光纤传感课件ch2光纤系统转换器和元件连接

光纤测量与传感技术 第一章第一章 光纤的基本原理光纤的基本原理 第二章第二章 光纤系统转换器和元件连接光纤系统转换器和元件连接 第三章第三章 光纤衰减测量光纤衰减测量 第四章第四章 光纤色散测量光纤色散测量 第一篇第一篇 光纤基础知识光纤基础知识 光纤测量与传感技术 第二章 光纤系统转换器 和元件连接 光纤测量与传感技术 第二章 光纤系统转换器与元件连接 本章学习要求： u熟悉电光转换器（光源）的特性和典型光源。 u熟悉光电转换器（光探测器），包括光探测器的特 性参数、光探测器的原理、半导体光电探测器、光 电倍增管。 u熟悉光纤连接器和固定接头，包括光纤连接损耗、 光纤活功连接器、光纤固定接头。 u了解光纤定向耦合器，包括耦合器的分类、耦合器 的基本工作原理、 耦合器的性能参数及制备方法。 光纤测量与传感技术 2.1 引言 一般的光纤系统包括发射机、接收机、光纤传输线。 电光光电光传输 随着光纤技术的研究与开发的不断深入，光纤己从作为 通信系统的传输线， 发展成作为测量系统的各种传感器 。 光纤测量与传感技术 在光纤测量系统中，光源为光纤传感器提供必须的载波。被测物 理量通过光纤传感器调制光载波的参数(光强、相位、偏振、频 率、波长等)，然后由光探测器检测出被调制光波中的有用信号 。 光纤测量与传感技术 在光纤特性及其参数的测量系统中，光源和光 探测器也起着重要的作用。例如，在光纤色散的测 量中，光源的谱宽决定材料色散的大小。在光纤衰 减测量中，光源的中心波长决定光纤衰减量。因此 ，在光纤特性及其参数测量中，要根据测量的目的 来选择不同的光源和光探测器。 通常，光纤通信、光纤传感以及光纤测量中使 用的光源和光探测器有很大的区别，主要是光功率 的谱宽。 本章介绍光纤传感和光纤测量中经常使用的光 源和光探测器。重点介绍它们的基本特性、基本原 理以及基本类型，作为后续章节的预备知识。 光纤测量与传感技术 2.2 光源电光转换器 光源是光发射机的关键器件，其功能是把电 信号转换为光信号。 目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体 激光二极管或称激光器(LD)和发光二极管或称发 光管(LED)， 有些场合也使用固体激光器，例如 掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器。 光源为光纤传感器提供必须的载波！ 光纤测量与传感技术 对光源性能的基本要求 1.光源发光波长必须与光纤低损耗 窗口相符 石英光纤的损耗特性有三个低损耗窗口， 其中心波长分别为 850 nm、1310 nm和1550 nm。因此，光源的发光波长应与三个低损耗窗 口相符。 见下页图。 光纤测量与传感技术 850 nm、1310 nm和1550 nm 光纤测量与传感技术 2.足够的光输出功率 在室温下长时间连续工作的光源，必须按光系 统设计的要求，能提供足够的光输出功率。 目前激光二极管能提供500微瓦到10毫瓦的输 出光功率；发光二极管可提供10微瓦到1毫瓦的输 出光功率。 3.可靠性高、寿命长 现在的激光二极管可靠性已经比较高，寿命长 。 激光二极管寿命105小时，发光二极管寿命107 小时。 光纤测量与传感技术 4 温度稳定性好 器件应能在常温下以连续波方式工作。要求 温度稳定性好。 5 调制特性好 允许的调制速率要高或响应速度要快，以满 足系统的大传输容量的要求。 光纤测量与传感技术 6 光谱宽度要窄 光谱单色性要好，即谱线宽度要窄，以减小光 纤色散对带宽的限制。 LD 线宽 0.5时，说明这种能级被电 子占据的概率大于50%；当能级E Ef ，p(E) Ith 时，激光 器发出的是受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。 