光纤传感总结

1、光纤传感技术总结1. 光纤（Optical fiber）是传光的纤维波导或光导纤维的简称，它是通过内全反射原理或折射原理传输光的玻璃状电介质细丝。直径：几微米-几百微米。2. 传感器：能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。3. 光纤传感器：是用待测量对光纤内传输的光波参量进行调制得到调制信号，该信号经光纤传输至光探测器进行解调，从而获得待测量值的一种装置。4. 光纤传感技术：以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。5. 光纤传感原理：光纤传感原理是以光纤的导波现象为基础的，光从光纤射出时，光的特性得到调制，通过对调制光的检测，便能感知外界

2、的信息，实现对各种物理量的测量。E=E0Cos(t+)6. 光纤传感系统的组成 :7. 光纤传感器的分类: 1） .根据光纤在传感器中的作用.功能型光纤传感器（Functional Fiber，简称FF型）（全光纤型、传感型） .非功能型光纤传感器（Non Functional Fiber，简称NFF型（传光型）2） 根据光受被测对象的调制形式.强度调制型光纤传感器 .波长调制型光纤传感器.相位调制型光纤传感器 .频率调制型光纤传感器.偏振调制型光纤传感器 3） 按被测对象分 光纤温度、压力、位移、流量、磁场、电压、图像、医用、光谱、气体、液体传感器，光纤陀螺仪8. 光纤传感的特点：1）灵敏度

3、高； 2）抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全；3）重量轻、体积小、可绕曲；4）测量对象广泛，对被测介质影响小；5）便于复用，便于成网；9.光纤的结构：1）、纤芯：高纯度SiO2 ，掺杂质：GeO2 、P2O5 （提高折射率）；折射率 n12）、包层： SiO2 ，掺杂质：F、B（降低折射率）；折射率 n2 折射率 n1>n23）、一次涂敷层：环氧树脂、硅橡胶（加强机械强度）4）、套塑：尼龙、聚乙烯（加强机械强度）Coating涂敷层Cladding 包层Core纤芯n1n210. 光纤的分类：1）按照传输的总模数来分模式（mode)：在光纤中具有确定空间和时间分布的电磁场分量称为光纤中

4、的模。是电磁场的一种分布形式。、单模光纤（Single-mode fiber, SMF） 只传输主模，没有模式色散，适于大容量、长距离的光纤通信。纤芯直径：212 m；包层直径：125 m；、多模光纤（Multimode fiber, MMF） 在一定的工作波长下，可以同时传输多种模式。 纤芯直径：50500 m； 2）按照折射率(refractive index)分布分类.阶跃折射率光纤（Step index fiber, SIF）：也叫突变型光纤或均匀光纤，纤芯折射率为n1保持不变，到包层突然变为n2 。这种光纤一般纤芯直径2a=5080m，光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号

5、畸变大。.梯度折射率光纤（Graded index fiber, GIF）：也叫渐变型光纤或非均匀光纤，在纤芯中心折射率最大为n1，沿径向r向外围逐渐变小，直到包层变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a为50m，光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变小。 图 三种基本类型的光纤(a) 突变型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤； （c） 单模光纤11. 光纤的导光机理：射线法和波动法射线法（ rays）1) .光射线：子午线：过纤芯的轴线的平面称为子午面，子午面上和轴线相交的光射线称为子午射线，简称为子午线。斜射线：不在一个平面里，不经过光纤轴线的空间折线。2） .射线法：用光射线来研

6、究光传输特性的方法，称为射线法。3） 阶跃型光纤中光射线的分析主要特性参数的定义：相对折射率差纤芯折射率n1 ；包层折射率n2 ；n1>n2 =(n12-n22)/2n12 当n1与n2差别极小时，这种光纤称为弱导波光纤 (n1-n2)/n1 SM: =0.00050.01; MM: =0.010.02 数值孔径(Numerical Aperture, NA) 321yq 1lLxoqqc纤芯n1包层n2zycy1n0sin1 =n1sin1 =n1cos 数值孔径NA ：光从空气中入射到光纤输入端面所允许最大光锥半角之正旋。 NA表示光纤接收和传输光的能力阶跃型光纤的导光机理阶跃型光纤

7、是靠全反射原理将光波限制在纤芯中向前传播。只有满足全反射条件的光射线才可在纤芯中形成导波。这些光射线射入光纤端面的角度必须是在最大入射角c以内。rnp=1p=¥p=2渐变型光纤中光射线的分析1、渐变型光纤折射率分布的普遍公式为r-纤芯半径；a-轴线到包层外边沿的半径p-决定折射率变化曲线的坡度 渐变型光纤中，不同射线具有相同轴向速度的这种现象，称为自聚焦现象，具有这种自聚焦现象的光纤称为自聚焦光纤。射入纤芯某点r处的光线的数值孔径，称为该点的本地数值孔径。n (r) , NA(r) ,该点光纤捕捉光射线的能力越强；光纤轴线处捕捉射线的能力最强。 传导模：只有满足全反射条件的那些模式才

