤。EDFA 主要由掺铒光纤(EDF)、泵浦光源、耦合器、光隔离器及光滤波器组成，结构如图 4.3.2-4 所示。影响太阳能电池转换效率的主要原因与改善方法【摘要】：影响天阳能电池转换效率的因素，主要可规划为制作电池的材料，太阳能电池的制程，太阳能电池的表面处理以及太阳光板的角度处理。【关键字】：太阳能电池转换效率 材料 制程 表面处理 太阳光板角度。一、 影响太阳能
9、电池转换效率的主要原因与改善方法1.材料1.1 厚度半导体芯片受光过程中，带正电的电洞往p 型区移动，带负电的电子往N 型区移动；受光后，电池若接有负载，则负电子由N 区负电极流出负电再由P 区正电极流入形成一太阳能电池。 (图一) 图一(受光后的太阳能电池)依据此原理我们可以知道，太阳能电池愈薄，电子、电洞的移动路径愈短。2 .制程2.1 电池与接线的电阻电池与接线间的电阻对太阳能电池转换效率的高低影响十分显著。尤其太阳能电池模块是由多个电池串联而成，因此接点电阻影响甚巨。(表一)表一、硅晶电池之光电转换效率(资料来源：太阳光电实验室：http:/diau08.ac.nctu.edu.tw)
10、电池元件光电转换效率 电池模块光电转换效率(一) 单晶硅 24-30 % 10-15 %(二) 多晶硅 18-21 % 9-12 %(三) 非晶硅薄膜 13 % 7 %因此，可在采用模块设计时改进横向布线及电池极板等布线结构，以降低电阻。并透过缩小电池单元间隔、加大电池单元的排列密度，提高模块的转换效率。此外，也可将金属电极埋入基板中，以减少串联电阻。(图二) 图二(图片来源：益通光能)(注五)2.2串叠型电池将太阳电池制成串叠型电池(tandem cell)。把两个或两个以上的元件堆栈起来，能够吸收较高能量光谱的电池放在上层，吸收较低能量光谱的电池放在下层，透过不同材料的电池将光子的能量层层
11、吸收，减少光能的浪费并获得比原来更多的光能。3. 表面处理 (影响可用之阳光量)3.1 抗反射层在太阳能电池的表面，会镀上一层抗反射层，主要的作用在于让太阳能吸收的过程当中，仅少量的反射造成光能流失。抗反射层做得越好，所能运用的光能自然更多，这也是太阳能电池的制造关键。抗反射膜的意思就是在基板上镀上一层比基板低折射率的材质，太阳能电池所采用的抗反射膜材质不尽相同，如果能发展出最适合的材质，在太阳能电池转换效率的提升上必是一大进步。3.2 表面粗化处理将表面制成金字塔型的组织(Pyramid Texture)结构，可增加表面积，吸收更多太阳光。3.3电极形状将不透光的金属电极作成手指状(fing
12、er)(图三) 或是网状，经过层层反射，可使大部分的入射阳光都能进入半导体材料中。图三(图片来源：益通光能)4. 太阳光版角度4.1 固定式太阳能光电版不当的装设太阳能光电板会让光电板的日照效益事倍功半，由于所处纬度的不同，太阳照射角度不同，因此太阳能光电板的架设角度也会影响到光电板吸收阳光的效益。若是处于赤道上，光电板须平放在水平面上的日照效益最高，而台湾位于北回归线上，纬度为北纬23.5 度。加上白天太阳由东方升起后，行进的轨道会在台湾的南方，所以架设太阳能光电板将板面朝南并将仰角设定为23.5 度，将可以得到最大的日照效益。另外要注意的是，在架设太阳光电板的场地周围，须避免建筑物、植物或
13、其他可能会遮蔽太阳光照射太阳能光电板的遮蔽物，以利太阳能光电板可以完全接收太阳光达到最大的发电效益。4.2 转动式太阳能光电版太阳日出日落，太阳能光电板在一天中每个时段所能接收的最大太阳光因而不同，无法保持在最大值，因此有人设计出随着太阳的方向、角度而转动的太阳能光电版，比固定式太阳能光电板更能接收最多的太阳光，达到最大的发电效益。二、 实例1.表面结构组织化与抗反射层德国夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化，制成倒金字塔结构。并在表面把一13nm 厚的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合。在电镀过程中增加栅极的宽度和高度的比率，制得的电池转化效率超过23%，最大值可达
14、233。2.奈米技术与太阳能电池结合2004 年新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室研究人员利用奈米技术对太阳能板的线性效率产生了一项重大突破，入射能量转换成电力的高水平从32 %提升到60 %。传统太阳能电池吸收光子，每一光子被分开进入到电子及质子，所剩余的振动能量会生成热。洛斯阿拉莫斯所发展的太阳电池是用铅- 硒奈米晶体做成，具有特殊的效应，称为撞击游离化 (impact ionization)，照射到电池上的每一个光子会生成两个或三个电子3.非晶硅钝化技术和n型沉底HIT 电池技术主要为日本三洋公司所有，通过充分利用非晶硅钝化技术和n型沉底的优越性，其HIT电池商业转换效率可以达到19.5
15、% 。4.全背电极澳大利亚SunPower 公司利用全背电极提高电池正面光利用率，其位于菲律宾的生产线商业化电池转换效率已达到19.9% 。5.深槽电极深槽电极电池也是为了增加吸收光的表面积而设计，在此方面新南威尔士大学和北京太阳能研究所的转换效率分别为19.8% 和18.6% 。6.香港汇丰银行-太阳自动追踪方式采光装置将信息处里完毕交由CRT 显示并计算出导光版需要的角度，再将该因应的动作透过传送控制传回智慧末端处里后，由采光装置控制器具发出动作调整角度以让阳光透过导光版被折射进入室内控制型态。(资料来源：:Shopia and Stefan Berhling ,2000 Solar po
16、wer: The evolutionof sustainable Architecture. Munich: Prestel)三、讨论1 太阳能电池转换效率表(自制 ) (单位：%)理论极限效率 实验室最高效率 产量最高效率 产量最高效率(模块)单晶硅 29 24.7 17-18 15-17多晶硅 24 20.3 16-17 14-16由表中数据可以看出，不论是单晶硅或多晶硅，在量产的效率上都还有相当幅度的进步空间。22.1 薄型加工目前世界各大厂商皆致力于减低太阳能电池的厚度，如夏普在1997 年所产出的太阳能电池模块的厚度约为380m，到了2005 年就能将Cell 的厚度减少到180m ，将来夏普期望降低到 100m。虽然厚度对转换效率的影响是相对小的，然而重要的是，太阳能电池的厚度越小，成本的消耗越少，也意味着太阳
