光纖傳感總結(jié)

1、光纖傳感技術(shù)總結(jié)1. 光纖（Optical fiber）是傳光的纖維波導(dǎo)或光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱，它是通過內(nèi)全反射原理或折射原理傳輸光的玻璃狀電介質(zhì)細(xì)絲。直徑：幾微米-幾百微米。2. 傳感器：能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。3. 光纖傳感器：是用待測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獠▍⒘窟M(jìn)行調(diào)制得到調(diào)制信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)光纖傳輸至光探測(cè)器進(jìn)行解調(diào)，從而獲得待測(cè)量值的一種裝置。4. 光纖傳感技術(shù)：以光波為載體，光纖為媒質(zhì)，感知和傳輸外界被測(cè)量信號(hào)的新型傳感技術(shù)。5. 光纖傳感原理：光纖傳感原理是以光纖的導(dǎo)波現(xiàn)象為基礎(chǔ)的，光從光纖射出時(shí)，光的特性得到調(diào)制，通過對(duì)調(diào)制光的檢測(cè)，便能感知外界

2、的信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種物理量的測(cè)量。E=E0Cos(t+)6. 光纖傳感系統(tǒng)的組成 :7. 光纖傳感器的分類: 1） .根據(jù)光纖在傳感器中的作用.功能型光纖傳感器（Functional Fiber，簡(jiǎn)稱FF型）（全光纖型、傳感型） .非功能型光纖傳感器（Non Functional Fiber，簡(jiǎn)稱NFF型（傳光型）2） 根據(jù)光受被測(cè)對(duì)象的調(diào)制形式.強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器 .波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器.相位調(diào)制型光纖傳感器 .頻率調(diào)制型光纖傳感器.偏振調(diào)制型光纖傳感器 3） 按被測(cè)對(duì)象分 光纖溫度、壓力、位移、流量、磁場(chǎng)、電壓、圖像、醫(yī)用、光譜、氣體、液體傳感器，光纖陀螺儀8. 光纖傳感的特點(diǎn)：1）靈敏度

3、高； 2）抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、本質(zhì)安全；3）重量輕、體積小、可繞曲；4）測(cè)量對(duì)象廣泛，對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響??；5）便于復(fù)用，便于成網(wǎng)；9.光纖的結(jié)構(gòu)：1）、纖芯：高純度SiO2 ，摻雜質(zhì)：GeO2 、P2O5 （提高折射率）；折射率 n12）、包層： SiO2 ，摻雜質(zhì)：F、B（降低折射率）；折射率 n2 折射率 n1n23）、一次涂敷層：環(huán)氧樹脂、硅橡膠（加強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度）4）、套塑：尼龍、聚乙烯（加強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度）Coating涂敷層Cladding 包層Core纖芯n1n210. 光纖的分類：1）按照傳輸?shù)目偰?shù)來(lái)分模式（mode)：在光纖中具有確定空間和時(shí)間分布的電磁場(chǎng)分量稱為光纖中的模。是

4、電磁場(chǎng)的一種分布形式。、單模光纖（Single-mode fiber, SMF） 只傳輸主模，沒有模式色散，適于大容量、長(zhǎng)距離的光纖通信。纖芯直徑：212 m；包層直徑：125 m；、多模光纖（Multimode fiber, MMF） 在一定的工作波長(zhǎng)下，可以同時(shí)傳輸多種模式。 纖芯直徑：50500 m； 2）按照折射率(refractive index)分布分類.階躍折射率光纖（Step index fiber, SIF）：也叫突變型光纖或均勻光纖，纖芯折射率為n1保持不變，到包層突然變?yōu)閚2 。這種光纖一般纖芯直徑2a=5080m，光線以折線形狀沿纖芯中心軸線方向傳播，特點(diǎn)是信號(hào)畸變大。

5、.梯度折射率光纖（Graded index fiber, GIF）：也叫漸變型光纖或非均勻光纖，在纖芯中心折射率最大為n1，沿徑向r向外圍逐漸變小，直到包層變?yōu)閚2。這種光纖一般纖芯直徑2a為50m，光線以正弦形狀沿纖芯中心軸線方向傳播，特點(diǎn)是信號(hào)畸變小。 圖 三種基本類型的光纖(a) 突變型多模光纖； (b) 漸變型多模光纖； （c） 單模光纖11. 光纖的導(dǎo)光機(jī)理：射線法和波動(dòng)法射線法（ rays）1) .光射線：子午線：過纖芯的軸線的平面稱為子午面，子午面上和軸線相交的光射線稱為子午射線，簡(jiǎn)稱為子午線。斜射線：不在一個(gè)平面里，不經(jīng)過光纖軸線的空間折線。2） .射線法：用光射線來(lái)研究光傳輸

6、特性的方法，稱為射線法。3） 階躍型光纖中光射線的分析主要特性參數(shù)的定義：相對(duì)折射率差纖芯折射率n1 ；包層折射率n2 ；n1n2 =(n12-n22)/2n12 當(dāng)n1與n2差別極小時(shí)，這種光纖稱為弱導(dǎo)波光纖 (n1-n2)/n1 SM: =0.00050.01; MM: =0.010.02 數(shù)值孔徑(Numerical Aperture, NA) 321yq 1lLxoqqc纖芯n1包層n2zycy1n0sin1 =n1sin1 =n1cos 數(shù)值孔徑NA ：光從空氣中入射到光纖輸入端面所允許最大光錐半角之正旋。 NA表示光纖接收和傳輸光的能力階躍型光纖的導(dǎo)光機(jī)理階躍型光纖是靠全反射原理將