8、能在光纤中传播，称为传导模。 k0n2<< k0n1 辐射模：那些不满足全反射条件的模式，其电磁场不限于光纤芯区而可径向辐射至无穷远，称为辐射模。 泄漏模：有一些不处于子午面的斜射线，由于它们部分满足全反射条件，于是沿传播方向有衰减的泄漏模。 2、截止：指光纤中的导波截止。当光纤中出现辐射模时，即认为导波截止。 b< k0n2 导波截止的临界状态：1 =c；= k0n2 3、归一化频率： 4、归一化截止频率：导波截止时的归一化频率称为归一化截止频率，用c表示。它所对应的波长为截止波长，用c表示。 若将光纤所传信号的归一化频率值n与某一模式的归一化截止频率nc相比： 导行条件为

9、： > c截止条件为：< c 临界条件为： =c 5、主模（基模）：人们把光纤中的最低工作模式称为主模。主模的归一化截止频率最低：c =0，没有截止现象 ，在任何频率下都可以传输。 6、高次模：光纤中除主模之外，其它所有模式统称为高次模。 第一高次模截止时（< 2.405)，其它所有高次模均截止，这时光纤中只传输主模。所以单模光纤的单模传输条件是：0 < < 2.405 7、可传播的模式数：M=1/2V2 (V>10) 2.3 光纤的传输特性2.3.1光纤的损耗(Attenuation) Ø 光纤的损耗:光波在光纤中传输，随着传输距离的增加而光功率

10、逐渐下降，这就是光纤的传输损耗。 Ø 引起损耗的原因：光纤本身损耗（吸收损耗、散射损耗）外因：光纤弯曲、光纤与光源的耦合、光纤之间的连一、吸收损耗（Absorption) 吸收损耗：光波通过光纤材料时，有一部分光能变成热能，造成光功率的损失。1、本征吸收：是由SiO2材料引起的固有吸收，它基本上确定了某一材料吸收损耗的下限，它与波长有关。 紫外(UV：ultraviolet)吸收(0.006m<<0.4m) 红外(IR：infrared)吸收(0.76m<<300m)2、杂质吸收：由光纤材料的不纯净而造成的附加吸收损耗。 二、散射损耗 (Scattering

11、Losses) 散射损耗是由于光纤的材料、形状、折射率分布等的缺陷或不均匀使光纤中传导的光发生散射产生的损耗。 1、瑞利(Rayleigh)散射：R=A/4 2、结构缺陷散射： 3、非线性散射：受激拉曼散射(SRS) 受激布里渊散射(SBS)2.3.2光纤的色散 (Chromatic Dispersion )1、光纤的色散： 光信号通过光纤传播期间，波形在时间上发生展宽的现象。2、光纤的色散产生原因： 一是光源发出的并不是单色光； 二是调制信号有一定的带宽。3、色散的分类模式色散（ Intermodal dispersion） 由于不同模式的时间延迟不同而产生的。材料色散（Material d

12、ispersion） 由于光纤的折射率随波长而改变，模式内部不同波长成分的光，其时间延迟不同而产生的。波导色散（Waveguide dispersion） 由于波导结构参数与波长有关而产生的，也叫结构色散。偏振模色散（Polarization dispersion ） 由于实际的单模光纤两正交模有不同的群延迟产生的。时延：某一条子午射线在纤芯中传输一定长度所需要的时间。用 表示。时延差：两条以不同角度入射的子午线，在光纤中传输同一空间长度L时，所用时间的差别。用 表示。最大时延差：在空间长度为L的光纤中，走得最快的射线与走得最慢的射线在时间上的差别。用max表示。5、色散补偿零色散波长光纤 色

13、散位移光纤（DSF-Dispersion-Shifted Fiber ） 色散平坦光纤（DFF-Dispersion-Flat Fiber）色散补偿光纤(DCF-Dispersion Compensating Fiber) 色散补偿器2.3.5光纤的制作技术1、光纤预制棒的制备2、光纤拉丝及一次涂覆3、光纤的涂覆和套塑工艺2.4 光纤标准1、G.651 多模渐变型(GIF)光纤，这种光纤在光纤通信发展初期广泛应用于中小容量、中短距离的通信系统。2、G.652 常规单模光纤:(1)波长1310 nm为色散零点；(2)波长1550 nm处衰减最小，约为0.22 dB/km，色散系数的最大值为17p

