1、第6章 光纖傳感器,6.1 基礎(chǔ)知識(shí) 6.2 光纖傳感器的分類(lèi)及構(gòu)成 6.3 功能型光纖傳感器舉例 6.4 非功能型光纖傳感器舉例 思考題與習(xí)題 ,6.1 基礎(chǔ)知識(shí),6.1.1 光纖的結(jié)構(gòu) 光纖的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單,通常由纖芯、包層及外套組成（如圖6.1所示）。纖芯位于光纖的中心部位,它是由玻璃、石英或塑料等制成的圓柱體,一般直徑約為5150 m。光主要通過(guò)纖芯傳輸。圍繞著纖芯的那一層叫包層,材料也是玻璃或塑料等。纖芯和外層材料的折射率不同,纖芯的折射率n1稍大于包層的折射率n2。由于纖芯和包層構(gòu)成了一個(gè)同心圓雙層結(jié)構(gòu),所以光纖具有使光功率封閉在里面?zhèn)鬏數(shù)墓δ?。外套起保護(hù)光纖的作用。通常人們又把較長(zhǎng)的

2、或多股的光纖稱(chēng)之為光纜。,圖6.1 由纖芯、包層及外套組成的光纖的結(jié)構(gòu)示意圖,6.1.2 光纖的種類(lèi) 根據(jù)纖芯到包層的折射率的變化規(guī)律分類(lèi),光纖被分為階躍型和梯度型兩種。 階躍型光纖如圖6.2(a)所示。纖芯的折射率n1分布均勻,固定不變,包層內(nèi)的折射率n2分布也大體均勻,但纖芯到包層的折射率變化呈臺(tái)階狀。在纖芯內(nèi),中心光線沿光纖軸線傳播,通過(guò)軸線的子午光線（光的射線永遠(yuǎn)在一個(gè)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng),這種光線稱(chēng)之為子午光線）呈鋸齒形軌跡。 梯度型光纖纖芯內(nèi)的折射率不是常數(shù),從中心軸線開(kāi)始沿徑向大致按拋物線規(guī)律變化,中心軸折射率最大,因此,光在傳播中會(huì)自動(dòng)地從折射率小的界面處向中心會(huì)聚。光線傳播的軌跡類(lèi)似正

3、弦波曲線。這種光纖又稱(chēng)為自聚焦光纖。圖6.2(b)示出了經(jīng)過(guò)軸線的子午光線傳播的軌跡。,根據(jù)光纖的傳輸模式分類(lèi),可以把光纖分為多模光纖和單模光纖兩類(lèi)。階躍型和梯度型為多模光纖,而圖6.2(c)所示的為單模光纖。 模的概念可簡(jiǎn)單介紹如下。 在纖芯內(nèi)傳播的光波,可以分解為沿軸向傳播的平面波和沿垂直方向（剖面方向）傳播的平面波。沿剖面方向傳播的平面波在纖芯與包層的界面上將產(chǎn)生反射。如果此波在一個(gè)往復(fù)（入射和反射）中相位變化為2的整數(shù)倍,就會(huì)形成駐波。只有能形成駐波的那些以特定角度射入光纖的光波才能在光纖內(nèi)傳播,這些光波就稱(chēng)為模。在光纖內(nèi)只能傳輸一定數(shù)量的模。通常,纖芯直徑較粗（幾十m以上）時(shí),能傳播

4、幾百個(gè)以上的模,而纖芯很細(xì)（510m）時(shí),只能傳播一個(gè)模。前者稱(chēng)為多模光纖,后者稱(chēng)為單模光纖。關(guān)于模式理論,有興趣的讀者可參閱有關(guān)文獻(xiàn)資料。,圖6.2 光纖的種類(lèi)和光傳播形式 階躍型多模光纖；（b） 梯度型多模光纖； (c) 單模光纖,6.1.3 光纖的傳光原理 討論光纖的傳光原理,首先要從光線在分層媒質(zhì)中傳播開(kāi)始,由此引出光的全反射概念。我們知道,在幾何光學(xué)中當(dāng)光線以較小的入射角1(1c, c為臨界角)由光密媒質(zhì)（折射率為n1）射入光疏媒質(zhì)（折射率為n2）時(shí)(如圖6.3(a)所示),折射角2滿足斯乃爾（Snell）法則： n1sin1=n2sin2(6.1) 根據(jù)能量守恒定律,反射光與折射光

5、的能量之和等于入射光的能量。,若逐漸加大入射角1,一直到c,折射光就會(huì)沿著分層媒質(zhì)的交界面?zhèn)鞑?折射角2=90,如圖6.3(b)所示。此時(shí)的入射角1=c,于是式（6.1）可寫(xiě)為 (6.2) 則臨界角c可由上式?jīng)Q定。 若繼續(xù)加大入射角1 （即1 1 ）,光不再產(chǎn)生折射,而只有光密媒質(zhì)中的反射,即形成了光的全反射現(xiàn)象,如圖6.3(c)所示。因?yàn)? c,在090,有sin1sinc,則 sin1 ( ) (6.3) ,光的全反射現(xiàn)象是光纖傳光原理的基礎(chǔ)。下面我們以階躍型多模光纖為例,來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明光纖的傳光原理。 階躍型多模光纖的基本結(jié)構(gòu)如圖6.4所示。設(shè)纖芯的折射率為n1,包層的折射率為n2（ n1

6、 n2 ）。當(dāng)光線從空氣（折射率為n0）中射入光纖的一個(gè)端面,并與其軸線的夾角為0時(shí)（如圖6.4(a)所示）,按照斯乃爾法則,在光纖內(nèi)折射成1角,然后以1(1 =90-1)角入射到纖芯與包層的交界面上。若入射角1大于臨界角c,則入射的光線就能在交界面上產(chǎn)生全反射,并在光纖內(nèi)部以同樣的角度反復(fù)逐次全反射向前傳播,直至從光纖的另一端射出。若光纖兩端同處于空氣之中,則出射角也將為0。光纖總是把光能封閉在線狀的光路中,從一點(diǎn)傳輸?shù)搅硪稽c(diǎn)。即便彎曲,光也能沿著光纖傳播。但光纖過(guò)分彎曲,以致使光射至界面的入射角小于臨界角,那么,大部分光將透過(guò)包層損失掉,從而不能在纖芯內(nèi)部傳播。,圖6.3 光線入射角小于、