7、光波限制在纖芯中向前傳播。只有滿足全反射條件的光射線才可在纖芯中形成導(dǎo)波。這些光射線射入光纖端面的角度必須是在最大入射角c以內(nèi)。rnp=1p=p=2漸變型光纖中光射線的分析1、漸變型光纖折射率分布的普遍公式為r-纖芯半徑；a-軸線到包層外邊沿的半徑p-決定折射率變化曲線的坡度 漸變型光纖中，不同射線具有相同軸向速度的這種現(xiàn)象，稱為自聚焦現(xiàn)象，具有這種自聚焦現(xiàn)象的光纖稱為自聚焦光纖。射入纖芯某點(diǎn)r處的光線的數(shù)值孔徑，稱為該點(diǎn)的本地?cái)?shù)值孔徑。n (r) , NA(r) ,該點(diǎn)光纖捕捉光射線的能力越強(qiáng)；光纖軸線處捕捉射線的能力最強(qiáng)。 傳導(dǎo)模：只有滿足全反射條件的那些模式才能在光纖中傳播，稱為傳導(dǎo)模。

8、 k0n2 k0n1 輻射模：那些不滿足全反射條件的模式，其電磁場(chǎng)不限于光纖芯區(qū)而可徑向輻射至無(wú)窮遠(yuǎn)，稱為輻射模。 泄漏模：有一些不處于子午面的斜射線，由于它們部分滿足全反射條件，于是沿傳播方向有衰減的泄漏模。 2、截止：指光纖中的導(dǎo)波截止。當(dāng)光纖中出現(xiàn)輻射模時(shí)，即認(rèn)為導(dǎo)波截止。 b c截止條件為： c 臨界條件為： =c 5、主模（基模）：人們把光纖中的最低工作模式稱為主模。主模的歸一化截止頻率最低：c =0，沒有截止現(xiàn)象 ，在任何頻率下都可以傳輸。 6、高次模：光纖中除主模之外，其它所有模式統(tǒng)稱為高次模。 第一高次模截止時(shí)（ 2.405)，其它所有高次模均截止，這時(shí)光纖中只傳輸主模。所以單

9、模光纖的單模傳輸條件是：0 10) 2.3 光纖的傳輸特性2.3.1光纖的損耗(Attenuation) 光纖的損耗:光波在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加而光功率逐漸下降，這就是光纖的傳輸損耗。 引起損耗的原因：光纖本身?yè)p耗（吸收損耗、散射損耗）外因：光纖彎曲、光纖與光源的耦合、光纖之間的連一、吸收損耗（Absorption) 吸收損耗：光波通過光纖材料時(shí)，有一部分光能變成熱能，造成光功率的損失。1、本征吸收：是由SiO2材料引起的固有吸收，它基本上確定了某一材料吸收損耗的下限，它與波長(zhǎng)有關(guān)。 紫外(UV：ultraviolet)吸收(0.006m0.4m) 紅外(IR：infrared)吸收

10、(0.76m20dB。（2）插入損耗 L 它表示了定向耦合器損耗的大小。如由端口1輸人光功率P1，應(yīng)由端口2和端口3輸出光功率P2和P3，插入損耗等于輸出光功率之和與輸入光功率之比取對(duì)數(shù)，單位為分貝，用L表示，為 一般情況下，要求 L 0.5dB（3） 分光比 T： 它等于兩個(gè)輸出端口的光功率之比，如從端口1輸人光功率，則分光比為T=P3/P2 一般情況下，定向耦合器的分光比為 1:110:1 3.3 光波分復(fù)用器（Wavelength Division Multiplexer） 1、定義 波分復(fù)用器是波長(zhǎng)分割復(fù)用解復(fù)用器的簡(jiǎn)稱。它是使兩個(gè)或兩個(gè)以上的波長(zhǎng)光信號(hào)在同一根光纖中進(jìn)行傳輸?shù)钠骷?

11、.4 光隔離器（Optical Isolator） 1、定義 隔離器是保證光信號(hào)只能正向傳輸?shù)钠骷?，避免線路中由于各種因素而產(chǎn)生的反射光再次進(jìn)入激光器，而影響了激光器的工作穩(wěn)定性。 隔離器的作用：只允許光波往一個(gè)方向上傳輸，阻止光波往其他方向特別是反方向傳輸。2、基本原理 光隔離器的基本原理是法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。 （1）法拉第效應(yīng)（磁致旋光效應(yīng)）：原來(lái)不具有旋光性的物質(zhì)，在磁場(chǎng)的作用下，偏振光通過該物質(zhì)時(shí)其振動(dòng)面將發(fā)生旋轉(zhuǎn)。 旋轉(zhuǎn)角度=VLB V-費(fèi)爾德常數(shù) L-光在該物質(zhì)中通過的距離 B-磁感應(yīng)強(qiáng)度磁光材料引起的光偏振面的旋轉(zhuǎn)方向取決于外加磁場(chǎng)方向，與光的傳播方向無(wú)關(guān)。（4）結(jié)構(gòu)與原理當(dāng)正向光入