光纤测量与传感技术 式中， 和 ksi分别称为弛豫频率和阻尼因 子。激光器调制频率特性在 处有谐振峰，调 制频率大于 时，输出光功率急剧下降。所以 ，可以把弛豫频率作为调制速率的上限。 四、频率特性 在直接光强调制下，激光器输出光功率 P 和 调制频率 f 的关系为 光纤测量与传感技术 图为半导体 激光器的直 接调制频率 特性。弛豫 频率 fT 是调 制频率的上 限，一般激 光器的 fT 为 12 GHz。 在接近 fT 处 ，数字调制 要产生弛豫 振荡，模拟 调制要产生 非线性失真 。 光纤测量与传感技术 五、 温度特性 激光器输出光功率随温度而变化有两 个原因：一是激光器的阈值电流 Ith 随温 度升高而增大，二是外微分量子效率d随 温度升高而减小。 光纤测量与传感技术 温度升高时，Ith增大，d 减小， 输出光功率 明显下降，达到一定温度时，激光器就不激射 了。当以直流电流驱动激光器时，阈值电流随 温度的变化更加严重。当对激光器进行脉冲调 制时，阈值电流随温度呈指数变化，在一定温 度范围内，可以表示为 式中，I0为常数，T为结区的热力学温度，T0为 激光器材料的特征温度。 P-I 曲线随温度的变化如下图所示。 光纤测量与传感技术 光纤测量与传感技术 3.1.3 分布反馈激光器 如果激光器同时有多个模式振荡, 就称为多 模激光器。 前面讨论的 F-P 腔激光器就是多模激光器。 半导体激光器的光谱特性主要由其纵模决定 。 多模情况谱线会变宽！ 而单模谱线较窄！ 光纤测量与传感技术 D：为单模光纤色散系数。色散系数。 ：为光源的谱线宽宽。 对于单模光纤，色散为： 由于光纤中存在色散，谱宽很宽对 高速光通信系统是很不利的，因此光源 的谱宽应尽可能地窄，即希望激光器仅 仅工作在单纵模状态，这样的激光器称 为单纵模激光器。 光纤测量与传感技术 要求新型半导体激光器的谱线宽度更窄 ，并在高速率脉冲调制下保持动态单纵模特 性；发射光波长更加稳定，并能实现调谐； 阈值电流更低，而输出光功率更大。 具有这些特性的动态单纵模激光器有多 种类型，其中性能优良并得到广泛应用的是 分布反馈(Distributed Feed Back, DFB )激光 器。 光纤测量与传感技术 1、结构特点 DFB激光器结构上的特点是：激光器不是 由反射镜面来提供，而是由折射率周期性变化 的波纹结构（波纹光栅）来提供，即在有源层 的一侧制作波纹光栅。 光纤测量与传感技术 2、工作原理 DFB 激光器的基本工作原理，可以用布 喇格反射来说明。波纹光栅是由于材料折射 率周期性变化而形成，它为受激辐射产生的 光子提供周期性的反射点，在一定的条件下 ，所有的反射光同相叠加，形成某方向光的 主极强。 光纤测量与传感技术 布喇格反射原理 光纤测量与传感技术 分布反馈(DFB)激光器 (a) 结构； (b) 光反馈 光纤测量与传感技术 光纤测量与传感技术 光栅周期由下式布喇格反射条件确定： 式中，为波纹光栅的周期长度，也称栅 距；ne为材料有效折射率；B为布喇格波 长；m为整数，称为衍射级数。 光纤测量与传感技术 DFB激光器与F-P激光器相比，具有 以下优点： 单纵模激光器。 谱线窄， 波长稳定性好。 动态谱线好。 线性好。 3.30 第五次课结束点！ 光纤测量与传感技术 3.1.4 发光二极管 1、工作原理 发光二极管(LED)的工作原理与 激光器(LD)有所不同， LD发射的是受 激辐射光-激光，LED发射的是自发辐 射光-荧光。 光纤测量与传感技术 2、LED的结构 LED的结构和LD相似，大多是采用 双异质结(DH)芯片，把有源层夹在P型和 N型限制层中间，不同的是LED不需要光 学谐振腔， 没有阈值。 光纤测量与传感技术 LD的结构 LED的结构 光纤测量与传感技术 LED光谱特性 3、LED工作特性： (1) 光谱特性。 光纤测量与传感技术 (2) 光束的空间分布。 在垂直于发光平面上， 正面发光型LED辐射图呈朗 伯分布， 即P()=P0 cos，半功率点辐射角120。