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1、Chapter 3:光纤传感系统中的光器件光纤传感系统中的光器件-active 1: Erbium ASE light source 2: Fiber laser 3：LED, LD 4: Photo detector用途：传感系统的光源用途：传感系统的光源一些气体的特征吸收谱线 1: Erbium ASE light sourceEDF ASE光源的结构及器件选择光源的结构及器件选择 EDFWDM反向ASE输出正向泵浦正向ASE输出残余泵浦图7.1EDFASE光源的基本构成隔离器隔离器 EDF ASE光源的输出特性光源的输出特性 图7.2 前向输出ASE与泵浦功率的关系 图7.3 后向输出A
2、SE与泵浦功率的关系 图7.4 反射镜对前向ASE输出的增强作用 图7.5 反射镜对后向ASE输出的增强作用 2: Fiber laser用途：用途：A、作为、作为DTS的光源，可调谐的的光源，可调谐的FL作为作为FBG的解调光源。的解调光源。B: 本身就是传感器，如本身就是传感器，如 DFB-FLConstruction & working principleEnergy transferUpconversion pumpDouble cladding pump光纤激光器的组成光纤激光器的组成光纤激光器的性能指标：光纤激光器的性能指标： 3：LED, LD用途用途1：直接作为传感器的光源：直
3、接作为传感器的光源用途用途2：LD可作为可作为ASE、FL的泵浦的泵浦EDFWDM反向反向ASE输出输出正向泵浦正向泵浦正向正向ASE输出输出残余泵浦残余泵浦隔离器隔离器隔离器隔离器问题：用问题：用LD泵浦比其他光源泵浦有何优点？泵浦比其他光源泵浦有何优点？发光机理：发光机理： (a) 直接带隙半导体直接带隙半导体 ( b) 间接带隙半导体间接带隙半导体波尔兹曼分布粒子数反转器件的外形：器件的外形：ELED的结构SLED的结构注入电流有源区解理面解理面L增益介质R1R2z=0z=L832830828826824832830828826824832830828826824驱动电流增大 LED的数
4、字调制(a)及模拟调制(b)问题：固体激光器如何调制？问题：固体激光器如何调制？光源非线性谐波的产生FP-LD的增益曲线(a)腔模(b)及输出的纵模(c)LD的多模(a)及单模(b)输出谱商用产品的数据表单商用产品的数据表单LD、LED与光纤的耦合与光纤的耦合在光发射机中，光源发出的光信号要送入光纤中去，这就涉及到光源与光纤的耦合问题，如下图。光源与光纤的耦合效率与光源的类型和光纤的类型有关。一般说来，LD与单模光纤的耦合效率可以达到30%50%，LED与单模光纤的耦合效率非常低，只有百分之几甚至更小。光源与光纤耦合示意图影响耦合效率的主要因素是光光源源的的发发散散角角和光光纤纤的的数数值值孔
5、孔径径。发发散散角角大大，耦耦合合效效率率低低；数数值值孔孔径径大大，耦耦合合效效率率高高。此外，光光源源发发光光面面和和光光纤纤端端面面的的尺尺寸寸、形状及两者之间的距离都会影响到耦合效率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，即直直接接耦耦合合与透镜耦合透镜耦合。直接耦合是将光纤端面直接对准光源发光面进行耦合的方法。当光源发光面积大于纤芯面积时，这是一种有效的方法。这种直接耦合的方法结构简单，但耦合效率低。当光源发光面积小于纤芯面积时，可在光源与光纤之间放置透镜，使更多的发散光线会聚进入光纤来提高耦合效率，如下图。面发光二极管与光纤的透镜耦合(a) 光纤端
6、部做成球透镜、光纤端部做成球透镜、 (b) 采用截头透镜、采用截头透镜、 4.31(c)采用集成微透镜采用集成微透镜对于发散光束非对称的边发光二极管和半导体激光器可以利用圆柱透镜圆柱透镜的方法，如下图(a)、(b)所示。或者利用大数值孔径的自聚焦透镜自聚焦透镜（GRIN），其耦合效率可以提高到60%，甚至更高。单模光纤和半导体激光器的耦合可以采用如下图(c)所示自聚焦透镜或者在光纤端面用电弧放电形成半球透镜的方法。光源与光纤的透镜耦合光源与光纤的透镜耦合利用物质在光的照射下电导性能改变或产生电动势的光电器件光电探测器，常见的有光敏电阻、光电池和光敏晶体管等。一、光敏电阻光敏电阻又称光导管，为纯
7、电阻元件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。不足：需要外部电源，有电流时会发热。4、光电探测器、光电探测器1. 1. 光敏电阻的工作原理和结构光敏电阻的工作原理和结构当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。为实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度Eg，即 h=Eg(eV)式中和入射光的频率和波长。一种光电导体，存在一个照射光的波长
8、限C，只有波长小于C的光照射在光电导体上，才能产生电子在能级间的跃迁，从而使光电导体电导率增加。光敏电阻的结构如图所示。管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有A金属封装的硫化镉光敏电阻结构图光导电材料绝缘衬低引线电极引线光电导体限，因此光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用硫状图案，结构见下图。1-光导层;2-玻璃窗口;3-金属外壳;4-电极;5-陶瓷基座;6-黑色绝缘玻璃;7-电阻引线。RG1234567(a)结构(b)电极(c)符号它是在一
