1、光纖傳感技術總結 1. 光纖（Optical fiber ）是傳光的纖維波導或光導纖維的簡稱，它是通過 內 全反射原理或折射原理 傳輸光的玻璃狀電介質細絲。直徑：幾微米-幾百微米。 2. 傳感器：能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的 器件或裝置。 3光纖傳感器：是用待測量對光纖內傳輸?shù)墓獠▍⒘窟M行調制得到調制信 號，該信號經(jīng)光纖傳輸至光探測器進行解調，從而獲得待測量值的一種裝置。 4光纖傳感技術：以光波為載體，光纖為媒質，感知和傳輸外界被測量信號 的新型傳感技術。 5光纖傳感原理：光纖傳感原理是以光纖的 導波現(xiàn)象為基礎的，光從光纖射 出時，光的特性得到調制，通過對調制光的檢

2、測，便能感知外界的信息，實現(xiàn)對 各種物理量的測量。E=EoCos t + ） 6光纖傳感系統(tǒng)的組成 7光纖傳感器的分類： 1） .根據(jù)光纖在傳感器中的作用功能型光纖傳感器（Functional Fiber，簡稱FF 型）（全光纖型、傳感型）.非功能型光纖傳感器（Non Fun ctio nal Fiber，簡稱NFF型（傳 光型） 2） 根據(jù)光受被測對象的調制形式.強度調制型光纖傳感器.波長調制型光纖傳 感器.相位調制型光纖傳感器.頻率調制型光纖傳感器.偏振調制型光纖傳感器 3）按被測對象分 光纖溫度、壓力、位移、流量、磁場、電壓、圖像、醫(yī)用、光譜、氣 體、液體傳感器，光纖陀螺儀 8. 光纖傳

3、感的特點： 1）靈敏度高； 2）抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、本質安全; 3）重量輕、體積小、可繞曲； 4）測量對象廣泛，對被測介質影響小； 5）便于復用，便于成網(wǎng)； 9. 光纖的結構: 1） 、纖芯：高純度 SiO2，摻雜質：GeO2、P2O5 （提高折射率）；折射率n1 2） 、包層：SiO2，摻雜質：F、B （降低折射率）；折射率n2折射率n1n2 3）、一次涂敷層：環(huán)氧樹脂、硅橡膠（加強機械強度） 4）、套塑：尼龍、聚乙烯（加強機械強度） 包層Coati ng 涂敷層 二氏嶽 0 10光纖的分類： 1）按照傳輸?shù)目偰?shù)來分 模式（mode）:在光纖中具有確定 空間和時間 分布的電磁場分量

4、稱為光纖中的模。是電磁場 的一種分布形式。 、單模光纖（Single-mode fiber, SMF ）只傳輸主模，沒有模式色散，適于大容量、 長距離的光纖通信。纖芯直徑：212 m;包層直徑：125 m； 、多模光纖（Multimode fiber, MMF ）在一定的工作波長下，可以同時傳輸多種模式。 纖芯直徑：50500 i m; 2）按照折射率（refractive index）分布分類 階躍折射率光纖 （Step index fiber, SIF）:也叫突變型光纖或均勻光纖，纖芯折射率為 n1保持不變，到包層突然變?yōu)閚2。這種光纖一般纖芯直徑2a=5080 1 m,光線以折線形 狀沿

5、纖芯中心軸線方向傳播，特點是信號畸變大。 梯度折射率光纖（Graded index fiber, GIF ）:也叫漸變型光纖或非均勻光纖，在纖芯 中心折射率最大為 n 1,沿徑向r向外圍逐漸變小，直到包層變?yōu)閚2。這種光纖一般纖芯直 徑2a為50 1 m,光線以正弦形狀沿纖芯中心軸線方向傳播，特點是信號畸變小。 圖三種基本類型的光纖 （a）突變型多模光纖；（b）漸變型多模光纖；（c）單模光纖 11.光纖的導光機理：射線法和波動法 射線法(rays) 1) .光射線： .子午線：過纖芯的軸線的平面稱為子午面，子午面上和軸線相交的光射線稱為子午 射線，簡稱為子午線。 .斜射線：不在一個平面里，不經(jīng)

6、過光纖軸線的空間折線。 2) .射線法：用光射線來研究光傳輸特性的方法，稱為射線法。 3) 階躍型光纖中光射線的分析 主要特性參數(shù)的定義： 相對折射率差厶 纖芯折射率n1 ;包層折射率n2 ; n1n2 =(n 12-n22)/2 n12 當n1與n2差別極小時，這種光纖稱為弱導波光纖 (n1-n2)/n1 SM: =0.00050.01; MM: =0.010.02 z nosing 1 =n1sinB 1 =n icosB 數(shù)值孔徑NA :光從空氣中入射到光纖輸入端面所允許最大光錐半角之正旋。 NA表示光纖接收和傳輸光的能力 NA sin 11 P= 階躍型光纖的導光機理 階躍型光纖是靠全

7、反射原理將光波限制在纖芯中向前傳播。 只有滿足全反射條件的光射線才可在纖芯中形成導波。 這些光射線射入光纖端面的角度必須是在最大入射角c以內 漸變型光纖中光射線的分析 1、漸變型光纖折射率分布的普遍公式為 22 r p n2(r)nj 12()p a r-纖芯半徑； a-軸線到包層外邊沿的半徑 p-決定折射率變化曲線的坡度 漸變型光纖中，不同射線具有相同軸向速 度的這種現(xiàn)象，稱為自聚焦現(xiàn)象，具有這種 自聚焦現(xiàn)象的光纖稱為 自聚焦光纖。 射入纖芯某點r處的光線的數(shù)值孔徑，稱為該點的 本地數(shù)值孔徑 NA(r)、n 2(r) n： 光纖軸線處捕捉射線的能 n (r) / , NA(r) /，該點光纖

