紅外通信特性試驗(yàn)儀物理教學(xué)試驗(yàn)中心

1、紅外物理特性及應(yīng)用 紅外通信特性實(shí)驗(yàn)波長范圍在0.751000微米的電磁波稱為紅外波，對紅外頻譜的研究歷來是基礎(chǔ)研究的重要組成部分。對熱輻射的深入研究導(dǎo)致普朗克量子理論的創(chuàng)立。對原子與分子的紅外光譜研究，幫助我們洞察它們的電子，振動(dòng)，旋轉(zhuǎn)的能級(jí)結(jié)構(gòu)，并成為材料分析的重要工具。對紅外材料的性質(zhì)，如吸收、發(fā)射、反射率、折射率、電光系數(shù)等參數(shù)的研究，為它們在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究奠定了基礎(chǔ)。現(xiàn)代紅外技術(shù)的成熟已經(jīng)打開了一系列應(yīng)用的大門。例如紅外通信，紅外污染監(jiān)測，紅外跟蹤，紅外報(bào)警，紅外治療，紅外控制，利用紅外成像原理的各種空間監(jiān)視傳感器，機(jī)載傳感器，房屋安全系統(tǒng)，夜視儀等。光纖通信早已成為固定通信網(wǎng)的

2、主要傳輸技術(shù)，目前正積極研究將光通信用于微波通信一直占據(jù)的寬帶無線通信領(lǐng)域。無論光纖通信還是無線光通信，用的都是紅外光。這是因?yàn)?，光纖通信中，由石英材料構(gòu)成的光纖在0.81.7微米的波段范圍內(nèi)有幾個(gè)抵損耗區(qū)，而無線大氣通信中，考慮到大氣對光波的吸收，散射損耗及避開太陽光散射形成的背景輻射，一般在0.810.86，1.551.6微米兩個(gè)波段范圍內(nèi)選擇通信波長。因此，一般所稱的光通信實(shí)際就是紅外通信?！緦?shí)驗(yàn)原理】1、紅外通信在現(xiàn)代通信技術(shù)中，為了避免信號(hào)互相干擾，提高通信質(zhì)量與通信容量，通常用信號(hào)對載波進(jìn)行調(diào)制，用載波傳輸信號(hào)，在接收端再將需要的信號(hào)解調(diào)還原出來。不管用什么方式調(diào)制，調(diào)制后的載波要

3、占用一定的頻帶寬度，如音頻信號(hào)要占用幾千赫茲的帶寬，模擬電視信號(hào)要占用8兆赫茲的帶寬。載波的頻率間隔若小于信號(hào)帶寬，則不同信號(hào)間要互相干擾。能夠用作無線電通信的頻率資源非常有限，國際國內(nèi)都對通信頻率進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃和管理，仍難以滿足日益增長的信息需求。通信容量與所用載波頻率成正比，與波長成反比，目前微波波長能做到厘米量級(jí)，在開發(fā)應(yīng)用毫米波和亞毫米波時(shí)遇到了困難。紅外波長比微波短得多，用紅外波作載波，其潛在的通信容量是微波通信無法比擬的，紅外通信就是用紅外波作載波的通信方式。紅外傳輸?shù)慕橘|(zhì)可以是光纖或空間，本實(shí)驗(yàn)采用空間傳輸。2、紅外材料 光在光學(xué)介質(zhì)中傳播時(shí)，由于材料的吸收，散射，會(huì)使光波在傳播過

4、程中逐漸衰減，對于確定的介質(zhì)，光的衰減dI與材料的衰減系數(shù) ，光強(qiáng)I，傳播距離dx成正比： （1）對上式積分，可得： （2）上式中L為材料的厚度。材料的衰減系數(shù)是由材料本身的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)決定的，不同的波長衰減系數(shù)不同。普通的光學(xué)材料由于在紅外波段衰減較大，通常并不適用于紅外波段。常用的紅外光學(xué)材料包括：石英晶體及石英玻璃，它在0.144.5微米的波長范圍內(nèi)都有較高的透射率。半導(dǎo)體材料及它們的化合物如鍺，硅，金剛石，氮化硅，碳化硅，砷化鎵，磷化鎵。氟化物晶體如氟化鈣，氟化鎂。氧化物陶瓷如藍(lán)寶石單晶(Al2O3），尖晶石(MgAl2O4)，氮氧化鋁，氧化鎂，氧化釔，氧化鋯。還有硫化鋅，硒化鋅，以及一