7、等于和大于臨界角時(shí)界面上發(fā)生的反射,從空氣中射入光纖的光并不一定都能在光纖中產(chǎn)生全反射。圖6.4(a)中的虛線表示入射角0過(guò)大,光線不能滿足要求（即1c）,大部分光線將穿透包層而逸出,這叫漏光。即使有少量光反射回纖芯內(nèi)部,但經(jīng)過(guò)多次這樣的反射后,能量幾乎耗盡,以致基本沒(méi)有光通過(guò)光纖傳播出去。 能產(chǎn)生全反射的最大入射角可以通過(guò)斯乃爾法則及臨界角定義求得。 由圖6.4(a),設(shè)光線在A點(diǎn)入射,根據(jù)斯乃爾法則,有 n0sin0=n1sin1=n1cos1 (6.4),圖6.4 階躍型多模光纖中子午光線的傳播,要使入射光線在界面發(fā)生全反射,應(yīng)滿足式（6.3）： 由三角函數(shù)公式 sin1= , 有 (6

8、.5) 將上式代入式(6.4)可得 (6.6) 這就是能產(chǎn)生全反射的最大入射角范圍。入射角的最大值c可由式(6.6)求出, 即,(6.7),若仿照研究透鏡那樣, 引入光纖的數(shù)值孔徑NA這個(gè)概念, 則 (6.8) 式中,n0為光纖周?chē)劫|(zhì)的折射率。對(duì)于空氣, n0 =1。NA是光纖的一個(gè)基本參數(shù),它決定了能被傳播的光束的半孔徑角的最大值c,反映了光纖的集光能力?？梢宰C明,當(dāng)NA 1時(shí),集光能力與NA的平方成正比；當(dāng)NA1時(shí),集光能力達(dá)到最大。從式（6.8）可以看出,纖芯與包層的折射率差值越大,數(shù)值孔徑就越大,光纖的集光能力就越強(qiáng)。產(chǎn)品光纖通常不給出折射率,而只給出NA 。石英光纖的NA =0.2

9、0.4。,6.1.4 光纖的特性 用如下一些參數(shù)來(lái)表征光傳輸信號(hào)通過(guò)光纖時(shí)的特性。 1. 損耗 設(shè)光纖入射端與出射端的光功率分別為Pi和Po,光纖長(zhǎng)度為L(zhǎng)（單位：km）,則光纖的損耗a(單位：dBkm)可以用下式計(jì)算：,光纖損耗可歸結(jié)為吸收損耗和散射損耗兩類(lèi)。物質(zhì)的吸收作用將使傳輸?shù)墓饽茏兂蔁崮?造成光能的損失。光纖對(duì)于不同波長(zhǎng)光的吸收率不同,石英光纖材料SiO2對(duì)光的吸收發(fā)生在波長(zhǎng)0.16m附近和812m的范圍。散射損耗是由于光纖的材料及其不均勻性或其幾何尺寸的缺陷引起的。如瑞利散射就是由于材料的缺陷引起折射率隨機(jī)性變化所致。瑞利散射按14變化,因此它隨波長(zhǎng)的減小而急劇地增加。 光纖的彎曲也

10、會(huì)造成散射損耗。這是由于光纖邊界條件的變化,使光在光纖中無(wú)法進(jìn)行全反射傳輸所致。光纖的彎曲半徑越小,造成的散射損耗越大。,2. 色散 光纖的色散是表征光纖傳輸特性的一個(gè)重要參數(shù)。特別是在光纖通訊中,它反映傳輸帶寬,關(guān)系到通訊信息的容量和質(zhì)量。在光纖傳感器的某些應(yīng)用場(chǎng)合,有時(shí)也需要考慮信號(hào)傳輸?shù)氖д鎲?wèn)題。 所謂光纖的色散就是輸入脈沖在光纖傳輸過(guò)程中,由于光波的群速度不同而出現(xiàn)的脈沖展寬現(xiàn)象。光纖色散使傳輸?shù)男盘?hào)脈沖發(fā)生畸變,從而限制了光纖的傳輸帶寬。光纖色散有以下幾種。 （1） 材料色散。材料的折射率隨光波長(zhǎng)的變化而變化,使光信號(hào)中各波長(zhǎng)分量的光的群速度vg不同而引起的色散稱(chēng)為材料色散（又稱(chēng)為折

11、射率色散）。,（2） 波導(dǎo)色散。由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不同,某一波導(dǎo)模式的傳播常數(shù)隨著信號(hào)角頻率變化而引起的色散稱(chēng)為波導(dǎo)色散（有時(shí)也稱(chēng)為結(jié)構(gòu)色散）。 （3） 多模色散。在多模光纖中,由于各個(gè)模式在同一角頻率下的傳播常數(shù)不同、群速度不同而產(chǎn)生的色散稱(chēng)為多模色散。 采用單色光源（如激光器）,可有效地減小材料色散的影響。多模色散是階躍型多模光纖中脈沖展寬的主要根源。多模色散在梯度型光纖中大為減少,因?yàn)樵谶@種光纖里不同模式的傳播時(shí)間幾乎彼此相等。在單模光纖中起主要作用的是材料色散和波導(dǎo)色散。,3. 容量 輸入光纖的可能是強(qiáng)度連續(xù)變化的光束,也可能是一組光脈沖,由于存在光纖色散現(xiàn)象,會(huì)使脈沖展寬,造成信號(hào)畸變,從