侧面 发光型LED，120，2535。由于大，LED 与 光纤的耦合效率一般小于10% 。 光纤测量与传感技术 (3) 输出光功率特性。 在通常工作条件下，LED工作电流为50100mA ， 输出光功率为几mW，由于光束辐射角大，入纤光功率 只有几百W。 发光二极管(LED)的P - I特性 光纤测量与传感技术 (4) 频率特性。 e为少数载流子(电子)的寿命 光纤测量与传感技术 3.1.5 半导体光源一般性能和应用 LED通常和多模光纤耦合，用于1.3m(或0.85m) 波长的小容量短距离系统。 LD通常和G.652或G.653规范的单模光纤耦合，用于 1.3m或1.55m大容量长距离系统，这种系统在国 内外都得到最广泛的应用。 分布反馈激光器(DFB-LD)主要和G.653或G.654规范的 单模光纤或特殊设计的单模光纤耦合，用于超大容量 的新型光纤系统，这是目前光纤通信发展的主要趋势 。 光纤测量与传感技术 光纤测量与传感技术 光纤测量与传感技术 在实际应用中，通常把光源做成组件，同时利用热敏电 阻和冷却元件进行温度监测和自动温度控制(ATC)。 光纤测量与传感技术 本节作业 ： 1. 简述光纤传感系统对光源性能的基本要求。 2. 试绘出LED及LD的PI曲线，并说明二者在 发光机理及光谱上有何不同。 3. 一半导体激光器，谐振腔长L300m，工作 介质损耗1mm1，谐振腔镜面的反射率分 别为R199、R230，求激光器的阈值增 益系数。 光纤测量与传感技术 2.3 光电转换器光探测器 光探测器： 对各种光辐射进行接 收和探测的器件。 光电探测器是光接收系统的前端，其灵敏 度、带宽等特性参数直接影响光纤系统的 总体性能。 光纤测量与传感技术 2.3.1 光探测器的特性参数 一、量子效率 因而 光电子形成光电流，光电流与光功率成正比。称为 光电转换因子。 光探测器吸收光子产生光电子。每吸收一个光子 产生一个光电子的几率定义为量子效率。 光源的效率？ 光纤测量与传感技术 激光器的电/光转换效率用外微分量子效率d eta 表示，其定义是在阈值电流以上，激光 器输出光子数的增量与注入电子数的增量之 比，表达式为 前面学习过 光纤测量与传感技术 二、响应度 响应度是与量子效率相对应的宏观参数。它包括电 压响应度和电流灵敏度。 1. 电压响应度Rv 电压响应度定义为入射的单位光功率所能产生 的信号电压，即 Rv = Us / P 2. 电流灵敏度Sd 电流灵敏度定义为入射的单位光功率所能产生 的传导电流，即 Sd = Is / P 光纤测量与传感技术 三、光谱响应 光谱响应是光探测器的响应度随入射光波长 变化的特性。 光谱响应的截止波长 ：当响应度下降到其 峰值的50时，所对 应的波长c。 光纤测量与传感技术 四、频率响应和响应时间 式中R(0)为调制频率为零时的响应度；为探测器的 时间常数。由探测器的材料、结构及外电路决定。 频率响应是在入射光波长一定的条件下，探测器的响 应度随入射光信号的调制频率变化的特性。 探测器的频率响应R(f)可表示为 理论上规定 时的调制频率fc为探测器的响 应频率。 光纤测量与传感技术 五、噪声等效功率（Noise Effect Power） 式中各量均取有效值。 NEP越小，探测器的探测能力越强。 等效噪声功率（NEP）定义为探测器输出电压恰好 等于输出噪声电压时的入射光功率，即 光纤测量与传感技术 六、探测度 探测度(D)定义为NEP的倒数，即 D1NEP (1w) D表示探测器的探测能力，其值越大越好。 光纤测量与传感技术 2.3.2 光电探测器的原理 探测器在受光照射后，吸收了光子的 能量，并把它转换成另一种能量，因此光 探测器是将光能转换为其它能量的换能器 。 光探测器可分为热电探测器和光电探 测器。 光纤测量与传感技术 热电探测器的原理是基于光辐射引起探 测器温度上升，从而使与温度有关的电物理 量产生变化，测量其变化便可测定入射光的 能量或功率。 