8、捕捉光射線的能力越強; 力最強。 傳導模：只有滿足全反射條件的那些模式才能在光纖中傳播，稱為傳導模。 kon2 B koni 輻射模：那些不滿足全反射條件的模式，其電磁場不限于光纖芯區(qū)而可徑 向輻射至無窮遠，稱為輻射模。 泄漏模：有一些不處于子午面的斜射線，由于它們部分滿足全反射條件， 于是沿傳播方向有衰減的泄漏模。 2、截止：指光纖中的導波截止。當光纖中出現(xiàn)輻射模時，即認為導波截止。 w 截止條件為：w w 臨界條件為：w= w 5、主模(基模)：人們把光纖中的最低工作模式稱為主模。主模的歸一化截 止頻率最低：w =0,沒有截止現(xiàn)象，在任何頻率下都可以傳輸。 6、高次模：光纖中除主模之外，其

9、它所有模式統(tǒng)稱為高次模。 第一高次模截止時(g 2.405)，其它所有高次模均截止，這時光纖中只 傳輸主模。所以單模光纖的單模傳輸條件是：0 w10) 2.3光纖的傳輸特性 2.3.1 光纖的損耗(Attenuation) 光纖的損耗：光波在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加而光功率逐漸下降， 這就是光纖的傳輸損耗。 引起損耗的原因：光纖本身損耗(吸收損耗、散射損耗) 外因：光纖彎曲、光纖與光源的耦合、光纖之間的連 一、吸收損耗(Absorption) 吸收損耗：光波通過光纖材料時，有一部分光能變成熱能，造成光功率 的損失。 1、本征吸收：是由SiO2材料引起的固有吸收，它基本上確定了某一材料吸收

10、損 耗的下限，它與波長有關。 紫外(UV: ultraviolet)吸收(0.006 卩 m 入 0.4 卩 m) 紅外(IR: infrared)吸收(0.76 卩 m 入 300 卩 m) 2、雜質吸收：由光纖材料的不純凈而造成的附加吸收損耗。 二、 散射損耗(Scatteri ng Losses) 散射損耗是由于光纖的材料、形狀、折射率分布等的缺陷或不均勻使光 纖中傳導的光發(fā)生散射產(chǎn)生的損耗。 1、瑞利(Rayleigh)散射：a R=A/ 入 4 2、結構缺陷散射： 3、非線性散射：受激拉曼散射(SRS) 受激布里淵散射(SBS) 2.3.2 光纖的色散(Chromatic Dispe

11、rsion ) 1、光纖的色散： 光信號通過光纖傳播期間，波形在時間上發(fā)生展寬的現(xiàn)象。 2、光纖的色散產(chǎn)生原因： 一是光源發(fā)出的并不是單色光； 二是調制信號有一定的帶寬。 3、色散的分類 模式色散( Intermodal dispersion) 由于不同模式的時間延遲不同而產(chǎn)生的。 材料色散( Material dispersion) 由于光纖的折射率隨波長而改變， 模式內部不同波長成分的光， 其時間延 遲不同而產(chǎn)生的。 波導色散( Waveguide dispersion) 由于波導結構參數(shù)與波長有關而產(chǎn)生的，也叫結構色散。 偏振模色散( Polarization dispersion )

12、由于實際的單模光纖兩正交模有不同的群延遲產(chǎn)生的。 時延：某一條子午射線在纖芯中傳輸一定長度所需要的時間。用T 表示。 時延差： 兩條以不同角度入射的子午線，在光纖中傳輸同一空間長度 L 時，所 用時間的差別。用At 表示。 最大時延差： 在空間長度為 L 的光纖中，走得最快的射線與走得最慢的射線在 時間上的差別。用At max表示。 5、色散補償 零色散波長光纖 色散位移光纖( DSF-Dispersion-Shifted Fiber ) 色散平坦光纖( DFF-Dispersion-Flat Fiber) 色散補償光纖 (DCF-Dispersion Compensating Fiber)

13、色散補償器 2.3.5光纖的制作技術 1、光纖預制棒的制備 2、光纖拉絲及一次涂覆 3、光纖的涂覆和套塑工藝 2.4 光纖標準 1、G.651 多模漸變型 (GIF) 光纖，這種光纖在光纖通信發(fā)展初期廣泛應用于中小 容量、中短距離的通信系統(tǒng)。 2、G.652 常規(guī)單模光纖 :(1)波長 1310 nm 為色散零點； (2)波長 1550 nm 處衰減 最小，約為0.22 dB/km,色散系數(shù)的最大值為17ps/(nm.km)；工作波長可以 在1310 nm或1550 nm。它廣泛用于數(shù)據(jù)通信。缺點：波長1550 nm色散大，阻 礙了高速率、遠距離的應用。 3、 G.653色散位移光纖：使光纖色

