第二章光纖傳感系統(tǒng)

第2章光纖傳感系統(tǒng)目錄光纖傳感系統(tǒng)中的光電探測器312光纖傳感器中光的調(diào)制技術(shù)4光纖傳感系統(tǒng)的組成光纖傳感系統(tǒng)中的光源2.1光纖傳感系統(tǒng)的組成傳感器探頭光源光電探測器（光電轉(zhuǎn)換）信號預(yù)處理信號的處理及模數(shù)轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)光纖傳感器按光纖的作用分類：1）傳感型光纖傳感器：又稱功能型光纖傳感器，主要使用單模光纖，光纖不僅起傳光作用，同時(shí)又是敏感元件，它利用光纖本身的傳輸特性經(jīng)被測物理量作用而發(fā)生變化的特點(diǎn)，使光波傳導(dǎo)的屬性（振幅、相位、頻率、偏振）被調(diào)制。2）傳光型光纖傳感器：又稱非功能型光纖傳感器，它是將經(jīng)過被測對象所調(diào)制的光信號輸入光纖后，通過在輸出端進(jìn)行光信號處理而進(jìn)行測量的，在這類傳感器中，光纖僅作為傳光元件，必須附加能夠?qū)饫w所傳遞的光進(jìn)行調(diào)制的敏感元件才能組成傳感元件。2.2光纖傳感系統(tǒng)中的光源光源的作用是將電信號電流變換成光信號功率，即實(shí)現(xiàn)電——光的轉(zhuǎn)換，以便在光纖中的傳輸。2.2.1半導(dǎo)體激光二極管1.半導(dǎo)體激光器（LD）的概念和原理

1）基本概念（1）光與物質(zhì)相互作用的基本形式受激輻射自發(fā)輻射受激吸收（2）半導(dǎo)體激光器是利用半導(dǎo)體材料在有源區(qū)中受激發(fā)而發(fā)射光的特性而制成的光器件。只有在工作電流超過閥值電流的情況下才會輸出激光，因而是有閥值的器件。（3）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（populationinversion）是激光產(chǎn)生的前提。把處于基態(tài)的原子大量激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)E2，處于高能級E2的原子數(shù)就可以大大超過處于低能級E1的原子數(shù)。這樣就在能級E2和E1之間實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)。

實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件：通常實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)要依靠兩個(gè)以上的能級：低能級的粒子通過比高能級還要高一些的泵浦能級抽運(yùn)到高能級。一般可以用氣體放電的辦法來利用具有動(dòng)能的電子去激發(fā)激光材料，稱為電激勵(lì)；也可用脈沖光源來照射光學(xué)諧振腔內(nèi)的介質(zhì)原子，稱為光激勵(lì)；還有熱激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)等。各種激發(fā)方式被形象化地稱為泵浦或抽運(yùn)。為了使激光持續(xù)輸出，必須不斷地“泵浦”以補(bǔ)充高能級的粒子向下躍遷的消耗量。（4）法布里-珀羅諧振腔（形成相干光）激光器的必要組成部分，垂直于結(jié)面的兩個(gè)平行的晶體解理面形成法布里-珀羅諧振腔，兩個(gè)解理面是諧振腔的反射鏡面。在兩個(gè)端面上分別鍍上高反膜和增透膜，可以提高激射效率（5）增益：在注入電流的作用下激活區(qū)受激輻射不斷增強(qiáng)。損耗：受激輻射在諧振腔中來回反射時(shí)的能量損耗。包括載流子吸收、缺陷散射及端面透射損耗等。閥值電流：增益等于損耗時(shí)的注入電流（6）半導(dǎo)體激光器工作原理是激勵(lì)方式，利用半導(dǎo)體物質(zhì)（即利用電子）在能帶間躍遷發(fā)光，用半導(dǎo)體晶體的解理面形成兩個(gè)平行反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光振蕩、反饋，產(chǎn)生光的輻射放大，輸出激光。半導(dǎo)體激光器優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、耗電少、效率高等。2.半導(dǎo)體激光器的P-I特性

輸出功率

2.2.2發(fā)光二極管半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）利用自發(fā)輻射效應(yīng)而發(fā)光。半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)公差沒有激光器那么嚴(yán)格，而且無諧振腔。所以，所發(fā)出的光不是激光，而是熒光。半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)：

