光纤传感课件ch2_光纤系统转换器和元件连接

1、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第二章第二章 光纤系统转换器与元件连接光纤系统转换器与元件连接本章学习要求：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、耦合器的根本工作原理、 耦合器的性能参数及制备方法。光纤测量与传感技术2.1 引言引言一般的光纤系统包括发射机、接收机、光纤传输线。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

2、研究与开发的不断深入，光纤己从作为通信系统的传输线， 开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，在光纤测量系统中，光源为光纤传感器提供必须的载波光源为光纤传感器提供必须的载波。被测物。被测物理量通过光纤传感器理量通过光纤传感器调制光载波的参数调制光载波的参数( (光强、相位、偏振、频光强、相位、偏振、频率、波长等率、波长等) )，然后由光探测器检测出被调制光波中的有用信号。，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，在光纤色散的测探测器也

3、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，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。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，主要是光功率用的光源和光探测器有很大的区别，主要是光功率的谱宽。的谱宽。 本章介绍光纤传感和光纤测量中经常使用的光本章介绍光纤传感

4、和光纤测量中经常使用的光源和光探测器。重点介绍它们的根本特性、根本原源和光探测器。重点介绍它们的根本特性、根本原理以及根本类型，作为后续章节的预备知识。理以及根本类型，作为后续章节的预备知识。光纤测量与传感技术2.2 2.2 光源光源电光转换器电光转换器 光源光源是光发射机的关键器件，其功能是把电是光发射机的关键器件，其功能是把电信号转换为光信号。信号转换为光信号。 目前光纤通信广泛使用的光源主要有目前光纤通信广泛使用的光源主要有半导体半导体激光二极管激光二极管或称或称激光器激光器(LD)和和发光二极管发光二极管或称或称发发光管光管(LED)， 有些场合也使用有些场合也使用固体激光器固体激光器

5、，例如，例如掺钕钇铝石榴石掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器激光器。 光源为光纤传感器提供必须的载波！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根本要求对光源性能的根本要求1.1.光源发光波长必须与光纤低损耗光源发光波长必须与光纤低损耗窗口相符窗口相符 石英光纤的损耗特性有三个低损耗窗口三个低损耗窗口，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2.2.足够的光输出功率足够的光输出功率 在室温下室温下长时

6、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。 目前激光二极管激光二极管能提供500500微瓦到微瓦到1010毫瓦毫瓦的输出光功率；发光二极管发光二极管可提供1010微瓦到微瓦到1 1毫瓦毫瓦的输出光功率。3.3.可靠性高、寿命长可靠性高、寿命长 现在的激光二极管可靠性已经比较现在的激光二极管可靠性已经比较高，寿命长。高，寿命长。 激光二极管寿命激光二极管寿命105105小时，发光二小时，发光二极管寿命极管寿命107107小时。小时。光纤测量与传感技术4 4 温度稳定性好温度稳定性好 器件器件应能在常温下常温下以连续波方式工作。要求温度稳定性好温度稳定性好。5 5 调制特性

7、好调制特性好 允许的调制速率调制速率要高要高或响应速度响应速度要快要快，以满足系统的大传输容量的要求。 光纤测量与传感技术6 6 光谱宽度要窄光谱宽度要窄 光谱单色性要好光谱单色性要好，即谱线宽度要窄，以减小光纤色散对带宽的限制。 LD 线宽线宽 2nm； LED 线宽线宽在100nm左右。7 7 与光纤之间的耦合效率高与光纤之间的耦合效率高 光源光源发出的光光最终要耦合进光纤才能进行传输，因此希望光源与光纤之间有较高的耦合效率，使入射功率大，中继间距加大。 目前一般激光的耦合效率为目前一般激光的耦合效率为 20% 30% 较高水平的耦合效率可超过较高水平的耦合效率可超过 50%光纤测量与传感

8、技术8 8 体积小，重量轻体积小，重量轻 要求器件体积小，重量轻，安装使要求器件体积小，重量轻，安装使用方便，价格廉价。用方便，价格廉价。 激光器的工作物质可以是气体、激光器的工作物质可以是气体、液体、固体。也可以是半导体。由于液体、固体。也可以是半导体。由于半导体激光器调制方便、体积小、便半导体激光器调制方便、体积小、便于与光纤耦合，是光纤通信最为适宜于与光纤耦合，是光纤通信最为适宜的光源。的光源。光纤测量与传感技术1. 光源发光波长必须与光纤低损耗窗口相符；光源发光波长必须与光纤低损耗窗口相符；2. 足够的光输出功率；足够的光输出功率；3. 可靠性高、寿命长；可靠性高、寿命长；4. 温度稳