14、散系數(shù)零點從1310 nm移到1550 nm,實現(xiàn) 了 155 Onm處最低衰減與零色散一致。適用于長距離、大容量通信系統(tǒng)中，如 20 Gb/s系統(tǒng)中。由于1550 nm的零色散，四波混頻等非線性效應嚴重，不適合 用于波分復用系統(tǒng)。 4、G.654 1.55卩m損耗最小的單模光纖：在波長1.31卩m色散為零，在1.55卩m 色散為17-20 ps/(nm km)，和常規(guī)單模光纖相同，但損耗更低，可達0.20 dB/km 以下.主要用于長距離，不能插入有源器件的無中斷海底光纖通信系統(tǒng)中。 5、G.655非零色散光纖：可以抑制四波混頻和交叉相位調制等非線性光學效應， 以滿足密集波分復用系統(tǒng)的要求。

15、這種光纖在密集波分復用和孤子傳輸系統(tǒng)中使 用，實現(xiàn)了超大容量超長距離的通信。 骨架式有利于前護測壓力 層絞式 單位式 4-100 低損耗、耐水壓、耐張力 用戶光纜 單位式 帶狀式 200 高密度、多芯和低一中擁耗 局內光艇 式式式 線狀位 軟帶單 2-20 重量輕、纜徑細、可繞性好 表 各種光纜的結構、芯線數(shù)及必要條件 2.5.3光纜特性 拉力特性：光纜能承受的最大拉力取決于加強件的材料和橫截面積，一般要求大 于1km光纜的重量，多數(shù)光纜在100400 kg范圍。 壓力特性：光纜能承受的最大側壓力取決于護套的材料和結構，多數(shù)光纜能承受 的最大側壓力在100400kg/10cm。 彎曲特性：彎曲

16、特性主要取決于纖芯與包層的相對折射率差以及光纜的材料和 結構。實用光纖最小彎曲半徑一般為2050 mm，光纜最小彎曲半徑一般為 200500 mm。 溫度特性：取決于光纜材料的選擇及結構的設計。我國一般在低溫地區(qū)為-40C +40 C, 在高溫地區(qū)為-5 C+60 C。 光纖有源器件：指包含有半導體有源材料，并且能夠與光纖耦合的光電子器件。 包括光源、探測器和光放大器。 光纖無源器件：不發(fā)光、不進行光電轉換的光纖器件。包括三類： (1) 分立光學元件組合器件：早期采用(棒透鏡、反射鏡、棱鏡等)； (2) 全光纖結構器件：FBG Coupler (3) 光波導型器件(集成光學) 3.1 光纖連接

17、器(Optical Fiber Connecto) 1、定義：把兩個光纖端面結合在一起，使發(fā)射光纖輸出的光能量可以最大限度 耦合到另外接收光纖的器件。 光纖連接器的作用是將需要連接起來的單根或多根光纖芯線的端面對準、 貼緊并能多次使用。 (3)單芯光纖連接器分類 FC 型(Ferrule Connector ):螺紋插拔式 SC 型(Square/Subscriber Connectc):矩形插拔式 ST型(Spring Tension):卡口插拔式 (6) 變換器：不同型號插頭變換：SC-FC; ST-FC; (7) 跳線：將一根光纖的兩頭都裝上插頭稱為跳線。 (8) 評價指標 插入損耗：越

18、小越好lL10log-PouL (dB) Pin 回波損耗：越大越好 rl 10log 且(dB) Pin 重復性：多次插拔后插入損耗的變化。v 0.1dB 3.2 光纖耦合器(Optical Fiber Coupler) 1、定義：光纖耦合器是使光信號能量實現(xiàn)分路/合路的器件；一般光纖耦合器 是對同一波長的光功率進行分路或合路，因此光纖耦合器又稱為分路器、合路器 光纖傳感技術總結 或雙工器。它是使用量僅次于連接器的又一類重要的光纖無源器件。 光纖耦合器作用：把一個輸入的光信號分配給多個輸出， 或把多個輸入的光 信號組合成一個輸出。 5、熔融拉錐型全光纖耦合器 熔融拉錐法就是將兩根（或兩根以上

19、）除去涂覆層的光纖以一定的方式靠攏, 在高溫加熱下熔融，同時向兩側拉伸，最終在加熱區(qū)形成雙錐體形式的特殊波導 結構，實現(xiàn)傳輸光功率耦合的一種方法。 （3）特點： 極低的附加損耗。 方向性好。 良好的環(huán)境穩(wěn)定性。 控制方法簡單、靈活。 制作成本低廉、適于批量生產(chǎn)。 6光纖耦臺器的主要參數(shù) （1）隔離度A 由端口 1輸人的光功率Pl，應從端口 2和端口 3輸出，端口 4從理論上 講應無光功率輸出。但實際上端口 4還是有少量光功率輸出的（P4），其大小就 表示了 1、4兩個端口的隔離程度。隔離度用 A表示，為 Ai-4=-10lg(P4/P1)(dB) 般情況下，要求A20dB （2）插入損耗L 它

20、表示了定向耦合器損耗的大小。如由端口1輸人光功率P1，應由端 口 2和端口 3輸出光功率P2和P3,插入損耗等于輸出光功率之和與輸入光功率 之比取對數(shù)，單位為分貝，用L表示，為 L 10|gP2R 一般情況下，要求 LN1，這種粒子數(shù)一反常態(tài)的分布，稱為 粒子數(shù)反轉分布。因此，粒 子數(shù)反轉分布狀態(tài)是使物質產(chǎn)生光放大的必要條件。 二、激光器的基本組成 1、能夠產(chǎn)生激光的工作物質(Operation Material ) 可以處于粒子數(shù)反轉分布狀態(tài)的工作物質，必須有確定能級的原子系 統(tǒng)，可以在所需要的光波范圍內輻射光子。經(jīng)過分析可知，在三能級以上系統(tǒng)中， 可以得到粒子數(shù)反轉分布。 2、泵浦源(Pu