而在光纤传感系统中所用的光探测器多 半是光电探测器光电探测器。所应用的光电效应主要 有光电子发射效应、光电导效应、光伏效应 及光电磁效应等。下面介绍这四种效应。 光纤测量与传感技术 一、光电子发射效应 电子吸收光子能量后逸出材料表面成为光电 子。这种效应称为光电子发射或外光电效应。 爱因斯坦方程 光纤测量与传感技术 二、光电导效应 电子吸收光子能量，从原来的束缚态变 成导电的自由态，导致半导体材料的电导增 大，这种现象称为光电导效应。它是一种内 光电效应。 光敏管及光敏电阻的光电效应属于此类效应。 光纤测量与传感技术 三、光生伏特效应 光子照射结区附 近产生少数载流子(电 子空穴对)，依靠结 电场使电子漂移到N 区，空穴漂移到P区 而产生附加电动势。 此电动势称为光生电 动势，此效应称为光 生伏特效应。 光纤测量与传感技术 四、光电磁效应 将半导体样品置于强磁场中，用激光辐 射线垂直照射其表面。当光子能量足够大时 ，在表面层内激发出光生载流子-电子空穴对 ，并在样品表面层和体内形成载流于浓度梯 度，于是光生载流子向体内扩散。在扩散过 程中，由于磁场产生的洛仑兹力的作用，电 子和空穴偏向样品两端，产生电荷积累，这 就是光电磁效应。 光纤测量与传感技术 2.3.3 半导体光电探测器 1、光电二极管工作原理 光电二极管(PD)把光信号转换为电信号的功能， 是 由半导体PN结的光电效应实现的。 光纤测量与传感技术 光电二极管通常要施加适当的反向偏压，目 的是增加耗尽层的宽度，缩小耗尽层两侧中性 区的宽度，从而减小光生电流中的扩散分量。 由于载流子扩散运动比漂移运动慢得多， 所以减小扩散分量的比例便可显著提高响应速 度。但是提高反向偏压，加宽耗尽层，又会增 加载流子漂移的渡越时间，使响应速度减慢。 为了解决这一矛盾， 就需要改进PN结光电 二极管的结构。 光纤测量与传感技术 2、PIN光电二极管 由于PN结耗尽层 只有几微米，大部分入 射光被中性区吸收， 因而光电转换效率低， 响应速度慢。为改善器 件的特性，在PN结中 间设置一层掺杂浓度很 低的本征半导体(称为 I)，这种结构便是常用 的PIN光电二极管。 光纤测量与传感技术 图3. 21 PIN光电二极管结构 光纤测量与传感技术 PIN光电二极管响应度 量子效应率 与波长 的关系 光纤测量与传感技术 3、雪崩光电二极管(APD) 光电二极管输出电流I和反偏压U的关 系示于图。 随着反向偏压的增加，开始光 电流基本保持不变。当反向偏压增加到一 定数值时，光电流急剧增加，最后器件被 击穿，这个电压称为击穿电压UB。APD就 是根据这种特性设计的器件。 光纤测量与传感技术 图 光电二极管输出电流I和反向偏压U的关系 (返回） 光纤测量与传感技术 根据光电效应，当光入射到PN结时， 光 子被吸收而产生电子 - 空穴对。如果电压增 加到使电场达到200 kV/cm以上，初始电子(一 次电子)在高电场区获得足够能量而加速运动 。高速运动的电子和晶格原子相碰撞，使晶格 原子电离，产生新的电子 - 空穴对。新产生 的二次电子再次和原子碰撞。如此多次碰撞， 产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增，见图 。所以这种器件就称为雪崩光电二极管(APD) 。 光纤测量与传感技术 APD载流子雪崩式倍增示意图 光纤测量与传感技术 APD结构图 光纤测量与传感技术 （1） 倍增因子 由于雪崩倍增效应是一个复杂的随机过程，所以用这种 效应对一次光生电流产生的平均增益的倍数来描述它的放大 作用， 并把倍增因子g定义为APD输出光电流Io和一次光生 电流Ip的比值。 显然，APD的响应度比PIN增加了g倍。根据经验，并考 虑到器件体电阻的影响，g可以表示为 式中， UB为反向偏压，UB为击穿电压，n为与材料特性 和入射光波长有关