9、定性好；温度稳定性好；5. 调制特性好；调制特性好；6. 光谱宽度要窄；光谱宽度要窄；7. 与光纤之间的耦合效率高；与光纤之间的耦合效率高；8. 体积小，重量轻。体积小，重量轻。光纤通信和传感对光源性能的根本要求光纤通信和传感对光源性能的根本要求小结小结光纤测量与传感技术光源的特性光源的特性 只有了解光源的特性，在系统设计只有了解光源的特性，在系统设计中才能选择适宜有效的光源。中才能选择适宜有效的光源。 一、输出功率特性一、输出功率特性 ( P) 对于一个带有光纤输出的光源，要对于一个带有光纤输出的光源，要求是从光纤终端射出的光通量应最大。求是从光纤终端射出的光通量应最大。这个量的大小取决于光

10、源的波长和射入这个量的大小取决于光源的波长和射入光纤的光通量。光纤的光通量。 射入光纤的光通量与光源和光纤的射入光纤的光通量与光源和光纤的耦合效果以及光源的亮度有关。耦合效果以及光源的亮度有关。光纤测量与传感技术 由光源射入光纤内的光功率取决于该光纤的面积与立体角的乘积以及光源的亮度。光源的面积和光纤的数值孔径应精确地匹配。在实际中，人们常用透镜结构来实现最正确的功率耦合。不同类型光纤接收同等的功率所需要的光源亮度值相差很多。光纤测量与传感技术二、辐射频谱特性二、辐射频谱特性 P() 光源辐射的频谱特性应与光纤波导的传光源辐射的频谱特性应与光纤波导的传输频响特性匹配。损耗和色散输频响特性匹配。

11、损耗和色散 SiO2光纤的损耗曲线说明，除光纤的损耗曲线说明，除OH根的根的吸收峰值外，光纤损耗随波长的增加而减小。吸收峰值外，光纤损耗随波长的增加而减小。在波长为在波长为0.8-1.6微米的区域内，传输损耗微米的区域内，传输损耗较低。较低。 由于材料的折射率随波长变化，故光源由于材料的折射率随波长变化，故光源的频谱宽度会影响光纤的材料色散程度。的频谱宽度会影响光纤的材料色散程度。3月14日第三次课讲到此！光纤测量与传感技术三、电光转换特性三、电光转换特性 施加于光源的电偏置对光输出有直接影响。通常，施加于光源的电偏置对光输出有直接影响。通常，输出功率值随电鼓励的增加而增加。但是，器件的温输出

12、功率值随电鼓励的增加而增加。但是，器件的温度也随电鼓励的增加而升高。因此，对于大多数电光度也随电鼓励的增加而升高。因此，对于大多数电光变换器来说，非恒温的输出光功率比恒温的稍低，且变换器来说，非恒温的输出光功率比恒温的稍低，且光频将发生变化。光频将发生变化。u 发光二极管(LED)，由于能带间隙随温度产生微小变化引起的。u 激光器(LD)，由于腔体长度、激光媒质折射率、激光媒质的非续性效应以及影响折射率的电子浓度受热扰动的结果。电偏置即为光源的调制信号！电偏置即为光源的调制信号！因此，输出因此，输出强度强度和和频率频率通常都是电偏置的函数。通常都是电偏置的函数。线性最好！线性最好！Eg(T)E

13、g(0)f (T)光纤测量与传感技术四、环境特性四、环境特性 除某些半导体光源外，大多数光源的平除某些半导体光源外，大多数光源的平均寿命都在几千小时范围内。其均寿命都在几千小时范围内。其输出功率常输出功率常常随使用时间下降常随使用时间下降，且与，且与工作环境工作环境温度温度密切密切相关。相关。 光源的工作状态对温度变化非常灵敏。所以在给定的温度范围内采用散热装置、防热层和冷却等措施来维持光源的正常工作。光纤测量与传感技术总结：光源的重要特性总结：光源的重要特性功率；足够大输出频率；与光纤特性匹配电光转换特性线性环境特性，温度输出稳定性等等。光纤测量与传感技术典型光源典型光源 常用光源常用光源非

14、相干光源非相干光源相干光光源相干光光源白炽光源白炽光源气体放电光源气体放电光源发光二极管发光二极管激光器激光器GaP、GaN、SiC可见光可见光LEDGaAs红外红外LED气、液、固、半导体气、液、固、半导体光纤测量与传感技术一、白炽光源一、白炽光源 白炽光源白炽光源属于温度辐射体，具有连续的光谱属于温度辐射体，具有连续的光谱分布。辐射光是从通有电流的钨丝发出来的。分布。辐射光是从通有电流的钨丝发出来的。 钨丝的熔点约为钨丝的熔点约为3600K，钨丝装在抽成真空，钨丝装在抽成真空的或充有惰性气体的玻璃泡里，工作温度通常在的或充有惰性气体的玻璃泡里，工作温度通常在22003000 K。白炽灯发光