5、些硫化物玻璃，鍺硫系玻璃等。光波在不同折射率的介質(zhì)表面會(huì)反射，入射角為零或入射角很小時(shí)反射率： （3）由（3）式可見，反射率取決于界面兩邊材料的折射率。由于色散，材料在不同波長的折射率不同。折射率與衰減系數(shù)是表征材料光學(xué)特性的最基本參數(shù)。由于材料通常有兩個(gè)界面，測量到的反射與透射光強(qiáng)是在兩界面間反射的多個(gè)光束的疊加效果，如圖1所示。反射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)之比為： （4）（4）式的推導(dǎo)中，用到無窮級(jí)數(shù)1+x+x2+x3+ ··· = (1x)-1。透射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)之比為： （5）原則上，測量出I0、IR、IT，聯(lián)立（4）、（5）兩式，可以求出R與（不一定是解析解）。下

6、面討論兩種特殊情況下求R與 。對于衰減可忽略不計(jì)的紅外光學(xué)材料， =0，e L =1，此時(shí)，由（4）式可解出： （6）對于衰減較大的非紅外光學(xué)材料，可以認(rèn)為多次反射的光線經(jīng)材料衰減后光強(qiáng)度接近零，對圖1中的反射光線與透射光線都可只取第一項(xiàng)，此時(shí)： （7） （8）由于空氣的折射率為1，求出反射率后，可由（3）式解出材料的折射率： （9）很多紅外光學(xué)材料的折射率較大，在空氣與紅外材料的界面會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的反射。例如硫化鋅的折射率為2.2，反射率為14，鍺的折射率為4，反射率為36。為了降低表面反射損失，通常在光學(xué)元件表面鍍上一層或多層增透膜來提高光學(xué)元件的透過率。3、發(fā)光二極管紅外通信的光源為半導(dǎo)體激

7、光器或發(fā)光二極管，本實(shí)驗(yàn)采用發(fā)光二極管。發(fā)光二極管是由P型和N型半導(dǎo)體組成的二極管。P型半導(dǎo)體中有相當(dāng)數(shù)量的空穴，幾乎沒有自由電子。N型半導(dǎo)體中有相當(dāng)數(shù)量的自由電子，幾乎沒有空穴。當(dāng)兩種半導(dǎo)體結(jié)合在一起形成P-N結(jié)時(shí)，N區(qū)的電子（帶負(fù)電）向P區(qū)擴(kuò)散， P區(qū)的空穴（帶正電）向N區(qū)擴(kuò)散，在P-N結(jié)附近形成空間電荷區(qū)與勢壘電場。勢壘電場會(huì)使載流子向擴(kuò)散的反方向作漂移運(yùn)動(dòng)，最終擴(kuò)散與漂移達(dá)到平衡，使流過P-N結(jié)的凈電流為零。在空間電荷區(qū)內(nèi)，P區(qū)的空穴被來自N區(qū)的電子復(fù)合，N區(qū)的電子被來自P區(qū)的空穴復(fù)合，使該區(qū)內(nèi)幾乎沒有能導(dǎo)電的載流子，又稱為結(jié)區(qū)或耗盡區(qū)。當(dāng)加上與勢壘電場方向相反的正向偏壓時(shí)，結(jié)區(qū)變窄，

8、在外電場作用下，P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子就向?qū)Ψ綌U(kuò)散運(yùn)動(dòng)，從而在PN結(jié)附近產(chǎn)生電子與空穴的復(fù)合，并以熱能或光能的形式釋放能量。采用適當(dāng)?shù)牟牧?，使?fù)合能量以發(fā)射光子的形式釋放，就構(gòu)成發(fā)光二極管。采用不同的材料及材料組分，可以控制發(fā)光二極管發(fā)射光譜的中心波長。圖3，圖4分別為發(fā)光二極管的伏安特性與輸出特性。從圖3可見，發(fā)光二極管的伏安特性與一般的二極管類似。從圖4可見，發(fā)光二極管輸出光功率與驅(qū)動(dòng)電流近似呈線性關(guān)系。這是因?yàn)椋候?qū)動(dòng)電流與注入PN結(jié)的電荷數(shù)成正比，在復(fù)合發(fā)光的量子效率一定的情況下，輸出光功率與注入電荷數(shù)成正比。發(fā)光二極管的發(fā)射強(qiáng)度隨發(fā)射方向而異。方向的特性如圖5，圖5的發(fā)射強(qiáng)度是以最大值

9、為基準(zhǔn)，當(dāng)方向角度為零度時(shí)，其發(fā)射強(qiáng)度定義為100。當(dāng)方向角度增大時(shí)，其放射強(qiáng)度相對減少，發(fā)射強(qiáng)度如由光軸取其方向角度一半時(shí)，其值即為峰值的一半，此角度稱為方向半值角，此角度越小即代表元件之指向性越靈敏。一般使用紅外線發(fā)光二極管均附有透鏡，使其指向性更靈敏，而圖5（a）的曲線就是附有透鏡的情況，方向半值角大約在± 7°。另外每一種型號(hào)的紅外線發(fā)光二極管其幅射角度亦有所不同，圖5 (b)所示之曲線為另一種型號(hào)之元件，方向半值角大約在± 50°。（a）A型管（加裝透鏡） （b）B型管 圖5 兩種紅外發(fā)光二極管的角度特性曲線圖4、光電二極管紅外通信接收端由光電

