【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(gè)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(gè)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(gè)電極： g：柵極 d：漏極 s：源極 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管 NGGg+sdpVp + （ 1）柵源電壓 Vgs對(duì)溝道的控制作用 在柵源間加負(fù)電壓Vgs，令 Vds =0 當(dāng) Vgs=0時(shí)，為平衡 PN結(jié)，導(dǎo)電溝道最寬。它對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有良好的隔離作用。常用的高速光耦有 6N135/6N136。 要求：帶負(fù)載能力強(qiáng)、輸出電流大、工作電壓高的特點(diǎn)。因此得到結(jié)論：太陽(yáng)光譜中，紅光的外側(cè)必定存在看不見(jiàn)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(duì)人體 發(fā)出的紅外線最敏感。 作用：環(huán)境溫度補(bǔ)償 運(yùn)動(dòng)方向判斷 雙元型運(yùn)動(dòng)計(jì)數(shù)法 固態(tài)圖像傳感器 ? 高度集成半導(dǎo)體光敏傳感器。 70年代，貝爾實(shí)驗(yàn)室用簡(jiǎn)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(hào)。 一種是 CMOS工藝，微安級(jí)的耗電量。但是提高采光率的辦法也容易使畫(huà)質(zhì)下降。每四個(gè)像素形成一個(gè)單元，一個(gè)負(fù)責(zé)過(guò)濾紅色、一個(gè)過(guò)濾藍(lán)色，兩個(gè)過(guò)濾綠色。 ? ―感光層” 負(fù)責(zé)將穿過(guò)濾色層的光源轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)，并將信號(hào)傳送到影像處理芯片，影像還原。 ? CCD在攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)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(jī) /照相機(jī)等。 ? 1960年 ， 梅曼發(fā)明第一臺(tái) “ 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(dǎo)體激光器 (短波長(zhǎng) ) 光纖技術(shù)發(fā)展 光纖技術(shù) 19701980，主要以強(qiáng)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(guó)在亞特蘭大進(jìn)行第一個(gè)光纖通信現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，速率 1980年 ，美國(guó)鋪設(shè)東西干線和南北干線， 22個(gè)州 1983年 ，日本南北光纜干線，全長(zhǎng) 3400km 1989年 ，第一條橫跨太平洋光纜建成，全長(zhǎng)13200km 90年代 ， 我國(guó)光纜干線“八橫八縱”，全長(zhǎng) 8萬(wàn)公里 光纖傳感的形成 ? 實(shí)際光纖通信過(guò)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(qiáng)。 光纖傳感器可測(cè)量位移、速度、加速度、液位、應(yīng)變、壓力、流量、振動(dòng)、溫度、電流、電壓、磁場(chǎng)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(qiáng)： 輻射干擾是指干擾源通過(guò)空間把其信號(hào)耦合 (干擾 )到另一個(gè)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(wú)法竊聽(tīng) 沒(méi)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(duì)外界被測(cè)對(duì)象 具有敏感能力和檢測(cè) 功能，光纖不僅起到 傳光作用，而且在被 測(cè)對(duì)象作用下，如光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等 光學(xué)特性得到調(diào)制，調(diào)制后的信號(hào)攜帶了被測(cè)信息。 信號(hào)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(cè)對(duì)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(lái)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(hù)套 jacket：強(qiáng)度大，能承受較大沖擊，保護(hù)光纖。s Law） 當(dāng)光由光密物質(zhì) (折射率大 )入射至光疏物質(zhì)時(shí)發(fā)生折射，如圖 (a) n1 n2 θ r θ i (a)光的折射示意圖 可見(jiàn) ， 入射角 θ i增大時(shí) ， 折射角 θ r也隨之增大 ， 當(dāng) θ r=90186。這時(shí)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(lái)。 10 l og 1mWWdB m ?基礎(chǔ)知識(shí) 光纖標(biāo)準(zhǔn) ? ：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(zhǎng) μm色散為零 ， 在 μm色散為 17~20 ps/(nm 特點(diǎn)： ?受激幅射中，光子成倍增長(zhǎng)，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(qiáng)的反饋，而其他波長(zhǎng)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(jì) 1310nm 1550nm a b 隔離器 ? 光隔離器的性能是光正向通過(guò)時(shí)衰減很小，但反向通過(guò)時(shí)衰減很大的器件。 ? 這種衰減器使用的原理是當(dāng)兩根光纖端面間距和角度不同情況下相對(duì)時(shí)，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(fù)用器 放大器 光放大器 頻率轉(zhuǎn)換器 光波長(zhǎng)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(cè)器 開(kāi)關(guān) 光開(kāi)關(guān) 集成電路 集成光路 光器件與電器件類比 光檢測(cè)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(kāi)關(guān)可分兩類： ? 機(jī)械光開(kāi)關(guān)，利用電磁鐵或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)光纖、棱鏡或反射鏡等光學(xué)元件實(shí)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(lái)在光纖線路中產(chǎn)生可以控制的衰減的一種無(wú)源器件。 1300 波長(zhǎng) / n m△ ? ＝ 7 0 n m相對(duì)光強(qiáng)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(guò)對(duì) SLD施加較大的驅(qū)動(dòng)電流，在雙異質(zhì)結(jié)處產(chǎn)生較強(qiáng)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(duì)較高的輸出功率。 2. 波長(zhǎng)穩(wěn)定性好 由于光柵的作用有助于使發(fā)射波長(zhǎng)鎖定在諧振 波長(zhǎng)上，因而波長(zhǎng)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(dǎo)體激光器 半導(dǎo)體激光器工作原理 ? 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，并利用光學(xué)諧振腔的正反饋實(shí)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(zhǎng)合適，以減少光波在光纖中傳輸時(shí)的能量損耗 ? 光源工作時(shí)穩(wěn)定性好、噪聲小，能在室溫下連續(xù)長(zhǎng)期工作 ? 光源要便于維護(hù)，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(dǎo)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(jí)的躍遷： 原子中的電子可以通過(guò)和外界交換能量的方式發(fā)生量子（能級(jí)）躍遷，對(duì)于大量原子組成的體系來(lái)說(shuō)，同時(shí)存在光的受激吸收、自發(fā)輻射和受激輻射三個(gè)狀態(tài)。 ? ：色散移位光纖，在波長(zhǎng) 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(dǎo)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(diǎn)損耗： dB(Decibel):表征相對(duì)值的值，純粹的比值，只表示兩個(gè)量的相對(duì)大小關(guān)系，沒(méi)有單位 。 此時(shí) ， 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(hào) 處理 光接收 器 光發(fā)送器 光纖 耦合器 被測(cè)對(duì)象 非功能型光纖傳感 ? 傳光型光纖傳感器的 光纖只當(dāng)作傳播光的 媒介，待測(cè)對(duì)象的調(diào) 制功能是由其它光電 轉(zhuǎn)換元件實(shí)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(xué)特性 (光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等 )的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)“傳”和“感”的功能。 ⑤ 開(kāi)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