【正文】 特效應(yīng)反偏應(yīng)用 p n E 光生電流 I 1. pn結(jié)加一個較高的反向偏壓 2. pn結(jié)耗盡區(qū)受到光的照射產(chǎn)生光生載流子 3. 在外部偏壓的作用下，光生載流子定向漂移產(chǎn)生光生電流 加反向偏置電壓后形成一個很寬的耗盡層 高摻雜 p+型 高摻雜 n+型 i (本征 )層：低摻雜 n型 耗盡區(qū) PIN光電二極管 雪崩光電二極管 光電三極管 +v b c e 工作原理：光電二極管光電轉(zhuǎn)換，三極管光電流放大。三個電極： g：柵極 d：漏極 s：源極 結(jié)型場效應(yīng)管 NGGg+sdpVp + （ 1）柵源電壓 Vgs對溝道的控制作用 在柵源間加負電壓Vgs，令 Vds =0 當 Vgs=0時，為平衡 PN結(jié)，導電溝道最寬。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用。常用的高速光耦有 6N135/6N136。 要求：帶負載能力強、輸出電流大、工作電壓高的特點。因此得到結(jié)論：太陽光譜中，紅光的外側(cè)必定存在看不見的光線，這就是紅外線。 鐵電晶體 ? 鐵電材料，是熱釋電材料中的一類。 熱釋電傳感器 雙元型紅外傳感器 ? 抗其他光源的干擾，僅對人體 發(fā)出的紅外線最敏感。 作用：環(huán)境溫度補償 運動方向判斷 雙元型運動計數(shù)法 固態(tài)圖像傳感器 ? 高度集成半導體光敏傳感器。 70年代，貝爾實驗室用簡單的線性裝置捕捉影像， CCD誕生。 CCD的作用就像膠片一樣，但它是把圖像像素轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。 一種是 CMOS工藝，微安級的耗電量。但是提高采光率的辦法也容易使畫質(zhì)下降。每四個像素形成一個單元，一個負責過濾紅色、一個過濾藍色，兩個過濾綠色。 ? ―感光層” 負責將穿過濾色層的光源轉(zhuǎn)換成電子信號，并將信號傳送到影像處理芯片，影像還原。 ? CCD在攝像機、數(shù)碼相機和掃描儀中應(yīng)用廣泛。 CCD的應(yīng)用 ? 一般的 CCD大多能感應(yīng)紅外線，所以衍生出紅外線影像、夜視裝置、零照度 (或趨近零照度 )攝影機 /照相機等。 ? 1960年 ， 梅曼發(fā)明第一臺 “ 紅寶石激光器 ” 。 研制成功室溫下連續(xù)振蕩的鎵鋁砷雙異質(zhì)結(jié) 半導體激光器 (短波長 ) 光纖技術(shù)發(fā)展 光纖技術(shù) 19701980，主要以強度調(diào)制型光纖傳感器的研究為主。 光纖傳感 光纖通信 1976年 ，美國在亞特蘭大進行第一個光纖通信現(xiàn)場實驗，速率 1980年 ，美國鋪設(shè)東西干線和南北干線， 22個州 1983年 ，日本南北光纜干線，全長 3400km 1989年 ，第一條橫跨太平洋光纜建成，全長13200km 90年代 ， 我國光纜干線“八橫八縱”，全長 8萬公里 光纖傳感的形成 ? 實際光纖通信過程中發(fā)現(xiàn) ,光纖受到外界環(huán)境因素的影響 。 ? 抗 電磁干擾 能力強。 光纖傳感器可測量位移、速度、加速度、液位、應(yīng)變、壓力、流量、振動、溫度、電流、電壓、磁場等物理量 電絕緣 性能好（不可能產(chǎn)生靜電火花） 抗 電磁干擾 能力強： 輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合 (干擾 )到另一個電網(wǎng)絡(luò)。 ? 泄漏小， 保密性能好 光纖傳輸光泄漏非常微弱，彎曲地段無法竊聽 沒有專用的特殊工具，光纖不能分接，信息在光纖中傳輸非常安全。 ③ 多功能全光纖控制系統(tǒng)。 功能型光纖傳感 ? 這類傳感器利用光纖 本身對外界被測對象 具有敏感能力和檢測 功能，光纖不僅起到 傳光作用，而且在被 測對象作用下，如光強、相位、偏振態(tài)等 光學特性得到調(diào)制，調(diào)制后的信號攜帶了被測信息。 信號處理 光接收器 光纖敏感元件 光發(fā)送器 拾光型光纖傳感器 ? 用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。 2R 2r n2 n1 n n2 n1 纖芯 包層 光纖結(jié)構(gòu) ? 纖芯 core：折射率較高，用來傳送光； ? 包層 coating：折射率較低，與纖芯一起形成全反射條件； ? 保護套 jacket：強度大，能承受較大沖擊，保護光纖。s Law） 當光由光密物質(zhì) (折射率大 )入射至光疏物質(zhì)時發(fā)生折射，如圖 (a) n1 n2 θ r θ i (a)光的折射示意圖 可見 ， 入射角 θ i增大時 ， 折射角 θ r也隨之增大 ， 當 θ r=90186。這時便發(fā)生全反射現(xiàn)象，如圖 (c) ，其出射光不再折射而全部反射回來。 10 l og 1mWWdB m ?基礎(chǔ)知識 光纖標準 ? ：多模漸變型 (GIF)光纖，在光纖通信發(fā)展初期廣泛應(yīng)用于中小容量、中短距離的通信系統(tǒng)。 ? ： μm損耗最小的單模光纖 ， 在波長 μm色散為零 ， 在 μm色散為 17~20 ps/(nm 特點： ?受激幅射中，光子成倍增長，產(chǎn)生了光放大。如果光線 a和 b匹配，相互疊加，則產(chǎn)生更強的反饋，而其他波長的光將相互抵消。 ? 激光器相比，發(fā)光二極管輸出光功率較小，譜線寬度較寬，調(diào)制頻率較低。 1550nmLD 1310nmLD 13/15WDM 光功率計 1310nm 1550nm a b 隔離器 ? 光隔離器的性能是光正向通過時衰減很小，但反向通過時衰減很大的器件。 ? 這種衰減器使用的原理是當兩根光纖端面間距和角度不同情況下相對時，引入的插損。 電線 光纖 調(diào)制器 光調(diào)制器 電阻 光衰減器 三通（多通） 光耦合器 二極管 光隔離器 混頻器 光波分復用器 放大器 光放大器 頻率轉(zhuǎn)換器 光波長轉(zhuǎn)換器 濾波器 光濾波器 電源 光源 電接插件 光連接器 探頭 光探測器 開關(guān) 光開關(guān) 集成電路 集成光路 光器件與電器件類比 光檢測器 ? PIN光電二極管 ? 雪崩光電二極管 光纖傳感的重要器件： 三 。 ? 光開關(guān)可分兩類： ? 機械光開關(guān)，利用電磁鐵或步進電機驅(qū)動光纖、棱鏡或反射鏡等光學元件實現(xiàn)光路轉(zhuǎn)換。 光隔離器原理 光纖輸出S W P半波片法 拉 弟 旋轉(zhuǎn) 器S W PS O P光纖輸入( a )光纖輸出S W P半波片法 拉 弟 旋轉(zhuǎn) 器S W P光纖輸入( b )光衰減器 ? 光衰減器是用來在光纖線路中產(chǎn)生可以控制的衰減的一種無源器件。 1300 波長 / n m△ ? ＝ 7 0 n m相對光強超輻射發(fā)光二極管 ? SLD光源是在激光二極管 (LD)的基礎(chǔ)上改造而成，通過對 SLD施加較大的驅(qū)動電流，在雙異質(zhì)結(jié)處產(chǎn)生較強的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而提高自發(fā)輻射光子的單程增益，因此 ,即便由于抑制激光效應(yīng)而減少了光子在腔內(nèi)的反饋次數(shù) ,但 SLD仍然具有相對較高的輸出功率。 2. 波長穩(wěn)定性好 由于光柵的作用有助于使發(fā)射波長鎖定在諧振 波長上，因而波長的穩(wěn)定性得以改善 DFB激光器照片 發(fā)光二極管 (LED) ? 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 。 半導體激光器 半導體激光器工作原理 ? 半導體激光器是向半導體 PN結(jié)注入電流，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，并利用光學諧振腔的正反饋實現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光。 光纖傳感的重要器件： 一 光源 光纖傳感器光源的要求 ? 由于光纖傳感器結(jié)構(gòu)所限，要求光源的體積小，便于與光纖耦合 ? 光源要有足夠的亮度，以提高傳感器輸出的光功率 ? 光源發(fā)出的光波長合適，以減少光波在光纖中傳輸時的能量損耗 ? 光源工作時穩(wěn)定性好、噪聲小，能在室溫下連續(xù)長期工作 ? 光源要便于維護，使用方便 光源的分類 ? 非相干光源 包括白光源與發(fā)光二極管 ? 相干光源 包括各種激光器：半導體激光器、氦氖激光器、固體激光器 在大多數(shù)光纖傳感中使用相干光源 相干光源 原理 能級的躍遷： 原子中的電子可以通過和外界交換能量的方式發(fā)生量子（能級）躍遷，對于大量原子組成的體系來說，同時存在光的受激吸收、自發(fā)輻射和受激輻射三個狀態(tài)。 ? ：色散移位光纖，在波長 零，損耗最小。 則 θ j θ i θ k θ r A B C D E F G K O O n0 n2 n1 光纖導光示意圖 θ 光纖的損耗 ?1550 nm : ~ ?1310 nm : ~ dB/Km ?850 nm : ~ dB/Km ?光纖熔接點損耗： dB(Decibel):表征相對值的值，純粹的比值，只表示兩個量的相對大小關(guān)系，沒有單位 。 此時 ， 出射光線沿界面?zhèn)鞑ト鐖D （ b） ， 稱為臨界狀態(tài) 。多用于家電、音響，以及短距的圖像傳輸。 信號 處理 光接收 器 光發(fā)送器 光纖 耦合器 被測對象 非功能型光纖傳感 ? 傳光型光纖傳感器的 光纖只當作傳播光的 媒介，待測對象的調(diào) 制功能是由其它光電 轉(zhuǎn)換元件實現(xiàn)的，光 纖的狀態(tài)是不連續(xù)的， 光纖只起傳光作用。光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素 (彎曲、相變 )的作用，其光學特性 (光強、相位、偏振態(tài)等 )的變化來實現(xiàn)“傳”和“感”的功能。 ⑤ 開辟新領(lǐng)域。 光纖傳感器的發(fā)展方向 ? 光纖傳感器的發(fā)展方向