15、近于黑体辐射。光源。白炽灯发光近于黑体辐射。光源的亮度正比于辐射体热力学温度的的亮度正比于辐射体热力学温度的4次方，辐射次方，辐射光谱的峰值波长与辐射体的温度成反比。光谱的峰值波长与辐射体的温度成反比。光纤测量与传感技术 白炽光源白炽光源属于温度辐射体，具有连续的光谱分属于温度辐射体，具有连续的光谱分布。辐射光是从通有电流的钨丝发出来的。布。辐射光是从通有电流的钨丝发出来的。特点：特点：1. 光功率分散光功率分散(在在 4之内之内)2. 发射谱中，对发射谱中，对光纤传感光纤传感有用有用的可见和红外的可见和红外比例少比例少。3. 亮度高会造成亮度高会造成温度高，进而温度高，进而造成光源寿命造成光

16、源寿命缩短。缩短。10001500小时小时光纤测量与传感技术二、气体激光器二、气体激光器 气体激光器气体激光器通常用于要求通常用于要求高度相干高度相干的系统中。的系统中。 最常用的气体激光源有：最常用的气体激光源有： 工作波长为工作波长为0.633 m或或1.15 m的的氦氖氦氖(He-Ne)激光器激光器; 工作波长为工作波长为10.6m的的二氧化碳二氧化碳(CO2)激光器激光器; 工作波长为工作波长为0.516 m的的氩离子氩离子(Ar+)激光器激光器。 光纤测量与传感技术 He-Ne激光器容易到达单纵模工作状态，一种方法是减小激光腔的长度。使得在激光带宽内只发生一个振荡模。这种单模的线宽非

17、常窄，低到1kHz的宽度(相当于空气中300 km的相干长度)。比较典型的线宽是几kHz。2.6E14 Hz光纤测量与传感技术 三、固体激光器三、固体激光器 常见的固体激光器有红宝石激光器常见的固体激光器有红宝石激光器(Ruby, Cr3+:Al2O3)、钕玻璃激光器、钕玻璃激光器(Nd:glass)和掺钕和掺钕亿铝石榴石激光器亿铝石榴石激光器(Nd:YAG)。 三者各有其特点，以三者各有其特点，以Nd:YAG激光器应用激光器应用最广。特别是用最广。特别是用Nd:YAG晶体光纤制成的小型晶体光纤制成的小型激光器更是光纤系统的理想光源。典型情况工激光器更是光纤系统的理想光源。典型情况工作于作于1

18、.064 m波长波长.光纤测量与传感技术 三、固体激光器三、固体激光器Nd:YAG晶体激光器晶体激光器通过光纤耦合通过光纤耦合系统系统输出能输出能量量完成金属的重熔和焊接。完成金属的重熔和焊接。光纤测量与传感技术 三、固体激光器三、固体激光器Nd:YAG晶体激晶体激光器通过光纤耦光器通过光纤耦合系统输出能量合系统输出能量完成金属的重熔完成金属的重熔和焊接。和焊接。光纤测量与传感技术四、半导体光源四、半导体光源 半导体光源是光纤系统中最常用的、也是半导体光源是光纤系统中最常用的、也是最重要的光源。其主要优点是体积小、重量轻、最重要的光源。其主要优点是体积小、重量轻、可靠性高、使用寿命长，亮度足够

19、、供电电源可靠性高、使用寿命长，亮度足够、供电电源简单等。它与光纤的特点相容，因此，在光纤简单等。它与光纤的特点相容，因此，在光纤传感器和光纤通信中得到广泛应用。传感器和光纤通信中得到广泛应用。 本节要点：本节要点：一半导体激光器一半导体激光器LD二发光二极管二发光二极管(LED)三半导体光源一般性能和应用三半导体光源一般性能和应用深圳市迅捷光通科技深圳市迅捷光通科技 光纤测量与传感技术一、受激辐射和粒子数反转分布一、受激辐射和粒子数反转分布 略略一半导体激光器一半导体激光器LD 半导体激光器工作原理和根本结构半导体激光器工作原理和根本结构光纤测量与传感技术一能带概念一能带概念 半导体是由大量

20、原子周期性有序半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体。在这种晶体中，排列构成的共价晶体。在这种晶体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带。态扩展成能级连续分布的能带。 一般来说，如果内层电子态之间一般来说，如果内层电子态之间的交叠小，原子间的影响弱，分成的的交叠小，原子间的影响弱，分成的能带比较窄；外层电子态之间的交叠能带比较窄；外层电子态之间的交叠大，原子间的影响强，分成的能带比大，原子间的影响强，分成的能带比较宽。较宽。 电子填充能带时，将从最低能带电子填充能带时，将从最低能带开始向上依次填充各个能带的能级。开始向上依次填充各

21、个能带的能级。二二 、PN结的能带和电子分布结的能带和电子分布离子晶体、共价晶体、金属晶体离子晶体、共价晶体、金属晶体光纤测量与传感技术1 1价带价带 原子最外层的价电子所占据的能带称为价带。原子最外层的价电子所占据的能带称为价带。价带中的电子不能导电，价带中只有空穴才能价带中的电子不能导电，价带中只有空穴才能导电；导电；2 2导带导带 价带上面邻近的空带，即自由电子占据的能价带上面邻近的空带，即自由电子占据的能带称为导带。带称为导带。 原子的电子与空穴的复合发光过程，主要发原子的电子与空穴的复合发光过程，主要发生在导带和价带之间。生在导带和价带之间。(a) 本征半导体； (b) N型半导体；