12、射后，經(jīng)過偏振器1全部透過，經(jīng)過旋光器后，旋轉(zhuǎn)45，和偏振器2的透光軸角度一致，因此，正向光功率全部射出。當(dāng)反向光射入后，有一部分光經(jīng)過偏振器2到達(dá)旋光器，被順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45，正好和偏振器1中透光軸方向垂直，因此，被全部隔離。 3.5 光環(huán)行器（Optical Circulator）1、定義 光環(huán)行器可使光信號(hào)從任一端口輸入時(shí)，都能按順序地從另一端口輸出，可用于特種環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。2、結(jié)構(gòu)與原理（1）偏振相關(guān)型光隔離器：出射光為線偏振光 環(huán)行器是由45法拉第轉(zhuǎn)子和兩個(gè)偏振棱鏡組成的，法拉第轉(zhuǎn)子由YIG單晶體和釤-鈷（Sm-Co）稀土磁鐵構(gòu)成，偏振棱鏡由方解石制成。它除了有多個(gè)端口外，其工作原理與隔離器

13、類似。3.6 光衰減器（Optic attenuator）1、定義 光衰減器是按一定要求將光信號(hào)能量進(jìn)行衰減的器件。在光纖通信系統(tǒng)中通常需用光衰減器吸收光功率余量或評(píng)估系統(tǒng)的損耗。2、分類（1）按衰減方式分：固定式光衰減器 分級(jí)可調(diào)衰減器 連續(xù)可調(diào)衰減器（2）按工作原理分：吸收型衰減器 反射型衰減器 錯(cuò)位型衰減器（3）按光纖種類分：多模光衰減器 單模光衰減器（4）按接口型式分：尾纖式光衰減器 連接器端口式光衰減器。 3.7光開關(guān)（Optical Switch）1、定義 光開關(guān)是按一定要求將一個(gè)光通道的光信號(hào)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)光通道的器件，它使光路之間進(jìn)行直接轉(zhuǎn)換，避免了光-電-光的過程，提高了信噪比

14、。 光開關(guān)的功能是轉(zhuǎn)換光路，實(shí)現(xiàn)光交換，它是光網(wǎng)絡(luò)的重要器件。2、分類（1）按工作原理分：機(jī)械式光開關(guān) 光纖位移式光開關(guān) 光學(xué)元件位移式光開關(guān) 非機(jī)械式光開關(guān) 電光式光開關(guān) 磁光式光開關(guān) 聲光式光開關(guān)3.8 光濾波器（optical Filter） 1、光濾波器：只允許一定波長(zhǎng)的光信號(hào)通過的器件。 2、可調(diào)諧光濾波器：是一種波長(zhǎng)（或頻率）選擇器件，它的功能是從許多不同頻率的輸入光信號(hào)中，選擇出一個(gè)特定頻率的光信號(hào)。3、分類： （1）根據(jù)基理分為干涉型、衍射型和吸收型三類；基于干涉原理的濾波器：熔錐光纖濾波器、Fabry-Perot濾波器、多層介質(zhì)膜濾波器、馬赫-曾德干涉濾波器?；谘苌湓淼臑V

15、波器：體光柵濾波器、陣列波導(dǎo)光柵濾波器（AWG）、光纖光柵濾波器、聲光可調(diào)諧濾波器?？烧{(diào)諧馬赫曾特爾干涉儀濾波器。 （2）根據(jù)調(diào)諧的能力分為光頻固定濾波器和可調(diào)諧濾波器。3.9 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器（ Wavelength Converter ） 1、定義：能夠使信號(hào)從一個(gè)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)波長(zhǎng)的器件稱為波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器。 2、分類：波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器根據(jù)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換機(jī)理可分為光電型和全光型波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器。3.10 光纖光柵（ Fiber Grating） 1、定義：利用某種手段使得光纖的物理結(jié)構(gòu)沿軸向呈規(guī)律分布，用來(lái)改變光在其中傳播的行徑，這樣的一種光子學(xué)器件被稱為光纖光柵。這種物理結(jié)構(gòu)沿軸向的規(guī)律分布主要表現(xiàn)為光纖纖芯折射

16、率的周期性分布。 3、光纖光柵的分類（2）根據(jù)周期性結(jié)構(gòu)不同分： 規(guī)則周期光柵（均勻光柵）：是指光柵的光學(xué)周期沿光纖軸向保持不變的光柵，它具有接近于1的峰值反射率以及極窄的反射半寬。 ）布喇格光纖光柵(FBG) 將光纖中傳播的特定波長(zhǎng)的光波從前向?qū)Рｑ詈系胶笙驅(qū)РＶ?，是一種波長(zhǎng)反射元件。 格柵周期小于1mm，反射帶寬從零點(diǎn)幾個(gè)nm到幾十nm。）長(zhǎng)周期光纖光柵(LPG：long period grating) 將光纖中傳播的特定波長(zhǎng)的光波耦合到包層中損耗掉，在其透射譜中形成寬帶損耗峰，是一種透射型光柵。柵格周期大于100mm，用于EDFA的增益平坦元件。變周期光柵（非均勻光柵） 光柵的光學(xué)周