12、而限制了光纖的信息容量和品質(zhì)。 光脈沖的展寬程度可以用延遲時(shí)間來(lái)反映。設(shè)光源的中心頻率為f0,帶寬為f,某一模式光的傳播常數(shù)為,則總的延遲增量為 式中：k0=2f0c；k=2fc；c為真空中的光速。,4. 抗拉強(qiáng)度 可以彎曲是光纖的突出優(yōu)點(diǎn)。光纖的彎曲性與光纖的抗拉強(qiáng)度有關(guān)?？估瓘?qiáng)度大的光纖,不僅強(qiáng)度高,可撓性也好,同時(shí),其環(huán)境適應(yīng)性能也強(qiáng)。 光纖的抗拉強(qiáng)度取決于材料的純度、分子結(jié)構(gòu)狀態(tài)、光纖的粗細(xì)及缺陷等因素。 5. 集光本領(lǐng) 光纖的集光本領(lǐng)與數(shù)值孔徑有密切的關(guān)系。如圖6.5所示,光纖的數(shù)值孔徑NA定義為當(dāng)光從空氣中入射到光纖端面時(shí)的光錐半角之正弦： NA =sinc,光錐的大小是使此角錐內(nèi)

13、所有方位的光線一旦進(jìn)入光纖,就被截留在纖芯中,沿著光纖傳播。 數(shù)值孔徑只決定了光纖的折射率,與光纖的尺寸無(wú)關(guān)。這樣,光纖就可以做得很細(xì),使之柔軟可以彎曲。這是一般光學(xué)系統(tǒng)無(wú)法做到的。 當(dāng)光纖的數(shù)值孔徑最大時(shí),光纖的集光本領(lǐng)也最大。由前面的推導(dǎo)可知,對(duì)于階躍型光纖,其數(shù)值孔徑可表示為 ,當(dāng)光信號(hào)是從空氣中射入光纖時(shí),數(shù)值孔徑可表示為,圖6.5 光纖的接收角錐,6.1.5 光纖的耦合 光纖耦合器是使光信號(hào)能量實(shí)現(xiàn)分路合路的器件。耦合分為強(qiáng)耦合和弱耦合兩種。光纖強(qiáng)耦合是光纖纖芯間形成直通,傳輸模直接進(jìn)入耦合臂。光纖弱耦合是通過(guò)光纖的彎曲,或使其耦合處成錐狀,于是,纖芯中的部分傳導(dǎo)模變?yōu)榘鼘幽?再由包

14、層進(jìn)入耦合臂中的纖芯,形成傳導(dǎo)模。 常用的耦合器有三種結(jié)構(gòu)形式。 （1） 將每根光纖埋入玻璃塊的弧形槽中,在光纖側(cè)面進(jìn)行研磨拋光,使光纖耦合處的包層厚度達(dá)到一定的要求,然后將兩根光纖拼接在一起,如圖6.6(a)所示。 （2） 將兩根光纖稍加扭絞,用微火炬對(duì)耦合部位進(jìn)行加熱,在熔融過(guò)程中拉伸光纖,最后拉細(xì)成型,如圖6.6(b)所示。此時(shí),在兩根光纖的耦合部位形成雙錐區(qū),兩根光纖包層合并在一起,纖芯變細(xì),形成了一個(gè)新的合成光波通路,從而構(gòu)成弱耦合。,圖6.6 搭接光纖耦合器 (a) 拼接型；（b） 熔融拉錐型,（3） 將要耦合的光纖的局部外套去掉,扭絞在一起,浸蝕光纖的耦合部位,腐蝕掉大部分包層,

15、并將兩根光纖的纖芯緊緊接觸在一起,然后進(jìn)行加固,如圖6.7所示。還可通過(guò)控制扭力或張力,調(diào)節(jié)光纖間距,以達(dá)到調(diào)節(jié)光纖耦合強(qiáng)弱的目的。 還有其它結(jié)構(gòu)形式的耦合器,這里不再一一列舉。,圖6.7 腐蝕光纖耦合器 (a) 剝離護(hù)套扭絞；（b） 腐蝕；（c） 固化,6.2 光纖傳感器的分類(lèi)及構(gòu)成,6.2.1 分類(lèi) 通常,按照光纖在傳感器中的作用,把光纖傳感器分為兩種類(lèi)型： 功能型（或稱(chēng)傳感型、探測(cè)型）和非功能型（或稱(chēng)傳光型、結(jié)構(gòu)型、強(qiáng)度型、混合型）。各類(lèi)光纖傳感器的分類(lèi)、原理等可參閱表6.1。,表6.1 光纖傳感器分類(lèi),表略,功能型光纖傳感器如圖6.8(a)所示。這種類(lèi)型主要使用單模光纖。光纖不僅起傳光

16、作用,又是敏感元件,即光纖本身同時(shí)具有傳、感兩種功能。功能型光纖傳感器是利用光纖本身的傳輸特性受被測(cè)物理量的作用而發(fā)生變化,使光纖中波導(dǎo)光的屬性（光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)、波長(zhǎng)等）被調(diào)制這一特點(diǎn),而構(gòu)成的一類(lèi)傳感器。其中有光強(qiáng)調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型和波長(zhǎng)調(diào)制型等數(shù)種。其典型例子有： 利用光纖在高電場(chǎng)下的泡克耳效應(yīng)的光纖電壓傳感器,利用光纖法拉第效應(yīng)的光纖電流傳感器,利用光纖微彎效應(yīng)的光纖位移（壓力）傳感器等。功能型傳感器的特點(diǎn)是,由于光纖本身是敏感元件,因此加長(zhǎng)光纖的長(zhǎng)度,可以得到很高的靈敏度。尤其是利用各種干涉技術(shù)對(duì)光的相位變化進(jìn)行測(cè)量的光纖傳感器,具有極高的靈敏度。這類(lèi)傳感器的缺點(diǎn)是,