22、 (c) P型半导体 光纤测量与传感技术3 3满带满带 除了最外层外，内层所有能带都被电子填满，除了最外层外，内层所有能带都被电子填满，故称为满带。故称为满带。4 4禁带禁带 导带底的能量和价带顶的能量之间的能量差导带底的能量和价带顶的能量之间的能量差称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带。称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带。 光纤测量与传感技术二电子分布二电子分布 根据量子统计理论，在热平衡状根据量子统计理论，在热平衡状态下，能量为态下，能量为 E E 的能级被电子占据的能级被电子占据的概率为费米分布：的概率为费米分布：)exp(11)(kTEEEpf 式中，k为波兹曼常数波兹曼常数，T

23、为热力学温度热力学温度。Ef 称为费米能级费米能级，它是半导体半导体的一个参数一个参数。光纤测量与传感技术 当能级 E 0.5时，说明这种能级被电子占据的概率概率大于50%；当能级E Ef ，p(E) 0.5时，说明这种能级被电子占据的概率概率小于50%。 也就是说，低于费米能级低于费米能级Ef 的能级被电子占据的概概率大率大，高于费米能级高于费米能级Ef 的能级被电子占据的概率概率小。光纤测量与传感技术三三P P型半导体和型半导体和N N型半导体的能带型半导体的能带 1 1接触前接触前P P型、型、N N型半导体的能带图型半导体的能带图 主要由空穴导电的半导体称为主要由空穴导电的半导体称为P

24、 P型半导体。当型半导体。当重掺杂时，费米能级会进入价带，称为简并型重掺杂时，费米能级会进入价带，称为简并型P P型型半导体；半导体； 主要由电子导电的半导体称为主要由电子导电的半导体称为N N型半导体。当型半导体。当重掺杂时，费米能级会进入导带，称为简并型重掺杂时，费米能级会进入导带，称为简并型N N型型半导体。半导体。 PositiveNegative光纤测量与传感技术接触前PN半导体的能带图 严格来说，费米能级是指费米子系统在趋于绝对零度时的化学势；但是在半导体物理和电子学领域中，费米能级那么经常被当做电子或空穴化学势的代名词。 光纤测量与传感技术2 2接触后接触后P P型、型、N N型

25、半导体的能带图型半导体的能带图 当当P P型半导体型半导体N N型半导体结合时形型半导体结合时形成成PNPN结后，由于载流子向对方互相扩结后，由于载流子向对方互相扩散的结果，使散的结果，使N N区的费米能级降低，区的费米能级降低，P P区的费米能级升高，到达热平衡时，区的费米能级升高，到达热平衡时，形成了统一的费米能级。形成了统一的费米能级。 因此在热平衡状态下，高能级上因此在热平衡状态下，高能级上电子数少，低能级上电子数多，未能电子数少，低能级上电子数多，未能形成粒子数反转分布。形成粒子数反转分布。光纤测量与传感技术接触后PN半导体的能带图 动画演示光纤测量与传感技术 3 3外加正向偏压下外

26、加正向偏压下 PN PN 结半导体结半导体的能带图的能带图 当当PNPN结加上正向偏压时，破坏了结加上正向偏压时，破坏了热平衡时统一的费米能级，在热平衡时统一的费米能级，在P P区和区和N N区各自形成了准费米能级。这时，导区各自形成了准费米能级。这时，导带中费米能级以下充满了电子，价带带中费米能级以下充满了电子，价带中费米能级以上没有电子，因此，形中费米能级以上没有电子，因此，形成了粒子数反转分布，成为激活区，成了粒子数反转分布，成为激活区，称为半导体激光器的有源区。称为半导体激光器的有源区。光纤测量与传感技术光纤测量与传感技术 外加正向偏压将外加正向偏压将N N区的电子、区的电子、P P区

27、的空穴注入到区的空穴注入到PNPN结，结，实现了粒子数反转分布，使之成为激活物质实现了粒子数反转分布，使之成为激活物质PNPN结为激结为激活区。在激活区，电子空穴对复合发射出光。活区。在激活区，电子空穴对复合发射出光。在激活区激活区，电子空穴对复合发射出光电子空穴对复合发射出光光纤测量与传感技术三三 、激光振荡和光学谐振腔、激光振荡和光学谐振腔 粒子数反转分布粒子数反转分布是产生受激辐射的必要条件必要条件，但还不能产生激光不能产生激光。只有把激活物质激活物质置于光学谐振腔中光学谐振腔中，对光的频频率率和方向方向进行选择，才能获得连续的光光放大放大和激光振荡输出激光振荡输出。 光纤测量与传感技术

