1、光纤传感技术总结11.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，便能感知外界的信息，
2、实现对各种物理量的测量。E=E 0Cos(t+ )6.光纤传感系统的组成 :光 源 敏 感 元 件 光 电 转 换 信 号 处 理 入 射 光 纤 出 射 光 纤 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
3、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；光纤传感技术总结29.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 n1n23） 、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）10.光纤的分类：1）按照传输的总模数来分模式（mode)：在光纤
4、中具有确定空间和时间分布的电磁场分量称为光纤中的模。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
5、=5080m，光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变大。.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 50 m，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。 Coating涂敷层Cladding 包层Core纤芯n1 n2光纤传感技术总结3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） 单模光纤横 截 面2a2brn折 射 率 分 布纤 芯 包 层AitAot(a)输 入 脉
6、冲 光 线 传 播 路 径 输 出 脉 冲50 m125mrnAitAot(b)10 m125mrnAitAot(c)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 ；n1n2 =(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)/
7、n1 光纤传感技术总结4rnp=1p=p=2321yq 1lL xoqq c纤芯 n1包层 n2zy cy 1SM: =0.00050.01; MM: =0.010.02 数值孔径(Numerical Aperture, NA) n0sin 1 =n1sin 1 =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。渐变型光纤中光射线的分析1、渐变型光纤
8、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 2si 1221nnNAcparnrn)(21)(22光纤传感技术总结5212nav22)()( nrnrNA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能在光纤中传播，称为传导模。 k0n2 c截止条件为：10) 2.3 光纤的传输特性2.3.1 光纤的
9、损耗(Attenuation) 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逐渐下降，这就是光纤的传输损耗。 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(0.006m20dB。光纤传感技术总结12132lg0PL（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
10、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
11、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-费尔德常数光纤传感技术总结13L-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 45，和偏振器
12、 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45，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 45 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 atte
13、nuator ）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。光纤传感技术总结142、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
14、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、多层介质膜滤光纤传感技术总结15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
15、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
16、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 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
17、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)光纤传感技术总结16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 PSFG。特点是在其布拉格反射带中打开透射窗口，使光栅具
18、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)偏振控制器：是指能将任意输入的偏振态转变为任意期望
19、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0.85 m 和长波长波段的 1.31 m 与 1.55 m ；（2）能长时间连续工作，并能提供足够的光输出功率；目前，半导体激光光纤传感技术总结17)(01)( TkEfeEf 器尾纤的输出功率可达 500 w 2mw；半导体发光二极管的尾纤输出功率可达 10 w 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
20、谱线宽度窄：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 JS,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。二、原子能级
21、(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=1.38
22、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光纤传感技术总结18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 A
23、bsorption) 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
24、光的频率、相位、偏振态和传播光纤传感技术总结191.240()()gmEeV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 N2N1，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
25、激励源，称为泵浦源。物质在泵浦源的作用下，使粒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