是一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，由兩層以上不同的半導(dǎo)體材料薄膜依次沉積在同一基座上形成，這些材料具有不同的能帶隙，它們可以是砷化鎵之類的化合物，也可以是硅-鍺之類的半導(dǎo)體合金。

半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的二極管特性非常接近理想二極管。另外，通過調(diào)節(jié)半導(dǎo)體各材料層的厚度和能帶隙，可以改變二極管電流與電壓的響應(yīng)參數(shù)。半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)對半導(dǎo)體技術(shù)具有重大影響，是高頻晶體管和光電子器件的關(guān)鍵成分。輸出功率P/mW

有源層1um~2um異質(zhì)結(jié)：限制了有源層中載流子及光場分布SLED的典型結(jié)構(gòu)ELED的結(jié)構(gòu)是為了降低有源層中的光吸收并使光束有更好的方向性，使光從有源層的端面輸出異質(zhì)結(jié)超輻射發(fā)光二極管（SLD）近年來迅速發(fā)展，它是介于激光器（LD）和發(fā)光二極管（LED）之間的一種半導(dǎo)體光電器件。其發(fā)光機(jī)理是一種強(qiáng)激發(fā)狀態(tài)下定向的輻射現(xiàn)象。即當(dāng)激發(fā)密度足夠高時(shí)，自發(fā)發(fā)射的光子受激放大而雪崩式倍增，發(fā)光強(qiáng)度隨激發(fā)強(qiáng)度超線型地急劇增加，譜線寬度變窄，由初始的自發(fā)發(fā)射占主導(dǎo)地位很快的演變?yōu)橐允芗ぐl(fā)射占主導(dǎo)地位。理想的超輻射光是一種相位不一致的非相干光源或稱短相干光源。摻鉺光纖的放大自發(fā)輻射（ASE）光源與超輻射發(fā)光二極管相比，具有帶寬更寬、穩(wěn)定性好、功率更高、使用壽命長、易于光纖傳感系統(tǒng)耦合等優(yōu)點(diǎn)SLD實(shí)物圖可調(diào)諧分布反饋激光器DFB(DistributedFeedbackLaser)與

FP激光器比較1）DFB激光器不同之處是內(nèi)置了布拉格光柵（周期性結(jié)構(gòu)波紋狀衍射光柵）來實(shí)現(xiàn)光的反饋，屬于側(cè)面發(fā)射的半導(dǎo)體激光器。目前，DFB激光器主要以半導(dǎo)體材料為介質(zhì)，包括銻化鎵(GaSb）、砷化鎵（GaAs）、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等。DFB激光器最大特點(diǎn)是具有非常好的單色性（即光譜純度），它的線寬普遍可以做到1MHz以內(nèi)，以及具有非常高的邊摸抑制比（SMSR），目前可高達(dá)40-50dB以上。FP激光器是一類最常見、最普通的半導(dǎo)體激光器，它最大的特點(diǎn)是激光器的“諧振腔”由半導(dǎo)體材料的兩個(gè)解理面（簡單通俗一點(diǎn)說是“平坦光滑的反射鏡面”）構(gòu)成。因此結(jié)構(gòu)和制作工藝最簡單，成本最低，技術(shù)指標(biāo)也相對較低，適用于調(diào)制速率小于622Mbit/s的光纖通信系統(tǒng)。目前FP-LD的主要發(fā)展趨勢在于研發(fā)無制冷器件，使實(shí)際運(yùn)用的激光器的整體成本進(jìn)一步降低。