14、s/(nm.km) ；(3)工作波长可以在1310 nm或1550 nm。它广泛用于数据通信。缺点：波长1550 nm色散大，阻碍了高速率、远距离的应用。3、G.653 色散位移光纤：使光纤色散系数零点从1310 nm移到1550 nm，实现了1550 nm处最低衰减与零色散一致。适用于长距离、大容量通信系统中，如20 Gb/s系统中。由于1550 nm的零色散，四波混频等非线性效应严重，不适合用于波分复用系统。4、G.654 1.55m损耗最小的单模光纤:在波长1.31m色散为零，在1.55m色散为17-20 ps/(nm·km)，和常规单模光纤相同，但损耗更低，可达0.20 dB

15、/km以下.主要用于长距离，不能插入有源器件的无中断海底光纤通信系统中。5、G.655 非零色散光纤:可以抑制四波混频和交叉相位调制等非线性光学效应，以满足密集波分复用系统的要求。这种光纤在密集波分复用和孤子传输系统中使用，实现了超大容量超长距离的通信。6、G. 656宽带全波光纤：在光纤的整个波段，从1280nm开始到1675nm终止，都可以用来通信，与常规光纤相比，全波光纤应用于DWDM，可使信道数增加50%。7、G.657接入网用光纤：结构简单、敷设方便和价格便宜2.5.2光缆结构和类型一、结构 1、缆芯：由光纤芯线组成，是光缆的核心，决定着光缆的传输特性。 2、加强元件：起着承受光缆拉

16、力的作用，通常处在缆芯中心，有时配置在护套中。加强件通常用杨氏模量大的钢丝或非金属材料例如增强塑料(FRP)做成。3、护套：起着对缆芯的机械保护和环境保护作用，要求具有良好的抗侧压力性能及密封防潮和耐腐蚀的能力。护套通常由聚乙烯或聚氯乙烯(PE或PVC)和铝带或钢带构成。不同使用环境和敷设方式对护套的材料和结构有不同的要求。 二、类型 1、层绞式：它是将若干根光纤芯线以强度元件为中心绞合在一起的一种结构。这种光缆的制造方法和电缆较相似，所以可采用电缆的成缆设备，因此成本较低。光纤芯线数一般不超过10根。采用松套光纤的缆芯可以增强抗拉强度，改善温度特性。2、单位式：它是将几根至十几根光纤芯线集合

17、成一个单位，再由数个单位以强度元件为中心绞合成缆 ，这种光缆的芯线数一般适用于几十芯。 3、骨架式：这种结构是将单根或多很光纤放人骨架的螺旋槽内，骨架的中心是强度元件，骨架上的沟槽可以是V型U型或凹型。由于光纤在骨架沟槽内，具有较大空间，因此当光纤受到张力时，可在槽内作一定的位移，从而减少了光纤芯线的应力应变和微变。这种光缆具有耐侧压、抗弯曲、抗拉的特点。 4、带状式：它是将412根光纤芯线排列成行，构成带状光纤单元，再将多个带状单元按一定方式排列成缆，这种光缆的结构紧凑，采用此种结构可做成上千芯的高密度用户光缆。表 各种光缆的结构、芯线数及必要条件2.5.3光缆特性拉力特性：光缆能承受的最大

18、拉力取决于加强件的材料和横截面积，一般要求大于1km光缆的重量，多数光缆在100400 kg范围。压力特性：光缆能承受的最大侧压力取决于护套的材料和结构，多数光缆能承受的最大侧压力在100400kg/10cm。弯曲特性：弯曲特性主要取决于纤芯与包层的相对折射率差以及光缆的材料和结构。实用光纤最小弯曲半径一般为2050 mm， 光缆最小弯曲半径一般为200500 mm 。温度特性：取决于光缆材料的选择及结构的设计。我国一般在低温地区为-40+40 ， 在高温地区为-5 +60 。光纤有源器件：指包含有半导体有源材料，并且能够与光纤耦合的光电子器件。包括光源、探测器和光放大器。光纤无源器件：不发光

19、、不进行光电转换的光纤器件。包括三类： （1）分立光学元件组合器件：早期采用（棒透镜、反射镜、棱镜等）； （2）全光纤结构器件：FBG, Coupler （3）光波导型器件（集成光学）3.1 光纤连接器（Optical Fiber Connector） 1、定义 ：把两个光纤端面结合在一起，使发射光纤输出的光能量可以最大限度耦合到另外接收光纤的器件。 光纤连接器的作用是将需要连接起来的单根或多根光纤芯线的端面对准、贴紧并能多次使用。（3）单芯光纤连接器分类 jFC型 (Ferrule Connector ):螺纹插拔式 kSC型（Square/Subscriber Connector）:矩形插