17、技術(shù)難度大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,調(diào)整較困難。,非功能型光纖傳感器中,光纖不是敏感元件。它是在光纖的端面或在兩根光纖中間放置光學(xué)材料、機(jī)械式或光學(xué)式的敏感元件來(lái)感受被測(cè)物理量的變化,從而使透射光或反射光強(qiáng)度隨之發(fā)生變化。在這種情況下,光纖只是作為光的傳輸回路,如圖6.8(b)、（c）所示。為了得到較大的受光量和傳輸?shù)墓夤β?使用的光纖主要是數(shù)值孔徑和芯徑大的階躍型多模光纖。這類(lèi)光纖傳感器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠,技術(shù)上易實(shí)現(xiàn),應(yīng)用前景廣闊,但其靈敏度、測(cè)量精度一般低于功能型光纖傳感器。 在非功能型光纖傳感器中,也有并不需要外加敏感元件的情況,光纖把測(cè)量對(duì)象所輻射、反射的光信號(hào)傳播到光電元件（如圖6.8（d）

18、所示）。這種光纖傳感器也叫探針型光纖傳感器。該類(lèi)傳感器中通常使用單模光纖或多模光纖。典型的例子有光纖激光多普勒速度傳感器、光纖輻射溫度傳感器和光纖液位傳感器等,其特點(diǎn)是非接觸式測(cè)量,而且具有較高的精度。,圖6.8 光纖傳感器的基本結(jié)構(gòu)原理示意圖,6.2.2 構(gòu)成部件 從圖6.8我們已了解到了光纖傳感器的基本結(jié)構(gòu),現(xiàn)在我們把其中一些構(gòu)成部件加以介紹。 1. 光源 正確了解光的產(chǎn)生機(jī)理,對(duì)于光纖傳感器的光源選擇是非常有利的。根據(jù)系統(tǒng)的用途和所用光纖的類(lèi)型,對(duì)光源一般要提出功率和調(diào)制的要求。在實(shí)際應(yīng)用中,人們希望能研制出一種適合于各種系統(tǒng)的光源。激光二極管和發(fā)光二極管（LED）的發(fā)射波段是0.80.

19、9 m和1.01.1 m,在這一波段光纖的損耗最小。特別是激光二極管具有亮度高、易于進(jìn)行上吉赫的直接調(diào)制、尺寸小等優(yōu)點(diǎn),一直受到人們的注意。,為了正確理解激光二極管和LED以及它們運(yùn)行的實(shí)際情況,應(yīng)對(duì)它們的PN結(jié)進(jìn)行分析。砷化鎵（GaAs）結(jié)晶材料是一種重要的室溫LED和半導(dǎo)體激光器材料。如果把一種受主材料摻雜到GaAs中,就可形成一個(gè)P型半導(dǎo)體區(qū)域。把一個(gè)施主材料摻雜到GaAs中,就可形成一個(gè)N型半導(dǎo)體區(qū)域。當(dāng)把它們結(jié)合時(shí),P型和N型區(qū)域間的空間間隙就是PN結(jié)。我們知道,如果在P區(qū)加偏置電壓的正極,在N區(qū)加偏置電壓的負(fù)極,電子就被迫進(jìn)入N型區(qū)域,并在P型區(qū)域里形成空穴。當(dāng)足夠量的電子的能級(jí)升

20、高到導(dǎo)帶能級(jí)時(shí),它們的電子能級(jí)就超過(guò)勢(shì)壘能量,并且電子橫越結(jié)進(jìn)入P區(qū)域。在P型和N型區(qū)域間的空間（復(fù)合層）里,電子能夠自發(fā)地與空穴復(fù)合而產(chǎn)生光子,光子朝各個(gè)方向運(yùn)動(dòng),這就形成了LED。,在LED中,向各個(gè)方向發(fā)出的光是自發(fā)發(fā)射的。為了產(chǎn)生激光,必須限制和引導(dǎo)復(fù)合層里的光子,使光強(qiáng)增加到產(chǎn)生受激發(fā)射的程度。如在復(fù)合層里加入一些鋁,可使光子的波長(zhǎng)得到調(diào)節(jié),復(fù)合層的折射率增高,在復(fù)合層里所形成的光子傾向于來(lái)回多次反射,于是光強(qiáng)在復(fù)合層里得到加強(qiáng)。光強(qiáng)足夠高時(shí),就開(kāi)始受激發(fā)射。當(dāng)能量增益和能量損耗相匹配時(shí),在復(fù)合層內(nèi)對(duì)逸出的每個(gè)光子都形成一個(gè)或更多的光子,因此導(dǎo)致復(fù)合率不斷增加和不斷產(chǎn)生光子,最終在復(fù)

21、合層里形成了比自發(fā)發(fā)射高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的光強(qiáng)。這就是構(gòu)成激光二極管的簡(jiǎn)單原理。在激光二極管中,發(fā)出的光是受激發(fā)射的。,LED在室溫下的典型光譜寬度為3040 nm,比激光二極管發(fā)射的光譜寬度大一個(gè)數(shù)量級(jí),因而增大了色散,與低數(shù)值孔徑光纖耦合效率也低。但LED具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和溫度對(duì)發(fā)射功率影響小的優(yōu)點(diǎn)。為了提高光源與光纖的耦合效率,在設(shè)計(jì)和制造LED或激光二極管時(shí),常常依靠復(fù)雜工藝,以實(shí)現(xiàn)光源與光纖的緊密結(jié)合。例如在GaAs襯底上腐蝕一個(gè)坑,以便與光纖對(duì)接。目前常用的二極管大部分是GaAs和AlGaAs器件。除了上述光源外,還有采用白熾燈等做光源的。,2. 光電元件 圖6.8中的光電元件也稱(chēng)為光探測(cè)器