9、定的掩模下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。这种硫状电极，由于在间距很近的电极之间有可能采用大的灵敏面积，所以提高了光敏电阻的灵敏度。图（c）是光敏电阻的代表符号。CdS光敏电阻的结构和符号光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光电导体严密封装在玻璃壳体中。如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小，其连线电路如图所示。光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。RGRLEI2. 2. 光敏电阻的主要参数和基本特性光敏电阻的主要参数和基本特性（1 1）暗电阻
10、、亮电阻、光电流）暗电阻、亮电阻、光电流暗电流：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时在给定电压下流过的电流。亮电流：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。此时流过的电流。光电流：亮电流与暗电流之差。光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1M,甚至高达100M，而亮电阻则在几k以下，暗电阻与亮电阻之比在102106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。（2 2）光照特性）光照特性下图表示CdS光敏电阻的光照特性。在一定外加电压下，光敏电阻的光电流
11、和光通量之间的关系。不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。012345I/mA L/lx10002000（3 3）光谱特性）光谱特性光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。204060801004080120160200240/m312相对灵敏度1硫化镉2硒化镉3硫化铅（4） 伏安特性在一定照度下，加在光敏
12、电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。图中曲线1、2分别表示照度为零零及照度为某某值值时的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下,光照度较大，光电流也越大。在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现5010015020012U/V02040象。但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。I/A（5）频率特性当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。由于不同材料的光敏，20406080100I /
13、%f /Hz010102103104电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不同，如图。硫化铅的使用频率比硫化镉高得多，但多数光敏电阻的时延都比较大，所以，它不能用在要求快速响应的场合。硫化铅硫化镉（6）稳定性图中曲线1、2分别表示两种型号CdS光敏电阻的稳定性。初制成的光敏电阻，由于体体内内机机构构工工作作不不稳稳定定，以及电电阻阻体体与与其其介介质质的的作作用用还还没没有有达达到到平平衡衡，所以性能是不够稳定的。但在人为地加温、光照及加负载情况下，经一至二周的老化，性能可达稳定。光敏电阻在开始一段时间的老化过程中，有些样品阻值上I /%408012016021T/h0400 800 1200
14、 1600升，有些样品阻值下降，但最后达到一个稳定值后就不再变了。这就是光敏电阻的主要优点。光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况下，几乎是无限长无限长的。（7）温度特性其性能(灵敏度、暗电阻)受温度的影响较大。随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。硫化镉的光电流I和温度T的关系如图所示。有时为了提高灵敏度，或为了能够接收较长波段的辐射，将元件降温使用。例如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。I /A100150200-50-1030 5010-30T /C2040608010001.02.03.04.0/mI/mA+20C-20C二、光电池二、光电
15、池 光光电电池池是是利利用用光光生生伏伏特特效效应应把把光光直直接接转转变变成成电电能能的的器器件件。由于它可把太阳能直接变电能，因此又称为太阳能电池。它是基于光生伏特效应制成的，是发电式有源元件。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。命命名名方方式式：把光电池的半导体材料的名称冠于光电池(或太阳能电池)之前。如，硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等。目前,应用最广、最有发展前途的是硅光电池。l硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光转换效率高，寿命长，适于接受红外光。l硒光电池光电转换效率低(0.02)、寿命短，适于接收可见光(响应峰值波长0.56m)，
16、最适宜制造照度计。l砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性则与太阳光谱最吻合。且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因此，它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的。光电池的示意图硅光电池的结构如图所示。它是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质(如硼)形成PN结。当当光光照照到到PN结结区区时时，如如果果光光子子能能量量足足够够大大，将将在在结结区区附附近近激激发发出出电电子子- -空空穴穴对对，在在N区区聚聚积积负负电电荷荷，P区区聚聚积积正正电电荷荷，这这样样N区区和和P区区之之间间出出现现电电位位差差。若将PN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流