17、期沿光柵軸向變化的一類光柵，它的反射譜一般較寬，同時(shí)隨周期變化方式的不同，可以產(chǎn)生按人為設(shè)計(jì)的方式而出現(xiàn)的反射及透射波形。 ）啁啾光纖光柵 (CFBG:chirped fiber bragg grating) 其周期不是常數(shù)而是沿軸向單調(diào)變化的，CFBG的不同柵格周期對(duì)應(yīng)于不同的反射波長(zhǎng)，能夠形成很寬的反射帶，產(chǎn)生大而穩(wěn)定的色散，用作色散補(bǔ)償元件。 ）相移光纖光柵(PSFG：phase-shifted fiber grating) 通過某種方式（用聚焦強(qiáng)光照射均勻周期光柵)破壞FBG折射率分布的連續(xù)性，在某特定的一點(diǎn)或多點(diǎn)處引入相移，形成PSFG。 特點(diǎn)是在其布拉格反射帶中打開透射窗口，使光柵

18、具有更高的波長(zhǎng)選擇性。用于波長(zhǎng)解復(fù)用器。4、 光纖光柵的制作技術(shù)（a） 光纖的光敏性：光纖的折射率在紫外光照射下，隨光強(qiáng)發(fā)生變化的特性。（1） 駐波寫入法（2）全息干涉法（3）相位掩模法（4）逐點(diǎn)寫入法（4）色散補(bǔ)償器對(duì)于普通單模光纖,在1550處色散值為正,處在反常色散區(qū), 藍(lán)移分量較紅移分量傳播得快。光纖chirp光柵能對(duì)色散補(bǔ)償?shù)脑硎?當(dāng)這種光脈沖通過線性chirp光柵后,藍(lán)移分量的時(shí)延比紅移分量的時(shí)延長(zhǎng),正好起到了色散均衡作用,從而實(shí)現(xiàn)了色散補(bǔ)償。 3.11 偏振控制器(PC- Polarization controller)偏振控制器：是指能將任意輸入的偏振態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿我馄谕敵銎?/p>

19、態(tài)的器件。分類：方位角控制型偏振控制器延遲量控制型偏振控制器方位角- 延遲量控制型偏振控制器4.1 光源Light Source對(duì)光源的基本要求有下列幾點(diǎn)： （1）光源的發(fā)光波長(zhǎng)應(yīng)符合目前光纖的三個(gè)低損耗窗口：即短波長(zhǎng)波段的0.85mm和長(zhǎng)波長(zhǎng)波段的1.31 mm與1.55 mm ； （2）能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，并能提供足夠的光輸出功率；目前，半導(dǎo)體激光器尾纖的輸出功率可達(dá) 500 mw 2mw；半導(dǎo)體發(fā)光二極管的尾纖輸出功率可達(dá) 10 mw左右； （3）耦合效率高：目前，半導(dǎo)體激光器與尾纖的耦合效率為1020，最好可達(dá)50； （4）光源的譜線寬度窄：光源的譜線寬度直接影響到光纖的色散特性，限制了

20、傳輸速率和傳輸距離。目前較好的半導(dǎo)體激光器譜線寬度可達(dá)到0.1nm； （5）壽命長(zhǎng)、工作穩(wěn)定。4.1.1 與激光器有關(guān)的幾個(gè)概念激光（LASER：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 受激輻射的光放大）一、光子(Photon) 1905年，愛因斯坦提出光量子學(xué)說認(rèn)為光是由能量為hf的光量子組成，其中h=6.62610-34 JS,稱為普朗克常數(shù)，f是光波頻率，人們將這些光量子稱為光子。 光具有波動(dòng)(wave) 、粒子(particle)兩重性。二、原子能級(jí)(Atomic Energy Level)電子在原子中圍繞原子核按

21、一定軌道運(yùn)動(dòng)，具有一定的電子能量。電子運(yùn)動(dòng)的能量只能有某些允許的數(shù)值。這些所允許的能量值，因軌道不同，都是一個(gè)個(gè)地分開的，且是不連續(xù)的，其大小取決于軌道上電子的數(shù)目。我們把這些分立的能量值，稱為原子的能級(jí)。 三、費(fèi)米能級(jí)(Fermi Energy Level) 在一般情況下，電子占據(jù)各個(gè)能級(jí)的概率是不等的，占據(jù)低能級(jí)的電子多，而占據(jù)高能級(jí)的電子少。電子占據(jù)能級(jí)的概率遵循費(fèi)米能級(jí)統(tǒng)計(jì)規(guī)律： 在熱平衡條件下，能量為E的能級(jí)被一個(gè)電子占據(jù)的概率為： 式中f(E)(概率)為電子的費(fèi)米分布函數(shù)；k0為玻耳茲曼函數(shù)，k0=1.3810-23焦耳/度；T為絕對(duì)溫度；Ef為費(fèi)米能級(jí)，它只是反映電子在各能級(jí)中分

22、布情況的一個(gè)參量。費(fèi)米統(tǒng)計(jì)規(guī)律是物質(zhì)粒子能級(jí)分布的基本規(guī)律，它反映了物質(zhì)中的電子按一定規(guī)律占據(jù)能級(jí)的情況。 4、 光與物質(zhì)的三種作用形式1、自發(fā)輻射 (Spontaneous Emission of Radiation ) 在高能級(jí)E2的電子是不穩(wěn)定的，即使沒有外界的作用，也會(huì)自動(dòng)地躍遷到低能級(jí)E1上與空穴復(fù)合，釋放的能量轉(zhuǎn)換為光子輻射出去，這種躍遷稱為自發(fā)輻射。 特點(diǎn)： （1） 過程是自發(fā)躍遷；（2） 輻射光子的頻率不同；（3）輻射出的光子是非相干光。 2、受激吸收 (Stimulated Absorption) 在正常狀態(tài)下，電子處于低能級(jí)E1，在入射光作用下，它會(huì)吸收光子的能量躍遷到高能