20、拔式 lST型（Spring Tension）：卡口插拔式（6）变换器：不同型号插头变换：SC-FC; ST-FC;（7）跳线：将一根光纤的两头都装上插头称为跳线。（8）评价指标 插入损耗：越小越好 回波损耗：越大越好 重复性：多次插拔后插入损耗的变化。0.1dB3.2 光纤耦合器（Optical Fiber Coupler） 1、定义：光纤耦合器是使光信号能量实现分路合路的器件；一般光纤耦合器是对同一波长的光功率进行分路或合路，因此光纤耦合器又称为分路器、合路器或双工器。它是使用量仅次于连接器的又一类重要的光纤无源器件。光纤耦合器作用：把一个输入的光信号分配给多个输出，或把多个输入的光信号组

21、合成一个输出。 5、熔融拉锥型全光纤耦合器熔融拉锥法就是将两根（或两根以上）除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢，在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构，实现传输光功率耦合的一种方法。（3）特点： 极低的附加损耗。 方向性好。 良好的环境稳定性。 控制方法简单、灵活。 制作成本低廉、适于批量生产。6、 光纤耦台器的主要参数（1）隔离度 A 由端口1输人的光功率Pl，应从端口2和端口3输出，端口4从理论上讲应无光功率输出。但实际上端口4还是有少量光功率输出的（P4），其大小就表示了1、4两个端口的隔离程度。隔离度用A表示，为 A1-4=-10lg(P4/P1)(d

22、B)一般情况下，要求A>20dB。（2）插入损耗 L 它表示了定向耦合器损耗的大小。如由端口1输人光功率P1，应由端口2和端口3输出光功率P2和P3，插入损耗等于输出光功率之和与输入光功率之比取对数，单位为分贝，用L表示，为 一般情况下，要求 L 0.5dB（3） 分光比 T： 它等于两个输出端口的光功率之比，如从端口1输人光功率，则分光比为T=P3/P2 一般情况下，定向耦合器的分光比为 1:110:1 3.3 光波分复用器（Wavelength Division Multiplexer） 1、定义 波分复用器是波长分割复用解复用器的简称。它是使两个或两个以上的波长光信号在同一根光纤中

23、进行传输的器件。3.4 光隔离器（Optical Isolator） 1、定义 隔离器是保证光信号只能正向传输的器件，避免线路中由于各种因素而产生的反射光再次进入激光器，而影响了激光器的工作稳定性。 隔离器的作用：只允许光波往一个方向上传输，阻止光波往其他方向特别是反方向传输。2、基本原理 光隔离器的基本原理是法拉第旋转效应。 （1）法拉第效应（磁致旋光效应）：原来不具有旋光性的物质，在磁场的作用下，偏振光通过该物质时其振动面将发生旋转。 旋转角度=VLB V-费尔德常数 L-光在该物质中通过的距离 B-磁感应强度磁光材料引起的光偏振面的旋转方向取决于外加磁场方向，与光的传播方向无关。（4）结

24、构与原理当正向光入射后，经过偏振器1全部透过，经过旋光器后，旋转45º，和偏振器2的透光轴角度一致，因此，正向光功率全部射出。当反向光射入后，有一部分光经过偏振器2到达旋光器，被顺时针旋转45º，正好和偏振器1中透光轴方向垂直，因此，被全部隔离。 3.5 光环行器（Optical Circulator）1、定义 光环行器可使光信号从任一端口输入时，都能按顺序地从另一端口输出，可用于特种环形网络。2、结构与原理（1）偏振相关型光隔离器：出射光为线偏振光 环行器是由45º法拉第转子和两个偏振棱镜组成的，法拉第转子由YIG单晶体和钐-钴（Sm-Co）稀土磁铁构成，偏振棱

25、镜由方解石制成。它除了有多个端口外，其工作原理与隔离器类似。3.6 光衰减器（Optic attenuator）1、定义 光衰减器是按一定要求将光信号能量进行衰减的器件。在光纤通信系统中通常需用光衰减器吸收光功率余量或评估系统的损耗。2、分类（1）按衰减方式分：固定式光衰减器 分级可调衰减器 连续可调衰减器（2）按工作原理分：吸收型衰减器 反射型衰减器 错位型衰减器（3）按光纤种类分：多模光衰减器 单模光衰减器（4）按接口型式分：尾纤式光衰减器 连接器端口式光衰减器。 3.7光开关（Optical Switch）1、定义 光开关是按一定要求将一个光通道的光信号转换到另一个光通道的器件，它使光路

26、之间进行直接转换，避免了光-电-光的过程，提高了信噪比。 光开关的功能是转换光路，实现光交换，它是光网络的重要器件。2、分类（1）按工作原理分：机械式光开关 光纤位移式光开关 光学元件位移式光开关 非机械式光开关 电光式光开关 磁光式光开关 声光式光开关3.8 光滤波器（optical Filter） 1、光滤波器：只允许一定波长的光信号通过的器件。 2、可调谐光滤波器：是一种波长（或频率）选择器件，它的功能是从许多不同频率的输入光信号中，选择出一个特定频率的光信号。3、分类： （1）根据基理分为干涉型、衍射型和吸收型三类；基于干涉原理的滤波器：熔锥光纤滤波器、Fabry-Perot滤波器、多