10、二極管完成光電轉(zhuǎn)換。光電二極管是工作在無偏壓或反向偏置狀態(tài)下的PN結(jié)，反向偏壓電場方向與勢壘電場方向一致，使結(jié)區(qū)變寬，無光照時(shí)只有很小的暗電流。當(dāng)PN結(jié)受光照射時(shí)，價(jià)電子吸收光能后掙脫價(jià)鍵的束縛成為自由電子，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生電子空穴對，在電場作用下，電子向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，形成光電流。紅外通信常用PIN型光電二極管作光電轉(zhuǎn)換。它與普通光電二極管的區(qū)別在于在P型和N型半導(dǎo)體之間夾有一層沒有滲入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體材料，稱為I型區(qū)。這樣的結(jié)構(gòu)使得結(jié)區(qū)更寬，結(jié)電容更小，可以提高光電二極管的光電轉(zhuǎn)換效率和響應(yīng)速度。圖6是反向偏置電壓下光電二極管的伏安特性。無光照時(shí)的暗電流很小，它是由少數(shù)載流子的漂移形成

11、的。有光照時(shí)，在較低反向電壓下光電流隨反向電壓的增加有一定升高，這是因?yàn)榉聪蚱珘涸黾邮菇Y(jié)區(qū)變寬，結(jié)電場增強(qiáng)，提高了光生載流子的收集效率。當(dāng)反向偏壓進(jìn)一步增加時(shí)，光生載流子的收集接近極限，光電流趨于飽和，此時(shí)，光電流僅取決于入射光功率。在適當(dāng)?shù)姆聪蚱秒妷合?，入射光功率與飽和光電流之間呈較好的線性關(guān)系。圖7是光電轉(zhuǎn)換電路，光電二極管接在晶體管基極，集電極電流與基極電流之間有固定的放大關(guān)系，基極電流與入射光功率成正比，則流過R的電流與R兩端的電壓也與光功率成正比。5、光源的調(diào)制對光源的調(diào)制可以采用內(nèi)調(diào)制或外調(diào)制。內(nèi)調(diào)制用信號(hào)直接控制光源的電流，使光源的發(fā)光強(qiáng)度隨外加信號(hào)變化，內(nèi)調(diào)制易于實(shí)現(xiàn)，一般用

12、于中低速傳輸系統(tǒng)。外調(diào)制時(shí)光源輸出功率恒定，利用光通過介質(zhì)時(shí)的電光效應(yīng)，聲光效應(yīng)或磁光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)對光強(qiáng)的調(diào)制，一般用于高速傳輸系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)采用內(nèi)調(diào)制。圖8是簡單的調(diào)制電路。調(diào)制信號(hào)耦合到晶體管基極，晶體管作共發(fā)射極連接，流過發(fā)光二極管的集電極電流由基極電流控制，R1，R2提供直流偏置電流。圖9是調(diào)制原理圖，由圖9可見，由于光源的輸出光功率與驅(qū)動(dòng)電流是線性關(guān)系，在適當(dāng)?shù)闹绷髌孟?，隨調(diào)制信號(hào)變化的電流變化由發(fā)光二極管轉(zhuǎn)換成了相應(yīng)的光輸出功率變化。6、副載波調(diào)制由需要傳輸?shù)男盘?hào)直接對光源進(jìn)行調(diào)制，稱為基帶調(diào)制。在某些應(yīng)用場合，例如有線電視需要在同一根光纖上同時(shí)傳輸多路電視信號(hào)，此時(shí)可用N個(gè)基帶信號(hào)對頻率為f1，f2fN的N個(gè)副載波頻率進(jìn)行調(diào)制，將已調(diào)制的N個(gè)副載波合成一個(gè)頻分復(fù)用信號(hào)，驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管。在接收端，由光電二極管還原頻分復(fù)用信號(hào)，再由帶通濾波器分離出副載波，解調(diào)后得到需要的基帶信號(hào)。對副載波的調(diào)制可采用調(diào)幅，調(diào)頻等不同方法。調(diào)頻具有抗干擾能力強(qiáng)，信號(hào)失真小的優(yōu)點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)采用調(diào)頻法。圖10是副載波調(diào)制傳輸框圖。如果載波的瞬時(shí)頻率偏移隨調(diào)制信號(hào)m(t)線性變化，即： （10）則稱為調(diào)頻，kf是調(diào)頻系數(shù)，代表頻率調(diào)制的靈敏度，單位為2赫茲/伏。調(diào)頻信號(hào)可寫成下列一般形式： （11）式中為載波的角頻率，為調(diào)頻信號(hào)的瞬時(shí)相位偏