【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 中傳播，隨著距離的增加光功率逐漸下降，這就是光纖的傳輸損耗，它直接影響光纖通信系統(tǒng)傳輸距離的長(zhǎng)短，是光纖最重要的傳輸特性之一，在光纖傳感器中尤為重要。只有降低光纖損耗才能有效傳輸光功率，保證傳感器的正常工作。由于損耗的存在，在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)不管是模擬信號(hào)還是脈沖信號(hào)，其幅度都要減小。衰減是光纖的一個(gè)重要的傳輸參數(shù)。它表明了光纖對(duì)光能的傳輸損耗，光纖每單位長(zhǎng)度的損耗，直接關(guān)系到光纖通信系統(tǒng)傳輸距離的長(zhǎng)短，對(duì)光纖質(zhì)量的評(píng)定和對(duì)光纖通信系統(tǒng)的中繼距離的確定都起著十分重要的作用。形成光纖損耗的原因很多，既有來(lái)自光纖本身的損耗，也有光纖與光源的藕合損耗以及光纖之間的連接損耗。一般情況下，光波信號(hào)在光纖中傳輸所受衰減由式（22）定義 (22)????????dLP1?式中: ——衰減系數(shù)；?P——光功率。設(shè)輸入功率為 ，則由上式知經(jīng)長(zhǎng)為L(zhǎng)的光纖傳輸后的輸出功率為inp （23）)exp(LPinout???一般 以dB/km為單位，所以上式可寫(xiě)為 ??)/(/lg10kmdBPinout??? （24）第 2 章 光致電源及光纖傳輸系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)13稱(chēng)為光纖損耗系數(shù)。?光纖本身?yè)p耗的原因主要有吸收損耗和散射損耗兩類(lèi)。吸收損耗是光波通過(guò)光纖的材料時(shí)，有一部分光能變成熱能，從而造成光功率的損失。造成吸收損耗的原因很多，主要有本征吸收和雜質(zhì)吸收。本征吸收是指光纖基本材料(例如:純Site )固有的吸收。本征吸收是不可避免的，所以本征吸收基本上確定了任何特定材料的吸收下限。對(duì)于石英光纖，本征吸收有兩個(gè)吸收帶。一個(gè)是紫外吸收帶，一個(gè)是紅外吸收帶。, , 。典型的損耗值為:／km, ／km, 最小，／km，已接近光纖損耗的理論極限。在本系統(tǒng)中，由于光纖只是傳輸信號(hào)，而且傳輸距離較短(6km左右) ，對(duì)于損耗的要求不是很高，并用同樣峰值波長(zhǎng)的PD作為光電轉(zhuǎn)換元件，以降低成本。01234560 . 8 0 . 9 1 . 0 1 . 1 1 . 2 1 . 3 1 . 4 1 . 5 1 . 6 1 . 7 1 . 8O H 吸收峰d K / k mΛ ( ц m )圖27 光纖損耗特性曲線 光源的特性及其對(duì)光纖的激勵(lì)在光纖傳輸系統(tǒng)中，用光波作為載波，在輸入端電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，即用電信號(hào)調(diào)制光源，輸出端再用光電檢測(cè)器件將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。因此光源是其中很重要的一部分，它需要滿足以下的條件:(1)光源發(fā)射的峰值波長(zhǎng)應(yīng)在光纖低損耗窗口之間，即與石英光纖三個(gè)燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）14, , 181。m相適應(yīng).(2)有足夠高的穩(wěn)定的輸出光功率，以滿足系統(tǒng)對(duì)光中繼段距離的要求。(3)光電轉(zhuǎn)換效率高，驅(qū)動(dòng)功率低，同時(shí)要求壽命長(zhǎng)，可靠性高。(4)單色性和方向性好，減少光纖的材料色散，提高光源和光纖的禍合效率。(5)強(qiáng)度噪聲比要小，以提高模擬調(diào)制系統(tǒng)的信噪比。(6)體積小，重量輕，便于安裝和使用，也利于光源和光纖的耦合。一般情況下功率光源采用半導(dǎo)體激光器LD，信號(hào)光源采用半導(dǎo)體發(fā)光二極管LED。二者的發(fā)光區(qū)都是由直接帶隙的III V族半導(dǎo)體材料制成的PN結(jié)構(gòu)成的。我們選用LED作為系統(tǒng)的信號(hào)光源。和半導(dǎo)體激光器相比，半導(dǎo)體發(fā)光二極管存在以下優(yōu)點(diǎn)，使得它得到廣泛的應(yīng)用。(1)由于不存在閥值特性，不會(huì)出現(xiàn)闡值電流因溫度升高而導(dǎo)致工作停止，它的PI線性很好，利于實(shí)現(xiàn)信號(hào)無(wú)畸變調(diào)制。(2)雖然半導(dǎo)體發(fā)光二極管的光相干性不好，但是避免了半導(dǎo)體激光器容易產(chǎn)生模分配噪聲和對(duì)光纖傳輸線路中放射光較靈敏的缺點(diǎn)。