21、mping Source) 使工作物質產(chǎn)生粒子數(shù)反轉分布的外界激勵源，稱為泵浦源。物質在泵 浦源的作用下，使粒子從低能級躍遷到較高能級，使得N2 N1,在這種情況下， 受激輻射受激吸收，從而有光的放大作用。這時的工作物質已被激活，成為激 光纖傳感技術總結 活物質或稱增益物質(gain material)。 3、光學諧振腔(Optical Resonant Cavity ) 提供必要的反饋以及進行頻率選擇 (1) 光學諧振腔的結構 對于兩個反射鏡，要求其中一個能全反射，另一個為部分反射，產(chǎn)生的 激光由此射出。 4.1.3 半導體激光器(LD :Laser Diodes) 一、半導體激光器的工作原

22、理和結構 用半導體(Semiconductor材料作為激活物質的激光器，稱為半導體激光器。 1、半導體的簡單介紹：半導體是由大量原子周期性有序排列構成的共價晶體。 在這種晶體中，由于鄰近原子的作用，電子所處的能態(tài)擴展成能級連續(xù)分布的能 帶。 能量低的能帶稱為價帶，能量高的能帶稱為導帶，導帶底的能量Ec和價帶頂?shù)?能量Ev之間的能量差Ec-Ev=Eg稱為禁帶寬度或帶隙。電子不可能占據(jù)禁帶。 半導體光源發(fā)射的光子的能量、波長取決于半導體材料的帶隙Eg，以電子伏特 (eV)表示的發(fā)射波長為1 240 (m)時 半導體分類 (a) 本征半導體(Intrinsic Semiconductor) (b)

23、N 型半導體(Negative Semiconductor) (c) P 型半導體(Positive Semiconductor) 2、半導體激光器的工作原理 (1) P-N 結(P-N Junction)的形成 在P型和N型半導體組成的PN結界面上，由于存在多數(shù)載流子(電子或空 穴)的梯度，因而產(chǎn)生擴散運動，形成內部電場。內部電場產(chǎn)生與擴散相反方向 的漂移運動，直到P區(qū)和N區(qū)的Ef相同，兩種運動處于平衡狀態(tài)為止，結果能 帶發(fā)生傾斜。 在PN結上施加正偏電壓 產(chǎn)生與內部電場相反方向的外加電場， 結果能帶傾斜減小，擴散增強。電子 運動方向與電場方向相反，便使 N區(qū)的電子向P區(qū)運動，P區(qū)的空穴向N

24、區(qū)運 動，最后在PN結形成一個特殊的增益區(qū)。增益區(qū)的導帶主要是電子，價帶主要 是空穴，結果獲得粒子數(shù)反轉分布。 （3）激光的產(chǎn)生 當PN結上外加的正向偏壓足夠大時，將使得結區(qū)處于粒子數(shù)反轉分布狀態(tài)， 即出現(xiàn)受激輻射受激吸收情況，可產(chǎn)生光的放大作用。被放大的光在由P-N 結構成的光學諧振腔（諧振腔的兩個反射鏡，是由半導體材料的天然解理面而成 的）中來回反射，不斷增強，當滿足閾值條件后，即可發(fā)出激光。 半導體激光器是向半導體 PN結注入電流，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布，產(chǎn)生受 激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。 （2）異質結半導體激光器 它們的“結”是由不同的半導體材料制成的。 主

25、要目的是為了降低閾值 電流，提高效率。 銦傢砷磷（InGaAsP）雙異質結條形激光器，它是由五層半導體材料構 成。其中nInGaAsP是發(fā)光的作用區(qū)（有源區(qū)），作用區(qū)的上、下兩層稱為限 制層，它們和有源區(qū)構成光學諧振腔。限制層和有源區(qū)之間形成異質結。最下面 一層，n-InP是襯底，頂層P+ -InGaASP是接觸層，其作用是為了改善和金屬電 極的接觸。頂層上面數(shù)微米寬的窗口為條形電極。 iia + + d丄 L 單頻半導體激光器 分布反饋激光器(DFB: Distributed Feed Back ) 光柵波導區(qū) 有源區(qū) N 20 光纖傳感技術總結 23 DFB激光器優(yōu)點單縱模激光器。譜線窄，

26、波長穩(wěn)定性好。 動態(tài)譜 線好。 線性好 LD特點：激光、受激輻射光、輸出光功率大、有閾值、譜線寬度窄、調制頻率 高、與光纖耦合效率高、適用于長距離、大容量傳輸。 4.1.4 發(fā)光二極管(LED-Light Emitting Diode) 發(fā)光二極管(LED)的工作原理與激光器(LD)有所不同，LD發(fā)射的是受 激輻射光，LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光。LED的結構和LD相似，大多是采用雙 異質結(DH)芯片，把有源層夾在P型和N型限制層中間，不同的是LED不需要 光學諧振腔，沒有閾值。 光纖 120 金屬接觸層 光導 襯底 金屬 雙異質結層 非相干光輸出 (b) 條形接觸層 有源區(qū) SiO2絕緣層 |