22、。光纖傳感器中多用半導(dǎo)體光電二極管作為光探測(cè)器,偶爾也用電荷耦合器件、光導(dǎo)體和光電倍增管等。這里只介紹將光功率轉(zhuǎn)換成電流的光電探測(cè)器。光電探測(cè)器的原理是利用入射光子的能量在半導(dǎo)體中激發(fā)電子-空穴對(duì)形成的電流進(jìn)行測(cè)量。光探測(cè)實(shí)質(zhì)上是光子測(cè)量過(guò)程,即利用光子計(jì)數(shù)的某種統(tǒng)計(jì)特性。光電探測(cè)器都是平方律器件,即輸入光功率被轉(zhuǎn)換成電子流所探測(cè)到的電功率正比于光功率的平方。 目前常用的有如下四種光電元件。,1） 光電二極管 在外形尺寸要求嚴(yán)格的光纖傳感器系統(tǒng)中,采用微型半導(dǎo)體光電二極管更合適、更經(jīng)濟(jì)。PN結(jié)光電二極管的工作原理如圖6.9所示。它的特點(diǎn)是具有一個(gè)高電場(chǎng)耗盡區(qū)和一個(gè)吸收光子的吸收區(qū)。耗盡區(qū)是由P

23、N結(jié)的N區(qū)束縛正電荷施主原子和P區(qū)束縛負(fù)電荷受主原子所形成的。吸收區(qū)的位置和寬度與入射光的波長(zhǎng)和二極管的材料有關(guān)。當(dāng)吸收區(qū)吸收光子后,電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶,因此產(chǎn)生了電子-空穴對(duì),在外加電場(chǎng)作用下產(chǎn)生位移電流。設(shè)計(jì)者用減少摻雜濃度來(lái)增大耗盡區(qū)的長(zhǎng)度。結(jié)果N層摻雜濃度很低,可把它看作為本征半導(dǎo)體,歸結(jié)為PI結(jié),如圖6.10所示。,為了得到低阻歐姆接觸,在PI結(jié)外再加上一層重?fù)诫sN層,形成所謂PIN結(jié)構(gòu)。PIN光電二極管常用量子效率（吸收光的百分比）和響應(yīng)速度來(lái)評(píng)價(jià),要求吸收區(qū)短和載流子速率高。典型的光電二極管連接電路如圖6.11所示。響應(yīng)速度與偏壓的強(qiáng)弱、二極管的結(jié)構(gòu)和光波的波長(zhǎng)等有關(guān)。當(dāng)光入射

24、在二極管上時(shí),電流正比于響應(yīng)速度。,圖6.9 PN結(jié)光電二極管的工作原理,圖6.10 PIN光電二極管的工作原理,圖6.11 光電二極管典型連接電路,2） 雪崩光電二極管 雪崩光電二極管的原理是,為了降低放大器噪聲,采用雪崩增益這一機(jī)理,在放大之前,增大光電二極管的輸出電流。雪崩光電二極管的偏置電路如圖6.12所示。溫度變化時(shí),雪崩光電二極管的擊穿電壓隨之變化,因而為保持固定的雪崩增益,偏壓值必須在適當(dāng)范圍內(nèi)變化。雪崩光電二極管的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高,可接收微弱信號(hào)；缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍小,入射光變大時(shí),線性會(huì)被破環(huán)。,圖6.12 雪崩光電二極管的偏置電路,3） 肖特基光電二極管 肖特基光電二極管是在N型

25、基底上涂上一層金屬,加上其它工藝,做成光電二極管。它的特點(diǎn)是能傳播藍(lán)光和紫外光,在這個(gè)波段靈敏度很高。 4） 光電晶體管 光電晶體管是類(lèi)似雪崩二極管的另一種光電器件。它對(duì)PN結(jié)光電流有很好的放大作用。其連線和結(jié)構(gòu)如圖6.13所示。它的響應(yīng)特性與雪崩二極管一樣。其特點(diǎn)是具有內(nèi)部放大作用；缺點(diǎn)是當(dāng)弱光照射時(shí),基極電流很小,頻率響應(yīng)差（一般小于200 kHz）。,圖6.13 NPN型光電晶體管的連線與結(jié)構(gòu),6.3 功能型光纖傳感器舉例,6.3.1 相位調(diào)制型光纖傳感器 1. 相位調(diào)制的原理 當(dāng)一束波長(zhǎng)為的相干光在光纖中傳播時(shí),光波的相位角與光纖的長(zhǎng)度L、纖芯折射率n1和纖芯直徑d有關(guān)。光纖受到物理量

26、的作用時(shí),這三個(gè)參數(shù)就會(huì)發(fā)生不同程度的變化,從而引起光相移。一般說(shuō)來(lái),光纖長(zhǎng)度和折射率的變化引起光相位的變化要比纖心直徑引起光相位的變化大得多,因此纖芯直徑引起的光相位變化可以忽略。由普通物理學(xué)知道,在一段長(zhǎng)為L(zhǎng)的單模光纖（纖芯折射率為n1）中,波長(zhǎng)為的輸出光相對(duì)輸入端來(lái)說(shuō),其相角為,當(dāng)光纖受到物理量的作用時(shí),則相位角變化為 式中：光波相位角的變化量； L光纖長(zhǎng)度的變化量； n1光纖纖芯折射率的變化量； L光纖軸向應(yīng)變（ L =LL）。 ,(6.9),(6.10),于是,就可以應(yīng)用光的相位檢測(cè)技術(shù)測(cè)量出溫度、壓力、加速度、電流等物理量。 由于光的頻率很高（約為1014Hz），光電探測(cè)器不能跟蹤

27、以這樣高的頻率進(jìn)行變化的瞬時(shí)值,因此,光波的相位變化是不能夠直接被檢測(cè)到的。為此,應(yīng)用光學(xué)干涉測(cè)量技術(shù)將相位調(diào)制轉(zhuǎn)換成振幅（強(qiáng)度）調(diào)制。在光纖傳感器中常采用馬赫-澤德（Mach-Zehader）干涉儀等幾種不同的干涉測(cè)量?jī)x。它們有一個(gè)共同之處,即光源的輸出光都被分束器（棱鏡或低損耗光纖耦合器）分成光功率相等的兩束光（也有分成幾束光的）,并分別耦合到兩根或幾根光纖中去。在光纖的輸出端再將這些分離光束匯合起來(lái),輸?shù)揭粋€(gè)光電探測(cè)器。在干涉儀中,采用鎖相零差、合成外差等解調(diào)技術(shù),就可以檢測(cè)出相位調(diào)制信號(hào)。,2. 相位調(diào)制型光纖壓力和溫度傳感器 利用馬赫-澤德干涉儀測(cè)量壓力或溫度的相位調(diào)制型光纖傳感器組