(3)工作穩(wěn)定，輸出功率隨溫度變化較小，不需要精確的溫度控制，驅(qū)動(dòng)電路很簡(jiǎn)單，可以在很低的驅(qū)動(dòng)電流下工作，這對(duì)于微功耗測(cè)溫探頭來(lái)說(shuō)是非常重要的。(4)由于不存在象半導(dǎo)體激光器那樣的腔面退化，工作壽命可達(dá) 小910時(shí)。本節(jié)中將對(duì)LED發(fā)光機(jī)理和特性的分析，以設(shè)計(jì)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，使它工作在最佳狀態(tài)。 信號(hào)光源 LED的發(fā)光原理及結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管是利用注入PN結(jié)的電子和空穴復(fù)合產(chǎn)生自發(fā)輻射發(fā)光的注入式電致發(fā)光器件。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入 P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進(jìn)入對(duì)方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光。第 2 章 光致電源及光纖傳輸系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)15LED主要有五種結(jié)構(gòu)類(lèi)型，但應(yīng)用較廣泛的只有兩種，即面發(fā)光二極管(SLED)和邊發(fā)光二極管(ELED)，是根據(jù)其發(fā)光面與PN結(jié)平行或垂直而劃分的。由于減小了發(fā)散角，并消除了發(fā)射側(cè)面的輻射，所以邊發(fā)光LED的輸出藕合效率比面發(fā)光二極管高，調(diào)制帶寬亦較大，可達(dá)到200MHz。故對(duì)于NA，邊發(fā)射型LED 能藕合進(jìn)更多的光功率，而NA=，故選用邊發(fā)射型LED。 光探測(cè)器的工作原理及特性光探測(cè)器的基本工作機(jī)理包括三個(gè)過(guò)程：材料在入射光照下產(chǎn)生光生載流子、載流子輸運(yùn)或在電流增益機(jī)制下的倍增以及光電流與外圍電路之間的相互作用并輸出電信號(hào)。當(dāng)半導(dǎo)體材料吸收光能后，在PN光探測(cè)器的核心即由P型和N型半導(dǎo)體材料形成的PN 結(jié)上會(huì)產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。PIN型光電探測(cè)器是在P 區(qū)和N 區(qū)之間插入一層介質(zhì)，實(shí)際使用時(shí)是將探測(cè)器方向偏置，使耗盡層變寬，光生載流子增加。由于在適當(dāng)?shù)姆聪蚱珘合?，這層高阻區(qū)就是耗盡區(qū)，耗盡區(qū)寬度的增加允許更多的光生電子—空穴對(duì)在高場(chǎng)區(qū)產(chǎn)生，同時(shí)降低了光電探測(cè)器的結(jié)電容，因此其響應(yīng)速度和靈敏度明顯提高。光探測(cè)器的特性參數(shù)主要有：量子效率、響應(yīng)度、光譜響應(yīng)、頻率響應(yīng)、噪聲等效功率、暗電流。燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）16 量子效率量子效率的定義為吸收一個(gè)入射光子時(shí)能夠產(chǎn)生的電子—空穴對(duì)個(gè)數(shù)，是半導(dǎo)體光探測(cè)器最重要的指標(biāo)，光電探測(cè)器吸收光子產(chǎn)生電子，光電子形成光電流，光電流與光功率成正比。由光子統(tǒng)計(jì)理論可知，光電流I與入射光功率P的關(guān)系為：I=aP=nep/hv其中， α 為光電轉(zhuǎn)換因子， η 為量子效率，v為入射光頻率，可得量子效率η 。理想狀態(tài)下，一個(gè)光子產(chǎn)生一個(gè)電子，即 η ＝1，通常 η 1， η 越大，效率越高。 響應(yīng)度 入射到吸收區(qū)的光子產(chǎn)生的光生載流子在耗盡區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，向探測(cè)器的兩極漂移運(yùn)動(dòng)，并在輸出端形成光電流。通常在實(shí)際工作中，用單位入射光功率I與產(chǎn)生光電流P的關(guān)系，即響應(yīng)度來(lái)表示。響應(yīng)度是與量子效率相對(duì)應(yīng)的宏觀參數(shù)，包括電壓響應(yīng)度和電流靈敏度。(1)電壓響應(yīng)度 設(shè) 為探測(cè)器產(chǎn)生的信號(hào)電壓，P 為入射功率，規(guī)VRUs定P 和s U 均取有效值。電壓響應(yīng)度定義為入射的單位光功率所能產(chǎn)生的信號(hào)電壓，即： PUsvR?