27、 120 30 (a)正面發(fā)光型 (b)側面發(fā)光型 LED的工作原理 當給LED外加合適的正向電壓時，大量的空穴和電子分別從P區(qū)擴散到n 區(qū)和從N區(qū)擴散到p區(qū)(由于雙異質結構，p區(qū)中外來的電子和空穴不會分別擴 散到P區(qū)和N區(qū))，在有源區(qū)形成粒子數(shù)反轉分布狀態(tài)，最終克服受激吸收及其 他衰減而產(chǎn)生自發(fā)輻射的光輸出。 發(fā)光二極管具有如下工作特性： (1)光譜較寬(2) P - I曲線的線性較好(3)與光纖的耦合效率較低 (4) 壽命長(大于3105 h)( 5)溫度特性較好 LED特點：熒光、自發(fā)輻射光、輸出光功率小、譜線寬度較寬、調制頻率 較低、與光纖耦合效率低、性能穩(wěn)定、壽命長、價格低，適用于短

28、距離、小容量 傳輸。 4.1.6 光源的調制(The Modulation of source) 電/光轉換是用承載信息的數(shù)字電信號對光源進行調制來實現(xiàn)的。調制 分為直接調制和外調制兩種方式。受調制的光源特性參數(shù)有功率、幅度、頻率 和相位。 1、光源的直接調制(Direct Modulation) 直接在光源上進行調制，調制半導體激光器的注入電流。分為模擬強度調制 (ATM)、脈位調制(PPM)和數(shù)字調制(PCM-IM)。 2、光源的間接調制(Indirect Modulation) 在光源輸出的通路上外加調制器來對光波進行調制。通過電光、聲光效應， 利用晶體傳輸特性隨電壓或聲壓變化而變化實現(xiàn)

29、對光的調制。 (1) 電光調制(Electrooptic Modulation) 電光效應(Electrooptic Effect):電場引起晶體折射率變化。 帕克耳效應(Pocke s Effect): n E (2) 聲光調制(Acoustooptic Modulation) 聲光效應(Acoustooptic Effect):聲波在介質中傳播時，介質受聲波壓強作用 而產(chǎn)生應變，這種應變使介質的折射率發(fā)生變化，從而影響光波傳輸特性。 光源與光纖的耦合 影響耦合效率的主要因素是 光源的發(fā)散角和光纖的數(shù)值孔徑。發(fā)散角大，耦 合效率低；數(shù)值孔徑大，耦合效率高。此外，光源發(fā)光面和光纖端面的尺寸、形

30、 狀及兩者之間的距離都會影響到耦合效率。 光源與光纖的耦合一般采用兩種方法，即直接耦合與透鏡耦合。 4.2 光電檢測器 Photoelectric Detector 光接收機中實現(xiàn)將光信號轉換為電信號的器件稱為光電檢測器。光電檢測器 是利用材料的光電效應來實現(xiàn)光電轉換的。 對光檢測器的要求如下： 波長響應要和光纖低損耗窗口 (0.85卩m、1.31卩m和1.55卩m)兼容； (2) 響應度要高，在一定的接收光功率下，能產(chǎn)生最大的光電流； (3) 噪聲要盡可能低，能接收極微弱的光信號； 性能穩(wěn)定，可靠性高，壽命長，功耗和體積小。 一、半導體的光電效應 光照射到半導體的P-N結上，若光子能量足夠大

31、，則半導體材料中價帶的電子吸收光子的能量，從價帶越過禁帶到達導帶, 在導帶中出現(xiàn)光電子，在價帶中出現(xiàn)光空穴, 即產(chǎn)生光電子一空穴對，總起來又稱光生載 流子。光生載流子在外加負偏壓和內建電場 的作用下，在外電路中出現(xiàn)光電流，從而在 電阻R上有信號電壓輸出。實現(xiàn)了輸出電壓 跟隨輸入光信號變化的光電轉換作用。 四、光電檢測器的特性 1、響應度R0和量子效率n 光電轉換效率用響應度 R0或量子效率n表示。 N耗毘肚 I即 導帶底 價帝閘土 響應度(Responsivity)的定義為：Ro=|p/Po(A/W) 式中Ip為光電檢測器的平均輸出電流；Po為光電檢測器的平均輸入功率 光生電子一空穴對數(shù) 入射

32、光子數(shù) 量子效率(Quantum Efficiency)的定義為: 2、響應時間(Response Time) 響應時間是指半導體光電二極管產(chǎn)生的光電流跟隨入射光信號變化快慢的 狀態(tài)。一般用響應時間(上升時間和下降時間)來表示。 (1) 光電二極管等效電路的RC時間常數(shù) (2) 載流子在耗盡區(qū)的渡越時間 (3) 耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子由于擴散而產(chǎn)生的時間延遲 3、暗電流 ID (Dark Current) 在理想條件下，當沒有光照時，光電檢測器應無光電流輸出。但是，實際上 由于熱激勵、宇宙射線或放射性物質的激勵，在無光情況下，光電檢測器仍有電 流輸出，這種電流稱為 暗電流。嚴格說暗電流還包括器件

33、表面的漏電流。 暗電流將引起光接收機噪聲增大。因此，器件的暗電流越小越好。 光放大器的作用使光信號直接在光域進行放大而無須轉換成電信號進行信 光纖傳感技術總結 息處理，即用全光中繼來代替光-電-光中繼 3、摻鉺(Er3+)光纖放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier) (1)工作原理 e,3能級 1.27eV 0.80eV 980nm 泵浦光 1550nm 信號光亠片亠 E3 980nm E2 1530nm 放大后 的信號: 1550nm E1 0 鉺離子能級圖 Er3+在未受任何光激勵的情況下，處在低能級E1上，當用泵浦光源的激 光不斷地激發(fā)摻鉺光纖時，處于基態(tài)的粒子