28、成原理圖如圖6.14所示。He-Ne(氦-氖)激光器發(fā)出的一束相干光經(jīng)過(guò)擴(kuò)束以后,被分束器分成兩束光,分別耦合到傳感光纖和參考光纖中。傳感光纖被置于被測(cè)對(duì)象的環(huán)境中,感受壓力（或溫度）信號(hào)；參考光纖不感受被測(cè)物理量。這兩根單模光纖構(gòu)成干涉儀的兩個(gè)臂。這兩根光纖再通過(guò)光纖耦合器組合起來(lái),以便產(chǎn)生相互干涉,形成一系列明暗相間的干涉條紋。,圖6.14 用馬赫-澤德干涉儀測(cè)量壓力或溫度的 相位調(diào)制型光纖傳感器組成原理圖,當(dāng)傳感光纖感受到溫度變化時(shí),光纖的折射率會(huì)發(fā)生變化,而且因光纖的熱脹冷縮使其長(zhǎng)度發(fā)生改變。由式（6.10）知,光纖的長(zhǎng)度和折射率變化,將會(huì)引起傳播光的相位角變化。這樣,傳感光纖和參考光

29、纖的兩束輸出光的相位也發(fā)生了變化,從而使合成光強(qiáng)隨著相位的變化而變化（增強(qiáng)或減弱）。于是,通過(guò)光電探測(cè)器,就可以將合成光強(qiáng)的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)大小的變化。如圖6.15所示。由圖中可以看出,在初始情況（室溫26 ）,傳感光纖中的傳播光與參考光纖中的傳播光同相,輸出光電流最大。隨著T的上升,相位增加,光電流逐漸減小。T繼續(xù)上升,到26.03 ,相移增加弧度,光電流達(dá)到最小值。繼續(xù)上升到26.06，相移增加到2弧度,光電流又上升到最大值。,這樣,光的相位調(diào)制便轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的幅值調(diào)制。T上升了0.06,相位變化了2弧度,干涉條紋移動(dòng)了一根。如果在兩光纖的輸出端用光電元件來(lái)掃描干涉條紋的移動(dòng),并變換成

30、電信號(hào),再經(jīng)放大后輸入記錄儀,從記錄的移動(dòng)條紋數(shù)就可以檢測(cè)出溫度（或壓力）信號(hào)。,圖6.15 隨著溫度T的上升,光相位變化與輸出電流的關(guān)系,6.3.2 光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器 光纖微彎曲位移和壓力傳感器是光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器的一個(gè)典型例子。它是基于光纖微彎而產(chǎn)生的彎曲損耗原理制成的。微彎曲損耗的機(jī)理可用圖6.16中光纖微彎對(duì)傳播光的影響來(lái)說(shuō)明。假如光線在光纖的直線段以大于臨界角射入界面（1c）,則光線在界面上產(chǎn)生全反射。理想情況下,光將無(wú)衰減地在纖芯內(nèi)傳播。當(dāng)光線射入微彎曲段的界面上時(shí),入射角將小于臨界角（ 1c ）。這時(shí),一部分光在纖芯和包層的界面上反射；另一部分光則透射進(jìn)入包層,從而導(dǎo)致光能

31、的損耗。基于這一原理,人們研制成了光纖微彎曲傳感器（如圖6.17所示）。,圖6.16 光纖微彎對(duì)傳播光的影響,該傳感器由兩塊波形板（變形器）構(gòu)成,其中一塊是活動(dòng)板,另一塊是固定板。波形板一般采用尼龍、有機(jī)玻璃等非金屬材料制成。一根階躍型多模光纖（或漸變型多模光纖）從一對(duì)波形板之間通過(guò)。當(dāng)活動(dòng)板受到微擾（位移或壓力）作用時(shí),光纖就會(huì)發(fā)生周期性微彎曲,引起傳播光的散射損耗,使光在芯模中重新分配： 一部分光從芯模（傳播模）耦合到包層模（輻射模）；另一部分光反射回芯模。當(dāng)活動(dòng)板的位移或壓力增加時(shí),泄漏到包層的散射光隨之增大；相反,光纖芯模的輸出光強(qiáng)度就減小。參見(jiàn)圖6.18。于是光強(qiáng)就受到了調(diào)制。通過(guò)檢

32、測(cè)泄漏出包層的散射光強(qiáng)度或光纖芯透射光強(qiáng)度就能測(cè)出位移（或壓力）信號(hào)。,光纖微彎曲傳感器的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是光功率維持在光纖內(nèi)部,這樣就可以免除周?chē)h(huán)境污染的影響,適宜在惡劣環(huán)境中使用。另外,它還有靈敏度較高（能檢測(cè)小至100Pa的壓力變化）、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)范圍寬、線性度較好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。因此,光纖微彎曲傳感器是一種有發(fā)展前途的傳感器。 6.3.3 偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器 偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器的典型應(yīng)用例子之一是輸電線電流的測(cè)量。偏振態(tài)調(diào)制型光纖電流傳感器測(cè)試原理如圖6.19所示。 ,圖6.17 光纖微彎曲位移（壓力）傳感器原理圖,圖6.18 光纖芯透射光強(qiáng)度與外力的關(guān)系,圖6.19 偏振態(tài)