27、层介质膜滤波器、马赫-曾德干涉滤波器。基于衍射原理的滤波器：体光栅滤波器、阵列波导光栅滤波器（AWG）、光纤光栅滤波器、声光可调谐滤波器。可调谐马赫曾特尔干涉仪滤波器。 （2）根据调谐的能力分为光频固定滤波器和可调谐滤波器。3.9 波长转换器（ Wavelength Converter ） 1、定义：能够使信号从一个波长转换到另一个波长的器件称为波长转换器。 2、分类：波长转换器根据波长转换机理可分为光电型和全光型波长转换器。3.10 光纤光栅（ Fiber Grating） 1、定义：利用某种手段使得光纤的物理结构沿轴向呈规律分布，用来改变光在其中传播的行径，这样的一种光子学器件被称为光纤光

28、栅。这种物理结构沿轴向的规律分布主要表现为光纤纤芯折射率的周期性分布。 3、光纤光栅的分类（2）根据周期性结构不同分： 规则周期光栅（均匀光栅）：是指光栅的光学周期沿光纤轴向保持不变的光栅，它具有接近于1的峰值反射率以及极窄的反射半宽。 ）布喇格光纤光栅(FBG) 将光纤中传播的特定波长的光波从前向导波模耦合到后向导波模中，是一种波长反射元件。 格栅周期小于1mm，反射带宽从零点几个nm到几十nm。）长周期光纤光栅(LPG：long period grating) 将光纤中传播的特定波长的光波耦合到包层中损耗掉，在其透射谱中形成宽带损耗峰，是一种透射型光栅。栅格周期大于100mm，用于EDFA

29、的增益平坦元件。变周期光栅（非均匀光栅） 光栅的光学周期沿光栅轴向变化的一类光栅，它的反射谱一般较宽，同时随周期变化方式的不同，可以产生按人为设计的方式而出现的反射及透射波形。 ）啁啾光纤光栅 (CFBG:chirped fiber bragg grating) 其周期不是常数而是沿轴向单调变化的，CFBG的不同栅格周期对应于不同的反射波长，能够形成很宽的反射带，产生大而稳定的色散，用作色散补偿元件。 ）相移光纤光栅(PSFG：phase-shifted fiber grating) 通过某种方式（用聚焦强光照射均匀周期光栅)破坏FBG折射率分布的连续性，在某特定的一点或多点处引入相移，形成P

30、SFG。 特点是在其布拉格反射带中打开透射窗口，使光栅具有更高的波长选择性。用于波长解复用器。4、 光纤光栅的制作技术（a） 光纤的光敏性：光纤的折射率在紫外光照射下，随光强发生变化的特性。（1） 驻波写入法（2）全息干涉法（3）相位掩模法（4）逐点写入法（4）色散补偿器对于普通单模光纤,在1550处色散值为正,处在反常色散区, 蓝移分量较红移分量传播得快。光纤chirp光栅能对色散补偿的原理是,当这种光脉冲通过线性chirp光栅后,蓝移分量的时延比红移分量的时延长,正好起到了色散均衡作用,从而实现了色散补偿。 3.11 偏振控制器(PC- Polarization controller)偏振

31、控制器：是指能将任意输入的偏振态转变为任意期望输出偏振态的器件。分类：方位角控制型偏振控制器延迟量控制型偏振控制器方位角- 延迟量控制型偏振控制器4.1 光源Light Source对光源的基本要求有下列几点： （1）光源的发光波长应符合目前光纤的三个低损耗窗口：即短波长波段的0.85mm和长波长波段的1.31 mm与1.55 mm ； （2）能长时间连续工作，并能提供足够的光输出功率；目前，半导体激光器尾纤的输出功率可达 500 mw 2mw；半导体发光二极管的尾纤输出功率可达 10 mw左右； （3）耦合效率高：目前，半导体激光器与尾纤的耦合效率为1020，最好可达50； （4）光源的谱线

32、宽度窄：光源的谱线宽度直接影响到光纤的色散特性，限制了传输速率和传输距离。目前较好的半导体激光器谱线宽度可达到0.1nm； （5）寿命长、工作稳定。4.1.1 与激光器有关的几个概念激光（LASER：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 受激辐射的光放大）一、光子(Photon) 1905年，爱因斯坦提出光量子学说认为光是由能量为hf的光量子组成，其中h=6.626´10-34 J·S,称为普朗克常数，f是光波频率，人们将这些光量子称为光子。 光具有波动(wave) 、粒子(particle)两重性。