34、獲得了能量就會向高能級躍遷。由 E1躍遷至E3,粒子在E3這個高能級上是不穩(wěn)定的，它將迅速以無輻射過程落 到亞穩(wěn)態(tài)E2上，在該能級上，粒子相對來講有較長的存活壽命，由于泵浦源不 斷地激發(fā)，則E2能級上的粒子數(shù)就不斷增加，而 E1能級上的粒子數(shù)就少，這 樣，在這段摻鉺光纖中就實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉分布狀態(tài)，就存在了實現(xiàn)光放大的條 件。 當輸入光信號的光子能量 E=hf正好等于E2和E1的能級差時，即： E2-E仁hf,則亞穩(wěn)態(tài)E2上的粒子將以受激輻射的形式躍遷回到基態(tài)E1上，并 輻射出和輸入光信號的光子一樣的全同光子，從而大大增加了光子數(shù)量，使得輸 入信號光在摻鉺光纖中變?yōu)橐粋€強的輸出光信號，實現(xiàn)了光

35、的直接放大。 (2) EDFA的結構 (a) 、同向泵浦(Equi-direction Pumping)結構 輸入光信號與泵浦光源輸出的光波， 以同一方向注入摻鉺光纖。 (b) 、反向泵浦(Reverse direct ion Pump in g結構 單泵浦的輸出功率可達14dBm。 (c) 、雙向泵浦(Bi-direction Pumping)結構 雙泵浦的輸出功率可達17dBm以上 I川kl向泉浦 時號輸入 i時反向泵浦 呆浦光泵浦光 門戲向泵浦 (3) EDFA的主要優(yōu)點： (1 )工作波長(1.531.56 m)與光纖通信最佳波段一致； (2) 與傳輸光纖的耦合損耗很小，可達0.1 d

36、B。 (3) 增益高(達40dB)、噪聲低(低至3dB4dB )、輸出功率大(達1420dBm)； (4) 能量轉換效率高； (5) 增益特性穩(wěn)定：對溫度不敏感，與偏振無關； (6) 頻帶寬，在1550 nm窗口，頻帶寬度為2040 nm,可進行多信道傳輸， 有利于增加傳輸容量。 (4) EDFA的主要缺點：波長固定( 1.55 m左右)；增益帶寬不平坦。 4、光纖喇曼放大器(FRA: Fiber Raman Amplifier ) (2) FRA的原理 若一強泵浦光和一弱信號光在一根光纖中傳輸，弱信號光的波長在強泵 浦光的拉曼增益帶寬內，基于受激拉曼散射原理而使弱信號光得到放大，獲得拉曼增益

37、。 信號光頻率 WDM 耦合器 p 泵浦光 .Y 泵浦光 Si p s 斯托克斯光 =存 p s 待放大信號光 p 一 s 濾波器 已放大信號光 反斯托克斯光 P s 石英晶體的晶格振動 (4) FRA的特點 優(yōu)點： 具有很寬的工作帶寬，可以實現(xiàn)全波段光放大。 在傳輸系統(tǒng)中和EDFA組合使用時，能有效地降低系統(tǒng)的噪聲指數(shù)。 25 光纖傳感技術總結 可以對光信號構成分布式放大，因此可實現(xiàn)無中繼長距離傳輸。 分布式拉曼放大，可以減少入射信號的光功率，降低了光纖非線性的影響，避 免四波混頻效應對系統(tǒng)的影響。 具有較寬的拉曼增益譜。（多個泵浦源，可達132 m） 缺點： 喇曼光纖放大器所需要的泵浦光功

38、率高。 作用距離太長，增益系數(shù)偏低。 對偏振敏感。 EDFA和FRA的比較 EDFA的增益頻譜是由鉺能級電平?jīng)Q定的，它與泵浦光波長無關，它是固定 不變的。EDFA由于能級躍遷機制所限，增益帶寬只有 80 nm。 光纖拉曼放大器使用多個泵源，可以得到比EDFA寬得多的增益帶寬。目前 增益帶寬已達132 nm。這樣通過選擇泵浦光波長，就可實現(xiàn)任意波長的光放大， 所以光纖拉曼放大器是目前唯一能實現(xiàn) 1 2901 660 nm光譜放大的器件，光纖 拉曼放大器可以放大EDFA不能放大的波段。 5. 半導體光放大器 （1） SOA的工作原 利用受激輻射來實現(xiàn)對入射光功率的放大的。 激活介質（有源區(qū)）吸收外

39、部 泵浦提供的能量，電子獲得了能量躍遷到較高的能級，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉。輸入光 信號會通過受激輻射過程激活這些電子， 使其躍遷到較低的能級，從而產(chǎn)生一個 放大的光信號。 SOA與半導體激光器的結構相似，但它沒有反饋機制，因此 SOA只能放大 光信號，但不能產(chǎn)生相干的光輸出。 （2） SOA的結構：法布里-珀羅放大器（FPA）行波放大器（TWA） SOA的特性: SOA最大的優(yōu)點是它使用InGaAsP來制造，因此體積小、緊湊，可以與其 他半導體和元件集成在一起。SOA的主要特性是： （1）它們與偏振有關，因此需要保偏光纖。 它們具有可靠的高增益（20dB）。 它們的輸出飽和功率范圍是 510dBm。

