光器件及基本的光测量

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1、常见光纤传感器的原理及应用基本的光纤测量光纤光栅传感器234主要内容OTDR与分布式光纤传感器5信号的检测与处理6光功率的检测光纤损耗的检测光谱的检测光相位的检测光有源器件定义：需要外加能源驱动工作的光电子器件半导体光源(LD,LED,DFB,DBR,QW,VCSEL)半导体光探测器(PD,PIN,APD）光纤激光器（OFL:单波长、多波长）光放大器(SOA,EDFA)光波长转换器(XGM,XPM,FWM)光调制器光开关/路由器原子的激发和辐射E2E1N2N1h1.自发辐射原子处于激发态是不稳定的会自发跃迁到低能级同时放出一个光子这个过程叫自发辐射2.受激吸收E2E1N2N1h

2、●原子就可能吸收光子而从低能级跃迁到高能级这个过程叫受激吸收●原子就可能吸收光子而从低能级跃迁到高能级原子就可能吸收光子这个过程叫受激吸收而从低能级跃迁到高能级原子就可能吸收光子当入射光子的能量h等于E2E1时另有某个能量为E2的高能级若原子处在某个能量为E1的低能级若入射光子的能量h等于原子高、低能级的能量差E2E1且高能级上有原子存在时入射光子的电磁场就会诱发原子从高能级跃迁到低能级同时放出一个与入射光子完全相同的光子3.受激辐射全同光子:hE2E1N2N1●●频率相位振动方向传播方向相同受激辐射有光放大作用好激光器：1s10ms980nmE3E1E2148

3、0nm铒离子（Er3+）的能带结构和光放大原理光耦合器(合波器)光隔离器光滤波器光隔离器掺铒光纤(10–50m)泵浦光源光输出EDFA的组成部分:掺铒光纤,泵浦光源,光耦合器(合波器),光隔离器,光滤波器光输入EDFA的增益谱PN结耗尽区3)使激光具有极好的单色性（选频）激励能源全反射镜部分反射镜激光1.光学谐振腔的作用1.光学谐振腔的作用2)增强光放大作用（相当于延长了工作物质）1)使激光具有极好的方向性（沿轴线）1.光学谐振腔的作用半导体激光器的工作特性光-电流(L-I)特性和光谱特性I>Ith:阈值条件;Ith:阈值电流可靠性较高室温下连续工作时间长光功率－电流线性度好价格非

4、常便宜驱动电路较为简单输出功率小发射角大谱线宽响应速度低效率高体积小调制速率快单色性好响应速度高LEDLaser1.在一些简易的光纤传感器的设计中，如果LED能够胜任，选用它作为光源即可大大降低整个传感器的成本。2.在一些需要功率高、调制速率快、单色性好的光源的传感器设计中需要Laser。1、超辐射的概念超辐射光是有自发发射光子在增益介质中传播经历了受激放大过程而得到的。我们把放大了的自发发射称为超辐射。这是一种强激发状态下定向的辐射现象，当激发密度足够高时，自发发射的光子受激放大呈雪崩式倍增，发光强度随激发强度超线性地急剧增加，谱线宽度变窄，由初始的自发发射占主导地位很快地演变为

5、以受激发射为主要特征。理想的超辐射光是一种相位不一致的非相干光。光功率—电流特性LD、SLD、LED、ASE比较LD：1.利用受激辐射，因此功率非常高；2.经过F-P腔的筛选作用，因此输出光的频谱很窄，光源相干性好。SLD：1.利用受激辐射，输出功率很高；2.没有F-P腔的筛选作用（这是它跟激光器的最大不同），输出光的频谱较宽，在几十nm。LED：1.只利用自发辐射，输出功率很低；2.输出光频谱较宽，也在几十nm。ASE:1.只利用自发辐射，输出功率较高；2.输出光频谱较宽，也在几十nm。光探测器PN结光电效应1.本产品属静电敏感器件，请遵守静电敏感器件的防护措施。2.焊接管脚用的

6、电烙铁应正确接地，以防漏电击穿器件。光电检测器的特性指标光电检测器的工作特性1.响应度在一定波长的光照射下，光电检测器的平均输出电流与入射的平均光功率之比称为响应度(或响应率)。响应度可以表示如下：式中：Ip为光生电流的平均值(单位：A)；P为平均入射光功率值(单位：W)。响应度是器件在外部电路中呈现的宏观灵敏特性，而量子效率是器件在内部呈现的微观灵敏特性。量子效率定义为通过结区的载流子数与入射的光子数之比，常用符号η表示：2.量子效率式中：e是电子电荷，其值约为1.6×10-19G；ν为光频。h是普朗克常数，c是光在真空中的速度,λ是光电检测器的工作波长。代入相应数值后，可以得到

7、：从上式可以看出：在工作波长一定时，η与ρ具有定量的关系。例能量为1.53x10-19J的光子入射到光电二极管上，此二极管的响应度为0.65A/W，如果入射光功率为10uW，则产生的光电流为：例有一个InGaAs材料的光电二极管，在100ns的脉冲时段内共入射了波长为1300nm的光子6x106个，平均产生了5.4x106个电子空隙对，则其量子效率可以等于：几种不同材料的pin光电二极管响应度和量子效率与波长的关系曲线量子效率响应度光子能量一定时，量子效率与光功率无关