17、的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。1. 1. 光电池的结构和工作原理光电池的结构和工作原理+光PNSiO2RL(a)光电池的结构图I光(b)光电池的工作原理示意图P N光电池的表示符号、基本电路及等效电路如图所示。IUIdUIRLI(a)(b)(c)图4.3-17光电池符号和基本工作电路L/klxL/klx5432100.10.20.30.40.5246810开路电压Uoc /V0.10.20.30.40.50.30.1012345Uoc/VIsc /mAIsc/mA(a)硅光电池(b)硒光电池（1 1）光照特性）光照特性开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性
18、曲线，当照度为2000lx时趋向饱和。短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线2. 基本特性开路电压短路电流短路电流短路电流，指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的。光电池在不同照度下，其内阻也不同，因而应选取适当的外接负载近似地满足“短路”条件。下图表示硒光电池在不同负载电阻时的光照特性。从图中可以看出，负载电阻RL越小，光电流与强度的线性关系越好，且线性范围越宽。02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx5010010005000RL=0204060801000.40.60.81.01.20.2I /%12/m(2) (2) 光谱特性光谱特性光电池的光谱特性决定于材料。
19、从曲线可看出，硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在540nm附近，适宜测可见光。硅光电池应用的范围400nm1100nm，峰值波长在850nm附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内应用。1硒光电池2硅光电池(3) (3) 频率特性频率特性光电池作为测量、计数、接收元件时常用调制光输入。光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频率变化的关系。由于光电池PN结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。图示为光电池的频率响应曲线。由图可知，硅光电池具有较高的频率响应，如曲线2，而硒光电池则较差，如曲线1。204060801000I/%1234512f /kHz1硒光电池2硅光电池（4 4）温度
20、特性）温度特性光电池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化的关系。由图可见，开路电压与短路电流均随温度而变化，它将关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响到测量或控制精度等主要指标，因此，当光电池作为测量元件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补偿措施。2004060904060UOC/ mVT/CISCUOCISC /A600400200UOC开路电压ISC短路电流硅光电池在1000lx照度下的温度特性曲线三、光敏二极管和光敏三极管三、光敏二极管和光敏三极管光电二极管和光电池一样，其基基本本结结构构也也是是一一个个PN结结。它和光电池相比，重要的不同点是结面积小，因此它的频率特性特别好。
21、光光生生电电势势与与光光电电池池相相同同，但但输输出出电电流流普普遍遍比比光光电电池池小小，一一般般为为几几A到到几几十十A。按材料分，光电二极管有硅、砷化镓、锑化铟光电二极管等许多种。按结构分，有同质结与异质结之分。其中最典型的是同质结硅光电二极管。国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和2DU两种系列。2CU系列以N-Si为衬底，2DU系列以P-Si为衬底。2CU系列的光电二极管只有两条引线，而2DU系列光电二极管有三条引线。1. 光敏二极管光敏二极管符号如图。锗光敏二极管有A，B，C，D四类；硅光敏二极管有2CU1AD系列、2DU14系列。光敏二极管的结构与一般二极管相似、
22、它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反反向向工工作作状状态态，如图所示。PN光光敏二极管符号RL 光PN光敏二极管接线光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小。反向电流也叫做暗电流当光照射时，光敏二极管的工作原理与光电池的工作原理很相似。当光不照射时，光敏二极管处于载止状态，这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流即暗电流；受光照射时，受光照射时，PN结附近受光子轰击，吸收结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子其能量而产生电子- -空穴对，从而使空穴对，从而使P区和区和N区的少数载区的少数载流子浓度大大增加