(2)電流靈敏度 若 為探測(cè)器產(chǎn)生的信號(hào)光電流，規(guī)定P 和S I 均0sI取有效值，電流靈敏度定義為入射的單位光功率所能產(chǎn)生的信號(hào)電流，即： Iso量子效率 η 定義為： (218))(pqhvRIn??入 射 光 子 數(shù) 空 穴 對(duì) 數(shù)子光 電 轉(zhuǎn) 換 產(chǎn) 生 的 有 效 電?其中，h= 1034 Js 為普郎克常數(shù)；q= 1019 C 為電子電荷量，代入式(218)得到：第 2 章 光致電源及光纖傳輸系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)17????hvqR可見(jiàn)，R 隨λ的增加而增加，這是因?yàn)檩^低能量的光子(波長(zhǎng)較長(zhǎng))，也能產(chǎn)生相同的光生電流，這種關(guān)系只有當(dāng) 時(shí)才能成立，即 時(shí)gE?c??成立，一旦 ，則 η =0。c??假定半導(dǎo)體材料吸收光子全部轉(zhuǎn)換為電子空穴對(duì)，通過(guò)計(jì)算半導(dǎo)體—空氣界面的反射損耗和耗盡層透射損耗，可以計(jì)算出η 和a 之間關(guān)系。設(shè)器件表面的反射率為 ，則：0R)]exp(1)[(0w???若a =0，則η =0。當(dāng)aw 1時(shí)，η 可以接近于 ，前面可知a與η 0I有關(guān)，η 、R亦隨λ 發(fā)生變化。 。GePIN在λ = μm 處， ，R= μA/μW；SiPIN在λ = μm處，R= μ A/μW；InGeAsPIN在λ = μ m處， R= μA/μW。~ μm 范圍內(nèi)，η 可接近90%，這也是我們采用SiPIN作為光電探測(cè)器的原因之一。 響應(yīng)速度光電二極管的響應(yīng)速度是由探測(cè)信號(hào)的上升時(shí)間或下降時(shí)間來(lái)衡量的，通常取兩者之間較大的值。在光纖通信中，要求接收端的光探測(cè)器能夠?qū)饫w中的高速調(diào)制光脈沖信號(hào)快速響應(yīng)，從而提高信噪比，降低系統(tǒng)的誤碼率。在半導(dǎo)體光探測(cè)器中，影響響應(yīng)速度的因素主要有：(1)耗盡區(qū)內(nèi)載流子的渡越時(shí)間 當(dāng)耗盡區(qū)內(nèi)的電場(chǎng)達(dá)到飽和時(shí)，載流子以最大漂移速度咋運(yùn)動(dòng)，設(shè)定耗盡區(qū)寬度，則渡越時(shí)間為： driftvW?(2)耗盡區(qū)外載流子擴(kuò)散時(shí)間 載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)較慢，而且大部分產(chǎn)生在耗盡區(qū)外的載流子壽命較短，很快就會(huì)復(fù)合。只有在耗盡區(qū)附近一個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度以內(nèi)的部分載流子能夠擴(kuò)散進(jìn)入耗盡區(qū)，并在電場(chǎng)作用下才能形成光電流。設(shè)載流子擴(kuò)散系數(shù) ，則擴(kuò)散距離d 所需要的時(shí)間是：CDcrift2?燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）18(3)光電二極管耗盡區(qū)電容 耗盡層的電容是影響速度的主要因素之一，這就意味著大面積的探測(cè)器不能用于探測(cè)調(diào)制頻率較高的光信號(hào)。加大探測(cè)器本征層的寬度對(duì)提高量子效率和減小探測(cè)器電容是一致的，而增大寬度意味著載流子在吸收區(qū)內(nèi)的渡越時(shí)間會(huì)增加。減小探測(cè)器的面積可以有效減少結(jié)電容和暗電流，但是小面積的探測(cè)器給光纖的有效耦合帶來(lái)了難度。因此，為了優(yōu)化響應(yīng)速度，需要選擇適當(dāng)?shù)奈丈疃群吞綔y(cè)器面積。比較合理的做法是選擇一定的耗盡層寬度使得載流子渡越時(shí)間是調(diào)制周期的一半。響應(yīng)時(shí)間主要由三個(gè)部分組成：由結(jié)電容和負(fù)載電阻所決定的RC 時(shí)間常數(shù) 、少數(shù)載流子通過(guò)耗盡層所需的渡越時(shí)間 、以及光激勵(lì)的少數(shù)rct it載流子通過(guò)擴(kuò)散達(dá)到PN 結(jié)所需的擴(kuò)散時(shí)間td。對(duì)于工作在反向偏置電壓的三四元合金PINPD，其響應(yīng)時(shí)間可達(dá)100 ps 以下，但是在光伏模式下的響應(yīng)時(shí)間要大的多(1 μs)。但對(duì)本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，傳輸l μs 的脈寬是可以滿足要求的。 暗電流理想條件下，當(dāng)無(wú)光照時(shí)，光電檢測(cè)器應(yīng)無(wú)電流輸出。