28、1 1、法布里、法布里- -珀罗珀罗 (F-P) (F-P) 谐振腔谐振腔 激光器是由反射率为激光器是由反射率为100%100%R=1R=1的全反射镜与反射率为的全反射镜与反射率为90%95%90%95%R1R1的局的局部反射镜平行放置在工作物质两端以构成光部反射镜平行放置在工作物质两端以构成光学谐振腔。并被称为法布里学谐振腔。并被称为法布里- -珀罗珀罗(Fabry(FabryPerotPerot，F-P)F-P)谐振腔。谐振腔。光纤测量与传感技术法布里法布里- -珀罗珀罗 (F-P) 谐振腔谐振腔光纤测量与传感技术 2 2、阈值条件阈值条件及及相位条件相位条件 要产生激光振荡激光振荡还必须

29、满足阈值条件阈值条件及相位条件相位条件。 1 1、阈值条件、阈值条件 由于谐振腔内激活物质存在吸收，反射镜存由于谐振腔内激活物质存在吸收，反射镜存在透射和散射，因此光受到一定损耗。当增益和在透射和散射，因此光受到一定损耗。当增益和损耗相当时，在谐振腔内开始建立稳定的激光振损耗相当时，在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡，光波在谐振腔内往返一次应保持不变，即荡，光波在谐振腔内往返一次应保持不变，即2()221212()1ththLLLeeR ReR R 光纤测量与传感技术式中，th为阈值增益系数阈值增益系数，为谐振腔内激活激活物质的损耗系数物质的损耗系数，L为谐振腔的长度谐振腔的长度，R1，R2 1

30、 为两个反射镜的反射率反射镜的反射率。1)(212)(2122RReRReeLlLthth激光振荡激光振荡需要满足的阈值条件阈值条件为 1212)(RReLth光纤测量与传感技术例：对于GaAs材料的半导体激光器，其非涂覆解里面上R1=R2=0.32(也就是32%的辐射光在端面上被反射)，激活物质的损耗系数=1mm-1，谐振腔长L=500m，求阈值增益系数th 。解：由阈值条件得0ln2)(21RRLth阈值增益系数为 12111ln2111ln3.3mm2 0.50.32 0.32thLR R 3.23 第四次课结束点！第四次课结束点！光纤测量与传感技术2 2相位条件相位条件 激光振荡需要满

31、足的相位条件为激光振荡需要满足的相位条件为21,2,3,nLqq可以写成 qLn2式中，为激光波长激光波长，n为激活物质的折射率激活物质的折射率，q=1, 2, 3 称为纵模纵模模数模数。光纤测量与传感技术光纤测量与传感技术纵纵 模模 相位条件相位条件是是：谐振腔的长度谐振腔的长度应为半波半波长长的整数倍整数倍。对于给定的激光器，满足相相位条件位条件的波长波长称为激光模式激光模式，有一个波长对应一个模式，它与前面讨论的光纤中的光纤中的模模是不一样不一样的，前者为波导模式波导模式， 后者严格地说是空间模式空间模式，为了区别开，可以称为纵模纵模。 光纤测量与传感技术PNPN结结半导体激光器是用PN

32、结作激活区，用半导体天用半导体天然解里面作为反射镜组成光子谐振腔然解里面作为反射镜组成光子谐振腔，外加正向偏压作为泵浦源。 外加正向偏压将外加正向偏压将N N区的电子、区的电子、P P区的空穴注入到区的空穴注入到PNPN结，实现了粒子数反转分布，即使之成为激活物质结，实现了粒子数反转分布，即使之成为激活物质PNPN结为激活区。在激活区，电子空穴对复合发射结为激活区。在激活区，电子空穴对复合发射出光。出光。四、四、PN结半导体激光器产生激光的原理结半导体激光器产生激光的原理 光纤测量与传感技术 初始的光场初始的光场来源于导带和价带的自发辐射自发辐射，方向杂乱无章，其中偏离轴向的光子很快逸出腔外，

33、沿轴向运动的光子就成为受激辐射的外界因素，使之产生受激辐射而发射全同光子。 这些光子通过反射镜反射镜往返反射不断通过激活激活物质物质，使受激辐射过程如雪崩般地加剧，从而使光得到放大。在反射系数小于1的反射镜中输出，这就是经受激辐射放大的光 。即PNPN结半导体激光结半导体激光器产生激光输出的工作原理器产生激光输出的工作原理。 光纤测量与传感技术光纤测量与传感技术五、异质结半导体激光器五、异质结半导体激光器 PN结是由同一种半导体材料构成的，P区、N区具有相同的带隙、接近相同的折射率掺杂后折射率稍有变化，但很小，这种PN结称为同质结。 同质结导波作用很弱，光波在PN结两侧渗透较深，从而致使损耗增