23、級(jí)E2上，這種躍遷稱為受激吸收。 特點(diǎn)：（1）過程是受激躍遷；（2）外來(lái)光子的能量要等于電子躍遷的能級(jí)之差；（3）受激躍遷的過程中，并沒有多余的能量放出來(lái)。3、受激輻射 (Stimulated Emission of Radiation) 在高能級(jí)E2的電子，受到入射光的作用，被迫躍遷到低能級(jí)E1上與空穴復(fù)合，釋放的能量產(chǎn)生光輻射，這種躍遷稱為受激輻射。 特點(diǎn)： （1）外來(lái)光子的能量等于躍遷的能級(jí)之差； （2）受激發(fā)射的光子與外來(lái)光子是全同光子； （3）過程可以使光得到放大。相干光：受激輻射光的頻率、相位、偏振態(tài)和傳播方向與入射光相同。 要想物質(zhì)能夠產(chǎn)生光的放大，就必須使受激輻射作用受激吸收作

24、用。也就是必須使N2N1，這種粒子數(shù)一反常態(tài)的分布，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。因此，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)是使物質(zhì)產(chǎn)生光放大的必要條件。 二、激光器的基本組成 1、能夠產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)（Operation Material ） 可以處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的工作物質(zhì)，必須有確定能級(jí)的原子系統(tǒng)，可以在所需要的光波范圍內(nèi)輻射光子。經(jīng)過分析可知，在三能級(jí)以上系統(tǒng)中，可以得到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。 2、泵浦源（Pumping Source) 使工作物質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的外界激勵(lì)源，稱為泵浦源。物質(zhì)在泵浦源的作用下，使粒子從低能級(jí)躍遷到較高能級(jí)，使得 N2N1，在這種情況下，受激輻射受激吸收，從而有光的放大作用。這時(shí)

25、的工作物質(zhì)已被激活，成為激活物質(zhì)或稱增益物質(zhì)(gain material)。3、光學(xué)諧振腔(Optical Resonant Cavity ) 提供必要的反饋以及進(jìn)行頻率選擇。（1）光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu) 對(duì)于兩個(gè)反射鏡，要求其中一個(gè)能全反射，另一個(gè)為部分反射，產(chǎn)生的激光由此射出。4.1.3 半導(dǎo)體激光器（ LD :Laser Diodes）一、半導(dǎo)體激光器的工作原理和結(jié)構(gòu) 用半導(dǎo)體(Semiconductor)材料作為激活物質(zhì)的激光器，稱為半導(dǎo)體激光器。 1、半導(dǎo)體的簡(jiǎn)單介紹：半導(dǎo)體是由大量原子周期性有序排列構(gòu)成的共價(jià)晶體。在這種晶體中，由于鄰近原子的作用，電子所處的能態(tài)擴(kuò)展成能級(jí)連續(xù)分布的能帶。

26、能量低的能帶稱為價(jià)帶，能量高的能帶稱為導(dǎo)帶，導(dǎo)帶底的能量Ec和價(jià)帶頂?shù)哪芰縀v之間的能量差Ec-Ev=Eg稱為禁帶寬度或帶隙。電子不可能占據(jù)禁帶。半導(dǎo)體光源發(fā)射的光子的能量、波長(zhǎng)取決于半導(dǎo)體材料的帶隙Eg，以電子伏特（eV）表示的發(fā)射波長(zhǎng)為半導(dǎo)體分類(a) 本征半導(dǎo)體（Intrinsic Semiconductor） (b) N型半導(dǎo)體(Negative Semiconductor)(c) P型半導(dǎo)體(Positive Semiconductor)2、半導(dǎo)體激光器的工作原理(1) P-N結(jié)（ P-N Junction）的形成 在P型和N型半導(dǎo)體組成的PN結(jié)界面上， 由于存在多數(shù)載流子(電子或空

27、穴)的梯度，因而產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成內(nèi)部電場(chǎng)。內(nèi)部電場(chǎng)產(chǎn)生與擴(kuò)散相反方向的漂移運(yùn)動(dòng)，直到P區(qū)和N區(qū)的Ef相同，兩種運(yùn)動(dòng)處于平衡狀態(tài)為止，結(jié)果能帶發(fā)生傾斜。 (2) 在PN結(jié)上施加正偏電壓 產(chǎn)生與內(nèi)部電場(chǎng)相反方向的外加電場(chǎng)，結(jié)果能帶傾斜減小，擴(kuò)散增強(qiáng)。電子運(yùn)動(dòng)方向與電場(chǎng)方向相反，便使N區(qū)的電子向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，P區(qū)的空穴向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，最后在PN結(jié)形成一個(gè)特殊的增益區(qū)。增益區(qū)的導(dǎo)帶主要是電子，價(jià)帶主要是空穴，結(jié)果獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。(3) 激光的產(chǎn)生 當(dāng)PN結(jié)上外加的正向偏壓足夠大時(shí)，將使得結(jié)區(qū)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，即出現(xiàn)受激輻射受激吸收情況，可產(chǎn)生光的放大作用。被放大的光在由P-N結(jié)構(gòu)成的光學(xué)諧振腔（諧