實(shí)際上由于熱激勵(lì)、宇宙射線和放射性物質(zhì)的激勵(lì)，在無(wú)光照條件下，光探測(cè)器也有電流輸出，該電流稱(chēng)為暗電流，它主要是由耗盡層中載流子的產(chǎn)生—復(fù)合電流和耗盡層邊界的少子擴(kuò)散電流，以及表面漏電流構(gòu)成。由載流子產(chǎn)生—復(fù)合引起的暗電流是很小的（ ） 。表面漏電流可以通過(guò)鈍2102mAID???化表面來(lái)減小，可以減小到 之下。此外，暗電流 的大小還dI與其工作溫度、偏壓和探測(cè)器類(lèi)型等因素密切相關(guān)。 本章小結(jié)在光纖高壓觸頭溫度傳感器中，設(shè)計(jì)一個(gè)高效率的工作電源與光纖傳輸系統(tǒng)是很重要的。本課題選用光電池作探頭電源，根據(jù)其性能設(shè)計(jì)了穩(wěn)壓電路，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。光纖傳輸系統(tǒng)用來(lái)在高壓回路中傳遞溫度信號(hào)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)對(duì)象與監(jiān)測(cè)儀器之間的電壓隔離，同時(shí)起到絕緣和抗電磁干第 2 章 光致電源及光纖傳輸系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)19擾的作用。本章具體分析了光纖元器件的工作原理及性能特點(diǎn)，并根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)的具體用途，選擇適合的元器件，設(shè)計(jì)了光纖傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了溫度信號(hào)的可靠傳遞。燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）20第 3章 低功耗測(cè)溫探頭電路的設(shè)計(jì) 集成溫度傳感器 AD590 集成溫度傳感器實(shí)質(zhì)上是一種半導(dǎo)體集成電路，它是利用晶體管的b—e結(jié)壓降的不飽和值 Vbe與熱力學(xué)溫度T和通過(guò)發(fā)射極電流I的關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)。集成溫度傳感器具有線性好、精度適中、靈敏度高、體積小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。集成溫度傳感器的輸出形式分為電壓輸出和電流輸出兩種。電壓輸出型的靈敏度一般為10mV／K ，溫度O ℃時(shí)輸出為O，溫度25℃。電流輸出型的靈敏度一般為1181。A／K。AD590是美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。它的主要特性如下：(1)流過(guò)器件的電流(181。A)等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度(開(kāi)爾文)度數(shù)；(2)AD590的測(cè)溫范圍為 55℃ ～+15O ℃；(3)AD590的電源電壓范圍為4V～30V。電源電壓可在4V ～6V 范圍變化，電流變化1181。A，相當(dāng)于溫度變化1 K。AD590可以承受 44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會(huì)被損壞；(4)輸出電阻為71OMΩ；(5)精度高。AD590 共有l(wèi)、 J 、K、 L、M五檔，其中M檔精度最高，在55℃～ +15O℃范圍內(nèi)，非線性誤差為177?！妗Ｎ覀冞x用的是L檔的AD590，℃。第 3 章 低功耗測(cè)溫探頭電路的設(shè)計(jì)21+(a) 封裝形式A D 5 9 0+_+ 1 5 VR 21 0 0R 19 9 0V o = 1 m V / K(b) 基本應(yīng)用電路 測(cè)溫探頭電路的設(shè)計(jì)結(jié)合AD590及線性電流輸出的特性，我們?cè)O(shè)計(jì)了探頭測(cè)溫電路，關(guān)鍵部分是AD590和555定時(shí)器組成的溫度——頻率轉(zhuǎn)換電路，電路如圖所示：燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）22R1T L C 5 5 5 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器C D 4 0 4 8 7光電池穩(wěn)壓電路L E D 驅(qū)動(dòng)電路A D 5 90C 17265138光纖傳輸光電池穩(wěn)壓電路32 測(cè)溫探頭電路圖 溫度——頻率轉(zhuǎn)換電路555定時(shí)器是一種將模擬功能與邏輯功能巧妙結(jié)合在一起的中規(guī)模集成電路，555 定時(shí)器成本低，性能可靠，只需要外接幾個(gè)電阻、電容，就可以實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及