26、导体的简单介绍：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，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。光纤传感技术总结20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 (Positi
27、ve Semiconductor)2、半导体激光器的工作原理(1) P-N 结（ P-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
28、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
29、条形激光器，它是由五层半导体材料光纤传感技术总结21PN信信信 信 B(nm)0.1nm信信信L SiO2 SiO2 120 | (a)SiO2 |30 12|(b)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
30、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。光纤传感技术总结22(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
31、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 3 105 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
32、)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(Indirect 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(Electroopti
33、c Effect)：电场引起晶体折射率变化。帕克耳效应（Pockels Effect): n E （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。光源与光纤的耦合光纤传感技术总结23影响耦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
34、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
35、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：光纤传感技术总结241530nm980nm980nm信 信信信 1E2E3E信150nm 150
36、nm0信3rE0.80eV1.27eV信信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
37、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，由于泵浦源不断地激发，则 E2 能级上的粒子数就不断增加，而 E1 能级
38、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光纤传感技术总结25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(Reverse dire
39、ction 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(1.531.56 m)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；光纤传感技术总结26传输光纤待放大信号光泵浦光已放大信号光耦合器W D M滤波器信号光强度信号光频率psS iOpsp泵浦光斯托克斯光反斯托克斯光石英晶体的晶格振动ps
40、pspps（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。（4） EDFA 的主要缺点：波长固定（ 1.55 m 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
41、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。具有较宽的拉曼增益谱。 （多个泵浦源，可达 132 m）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，
42、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，光纤传感技术总结27 AR AR AR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（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
43、（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。 (4) 它们具有大的带宽。(5) 它们工作在 0.85m， 1.30m 和 1.55 m 波长范围。 (6) 它们是小型化的半导体器件，易于和其他器件集成。 (7) 几个 SOA 可以集成为一个阵列。 但是，由于非线性现象(四波混频)，SOA 的噪声指数高，串扰电平高。掺 Er3+光
44、纤激光器的基本结构掺铒光纤激光器有 F-P 腔、环形腔、环路反射器光纤谐振腔以及“”字光纤传感技术总结28 980/150nm WDM EDF Isolatr Outpt 10% FBG IMG Coupler(10： 90) 980nmLD 90% 形腔。其中环形腔，能有效克服增益介质的空间烧孔效应而实现单模运转，且较易实现。环形腔掺铒光纤激光器工作原理泵浦光经过 WDM 耦合进入环路，经 EDF (三能级系统) 转化为波长 1550 nm 左右的光，到达耦合器后，一部分耦合至输出端，另一部分耦合到 FBG，只有波长为 B 的光波反射回耦合器。隔离器使光在环路中只能沿逆时针方向传播，传播一周
45、后获得适当的增益再次到达 FBG，从而实现环路振荡，当所获得的增益大于腔内损耗时，耦合器的输出端得到波长为 B 的激光输出。 5.1.1 光光效应：当光波照射到某些运动或静止的物质后，光波的某些参数（如波长）会发生改变，这种现象称为光光效应。2. 萨格纳克效应光学系统以角速度 旋转，旋转半径为 R，则与旋转方向同向行进的光线比静止时的行进路程长，而反向行进的光线比静止时行进的路程短，这种现象称为萨格纳克效应。3拉曼效应和布里渊效应光照射到某些物质（气体、液体或者固体）时，该物质会散射出原来光源所不具有的且与原来光源光谱偏离较大的光谱，这种现象称为拉曼效应。光照射到某些物质时，该物质会散射出与入
46、射光谱偏离较小的光谱，这种现象称为布里渊效应。物质对光的散射有多种形式，常用的有瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射。激光输出 未转换的泵浦光线稀土掺杂光纤泵浦光光纤传感技术总结29电子在光的作用下从金属的表面逸出的现象称为光电效应，逸出来的电子称为光电子，光电子在电场作用下而形成了电流，这种电流被称为光电流。物质的光学特性受到电场的影响而发生变化的现象称为电光效应。光电效应有线性和非线性两种。6.1 光强调制型光纤传感器光强调制型光纤传感器是用被测信号调制光强，使探测器接收到的光强随被测信号的变化而变化，这类光纤传感器称为光强调制型光纤传感器。光强调制型光纤传感器具有结构简单，易于实现等优点。常用
47、的类型有：微弯型、蚀刻型、遮光型和缠绕型。反射式强度调制透射式强度调制光纤传感技术总结30折射率光强度调制利用被测物理量引起传感材料折射率的变化；利用渐逝场耦合；利用折射率不同的介质之间的折射与反射折射率光强度调制光吸收系数强度调制（1）利用光纤的吸收特性进行强度调制 x 射线、 射线等辐射线会使光纤材料的吸收损耗增加，使光纤的输出功率降低，从而构成强度调制辐射量传感器。改变光纤材料成分可对不同的射线进行测量。如选用铅玻璃制成光纤，它对 x 射线、 射线、中子射线最敏感，用这种方法做成的传感器既可用于卫星外层空间剂量的监测，也可用于核电站、放射性物质堆放处辐射量的大面积监测。光吸收系数强度调制（2）利用半导体的吸收特性进行强度调制大多数半导体的禁带宽度 Eg 都随着温度 T 的升高而几乎线性地减小。它们的光吸收边的波长将随着 T 的升高而变化。