34、大，发光区域较宽。 因此，同质结构成的光源有很大的缺点：发光不集中，强度低，需要较大的注入电流。器件工作时发热非常严重，必须在低温环境下工作，不可能在室温下连续工作。光纤测量与传感技术 为了克服同质结的缺点，需要加强结区的光波导作用及对载流子的限定作用，这时可以采用异质结异质结结构。所谓所谓异质结异质结，就是由带隙带隙及折射率折射率都不同不同的两种半导体材料构成的PN结。 异质结半导体激光器与同质结半导体激光器不同。它是利用利用不同折射率的材料来对不同折射率的材料来对光波进行限制光波进行限制，利用利用不同带隙的材料对载流不同带隙的材料对载流子进行限制子进行限制。光纤测量与传感技术 图给出了双异

35、质结DH半导体激光器加正向偏压时，能带的分布。如图。 光纤测量与传感技术 这样，注入到有源层的电子和空穴被限制限制在厚0.10.3 m的有源层内形成粒子数反转分布，这时只要很小的外加电流，就可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。 另一方面，有源层的折射率比限制层高，产有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制在有源区内生的激光被限制在有源区内，因而电/光转换效率很高，输出激光的阈值电流很低，很小的散热体就可以在室温连续工作可以在室温连续工作。光纤测量与传感技术半导体激光器的主要特性半导体激光器的主要特性一、一、 发射波长发射波长 半导体激光器的发射波长发射波长取决于导带的电子跃迁到价带时所释放的

36、能量，这个能量近似等于禁带宽度禁带宽度 Eg(eV )，即gEEEhf12光纤测量与传感技术f=c /， f 和分别为发射光的频率频率和波长波长，将将c = 3108 m/s为光速光速， h = 6.62810-34JS为普朗克常数普朗克常数， 1 eV = 1.610-19 J。代入上式得到代入上式得到发射波长发射波长为为 :)(24275. 1)(eVEmg不同半导体材料不同半导体材料有不同的禁带宽度禁带宽度Eg，因而有不不同的发射波长同的发射波长。如： gEEEhf12光纤测量与传感技术 对于镓铝砷对于镓铝砷- -镓砷镓砷 (GaAlAs-GaAs)材料禁带宽度Eg=1.47 eV，其发

37、射波长发射波长为为：适用于0.85 m波段。1.242751.24275(m)0.85()1.47gmEeV 对于铟镓砷磷对于铟镓砷磷- -铟磷铟磷(InGaAsP-InP)材料禁带宽度Eg=0.800.96 eV 。m30. 196. 024275. 1m)(m55. 180. 024275. 1m)(适用于1.31.55m波段。光纤测量与传感技术二二 、光谱特性、光谱特性 因为导带导带和价带价带都是由许多连续能级组成的有一定宽度的能带，两个能带中不同能级之间电子的跃迁会产生连续波长的辐射光，所以激光器发射光谱就有一定的谱线宽度谱线宽度。如图。 光纤测量与传感技术光纤测量与传感技术 光源的谱

38、线宽度是衡量光源单色性好坏的一个物理量。激光器发射光谱的宽度取决于激发的纵模数目，对于存在假设干个纵模的光谱线，画出包络线。 把光强下降一半时的两点间波长范围定义为输出谱线宽度半功率点全宽FWHP，用 表示。光纤测量与传感技术光纤测量与传感技术半导体光源的典型性半导体光源的典型性 器器 件件LDLEDDFB工作波长工作波长1.31m1.55m1.31m1.55m1.31m1.55m谱线宽度谱线宽度12 nm13 nm50100 nm60120 nm0.1nm 左右左右光纤测量与传感技术 1 1、 静态单纵模激光器静态单纵模激光器 随着驱动电流的增加，纵模模数逐渐随着驱动电流的增加，纵模模数逐渐

39、减少，谱线宽度变窄。减少，谱线宽度变窄。这种变化是由于谐振腔对光波频率和方向的选择，使边模消失选择，使边模消失、主模增益增加而产生的。当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，这种激光器称为静静态单纵模激光器态单纵模激光器。光纤测量与传感技术对于静态情况有信号调制时!光纤测量与传感技术 2 、动态单纵模激光器 由图可见，在高速数字调制下，随着调制电流增大，纵模模数增多，谱线宽度变宽。用 F-P谐振腔 可以得到的是直流驱动的静态单纵模激光器，但要得到高速数字调制的动态单纵模激光器，必须改变激光器的结构，例如采用分布反响激光器就可到达目的。光纤测量与传感技术三三 、转换效率和输出光功率特性、转换效率和

40、输出光功率特性 1 1 、转换效率、转换效率 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，激光器输输出光子数的增量出光子数的增量与注入电子数的增量注入电子数的增量之比，表达式为eIIhfPPeIhfPththd/ )(/ )(/光纤测量与传感技术 2 2 、输出光功率特性、输出光功率特性 由上式此得到激光器的光功率激光器的光功率 P 为 )(thdthIIehfPP式中，P 和 I 分别为激光器的输出光功率输出光功率和驱动驱动电流电流，Pth 和 I th 分别为相应的阈值，hf 和 e 分别为光子能量光子能量和和电子电荷电子电荷。 激光器的光功率特性通常用