28、振腔的兩個(gè)反射鏡，是由半導(dǎo)體材料的天然解理面而成的）中來(lái)回反射，不斷增強(qiáng)，當(dāng)滿足閾值條件后，即可發(fā)出激光。 半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。(2)異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 它們的“結(jié)”是由不同的半導(dǎo)體材料制成的。主要目的是為了降低閾值電流，提高效率。 銦鎵砷磷（InGaAsP）雙異質(zhì)結(jié)條形激光器，它是由五層半導(dǎo)體材料構(gòu)成。其中nInGaAsP是發(fā)光的作用區(qū)（有源區(qū)），作用區(qū)的上、下兩層稱為限制層，它們和有源區(qū)構(gòu)成光學(xué)諧振腔。限制層和有源區(qū)之間形成異質(zhì)結(jié)。最下面一層，n-InP是襯底，頂層P+ -InGaASP是

29、接觸層，其作用是為了改善和金屬電極的接觸。頂層上面數(shù)微米寬的窗口為條形電極。單頻半導(dǎo)體激光器分布反饋激光器（DFB: Distributed Feed Back）DFB激光器優(yōu)點(diǎn) 單縱模激光器。 譜線窄，波長(zhǎng)穩(wěn)定性好。 動(dòng)態(tài)譜線好。 線性好LD特點(diǎn)：激光、受激輻射光、輸出光功率大、有閾值、譜線寬度窄、調(diào)制頻率高、與光纖耦合效率高、適用于長(zhǎng)距離、大容量傳輸。4.1.4 發(fā)光二極管（LED-Light Emitting Diode) 發(fā)光二極管(LED)的工作原理與激光器(LD)有所不同， LD發(fā)射的是受激輻射光，LED發(fā)射的是自發(fā)輻射光。LED的結(jié)構(gòu)和LD相似，大多是采用雙異質(zhì)結(jié)(DH)芯片，把

30、有源層夾在P型和N型限制層中間，不同的是LED不需要光學(xué)諧振腔，沒有閾值。(a) 正面發(fā)光型 (b) 側(cè)面發(fā)光型LED的工作原理當(dāng)給LED外加合適的正向電壓時(shí)，大量的空穴和電子分別從P區(qū)擴(kuò)散到n區(qū)和從N區(qū)擴(kuò)散到p區(qū)(由于雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，p區(qū)中外來(lái)的電子和空穴不會(huì)分別擴(kuò)散到P區(qū)和N區(qū))，在有源區(qū)形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，最終克服受激吸收及其他衰減而產(chǎn)生自發(fā)輻射的光輸出。發(fā)光二極管具有如下工作特性： (1) 光譜較寬(2) P - I曲線的線性較好（3）與光纖的耦合效率較低（4）壽命長(zhǎng) （大于3105 h）（5）溫度特性較好 LED特點(diǎn)：熒光、自發(fā)輻射光、輸出光功率小、譜線寬度較寬、調(diào)制頻率較低、與光纖

31、耦合效率低、性能穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)、價(jià)格低，適用于短距離、小容量傳輸。4.1.6 光源的調(diào)制（The Modulation of source) 電/光轉(zhuǎn)換是用承載信息的數(shù)字電信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。調(diào)制分為直接調(diào)制和外調(diào)制兩種方式。受調(diào)制的光源特性參數(shù)有功率、 幅度、頻率和相位。1、光源的直接調(diào)制(Direct Modulation) 直接在光源上進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制半導(dǎo)體激光器的注入電流。分為模擬強(qiáng)度調(diào)制（ATM)、脈位調(diào)制(PPM)和數(shù)字調(diào)制(PCM-IM)。2、光源的間接調(diào)制(Indirect Modulation)在光源輸出的通路上外加調(diào)制器來(lái)對(duì)光波進(jìn)行調(diào)制。通過電光、聲光效應(yīng)，利用晶體傳輸

32、特性隨電壓或聲壓變化而變化實(shí)現(xiàn)對(duì)光的調(diào)制。（1）電光調(diào)制（Electrooptic Modulation)電光效應(yīng)(Electrooptic Effect)：電場(chǎng)引起晶體折射率變化。帕克耳效應(yīng)（Pockels Effect):DnE （2）聲光調(diào)制(Acoustooptic Modulation)聲光效應(yīng)(Acoustooptic Effect) :聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)受聲波壓強(qiáng)作用而產(chǎn)生應(yīng)變，這種應(yīng)變使介質(zhì)的折射率發(fā)生變化，從而影響光波傳輸特性。光源與光纖的耦合影響耦合效率的主要因素是光源的發(fā)散角和光纖的數(shù)值孔徑。發(fā)散角大，耦合效率低；數(shù)值孔徑大，耦合效率高。此外，光源發(fā)光面和光纖端面的

