第二章光纤传感系统

第2章光纤传感系统目录光纤传感系统中的光电探测器312光纤传感器中光的调制技术4光纤传感系统的组成光纤传感系统中的光源2.1光纤传感系统的组成传感器探头光源光电探测器（光电转换）信号预处理信号的处理及模数转换计算机光纤传感器按光纤的作用分类：1）传感型光纤传感器：又称功能型光纤传感器，主要使用单模光纤，光纤不仅起传光作用，同时又是敏感元件，它利用光纤本身的传输特性经被测物理量作用而发生变化的特点，使光波传导的属性（振幅、相位、频率、偏振）被调制。2）传光型光纤传感器：又称非功能型光纤传感器，它是将经过被测对象所调制的光信号输入光纤后，通过在输出端进行光信号处理而进行测量的，在这类传感器中，光纤仅作为传光元件，必须附加能够对光纤所传递的光进行调制的敏感元件才能组成传感元件。2.2光纤传感系统中的光源光源的作用是将电信号电流变换成光信号功率，即实现电——光的转换，以便在光纤中的传输。2.2.1半导体激光二极管1.半导体激光器（LD）的概念和原理

1）基本概念（1）光与物质相互作用的基本形式受激辐射自发辐射受激吸收（2）半导体激光器是利用半导体材料在有源区中受激发而发射光的特性而制成的光器件。只有在工作电流超过阀值电流的情况下才会输出激光，因而是有阀值的器件。（3）粒子数反转（populationinversion）是激光产生的前提。把处于基态的原子大量激发到亚稳态E2，处于高能级E2的原子数就可以大大超过处于低能级E1的原子数。这样就在能级E2和E1之间实现了粒子数的反转。

实现粒子数反转的条件：通常实现粒子数反转要依靠两个以上的能级：低能级的粒子通过比高能级还要高一些的泵浦能级抽运到高能级。一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发激光材料，称为电激励；也可用脉冲光源来照射光学谐振腔内的介质原子，称为光激励；还有热激励、化学激励等。各种激发方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了使激光持续输出，必须不断地“泵浦”以补充高能级的粒子向下跃迁的消耗量。（4）法布里-珀罗谐振腔（形成相干光）激光器的必要组成部分，垂直于结面的两个平行的晶体解理面形成法布里-珀罗谐振腔，两个解理面是谐振腔的反射镜面。在两个端面上分别镀上高反膜和增透膜，可以提高激射效率（5）增益：在注入电流的作用下激活区受激辐射不断增强。损耗：受激辐射在谐振腔中来回反射时的能量损耗。包括载流子吸收、缺陷散射及端面透射损耗等。阀值电流：增益等于损耗时的注入电流（6）半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质（即利用电子）在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈，产生光的辐射放大，输出激光。半导体激光器优点：体积小、重量轻、运转可靠、耗电少、效率高等。2.半导体激光器的P-I特性

输出功率

2.2.2发光二极管半导体发光二极管（LED）利用自发辐射效应而发光。半导体发光二极管的结构公差没有激光器那么严格，而且无谐振腔。所以，所发出的光不是激光，而是荧光。半导体异质结构：

是一种半导体结构，由两层以上不同的半导体材料薄膜依次沉积在同一基座上形成，这些材料具有不同的能带隙，它们可以是砷化镓之类的化合物，也可以是硅-锗之类的半导体合金。

半导体异质结构的二极管特性非常接近理想二极管。另外，通过调节半导体各材料层的厚度和能带隙，可以改变二极管电流与电压的响应参数。半导体异质结构对半导体技术具有重大影响，是高频晶体管和光电子器件的关键成分。输出功率P/mW

有源层1um~2um异质结：限制了有源层中载流子及光场分布SLED的典型结构ELED的结构是为了降低有源层中的光吸收并使光束有更好的方向性，使光从有源层的端面输出异质结超辐射发光二极管（SLD）近年来迅速发展，它是介于激光器（LD）和发光二极管（LED）之间的一种半导体光电器件。其发光机理是一种强激发状态下定向的辐射现象。即当激发密度足够高时，自发发射的光子受激放大而雪崩式倍增，发光强度随激发强度超线型地急剧增加，谱线宽度变窄，由初始的自发发射占主导地位很快的演变为以受激发射占主导地位。理想的超辐射光是一种相位不一致的非相干光源或称短相干光源。掺铒光纤的放大自发辐射（ASE）光源与超辐射发光二极管相比，具有带宽更宽、稳定性好、功率更高、使用寿命长、易于光纤传感系统耦合等优点SLD实物图可调谐分布反馈激光器DFB(DistributedFeedbackLaser)与