41、 PI 曲线表示，以下图是典型激光器的光功率特性曲线。自发辐射功率自发辐射功率激光辐射功率激光辐射功率光纤测量与传感技术I/mAP/mW50100thI典型半导体激光器的光功率特性0.51.01.52.02.53.03.5激光辐射自发辐射-荧光（受激辐射）当I Ith 时，激光器发出的是受激辐射光受激辐射光，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分别称为弛豫频率弛豫频率和阻尼因阻尼因子子。激光器调制频率特性调制频率特性在 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。 2222)/(4)/(1 )0()(TTffffpfP

42、TfTfTf四、频率特性四、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五五、 温度特性温度特性 激光器输出光功率随温度而变化有两两个原因个原因：一是激光器的阈值电流阈值电流 Ith 随温度升高而增大，二是外微分量子效率量子效率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，到达一定温度时，激光器就不激射了。当

43、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)exp(00TTIIth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以下图所示。光纤测量与传感技术光纤测量与传感技术分布反响激光器分布反响激光器 如果激光器同时有多个模式振荡如果激光器同时有多个模式振荡, , 就称为多模激光器。就称为多模激光器。 前面讨论的前面讨论的 F-P F-P 腔激光器就是多腔激光器就是多模激光器。模激光器。 半导体激光器的光谱特性主要由半导体激光器的光谱特性主要由其纵模决定。其纵模决

44、定。多模情况谱线会变宽！多模情况谱线会变宽！ 而单模谱线较窄！而单模谱线较窄！光纤测量与传感技术D：为单模光纤 ：为光源的谱线宽宽。对于单模光纤，色散为：对于单模光纤，色散为：LD 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响(Distri

45、buted Feed Back, DFB )激光器。 光纤测量与传感技术1 1、结构特点、结构特点 DFB DFB激光器结构上的特点是：激光器不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，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。即在有源层的一侧制作波纹光栅。光纤测量与传感技术2 2、工作原理、工作原理 DFB DFB 激光器的根本工作原激光器的根本工作原理，可以用布喇格反射来说明。波纹理，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光栅是由于材料折射率周期性变化而形成

46、，它为受激辐射产生的光子提供形成，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，周期性的反射点，在一定的条件下，所有的反射光同相叠加，形成某方向所有的反射光同相叠加，形成某方向光的主极强。光的主极强。光纤测量与传感技术布喇格反射原理布喇格反射原理光纤测量与传感技术 分布反响(DFB)激光器 (a) 结构； (b) 光反响 衍 射 光 栅有 源 层N层P层输 出 光光 栅有 源 层ba(a)(b)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。 eB

47、nm2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！第五次课结束点！光纤测量与传感技术 发光二极管发光二极管1、工作原理、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发射的是受激受激辐射光辐射光-激光激光，LED发射的是自发辐射自发辐射光光-荧光荧光。 光纤测量与传感技术2 2、LED的结构的结构 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

48、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：工作特性：(1) 光谱特性。光谱特性。 光纤测量与传感技术 (2) 光束的空间分布。光束的空间分布。 在垂直于发光平面上， 正面发光型正面发光型LED辐射图呈朗伯分布， 即P()=P0 cos，半功率点辐射角120。侧面侧面发光型发光型LED，120，2535。由于由于大，大，LED与光纤的耦合效率一般小于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。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，入纤光功率入纤光功率只有几百只有几百W

49、。 0100200300400500051015正 面 发 光侧 面 发 光电 流I / mA发 射 功 率P / mW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。频率特性。 e为少数载流子(电子)的寿命 e1.1 nse2.1 nse 6.4 ns1001000100.110调制频率f / MHz频率响应 H( f )光纤测量与传感技术半导体光源一般性能和应用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标准的单模光纤耦合，用于1.3m或1.55m大容量长距离系统，这种系

50、统在国内外都得到最广泛的应用。分布反响激光器(DFB-LD)主要和G.653或G.654标准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，这是目前光纤通信开展的主要趋势。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：简述光纤传感系统对光源性能的根本要求。简述光纤传感系统对光源性能的根本要求。试绘出试绘出LED及及LD的的PI曲线，并说明二者在曲线，并说明二

51、者在发光机理及光谱上有何不同。发光机理及光谱上有何不同。一半导体激光器，谐振腔长一半导体激光器，谐振腔长L300m，工作，工作介质损耗介质损耗1mm1，谐振腔镜面的反射率，谐振腔镜面的反射率分别为分别为R199、R230，求激光器的阈，求激光器的阈值增益系数。值增益系数。光纤测量与传感技术2.3 光电转换器光电转换器光探测器光探测器光探测器：光探测器： 对各种光辐射进行对各种光辐射进行接接收收和和探测探测的器件。的器件。光电探测器光电探测器是光接收系统的前端，其灵敏灵敏度度、带宽带宽等特性参数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光探测器的特性参数光探测器的特性参数一、量子效