33、二、原子能级(Atomic Energy Level)电子在原子中围绕原子核按一定轨道运动，具有一定的电子能量。电子运动的能量只能有某些允许的数值。这些所允许的能量值，因轨道不同，都是一个个地分开的，且是不连续的，其大小取决于轨道上电子的数目。我们把这些分立的能量值，称为原子的能级。 三、费米能级(Fermi Energy Level) 在一般情况下，电子占据各个能级的概率是不等的，占据低能级的电子多，而占据高能级的电子少。电子占据能级的概率遵循费米能级统计规律： 在热平衡条件下，能量为E的能级被一个电子占据的概率为： 式中f(E)(概率)为电子的费米分布函数；k0为玻耳兹曼函数，k0=1.3

34、8´10-23焦耳/度；T为绝对温度；Ef为费米能级，它只是反映电子在各能级中分布情况的一个参量。费米统计规律是物质粒子能级分布的基本规律，它反映了物质中的电子按一定规律占据能级的情况。 4、 光与物质的三种作用形式1、自发辐射 (Spontaneous Emission of Radiation ) 在高能级E2的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自动地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射。 特点： （1） 过程是自发跃迁；（2） 辐射光子的频率不同；（3）辐射出的光子是非相干光。 2、受激吸收 (Stimulated Absorp

35、tion) 在正常状态下，电子处于低能级E1，在入射光作用下，它会吸收光子的能量跃迁到高能级E2上，这种跃迁称为受激吸收。 特点：（1）过程是受激跃迁；（2）外来光子的能量要等于电子跃迁的能级之差；（3）受激跃迁的过程中，并没有多余的能量放出来。3、受激辐射 (Stimulated Emission of Radiation) 在高能级E2的电子，受到入射光的作用，被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量产生光辐射，这种跃迁称为受激辐射。 特点： （1）外来光子的能量等于跃迁的能级之差； （2）受激发射的光子与外来光子是全同光子； （3）过程可以使光得到放大。相干光：受激辐射光的频率、相位

36、、偏振态和传播方向与入射光相同。 要想物质能够产生光的放大，就必须使受激辐射作用受激吸收作用。也就是必须使N2>N1，这种粒子数一反常态的分布，称为粒子数反转分布。因此，粒子数反转分布状态是使物质产生光放大的必要条件。 二、激光器的基本组成 1、能够产生激光的工作物质（Operation Material ） 可以处于粒子数反转分布状态的工作物质，必须有确定能级的原子系统，可以在所需要的光波范围内辐射光子。经过分析可知，在三能级以上系统中，可以得到粒子数反转分布。 2、泵浦源（Pumping Source) 使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源，称为泵浦源。物质在泵浦源的作用下，使粒

37、子从低能级跃迁到较高能级，使得 N2N1，在这种情况下，受激辐射受激吸收，从而有光的放大作用。这时的工作物质已被激活，成为激活物质或称增益物质(gain material)。3、光学谐振腔(Optical Resonant Cavity ) 提供必要的反馈以及进行频率选择。（1）光学谐振腔的结构 对于两个反射镜，要求其中一个能全反射，另一个为部分反射，产生的激光由此射出。4.1.3 半导体激光器（ LD :Laser Diodes）一、半导体激光器的工作原理和结构 用半导体(Semiconductor)材料作为激活物质的激光器，称为半导体激光器。 1、半导体的简单介绍：半导体是由大量原子周期性

38、有序排列构成的共价晶体。在这种晶体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带。能量低的能带称为价带，能量高的能带称为导带，导带底的能量Ec和价带顶的能量Ev之间的能量差Ec-Ev=Eg称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带。半导体光源发射的光子的能量、波长取决于半导体材料的带隙Eg，以电子伏特（eV）表示的发射波长为半导体分类(a) 本征半导体（Intrinsic Semiconductor） (b) N型半导体(Negative Semiconductor)(c) P型半导体(Positive Semiconductor)2、半导体激光器的工作原理(1) P-N结（ P-

39、N Junction）的形成 在P型和N型半导体组成的PN结界面上， 由于存在多数载流子(电子或空穴)的梯度，因而产生扩散运动，形成内部电场。内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到P区和N区的Ef相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜。 (2) 在PN结上施加正偏电压 产生与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电场方向相反，便使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动，最后在PN结形成一个特殊的增益区。增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分布。(3) 激光的产生 当PN结上外加的正向偏压足够大时，将使得结区处于粒子数反转分

40、布状态，即出现受激辐射受激吸收情况，可产生光的放大作用。被放大的光在由P-N结构成的光学谐振腔（谐振腔的两个反射镜，是由半导体材料的天然解理面而成的）中来回反射，不断增强，当满足阈值条件后，即可发出激光。 半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。(2)异质结半导体激光器 它们的“结”是由不同的半导体材料制成的。主要目的是为了降低阈值电流，提高效率。 铟镓砷磷（InGaAsP）双异质结条形激光器，它是由五层半导体材料构成。其中nInGaAsP是发光的作用区（有源区），作用区的上、下两层称为限制层，它们和有源区构成光