FP激光器比较1）DFB激光器不同之处是内置了布拉格光栅（周期性结构波纹状衍射光栅）来实现光的反馈，属于侧面发射的半导体激光器。目前，DFB激光器主要以半导体材料为介质，包括锑化镓(GaSb）、砷化镓（GaAs）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。DFB激光器最大特点是具有非常好的单色性（即光谱纯度），它的线宽普遍可以做到1MHz以内，以及具有非常高的边摸抑制比（SMSR），目前可高达40-50dB以上。FP激光器是一类最常见、最普通的半导体激光器，它最大的特点是激光器的“谐振腔”由半导体材料的两个解理面（简单通俗一点说是“平坦光滑的反射镜面”）构成。因此结构和制作工艺最简单，成本最低，技术指标也相对较低，适用于调制速率小于622Mbit/s的光纤通信系统。目前FP-LD的主要发展趋势在于研发无制冷器件，使实际运用的激光器的整体成本进一步降低。

发光强度曲线比较2.2.5光纤光栅激光器光纤光栅激光器利用均匀光纤光栅来选择出射光的波长。分类分布布拉格反射光纤光栅激光器分布反馈光纤光栅激光器单波长光纤光栅激光器多波长光纤光栅激光器DFB激光器特点：良好的相干性、稳定的单模工作特性，以及结构紧凑、易于封装、低相对强度噪声。高信噪比和高输出等2.2.6氦氖激光器氦氖激光器是一种特殊的气体放电光源。它具有极好的单色性、高度的相干性和很强的方向性（发散角很小）氦氖激光器结构图及实物图2.3光纤传感系统中的光电探测器按作用原理，光探测器可分为吸收光子使器件升温而探知入射光能的热电器件和将入射光转化为电流或电压的光电器件。2.3.1PIN光电二极管PIN光电二极管是光纤通信与光纤传感器系统中最常用的光电探测器，它的优点：价格低廉、灵敏度高、响应快、性能稳定、使用方便PIN光电二极管结构及工作原理图2.3.2雪崩二极管（APD）APD是利用雪崩倍增效应使光电流得到倍增的光电探测器。半导体中的雪崩倍增效应

在强电场下，半导体中的载流子会被电场加热（见半导体中的热载流子），部分载流子可以获得足够高的能量，这些载流子有可能通过碰撞把能量传递给价带上的电子，使之发生电离，从而产生电子-空穴对,这种过程称为碰撞电离。所产生的电子空穴对，在电场中向相反方向运动，又被电场加热并产生新的电子空穴对。依此方式可以使载流子大量增殖，这种现象被称为雪崩倍增效应APD具有较高的响应和内部增益，这种内部增益提高了器件的信噪比。APD将主要应用于长距离或接受光功率受到其他条件限制而比较小的光纤通信系统。目前在光纤通信中，在短波段主要采用Si-APD管，在长波段主要采用Ge-APD管。P-电极保护环

光入射N-电极SiO2沟道塞防反射涂层

P+RAPD的结构P+入射光IPN+SAM-APD的结构：SAM-APD的光谱响应范是1000nm~1700nm2.3.3光敏电阻光敏电阻是基于光电导效应原理，在光照条件下，通过改变自身的电阻率来实现测量任务的一种光电探测器。常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些材料在特定波长的光照射下，产生载流子参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。光敏电阻工作原理图光敏电阻的外形及其在电路中的符号

2.3.4硅光电池硅光电池的结构2.3.5硅光电二极管

P+nSiO2电极光电极+_RL

2.3.6光电位置敏感器件PSD属于半导体器件,一般做成P+I+N结构，具有高灵敏度、高分辨率、响应速度快和配置电路简单等优点，其弱点主要是非线性。其工作原理是基于横向光电效应。PSD是一种新型的半导体位置敏感器件,它是基于横向光电效应的连续模拟式光斑位置检测器件,它除了具有光电二极管阵列和CCD器件的定位性能外,还具有灵敏度高,分辨力高,良好的瞬态响应特性及简单的处理电路等特点,尤其是应用于精确定位时,具有受光斑强度,分布,对称性和尺寸影响小的特征,使该传感器件在许多领域得到了广泛的应用。

光入射位置PSD是仅对入射光光点位置敏感的电光器件PSD的结构原理及等效电路图2.4光纤传感中光的调制技术光调制技术是一种调制技术，就是将一个携带信息的信号叠加到载波光波上,完成这一过程的器件称为调制器。光的调制：将所传递的信息加载到激光上，将激光作