33、調(diào)制型光纖電流傳感器測(cè)試原理,根據(jù)法拉第旋光效應(yīng),由電流所形成的磁場(chǎng)會(huì)引起光纖中線偏振光的偏轉(zhuǎn)。檢測(cè)偏轉(zhuǎn)角的大小,就可得到相應(yīng)的電流值。如圖6.19中所示,從激光器發(fā)出的激光經(jīng)起偏器變成線偏振光,再經(jīng)顯微物鏡（10）聚焦耦合到單模光纖中。為了消除光纖中的包層模,可把光纖浸在折射率高于包層的油中,再將單模光纖以半徑R繞在高壓載流導(dǎo)線上。設(shè)通過(guò)其中的電流為I,由此產(chǎn)生的磁場(chǎng)H滿足安培環(huán)路定律。對(duì)于無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線,則有,由磁場(chǎng)H產(chǎn)生的法拉第旋光效應(yīng)引起光纖中線偏振光的偏轉(zhuǎn)角為 式中：V費(fèi)爾德常數(shù)（對(duì)于石英：V=3.710-4radA）； L受磁場(chǎng)作用的光纖長(zhǎng)度。 受磁場(chǎng)作用的光束由光纖出端經(jīng)顯微物鏡耦

34、合到偏振棱鏡,并分解成振動(dòng)方向相互垂直的兩束偏振光,分別進(jìn)入光探測(cè)器,再經(jīng)信號(hào)處理后輸出信號(hào)：,式中N為光纖繞在輸電線上的匝數(shù)。 由此可見(jiàn),只要系統(tǒng)的V和N一經(jīng)確定,就可通過(guò)輸出信號(hào)P的大小,獲得被測(cè)輸電線上的電流值。 對(duì)大多數(shù)光纖材料,費(fèi)爾德常數(shù)V隨著波長(zhǎng)的增長(zhǎng)而減小。另外,當(dāng)波長(zhǎng)較小(如為0.5 m)時(shí),材料的吸收系數(shù)又急劇增加。因此,為了獲得較高的信噪比,光源激光器應(yīng)在波長(zhǎng)為0.550.9 m范圍內(nèi)選擇。,6.4 非功能型光纖傳感器舉例,6.4.1 傳輸光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器 傳輸光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器,一般是在輸入光纖與輸出光纖之間放置有機(jī)械式或光學(xué)式的敏感元件,如6.2.1小節(jié)中圖6.8

35、(a)所示。敏感元件在物理量的作用之下,對(duì)傳輸?shù)墓鈴?qiáng)進(jìn)行調(diào)制,如吸收光的能量、遮斷光路、改變光纖之間的相對(duì)位置等。 現(xiàn)在我們來(lái)看一個(gè)通過(guò)吸收光的能量,對(duì)傳輸?shù)墓鈴?qiáng)進(jìn)行調(diào)制的半導(dǎo)體吸收式傳感器實(shí)例。圖6.20為其系統(tǒng)電原理圖。,圖6.20 半導(dǎo)體吸收式光纖傳感器測(cè)溫系統(tǒng)原理圖,由圖可以看出,整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。在圖示輸入光纖和輸出光纖兩端面間夾一片厚度約零點(diǎn)幾毫米的半導(dǎo)體光吸收片,并用不銹鋼管加以固定,使半導(dǎo)體與光纖成為一體。它的關(guān)鍵部件是半導(dǎo)體光吸收片。由半導(dǎo)體物理知道,半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg隨溫度T增加近似線性地減小,如圖6.21所示。因此,半導(dǎo)體的本征吸收限（或吸收邊）波長(zhǎng) , 式中c為光速,

36、h為普朗克常數(shù)）隨溫度增加而向長(zhǎng)波長(zhǎng)的方向位移。 由圖6.22可以看出,半導(dǎo)體引起的光吸收隨著吸收邊波長(zhǎng)g的變短而急劇增加（在T一定時(shí)）,也即透過(guò)率急劇下降,直至光幾乎不能穿透半導(dǎo)體。反之,隨著吸收邊波長(zhǎng)g的變長(zhǎng),半導(dǎo)體的透光率增大。由圖可以看到,在光源一定的情況下,通過(guò)半導(dǎo)體的透射光強(qiáng)隨溫度T的增加而減小。,圖6.21 半導(dǎo)體的禁帶寬度與溫度的關(guān)系,圖6.22 半導(dǎo)體的透射光強(qiáng)與溫度的關(guān)系,圖6.20所示系統(tǒng)應(yīng)用恒流源電路激勵(lì)光源。光源應(yīng)選擇其發(fā)光光譜的峰值對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)與半導(dǎo)體吸收邊波長(zhǎng)g一致的光源。測(cè)試系統(tǒng)組成時(shí),須將光纖的一端與光電接收點(diǎn)固化耦合,光纖的另一端與發(fā)光管固化耦合,這樣就構(gòu)成了一

37、個(gè)光纖耦合器。敏感材料的夾入可看成是在光纖耦合器的中部切斷的置入。系統(tǒng)組成并通過(guò)調(diào)試后,光源發(fā)出的穩(wěn)定光通過(guò)輸入光纖傳到半導(dǎo)體薄片,透射光強(qiáng)受到所測(cè)溫度的調(diào)制,并由輸出光纖接收,傳到光電探測(cè)器（雪崩光電二極管或PIN光電二極管）,轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出,從而達(dá)到測(cè)溫的目的。該系統(tǒng)的溫度測(cè)量范圍為-20300,精度約為3,響應(yīng)時(shí)間常數(shù)約2 s,能在強(qiáng)電場(chǎng)環(huán)境中工作。,6.4.2 反射光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器 下面分析一個(gè)依據(jù)反射光調(diào)制的光纖傳感器實(shí)例光纖動(dòng)態(tài)壓力傳感器。 圖6.23為光纖動(dòng)態(tài)壓力傳感器原理圖。整個(gè)系統(tǒng)由光源、壓力膜片、光敏二極管、Y形光纖束和放大器等組成。光的反射面是壓力敏感元件膜片,它是

