《光纤传感技术》实验讲义(P28).pdf

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1、《光纤传感技术》实验讲义实验一LED发光二极管I—P特性曲线测试实验二光纤纤端光场径向分布的测试实验三光纤纤端光场轴向分布的测试实验四反射式光纤位移传感实验实验五微弯式光纤位移传感器实验六光纤传感器应用——转速与震动测试实验七光纤传感器应用——温度测量实验八光纤光栅应变传感实验实验九光纤光栅温度传感实验华侨大学信息科学与工程学院实验一LED发光二极管I—P特性曲线测试一实验目的1、了解发光二极管及PIN探测器的基本构造和原理；2、了解发光二极管的工作特性；3、熟练掌握发光二极管的I—P特性，掌握发光二极管I—P特性

2、曲线的测量方法；4、测量一组P、I值并绘出不同I—P特性曲线。二实验仪器光纤传感实验仪主机，发射、接收光纤。ULmVFOS-IIImAFiber-opticSensing00000000InstrumentDLµWUP光纤传感实验仪LEDPINAUTOPRORET哈尔滨智能光电科技有限公司DOWN图1光纤传感实验仪主机LED—光源输出插座；PIN—光探测器输入插座；AUTO—自动步进键；PRO—编程控制键；UP、DOWN—配合PRO设定输出电流上下限；SET—设置键；UL、DL、mA、mV、µV—仪器显示状态指示灯

3、。PIN黑色透射接受探头图3发射接收光纤组件三发光二极管及PIN探测器的基本构造和原理光源是光发射机的关键器件，其功能是把电信号转换为光信号。目前比较常用的光1源主要有半导体激光二极管和发光二极管。发光二极管简称LED(LightEmittingDiode)，它的输出光功率（P）随着驱动电流（I）的变化而变化。测量LED光源的I—P特性曲线具有非常重要的理论意义和工程应用意义。1、发光二极管的结构及发光机理发光二极管发射的是自发辐射光。发光二极管LED的结构大多是采用双异质结（DH）芯片，把有源层夹在P型和N型限制

4、层中间。发光二极管有两种类型：一类是正面发光型LED，另一类是侧面发光型LED，其结构示于图1.1。和正面发光型LED相比，侧面发光型LED驱动电流较大．输出光功率较小，但由于光束辐射角较小，与光纤的耦合率较高，因而入纤光功率比正面发光型大。图1.1在电场作用下，半导体材料发光是基于电子能级跃迁的原理。如图1.2所示，当发光二极管的PN结上加有正向电压时，外加电场将削弱内建电场，使空间电荷区变窄，载流子扩散运动加强。2由能带理论可知，当导带中的电子与价带中的空穴复合时，电子由高能级向低能级跃迁，同时电子将多余的能量

5、以光子的形式释放出来，产生电致发光现象。LED的发射光波长取决于导带的电子跃迁到价带时所释放的能量，这个能量取决于半导体材料的禁带宽度Eg(Eg=Ec-Ev），Ec为导带底附近的能槽，Ev为价带顶附近的能量。禁带宽度越大，发出光波的波长就越短，即其中c为光速，h为普朗克常数。发射光波长有一定的分布，光源发出的光谱有一定的宽度，这主要是因为导带和价带都是由许多连续能级组成的有一定宽度的能带，两个能带中不同能级之间电子的跃迁会产生连续波长的辐射光。实验仪采用的LED光源中心波长为850nm。2、PIN型光电二极管的结构

6、和工作原理光电二极管把光信号转换为电信号的功能，是由半导体PN结的光电效应实现的。光电二极管的基本结构是PN结。当外加反偏电压方向与PN结内电场方向一致时，用光照射PN结及其附近时就产生光生载流子，光生载流子在势垒区电场作用下漂移过结，参与导电。当入射光强变化时，光生载流子浓度及通过外电路的光电流随之变化，这种变化特性在入射光强很大的范围内保持线性关系，从而保证了光功率在很大范围内与电压有如下线性关系其中P为光功率，U为PN结两端电压，K为比例系数。3由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收，因而光电转

7、换效率低，响应速度慢。为改善器件的特性，在PN结中间设置一层掺杂浓度很低的本征半导体（称为I)，这种结构便是常用的PIN光电二极管。PIN光电二极管的工作原理和结构见图1.3。中间的I层是N型掺杂浓度很低的本征++半导体，用Ⅱ（N）表示；两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体，用P和N表示。I层很厚，吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量电子—空穴对，++因而大幅度提高了光电转换效率。两侧P层和N层很薄，吸收入射光的比例很小，I层几乎占据整个耗尽层，因而光生电流中漂移分量占支配地位，从而大大提高了

8、响应速度。另外，可通过控制耗尽层的宽度ω，来改变器件的响应速度。PIN光电二极管具有如下主要特性：（1）量子效率和光谱特性。光电转换效率用量子效率η或响应度ρ表示。量子效率η的定义为一次光生电子一空穴对和放射光子数的比值响应度的定义为一次光生电流Ip，和入射光功率P0的比值式中，hf为光子能量，e为电子电荷。量子效率和响应度取决于材料的特性和器件的结构。假设