41、学谐振腔。限制层和有源区之间形成异质结。最下面一层，n-InP是衬底，顶层P+ -InGaASP是接触层，其作用是为了改善和金属电极的接触。顶层上面数微米宽的窗口为条形电极。单频半导体激光器分布反馈激光器（DFB: Distributed Feed Back）DFB激光器优点 单纵模激光器。 谱线窄，波长稳定性好。 动态谱线好。 线性好LD特点：激光、受激辐射光、输出光功率大、有阈值、谱线宽度窄、调制频率高、与光纤耦合效率高、适用于长距离、大容量传输。4.1.4 发光二极管（LED-Light Emitting Diode) 发光二极管(LED)的工作原理与激光器(LD)有所不同， LD发射的

42、是受激辐射光，LED发射的是自发辐射光。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。(a) 正面发光型 (b) 侧面发光型LED的工作原理当给LED外加合适的正向电压时，大量的空穴和电子分别从P区扩散到n区和从N区扩散到p区(由于双异质结构，p区中外来的电子和空穴不会分别扩散到P区和N区)，在有源区形成粒子数反转分布状态，最终克服受激吸收及其他衰减而产生自发辐射的光输出。发光二极管具有如下工作特性： (1) 光谱较宽(2) P - I曲线的线性较好（3）与光纤的耦合效率较低（4）寿命长 （大于3´

43、105 h）（5）温度特性较好 LED特点：荧光、自发辐射光、输出光功率小、谱线宽度较宽、调制频率较低、与光纤耦合效率低、性能稳定、寿命长、价格低，适用于短距离、小容量传输。4.1.6 光源的调制（The Modulation of source) 电/光转换是用承载信息的数字电信号对光源进行调制来实现的。调制分为直接调制和外调制两种方式。受调制的光源特性参数有功率、 幅度、频率和相位。1、光源的直接调制(Direct Modulation) 直接在光源上进行调制，调制半导体激光器的注入电流。分为模拟强度调制（ATM)、脉位调制(PPM)和数字调制(PCM-IM)。2、光源的间接调制(Indi

44、rect Modulation)在光源输出的通路上外加调制器来对光波进行调制。通过电光、声光效应，利用晶体传输特性随电压或声压变化而变化实现对光的调制。（1）电光调制（Electrooptic Modulation)电光效应(Electrooptic Effect)：电场引起晶体折射率变化。帕克耳效应（Pockels Effect):DnµE （2）声光调制(Acoustooptic Modulation)声光效应(Acoustooptic Effect) :声波在介质中传播时，介质受声波压强作用而产生应变，这种应变使介质的折射率发生变化，从而影响光波传输特性。光源与光纤的耦合影响耦

45、合效率的主要因素是光源的发散角和光纤的数值孔径。发散角大，耦合效率低；数值孔径大，耦合效率高。此外，光源发光面和光纤端面的尺寸、形状及两者之间的距离都会影响到耦合效率。光源与光纤的耦合一般采用两种方法，即直接耦合与透镜耦合。4.2 光电检测器Photoelectric Detector光接收机中实现将光信号转换为电信号的器件称为光电检测器。光电检测器是利用材料的光电效应来实现光电转换的。对光检测器的要求如下： (1) 波长响应要和光纤低损耗窗口(0.85 m、 1.31 m和1.55 m)兼容； (2) 响应度要高， 在一定的接收光功率下， 能产生最大的光电流； (3) 噪声要尽可能低， 能接

46、收极微弱的光信号； (4) 性能稳定，可靠性高，寿命长，功耗和体积小。一、半导体的光电效应光照射到半导体的PN结上，若光子能量足够大，则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量，从价带越过禁带到达导带，在导带中出现光电子，在价带中出现光空穴，即产生光电子一空穴对，总起来又称光生载流子。光生载流子在外加负偏压和内建电场的作用下，在外电路中出现光电流，从而在电阻R上有信号电压输出。实现了输出电压跟随输入光信号变化的光电转换作用。4、 光电检测器的特性1、响应度R0和量子效率 光电转换效率用响应度R0或量子效率表示。响应度（Responsivity）的定义为： R0=IP/P0 (A/W)式中IP为光电

47、检测器的平均输出电流； P0为光电检测器的平均输入功率。量子效率(Quantum Efficiency)的定义为：2、响应时间 (Response Time) 响应时间是指半导体光电二极管产生的光电流跟随入射光信号变化快慢的状态。一般用响应时间（上升时间和下降时间）来表示。 (1) 光电二极管等效电路的RC 时间常数 (2) 载流子在耗尽区的渡越时间 (3) 耗尽区外产生的载流子由于扩散而产生的时间延迟3、暗电流ID (Dark Current) 在理想条件下，当没有光照时，光电检测器应无光电流输出。但是，实际上由于热激励、宇宙射线或放射性物质的激励，在无光情况下，光电检测器仍有电流输出，这种