38、用不銹鋼等材料制成的圓形平膜片,通過(guò)一定工藝制作在傳感頭端面上。膜片的內(nèi)表面進(jìn)行了拋光處理,以提高光反射率。如在內(nèi)表面再蒸鍍一層反射膜,反射效率會(huì)更高。Y形光纖束約由3000根直徑為50 m的階躍型多模光纖（NA=0.603）集束而成。它被分成纖維數(shù)目大致相等、長(zhǎng)度相同的兩束： 發(fā)送光纖束和接收光纖束。為了補(bǔ)償光源光功率的波動(dòng)以及光敏二極管的噪聲,系統(tǒng)增加了一根補(bǔ)償光纖束。,圖6.23 光纖動(dòng)態(tài)壓力傳感器原理圖,該系統(tǒng)是用于動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量的,因此,膜片感受到的壓力有壓力流場(chǎng)的平均壓力和脈動(dòng)壓力兩種。于是,當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí),光敏二極管接收的反射光光強(qiáng)也由兩部分組成： 恒定光強(qiáng)和隨壓力變化的光強(qiáng)。為此,

39、在膜片設(shè)計(jì)時(shí),既要考慮平均壓力的大小,又要考慮脈動(dòng)壓力的最大值。也就是說(shuō),當(dāng)膜片在動(dòng)態(tài)壓力作用下,應(yīng)保證膜片的最大位移不超過(guò)如圖6.24所示AB段工作范圍,故系統(tǒng)的偏置工作點(diǎn)選擇在AB段的中點(diǎn)M。,圖6.24 光纖動(dòng)態(tài)壓力傳感器的膜片反射光強(qiáng)與距離的關(guān)系曲線,由膜片的撓度理論知,周邊固定的圓形平膜片,其中心位移與壓力成正比。當(dāng)壓力增加（或減?。r(shí),膜片與光纖端面之間的距離將線性地減小（或增加）。這樣,光纖接收的反射光強(qiáng)度就將隨壓力變化而線性變化。此時(shí),隨壓力變化的光信號(hào)被光敏二極管接收,變成相應(yīng)的微弱光電流,經(jīng)放大、濾波后輸出與壓力成正比的電壓信號(hào)。 該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn)；頻率響

40、應(yīng)好,脈動(dòng)壓力的頻率在018 kHz的范圍內(nèi)變化,傳感器的靈敏度幾乎不變；輸出幅度大,放大后的輸出信號(hào)可達(dá)幾伏。缺點(diǎn)是精度不高,一般情況下,非線性、遲滯、重復(fù)性等誤差約1%2%。光纖動(dòng)態(tài)壓力傳感器雖不如高精度靜態(tài)壓力傳感器,但還是能滿足動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量的需要。,6.4.3 頻率調(diào)制型光纖傳感器 頻率調(diào)制并不以改變光纖的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制。在這種調(diào)制中,光纖往往只起著傳輸光信號(hào)的作用,而不作為敏感元件。頻率調(diào)制型光纖傳感器屬于非功能型光纖傳感器,目前主要是利用光學(xué)多普勒效應(yīng)實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制。其基本原理是利用光學(xué)多普勒效應(yīng),即由于觀察者和目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng),觀察者接收到的光波頻率要發(fā)生改變。 現(xiàn)在先讓我們從無(wú)線電

41、波發(fā)射與接收來(lái)解釋多普勒效應(yīng)。如果有一臺(tái)發(fā)射機(jī)和一臺(tái)接收機(jī)在工作,接收機(jī)收到的信號(hào)頻率等于發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號(hào)頻率。假若發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離在不斷發(fā)生變化,則發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號(hào)頻率與接收機(jī)收到的信號(hào)頻率就不同。這一現(xiàn)象稱(chēng)為多普勒效應(yīng)。它是由多普勒首先發(fā)現(xiàn)的。,當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)在同一地點(diǎn)時(shí),兩者無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng),而被測(cè)物體以速度v向發(fā)射機(jī)和接收機(jī)運(yùn)動(dòng),此時(shí),可以把被測(cè)物體對(duì)信號(hào)的反射現(xiàn)象看成是一個(gè)發(fā)射機(jī)。這樣,接收機(jī)和被測(cè)物體之間因有相對(duì)運(yùn)動(dòng),所以就產(chǎn)生了多普勒效應(yīng)。 現(xiàn)在從被測(cè)物體與檢測(cè)點(diǎn)接近的情況來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明多普勒效應(yīng)的產(chǎn)生過(guò)程。 發(fā)射機(jī)發(fā)射出的無(wú)線電波向被測(cè)物體輻射,被測(cè)物體以速度v向發(fā)射機(jī)運(yùn)動(dòng),

42、如圖6.25(a) 所示。當(dāng)把被測(cè)物體看作接收機(jī)時(shí),它接收到的信號(hào)頻率為,f1=f0+ 式中： f0發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)的頻率； v 被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)速度； 0發(fā)射信號(hào)的波長(zhǎng), 0 =cf0; c 電磁波的傳播速度。,圖6.25 多普勒效應(yīng)產(chǎn)生過(guò)程示意圖 (a) 發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào),被測(cè)物體接收并以速度v運(yùn)動(dòng)； （b） 被測(cè)物體反射信號(hào)如同新的發(fā)射機(jī)并以速度v運(yùn)動(dòng), 使與發(fā)射機(jī)同地點(diǎn)的接收機(jī)接收,若把f1看成新的發(fā)射機(jī)向與發(fā)射機(jī)同地點(diǎn)的接收機(jī)發(fā)射的信號(hào)（如圖6.25(b)所示）,則接收機(jī)接收到的信號(hào)頻率為 f2=f1+v1 =f0+v0+v1 由于被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于電磁波的傳播速度,則可認(rèn)為0=1,于是有 由多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的頻率之差稱(chēng)為多普勒頻率,即,上式說(shuō)明,被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)速度v可以用多普勒頻率來(lái)描述。 光學(xué)多普勒效應(yīng)可用圖6.26來(lái)加以說(shuō)明。圖中,S為光源,P為運(yùn)動(dòng)物體,Q是觀察者所處的位置。如果物體P的運(yùn)動(dòng)速度為v,P的運(yùn)動(dòng)方向與PS的夾角為1,P的運(yùn)動(dòng)方向與PQ的夾角為2,則從S射出的頻率為f1的光,經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)物體P散射,觀察者在