40、 它們具有大的帶寬。 它們工作在0.85卩m, 1.30卩m和1.55卩m波長范圍。 （6）它們是小型化的半導體器件，易于和其他器件集成。 （7）幾個SOA可以集成為一個陣列。 但是，由于非線性現(xiàn)象（四波混頻），SOA的噪聲指數(shù)高，串擾電平高。 摻Er3+光纖激光器的基本結構 摻鉺光纖激光器有F-P腔、環(huán)形腔、環(huán)路反射器光纖諧振腔以及“8”字形 腔。其中環(huán)形腔，能有效克服增益介質的空間燒孔效應而實現(xiàn)單模運轉，且較易 稀土摻雜光纖 實現(xiàn)。 激光輸出 aaoiz 未轉換的泵浦光線 環(huán)形腔摻鉺光纖激光器工作原理 泵浦光經(jīng)過 WDM耦合進入環(huán)路，經(jīng)EDF （三能級系統(tǒng)）轉化為波長1550 nm左右的光

41、，至V達耦合器后，一部分耦合至輸出端，另一部分耦合到FBG，只 有波長為入B的光波反射回耦合器。隔離器使光在環(huán)路中只能沿逆時針方向傳播， 傳播一周后獲得適當?shù)脑鲆嬖俅蔚竭_ FBG，從而實現(xiàn)環(huán)路振蕩，當所獲得的增 益大于腔內損耗時，耦合器的輸出端得到波長為入B的激光輸出。 IMG 光纖傳感技術總結 5.1.1光光效應：當光波照射到某些運動或靜止的物質后，光波的某些參數(shù)（如 波長）會發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為 光光效應。 2. 薩格納克效應 光學系統(tǒng)以角速度旋轉，旋轉半徑為R,則與旋轉方向同向行進的光線比靜 止時的行進路程長，而反向行進的光線比靜止時行進的路程短， 這種現(xiàn)象稱為薩 格納克效應。 3.

42、拉曼效應和布里淵效應 光照射到某些物質（氣體、液體或者固體）時，該物質會散射出原來光源所不具 有的且與原來光源光譜偏離較大的光譜，這種現(xiàn)象稱為 拉曼效應。 光照射到某些物質時，該物質會散射出與入射光譜偏離較小的光譜， 這種現(xiàn)象稱 為布里淵效應。 物質對光的散射有多種形式，常用的有瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射。 電子在光的作用下從金屬的表面逸出的現(xiàn)象稱為光電效應，逸出來的電子稱為光 電子，光電子在電場作用下而形成了電流，這種電流被稱為 光電流。 物質的光學特性受到電場的影響而發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為電光效應。光電效應有線 性和非線性兩種。 6.1光強調制型光纖傳感器 光強調制型光纖傳感器是用被測信號

43、調制光強，使探測器接收到的光強隨被 測信號的變化而變化，這類光纖傳感器稱為光強調制型光纖傳感器。 光強調制型光纖傳感器具有結構簡單， 易于實現(xiàn)等優(yōu)點。常用的類型有：微 反射式強度調制 淙光探!器 光 吃送光纖 1. 圖9唱反射貳光強調制器的原珥結構（胡和鋼出電壓與位移關系（h| 折射率光強度調制 利用被測物理量引起傳感材料折射率的變化; 利用漸逝場耦合； 利用折射率不同的介質之間的折射與反射 折射率光強度調制 反射面 山，臨界角強度調制 光吸收系數(shù)強度調制 (1) 利用光纖的吸收特性進行強度調制 x射線、丫射線等輻射線會使光纖材料的吸收損耗增加，使光纖的輸出功 率降低，從而構成強度調制輻射量傳

44、感器。改變光纖材料成分可對不同的射線進 行測量。如選用鉛玻璃制成光纖，它對 x射線、丫射線、中子射線最敏感，用 這種方法做成的傳感器既可用于衛(wèi)星外層空間劑量的監(jiān)測，也可用于核電站、放 射性物質堆放處輻射量的大面積監(jiān)測。 光吸收系數(shù)強度調制 (2) 利用半導體的吸收特性進行強度調制 大多數(shù)半導體的禁帶寬度Eg都隨著溫度T的升高而幾乎線性地減小。它們 的光吸收邊的波長將隨著T的升高而變化。 (10 6.2相位調制型光纖傳感器 相位調制型光纖傳感器主要是利用光干涉原理來完成信號的檢測。 由于測試裝置的結構和原理不同，相位調制型光纖傳感器又有麥克爾遜 (Michelson)干涉型、馬赫-曾德爾(Mac

45、h-Zehnder)干涉型、塞格納克(Sagnac型及 法布里-珀羅(Fabry-Perot)干涉型光纖傳感器。 31 光纖傳感技術總結 光探劃器 敏感部弁嗎 沛分逓討反射鏡 圖四種類型光纖干沛儀結構 心）誼克爾謹干沖儀說峙桶-澤徳爾干涉儀；（小峯格納克r涉儀；（川法祁甲-珀羅于祎儀 M( 麥克爾遜（Michelson）干涉型光纖傳感器有兩個特點： 其一是信號光纖與參考光纖在同一環(huán)境中，受環(huán)境的影響小； 其二是光的發(fā)出與接收在同一側，屬單端操作。使用時可放在被測體的內部形成 智能結構，也可放在被測體的外部，長期預留。 麥克爾遜（Michelson）干涉型光纖傳感器的工作原理： 光源（激光器）發(fā)