23、，因此在外加反向偏压和内电场的作流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下，用下， P区的少数载流子渡越阻挡层进入区的少数载流子渡越阻挡层进入N区，区， N区的区的少数载流子渡越阻挡层进入少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过区，从而使通过PN结的反结的反向电流大为增加，这就形成了光电流向电流大为增加，这就形成了光电流。光敏二极管的光电流I 与照度之间呈线性关系。光敏二极管的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。（1 1） PIN PIN管结光电二极管管结光电二极管PIN管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。这样
24、，PN结的内电场就基本上全集中于I层中，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小。由式= CjRL与f=1/2知，Cj小，则小，频带将变宽。P-SiN-SiI-SiPIN管结构示意图最大特点：频带宽，可达10GHz。另一个特点是，因为I层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，线性输出范围宽。由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会使耗尽层宽度增加，从而结电容要进一步减小，使频带宽度变宽。不足：I层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅片上并封装于一个管壳内的商品出售。（2 2） 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)(A
25、PD)雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。这种管子工作电压很高，约100200V，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此，这种管子有很高的内增益，可达到几百。当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生所谓的雪崩。这种管子响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光电二极管。噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无法使用。但由于APD的响应时间
26、极短，灵敏度很高，它在光通信中应用前景广阔。2. 光敏三极管光敏三极管有PNP型和NPN型两种，如图。其结构与一般三极管很相似，具有电流增益,只是它的发射极一边做的很大,以扩大光的照射面积,且其基极不接引线。当集电极加上正电压,基极开路时,集电极处于反向偏置状态。当光线照射在集电结的基区时,会产生电子-空穴对,在内电场的作用下,光生电子被拉到集电极,基区留下空穴,使基极与发射极间的电压升高,这样便有大量的电子流向集电极,形成输出电流,且集电极电流为光电流的倍。PPNNNPe b bc RL Eec光敏三极管的主要特性：光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。当入射光的波长增加时，相对灵敏度要下
27、降。因为光子能量太小，不足以激发电子空穴对。当入射光的波长缩短时，相对灵敏度也下降，这是由于光子在半导体表面附近就被吸收，并且在表面激发的电子空穴对不能到达PN结，因而使相对灵敏度下降。（1 1）光谱特性）光谱特性相对灵敏度/%硅锗入射光/400080001200016000100806040200硅的峰值波长为9000，锗的峰值波长为15000。由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管的性能较差。故在可见光或探测赤热状态物体时，一般选用硅管；但对红外线进行探测时,则采用锗管较合适。0500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA24620406080光敏晶体管的伏安特性（2 2
28、）伏安特性）伏安特性光敏三极管的伏安特性曲线如图所示。光敏三极管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。因此，只要将入射光照在发射极e与基极b之间的PN结附近，所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看作一般的晶体管。光敏三极管能把光信号变成电信号，而且输出的电信号较大。U/V光敏晶体管的光照特性I /AL/lx200400600800100001.02.03.0（3 3）光照特性）光照特性光敏三极管的光照特性如图所示。它给出了光敏三极管的输出电流I 和照度之间的关系。它们之间呈现了近似线性关系。当光照足够大(几klx)时，会出现饱和现象，从而使光敏三极管
29、既可作线性转换元件，也可作开关元件。暗电流/mA光电流/mA10 20 30 40 50 60 70T /C2505010002003004001020 30 4050 60 70 80T/C光敏晶体管的温度特性（4 4）温度特性）温度特性光敏三极管的温度特性曲线反映的是光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流的影响很小，而对暗电流的影响很大所以电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。（5 5）光敏三极管的频率特性）光敏三极管的频率特性光敏三极管的频率特性曲线如图所示。光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。对于锗管，入射光的调制频率要求在5kHz以下。硅管的频率响应要比锗管好。0100100050050001000020406010080RL=1kRL=10kRL=100k入射光调制频率/HZ相对灵敏度/%图4.3-15光敏晶体管的频率特性