33、尺寸、形狀及兩者之間的距離都會(huì)影響到耦合效率。光源與光纖的耦合一般采用兩種方法，即直接耦合與透鏡耦合。4.2 光電檢測(cè)器Photoelectric Detector光接收機(jī)中實(shí)現(xiàn)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件稱為光電檢測(cè)器。光電檢測(cè)器是利用材料的光電效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的。對(duì)光檢測(cè)器的要求如下： (1) 波長(zhǎng)響應(yīng)要和光纖低損耗窗口(0.85 m、 1.31 m和1.55 m)兼容； (2) 響應(yīng)度要高， 在一定的接收光功率下， 能產(chǎn)生最大的光電流； (3) 噪聲要盡可能低， 能接收極微弱的光信號(hào)； (4) 性能穩(wěn)定，可靠性高，壽命長(zhǎng)，功耗和體積小。一、半導(dǎo)體的光電效應(yīng)光照射到半導(dǎo)體的PN結(jié)上，若光子

34、能量足夠大，則半導(dǎo)體材料中價(jià)帶的電子吸收光子的能量，從價(jià)帶越過禁帶到達(dá)導(dǎo)帶，在導(dǎo)帶中出現(xiàn)光電子，在價(jià)帶中出現(xiàn)光空穴，即產(chǎn)生光電子一空穴對(duì)，總起來(lái)又稱光生載流子。光生載流子在外加負(fù)偏壓和內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，在外電路中出現(xiàn)光電流，從而在電阻R上有信號(hào)電壓輸出。實(shí)現(xiàn)了輸出電壓跟隨輸入光信號(hào)變化的光電轉(zhuǎn)換作用。4、 光電檢測(cè)器的特性1、響應(yīng)度R0和量子效率 光電轉(zhuǎn)換效率用響應(yīng)度R0或量子效率表示。響應(yīng)度（Responsivity）的定義為： R0=IP/P0 (A/W)式中IP為光電檢測(cè)器的平均輸出電流； P0為光電檢測(cè)器的平均輸入功率。量子效率(Quantum Efficiency)的定義為：2、響應(yīng)

35、時(shí)間 (Response Time) 響應(yīng)時(shí)間是指半導(dǎo)體光電二極管產(chǎn)生的光電流跟隨入射光信號(hào)變化快慢的狀態(tài)。一般用響應(yīng)時(shí)間（上升時(shí)間和下降時(shí)間）來(lái)表示。 (1) 光電二極管等效電路的RC 時(shí)間常數(shù) (2) 載流子在耗盡區(qū)的渡越時(shí)間 (3) 耗盡區(qū)外產(chǎn)生的載流子由于擴(kuò)散而產(chǎn)生的時(shí)間延遲3、暗電流ID (Dark Current) 在理想條件下，當(dāng)沒有光照時(shí)，光電檢測(cè)器應(yīng)無(wú)光電流輸出。但是，實(shí)際上由于熱激勵(lì)、宇宙射線或放射性物質(zhì)的激勵(lì)，在無(wú)光情況下，光電檢測(cè)器仍有電流輸出，這種電流稱為暗電流。嚴(yán)格說暗電流還包括器件表面的漏電流。暗電流將引起光接收機(jī)噪聲增大。因此，器件的暗電流越小越好。光放大器的作

36、用 使光信號(hào)直接在光域進(jìn)行放大而無(wú)須轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行信息處理，即用全光中繼來(lái)代替光-電-光中繼。3、摻鉺(Er3+)光纖放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier)（1）工作原理Er3+在未受任何光激勵(lì)的情況下，處在低能級(jí) E1上，當(dāng)用泵浦光源的激光不斷地激發(fā)摻鉺光纖時(shí)，處于基態(tài)的粒子獲得了能量就會(huì)向高能級(jí)躍遷。由E1躍遷至E3，粒子在E3這個(gè)高能級(jí)上是不穩(wěn)定的，它將迅速以無(wú)輻射過程落到亞穩(wěn)態(tài)E2上，在該能級(jí)上，粒子相對(duì)來(lái)講有較長(zhǎng)的存活壽命，由于泵浦源不斷地激發(fā)，則E2能級(jí)上的粒子數(shù)就不斷增加，而E1能級(jí)上的粒子數(shù)就少，這樣，在這段摻鉺光纖中就實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，就

37、存在了實(shí)現(xiàn)光放大的條件。當(dāng)輸入光信號(hào)的光子能量 E=hf正好等于E2和E1的能級(jí)差時(shí)，即：E2-E1=hf，則亞穩(wěn)態(tài)E2上的粒子將以受激輻射的形式躍遷回到基態(tài)E1上，并輻射出和輸入光信號(hào)的光子一樣的全同光子，從而大大增加了光子數(shù)量，使得輸入信號(hào)光在摻鉺光纖中變?yōu)橐粋€(gè)強(qiáng)的輸出光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了光的直接放大。（2） EDFA的結(jié)構(gòu)(a) 、同向泵浦(Equi-direction Pumping)結(jié)構(gòu) 輸入光信號(hào)與泵浦光源輸出的光波，以同一方向注入摻鉺光纖。(b)、反向泵浦(Reverse direction Pumping)結(jié)構(gòu) 單泵浦的輸出功率可達(dá)14dBm。(c)、雙向泵浦(Bi-directio