46、出的光經(jīng)耦合器后分成兩路，一路經(jīng)參考臂（光纖）到達反射鏡 M1，經(jīng)M1反射后的光反向傳輸再經(jīng)光纖耦合器到達光探測器，這束光稱為參 另一路經(jīng)傳感臂到反射鏡M2，被M2反射的光沿傳感臂反向傳輸經(jīng)耦合器傳輸 至光探測器，這束光稱為信號光。 傳感臂放置在被測場，被測量的變化將引起傳感光纖的長度發(fā)生變化， 則光在光 纖內部傳輸時的相位隨之變化。 當參考光與信號光相遇時將發(fā)生干涉， 干涉光的相位是被測量的函數(shù)，即干涉后 光束的相位受被測量的調制。 通過光探測器輸出的信號經(jīng)解調可得到被測量。 馬赫-曾德爾干涉型與麥克爾遜干涉型光纖傳感器的不同點在于： (1) 信號光纖可在被測環(huán)境中，而參考光纖可在其他環(huán)境中

47、； (2) 光的發(fā)射與接收在傳感器的兩端，屬雙端操作。 傳感器的優(yōu)點是靈敏度高，且由于它提供了兩個輸出信號，從而能避免向激光腔 的光反饋。 但它也具有兩個缺點： 其一是它所用的光纖較多，使用及安裝都比較麻煩； 其二是它需要一個參考光纖，而一般情況下它不和測量光纖安在同一位置， 這就 使得輸入臂與輸出臂不對稱，從而導致測量的不穩(wěn)定，環(huán)境對其影響較大，限制 了這種傳感器的應用。 雙折射單模光纖馬赫-曾德爾傳感器的工作原理： 它使用了一對雙折射單模光纖，當一束正交線性偏振的頻率子波被分為兩路射入 信號光纖和參考光纖，信號臂中 CD 1和3 2子波相位被測量調制。 調制后沿信號光纖快軸輸出的32子波在

48、光電檢測器D1處與參考臂中沿快軸傳 輸?shù)? 1子波進行光學差拍，同時信號臂中沿慢軸傳輸?shù)? 1子波與參考臂中沿 慢軸傳輸?shù)? 2子波在另一光電檢測器D2處差拍，兩差拍電流又被送入相位解 調器，進而得到被測量的變化規(guī)律。 其靈敏度較單個的MachZehnder干涉型光纖傳感器的靈敏度提高了 6倍。缺點 是系統(tǒng)復雜，造價高。 其靈敏度較單個的MachZehnder干涉型光纖傳感器的靈敏度提高了 6倍。缺點 是系統(tǒng)復雜，造價高 624法布里-珀羅干涉型光纖傳感器 法布里-珀羅(Fabry-Perot)干涉型光纖傳感器的特點：是采用單根光纖利用多 束光干涉來檢測被測量。避免了前兩種傳感器所需雙根光纖配

49、對的問題，且比 Michelson型光纖傳感器更適合于低頻率變化信號的測量。 Fabry-Perot(F-P型光纖傳感器可分為本征、非本征兩種。圖6.9和圖6.10分別為 其結構圖。 1 本征F-P型光纖傳感器 如圖6.9所示為本征F-P型光纖傳感器 檄刪傳觸 閭本征 這種傳感器的傳感頭的特點為： (1) 光纖F-P腔是由一段光纖和兩個端面上的反射鏡構成的。若兩個反射鏡的反 射率不同，則稱為非對稱本征F-P干涉腔；若兩個反射鏡的反射率相同，則稱為 對稱本征F-P干涉腔； (2) 構成F-P腔的一段光纖與傳光光纖為同一種光纖，便于光纖F-P腔與傳光光 纖的連接。 (3) 所設計的F-P腔的性價比

50、高，入射光與諸束出射干涉光在F-P腔的同側，便 于安裝使用； (4) 使用一條光纖完成信號光與參考光的傳輸，使傳感器結構簡單、體積小、成 本低，特別適用于惡劣的監(jiān)測環(huán)境，它的前景十分樂觀。 光纖F-P干涉腔是由一段光纖的兩個端面上所鍍的反射面形成的。(看PPT吧！ !) 非本征F-P型光纖傳感器的傳感頭的特點為： 光纖F-P腔是由兩段光纖的兩個端或一根光纖的一個端面和另一個被測面構成。 若兩個反射面要平等放置，且一般情況下在兩個面上鍍上反射率相同反射鏡面。 由于兩個反射面間是空氣，故稱為非本征 F-P干涉(EFPI)。 F-P 干涉結構最為簡單。主要優(yōu)點是： (1) F-P 干涉結構只用一根光

51、纖就可以實現(xiàn)傳感與傳光兩種功能，因而光路體積 小，調整較為簡單； (2) 光纖F-P干涉腔是由兩個平行反射端面構成的，當入射光進入 F-P腔后發(fā)生 多次反射形成多束反射光與透射光。由于任何兩束反射光 (或透射光 )都滿足干涉 條件，因此相遇時會發(fā)生干涉，且F-P結構的干涉光光強相對于相位差的靈敏度 1/比其他干涉結構都高； (3) F-P 結構只有短短的腔體感受外界環(huán)境的變化，因此若對腔體合理設計，它 的抗干擾能力就會比其他干涉結構高得多； (4) 由于F-P結構測量時的靈敏度高，簡單的信號處理電路就可滿足測試要求， 所以整個系統(tǒng)調整簡單、價格相對較低。 6.2.5 布拉格光柵型光纖傳感器( PPT) 光柵的 Bragg 波長為B2ne 6.3 偏振調制型光纖傳感器 光波是一種橫波，它的光矢量是與傳播方向垂直的。 線偏振光 :如果光波的光矢量方向始終不變，只是它的大小隨位相改變，這樣的 光稱線偏振光。