52、率一、量子效率 eIPPh/I eP h因而因而光电子形成光电流，光电子形成光电流，光电流与光功率成正比光电流与光功率成正比。称为称为光电转换因子。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。产生一个光电子的几率定义为量子效率。光源的效率？光源的效率？光纤测量与传感技术激光器的电激光器的电/ /光转换效率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输出光子数的增量与注入电子数的增量注入电子数的增量之比，表达式为()/()/tdthhPPP hfIIhfeeI

53、前面学习过前面学习过光纤测量与传感技术二、响应度二、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 / P2. 电流灵敏度电流灵敏度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1030507090GeInGaAs0.70.91.11.31.51.700.20.40.60.81.0m (W1)Si三、光谱响应三、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：光谱响应的截止波长：

54、当响应度下降到其峰当响应度下降到其峰值的值的50时，所对应时，所对应的波长的波长c。光纤测量与传感技术 四、频率响应和响应时间四、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。 频率响应频率响应是在入射光波长一定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为探测器的响探测器的响应频率。应频率。()(0)2cR fR光纤测量与传感技术五、噪声等效功率五、噪声等效功率Noise Effect Power式中各量均取有效值。

55、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、探测度六、探测度探测度(D)定义为NEP的倒数，即 D1NEP (1w)D D表示探测器的探测能力，其值越大越好。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 光电探测器的原理光电探测器的原理 探测器在受光照射后，吸收了光子的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，因此光能量，并把它转换成另一种能量，因此光探测器是探测器是将光能转换为其它能量的换能器。将光能转换为其它能量的换能器。 光探测器光探测器可分为可分为热电探测器热电探测器

56、和和光电探光电探测器测器。 光纤测量与传感技术 热电探测器热电探测器的原理是基于的原理是基于光辐射引起探光辐射引起探测器温度上升测器温度上升，从而使与温度有关的电物理，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量产生变化，测量其变化便可测定入射光的能量或功率。能量或功率。 而而在光纤传感系统中在光纤传感系统中所用的光探测器多所用的光探测器多半是半是。所应用的。所应用的光电效应光电效应主要主要有有光电子发射效应、光电导效应、光伏效应光电子发射效应、光电导效应、光伏效应及及光电磁效应光电磁效应等。下面介绍这四种效应。等。下面介绍这四种效应。光纤测量与传感技术一、光电子发射效应一

57、、光电子发射效应 电子吸收光子能量后逸出材料外表成为光电电子吸收光子能量后逸出材料外表成为光电子。这种效应称为光电子发射或外光电效应。子。这种效应称为光电子发射或外光电效应。爱因斯坦方程爱因斯坦方程光纤测量与传感技术二、光电导效应二、光电导效应 电子吸收光子能量，从原来的束缚态变电子吸收光子能量，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，这种现象称为大，这种现象称为光电导效应光电导效应。它是一种。它是一种内内光电效应光电效应。光敏管光敏管及及光敏电阻光敏电阻的光电效应属于此类效应。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

58、三、光生伏特效应 光子照射结区附光子照射结区附近产生少数载流子近产生少数载流子(电子电子空穴对空穴对)，依，依靠靠结电场结电场使电子漂移使电子漂移到到N区，空穴漂移到区，空穴漂移到P区而产生附加电动区而产生附加电动势。此电动势称为势。此电动势称为光光生电动势生电动势，此效应称，此效应称为为光生伏特效应光生伏特效应。光纤测量与传感技术 四、光电磁效应四、光电磁效应 将半导体样品置于强磁场中，用激光辐将半导体样品置于强磁场中，用激光辐射线垂直照射其外表。当光子能量足够大时，射线垂直照射其外表。当光子能量足够大时，在外表层内激发出光生载流子在外表层内激发出光生载流子-电子空穴对，电子空穴对，并在样品

59、外表层和体内形成载流于浓度梯度，并在样品外表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，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，这就是光穴偏向样品两端，产生电荷积累，这就是光电磁效应。电磁效应。光纤测量与传感技术 半导体光电探测器半导体光电探测器1、光电二极管工作原理、光电二极管工作原理 光电二极管光电二极管(PD)把光信号转换为电信号的功能，把光信号转换为电信号的功能， 是是由半导体由半导体PN结的光电效应实现的。结的光电效应实现的。光纤测量与传感技术 光电二极管

60、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光电二极管光电二极管 由于由于PN结耗尽层结耗尽层只有几微米，大局部只有几微米，大局部入射光被中性区吸收，入射光被中性区吸收， 因而光电转换效率低，因而光电转换效率低，响应速度慢。为改善响应速度慢。为改善器件的特性，在器件的特性，在PN结结中间设置