48、电流称为暗电流。严格说暗电流还包括器件表面的漏电流。暗电流将引起光接收机噪声增大。因此，器件的暗电流越小越好。光放大器的作用 使光信号直接在光域进行放大而无须转换成电信号进行信息处理，即用全光中继来代替光-电-光中继。3、掺铒(Er3+)光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier)（1）工作原理Er3+在未受任何光激励的情况下，处在低能级 E1上，当用泵浦光源的激光不断地激发掺铒光纤时，处于基态的粒子获得了能量就会向高能级跃迁。由E1跃迁至E3，粒子在E3这个高能级上是不稳定的，它将迅速以无辐射过程落到亚稳态E2上，在该能级上，粒子相对来讲有较长的存活寿命，由于泵浦源

49、不断地激发，则E2能级上的粒子数就不断增加，而E1能级上的粒子数就少，这样，在这段掺铒光纤中就实现了粒子数反转分布状态，就存在了实现光放大的条件。当输入光信号的光子能量 E=hf正好等于E2和E1的能级差时，即：E2-E1=hf，则亚稳态E2上的粒子将以受激辐射的形式跃迁回到基态E1上，并辐射出和输入光信号的光子一样的全同光子，从而大大增加了光子数量，使得输入信号光在掺铒光纤中变为一个强的输出光信号，实现了光的直接放大。（2） EDFA的结构(a) 、同向泵浦(Equi-direction Pumping)结构 输入光信号与泵浦光源输出的光波，以同一方向注入掺铒光纤。(b)、反向泵浦(Reve

50、rse direction Pumping)结构 单泵浦的输出功率可达14dBm。(c)、双向泵浦(Bi-direction Pumping)结构 双泵浦的输出功率可达17dBm以上（3）EDFA的主要优点： （1）工作波长(1.531.56mm)与光纤通信最佳波段一致； （2）与传输光纤的耦合损耗很小， 可达0.1 dB。 （3）增益高(达40dB) 、噪声低(低至 3dB4dB )、输出功率大(达1420dBm)； （4）能量转换效率高； （5）增益特性稳定：对温度不敏感，与偏振无关； （6）频带宽，在1550 nm窗口，频带宽度为2040 nm， 可进行多信道传输，有利于增加传输容量。（

51、4） EDFA的主要缺点：波长固定（ 1.55mm左右）；增益带宽不平坦。4、 光纤喇曼放大器（FRA: Fiber Raman Amplifier）（2） FRA的原理 若一强泵浦光和一弱信号光在一根光纤中传输，弱信号光的波长在强泵浦光的拉曼增益带宽内，基于受激拉曼散射原理而使弱信号光得到放大，获得拉曼增益。（4）FRA的特点优点：具有很宽的工作带宽，可以实现全波段光放大。在传输系统中和EDFA组合使用时，能有效地降低系统的噪声指数。可以对光信号构成分布式放大，因此可实现无中继长距离传输。分布式拉曼放大，可以减少入射信号的光功率，降低了光纤非线性的影响，避免四波混频效应对系统的影响。具有较宽

52、的拉曼增益谱。（多个泵浦源，可达132mm）缺点： 喇曼光纤放大器所需要的泵浦光功率高。 作用距离太长，增益系数偏低。 对偏振敏感。EDFA和FRA的比较EDFA的增益频谱是由铒能级电平决定的，它与泵浦光波长无关，它是固定不变的。EDFA由于能级跃迁机制所限，增益带宽只有80 nm。光纤拉曼放大器使用多个泵源，可以得到比EDFA宽得多的增益带宽。目前增益带宽已达132 nm。这样通过选择泵浦光波长，就可实现任意波长的光放大，所以光纤拉曼放大器是目前唯一能实现1 2901 660 nm光谱放大的器件，光纤拉曼放大器可以放大EDFA不能放大的波段。5. 半导体光放大器

53、（1） SOA的工作原利用受激辐射来实现对入射光功率的放大的。激活介质（有源区）吸收外部泵浦提供的能量，电子获得了能量跃迁到较高的能级，产生粒子数反转。输入光信号会通过受激辐射过程激活这些电子，使其跃迁到较低的能级，从而产生一个放大的光信号。SOA与半导体激光器的结构相似，但它没有反馈机制，因此SOA只能放大光信号，但不能产生相干的光输出。（2） SOA的结构：法布里-珀罗放大器（FPA）行波放大器（TWA）SOA的特性：SOA最大的优点是它使用InGaAsP来制造，因此体积小、紧凑，可以与其他半导体和元件集成在一起。SOA的主要特性是： (1) 它们与偏振有关，因此需要保偏光纤。 (2) 它们具有可靠的高增益(20dB)。 (3) 它们的输出饱和功率范围是510dBm。