38、n Pumping)結(jié)構(gòu) 雙泵浦的輸出功率可達(dá)17dBm以上（3）EDFA的主要優(yōu)點(diǎn)： （1）工作波長(zhǎng)(1.531.56mm)與光纖通信最佳波段一致； （2）與傳輸光纖的耦合損耗很小， 可達(dá)0.1 dB。 （3）增益高(達(dá)40dB) 、噪聲低(低至 3dB4dB )、輸出功率大(達(dá)1420dBm)； （4）能量轉(zhuǎn)換效率高； （5）增益特性穩(wěn)定：對(duì)溫度不敏感，與偏振無(wú)關(guān)； （6）頻帶寬，在1550 nm窗口，頻帶寬度為2040 nm， 可進(jìn)行多信道傳輸，有利于增加傳輸容量。（4） EDFA的主要缺點(diǎn)：波長(zhǎng)固定（ 1.55mm左右）；增益帶寬不平坦。4、 光纖喇曼放大器（FRA: Fiber Ra

39、man Amplifier）（2） FRA的原理 若一強(qiáng)泵浦光和一弱信號(hào)光在一根光纖中傳輸，弱信號(hào)光的波長(zhǎng)在強(qiáng)泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)，基于受激拉曼散射原理而使弱信號(hào)光得到放大，獲得拉曼增益。（4）FRA的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：具有很寬的工作帶寬，可以實(shí)現(xiàn)全波段光放大。在傳輸系統(tǒng)中和EDFA組合使用時(shí)，能有效地降低系統(tǒng)的噪聲指數(shù)。可以對(duì)光信號(hào)構(gòu)成分布式放大，因此可實(shí)現(xiàn)無(wú)中繼長(zhǎng)距離傳輸。分布式拉曼放大，可以減少入射信號(hào)的光功率，降低了光纖非線性的影響，避免四波混頻效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的影響。具有較寬的拉曼增益譜。（多個(gè)泵浦源，可達(dá)132mm）缺點(diǎn)： 喇曼光纖放大器所需要的泵浦光功率高。 作用距離太長(zhǎng)，增益系數(shù)偏低。 對(duì)

40、偏振敏感。EDFA和FRA的比較EDFA的增益頻譜是由鉺能級(jí)電平?jīng)Q定的，它與泵浦光波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，它是固定不變的。EDFA由于能級(jí)躍遷機(jī)制所限，增益帶寬只有80 nm。光纖拉曼放大器使用多個(gè)泵源，可以得到比EDFA寬得多的增益帶寬。目前增益帶寬已達(dá)132nm。這樣通過選擇泵浦光波長(zhǎng)，就可實(shí)現(xiàn)任意波長(zhǎng)的光放大，所以光纖拉曼放大器是目前唯一能實(shí)現(xiàn)12901660 nm光譜放大的器件，光纖拉曼放大器可以放大EDFA不能放大的波段。5. 半導(dǎo)體光放大器（1） SOA的工作原利用受激輻射來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光功率的放大的。激活介質(zhì)（有源區(qū)）吸收外部泵浦提供的能量，電子獲得了能量躍遷到較高的能級(jí)，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。輸入光

41、信號(hào)會(huì)通過受激輻射過程激活這些電子，使其躍遷到較低的能級(jí)，從而產(chǎn)生一個(gè)放大的光信號(hào)。SOA與半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)相似，但它沒有反饋機(jī)制，因此SOA只能放大光信號(hào)，但不能產(chǎn)生相干的光輸出。（2） SOA的結(jié)構(gòu)：法布里-珀羅放大器（FPA）行波放大器（TWA）SOA的特性：SOA最大的優(yōu)點(diǎn)是它使用InGaAsP來(lái)制造，因此體積小、緊湊，可以與其他半導(dǎo)體和元件集成在一起。SOA的主要特性是： (1) 它們與偏振有關(guān)，因此需要保偏光纖。 (2) 它們具有可靠的高增益(20dB)。 (3) 它們的輸出飽和功率范圍是510dBm。 (4) 它們具有大的帶寬。(5) 它們工作在0.85m，1.30m和1.55

42、 m波長(zhǎng)范圍。 (6) 它們是小型化的半導(dǎo)體器件，易于和其他器件集成。 (7) 幾個(gè)SOA可以集成為一個(gè)陣列。 但是，由于非線性現(xiàn)象(四波混頻)，SOA的噪聲指數(shù)高，串?dāng)_電平高。摻Er3+光纖激光器的基本結(jié)構(gòu)摻鉺光纖激光器有F-P腔、環(huán)形腔、環(huán)路反射器光纖諧振腔以及“”字形腔。其中環(huán)形腔，能有效克服增益介質(zhì)的空間燒孔效應(yīng)而實(shí)現(xiàn)單模運(yùn)轉(zhuǎn)，且較易實(shí)現(xiàn)。激光輸出 未轉(zhuǎn)換的泵浦光線稀土摻雜光纖泵浦光環(huán)形腔摻鉺光纖激光器工作原理 泵浦光經(jīng)過WDM耦合進(jìn)入環(huán)路，經(jīng)EDF (三能級(jí)系統(tǒng)) 轉(zhuǎn)化為波長(zhǎng)1550 nm左右的光，到達(dá)耦合器后，一部分耦合至輸出端，另一部分耦合到FBG，只有波長(zhǎng)為B的光波反射回耦合器。隔離器使光在環(huán)路中只能沿逆時(shí)針方向傳播，傳播一周后獲得適