發(fā)光強(qiáng)度曲線比較2.2.5光纖光柵激光器光纖光柵激光器利用均勻光纖光柵來選擇出射光的波長。分類分布布拉格反射光纖光柵激光器分布反饋光纖光柵激光器單波長光纖光柵激光器多波長光纖光柵激光器DFB激光器特點(diǎn)：良好的相干性、穩(wěn)定的單模工作特性，以及結(jié)構(gòu)緊湊、易于封裝、低相對強(qiáng)度噪聲。高信噪比和高輸出等2.2.6氦氖激光器氦氖激光器是一種特殊的氣體放電光源。它具有極好的單色性、高度的相干性和很強(qiáng)的方向性（發(fā)散角很?。┖つ始す馄鹘Y(jié)構(gòu)圖及實(shí)物圖2.3光纖傳感系統(tǒng)中的光電探測器按作用原理，光探測器可分為吸收光子使器件升溫而探知入射光能的熱電器件和將入射光轉(zhuǎn)化為電流或電壓的光電器件。2.3.1PIN光電二極管PIN光電二極管是光纖通信與光纖傳感器系統(tǒng)中最常用的光電探測器，它的優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格低廉、靈敏度高、響應(yīng)快、性能穩(wěn)定、使用方便PIN光電二極管結(jié)構(gòu)及工作原理圖2.3.2雪崩二極管（APD）APD是利用雪崩倍增效應(yīng)使光電流得到倍增的光電探測器。半導(dǎo)體中的雪崩倍增效應(yīng)

在強(qiáng)電場下，半導(dǎo)體中的載流子會被電場加熱（見半導(dǎo)體中的熱載流子），部分載流子可以獲得足夠高的能量，這些載流子有可能通過碰撞把能量傳遞給價(jià)帶上的電子，使之發(fā)生電離，從而產(chǎn)生電子-空穴對,這種過程稱為碰撞電離。所產(chǎn)生的電子空穴對，在電場中向相反方向運(yùn)動(dòng)，又被電場加熱并產(chǎn)生新的電子空穴對。依此方式可以使載流子大量增殖，這種現(xiàn)象被稱為雪崩倍增效應(yīng)APD具有較高的響應(yīng)和內(nèi)部增益，這種內(nèi)部增益提高了器件的信噪比。APD將主要應(yīng)用于長距離或接受光功率受到其他條件限制而比較小的光纖通信系統(tǒng)。目前在光纖通信中，在短波段主要采用Si-APD管，在長波段主要采用Ge-APD管。P-電極保護(hù)環(huán)

光入射N-電極SiO2溝道塞防反射涂層

P+RAPD的結(jié)構(gòu)P+入射光IPN+SAM-APD的結(jié)構(gòu)：SAM-APD的光譜響應(yīng)范是1000nm~1700nm2.3.3光敏電阻光敏電阻是基于光電導(dǎo)效應(yīng)原理，在光照條件下，通過改變自身的電阻率來實(shí)現(xiàn)測量任務(wù)的一種光電探測器。常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料。這些材料在特定波長的光照射下，產(chǎn)生載流子參與導(dǎo)電，在外加電場的作用下作漂移運(yùn)動(dòng)，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負(fù)極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。光敏電阻工作原理圖光敏電阻的外形及其在電路中的符號

2.3.4硅光電池硅光電池的結(jié)構(gòu)2.3.5硅光電二極管

P+nSiO2電極光電極+_RL

2.3.6光電位置敏感器件PSD屬于半導(dǎo)體器件,一般做成P+I+N結(jié)構(gòu)，具有高靈敏度、高分辨率、響應(yīng)速度快和配置電路簡單等優(yōu)點(diǎn)，其弱點(diǎn)主要是非線性。其工作原理是基于橫向光電效應(yīng)。PSD是一種新型的半導(dǎo)體位置敏感器件,它是基于橫向光電效應(yīng)的連續(xù)模擬式光斑位置檢測器件,它除了具有光電二極管陣列和CCD器件的定位性能外,還具有靈敏度高,分辨力高,良好的瞬態(tài)響應(yīng)特性及簡單的處理電路等特點(diǎn),尤其是應(yīng)用于精確定位時(shí),具有受光斑強(qiáng)度,分布,對稱性和尺寸影響小的特征,使該傳感器件在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

光入射位置PSD是僅對入射光光點(diǎn)位置敏感的電光器件PSD的結(jié)構(gòu)原理及等效電路圖2.4光纖傳感中光的調(diào)制技術(shù)光調(diào)制技術(shù)是一種調(diào)制技術(shù)，就是將一個(gè)攜帶信息的信號疊加到載波光波上,完成這一過程的器件稱為調(diào)制器。光的調(diào)制：將所傳遞的信息加載到激光上，將激光作