紅外通信特性試驗儀物理教學試驗中心

1、紅外物理特性及應用 紅外通信特性實驗波長范圍在0.751000微米的電磁波稱為紅外波，對紅外頻譜的研究歷來是基礎研究的重要組成部分。對熱輻射的深入研究導致普朗克量子理論的創(chuàng)立。對原子與分子的紅外光譜研究，幫助我們洞察它們的電子，振動，旋轉(zhuǎn)的能級結(jié)構(gòu)，并成為材料分析的重要工具。對紅外材料的性質(zhì)，如吸收、發(fā)射、反射率、折射率、電光系數(shù)等參數(shù)的研究，為它們在各個領(lǐng)域的應用研究奠定了基礎?，F(xiàn)代紅外技術(shù)的成熟已經(jīng)打開了一系列應用的大門。例如紅外通信，紅外污染監(jiān)測，紅外跟蹤，紅外報警，紅外治療，紅外控制，利用紅外成像原理的各種空間監(jiān)視傳感器，機載傳感器，房屋安全系統(tǒng)，夜視儀等。光纖通信早已成為固定通信網(wǎng)的

2、主要傳輸技術(shù)，目前正積極研究將光通信用于微波通信一直占據(jù)的寬帶無線通信領(lǐng)域。無論光纖通信還是無線光通信，用的都是紅外光。這是因為，光纖通信中，由石英材料構(gòu)成的光纖在0.81.7微米的波段范圍內(nèi)有幾個抵損耗區(qū)，而無線大氣通信中，考慮到大氣對光波的吸收，散射損耗及避開太陽光散射形成的背景輻射，一般在0.810.86，1.551.6微米兩個波段范圍內(nèi)選擇通信波長。因此，一般所稱的光通信實際就是紅外通信?！緦嶒炘怼?、紅外通信在現(xiàn)代通信技術(shù)中，為了避免信號互相干擾，提高通信質(zhì)量與通信容量，通常用信號對載波進行調(diào)制，用載波傳輸信號，在接收端再將需要的信號解調(diào)還原出來。不管用什么方式調(diào)制，調(diào)制后的載波要

3、占用一定的頻帶寬度，如音頻信號要占用幾千赫茲的帶寬，模擬電視信號要占用8兆赫茲的帶寬。載波的頻率間隔若小于信號帶寬，則不同信號間要互相干擾。能夠用作無線電通信的頻率資源非常有限，國際國內(nèi)都對通信頻率進行統(tǒng)一規(guī)劃和管理，仍難以滿足日益增長的信息需求。通信容量與所用載波頻率成正比，與波長成反比，目前微波波長能做到厘米量級，在開發(fā)應用毫米波和亞毫米波時遇到了困難。紅外波長比微波短得多，用紅外波作載波，其潛在的通信容量是微波通信無法比擬的，紅外通信就是用紅外波作載波的通信方式。紅外傳輸?shù)慕橘|(zhì)可以是光纖或空間，本實驗采用空間傳輸。2、紅外材料 光在光學介質(zhì)中傳播時，由于材料的吸收，散射，會使光波在傳播過

4、程中逐漸衰減，對于確定的介質(zhì)，光的衰減dI與材料的衰減系數(shù) ，光強I，傳播距離dx成正比： （1）對上式積分，可得： （2）上式中L為材料的厚度。材料的衰減系數(shù)是由材料本身的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)決定的，不同的波長衰減系數(shù)不同。普通的光學材料由于在紅外波段衰減較大，通常并不適用于紅外波段。常用的紅外光學材料包括：石英晶體及石英玻璃，它在0.144.5微米的波長范圍內(nèi)都有較高的透射率。半導體材料及它們的化合物如鍺，硅，金剛石，氮化硅，碳化硅，砷化鎵，磷化鎵。氟化物晶體如氟化鈣，氟化鎂。氧化物陶瓷如藍寶石單晶(Al2O3），尖晶石(MgAl2O4)，氮氧化鋁，氧化鎂，氧化釔，氧化鋯。還有硫化鋅，硒化鋅，以及一

5、些硫化物玻璃，鍺硫系玻璃等。光波在不同折射率的介質(zhì)表面會反射，入射角為零或入射角很小時反射率： （3）由（3）式可見，反射率取決于界面兩邊材料的折射率。由于色散，材料在不同波長的折射率不同。折射率與衰減系數(shù)是表征材料光學特性的最基本參數(shù)。由于材料通常有兩個界面，測量到的反射與透射光強是在兩界面間反射的多個光束的疊加效果，如圖1所示。反射光強與入射光強之比為： （4）（4）式的推導中，用到無窮級數(shù)1+x+x2+x3+ ··· = (1x)-1。透射光強與入射光強之比為： （5）原則上，測量出I0、IR、IT，聯(lián)立（4）、（5）兩式，可以求出R與（不一定是解析解）。下

6、面討論兩種特殊情況下求R與 。對于衰減可忽略不計的紅外光學材料， =0，e L =1，此時，由（4）式可解出： （6）對于衰減較大的非紅外光學材料，可以認為多次反射的光線經(jīng)材料衰減后光強度接近零，對圖1中的反射光線與透射光線都可只取第一項，此時： （7） （8）由于空氣的折射率為1，求出反射率后，可由（3）式解出材料的折射率： （9）很多紅外光學材料的折射率較大，在空氣與紅外材料的界面會產(chǎn)生嚴重的反射。例如硫化鋅的折射率為2.2，反射率為14，鍺的折射率為4，反射率為36。為了降低表面反射損失，通常在光學元件表面鍍上一層或多層增透膜來提高光學元件的透過率。3、發(fā)光二極管紅外通信的光源為半導體激

7、光器或發(fā)光二極管，本實驗采用發(fā)光二極管。發(fā)光二極管是由P型和N型半導體組成的二極管。P型半導體中有相當數(shù)量的空穴，幾乎沒有自由電子。N型半導體中有相當數(shù)量的自由電子，幾乎沒有空穴。當兩種半導體結(jié)合在一起形成P-N結(jié)時，N區(qū)的電子（帶負電）向P區(qū)擴散， P區(qū)的空穴（帶正電）向N區(qū)擴散，在P-N結(jié)附近形成空間電荷區(qū)與勢壘電場。勢壘電場會使載流子向擴散的反方向作漂移運動，最終擴散與漂移達到平衡，使流過P-N結(jié)的凈電流為零。在空間電荷區(qū)內(nèi)，P區(qū)的空穴被來自N區(qū)的電子復合，N區(qū)的電子被來自P區(qū)的空穴復合，使該區(qū)內(nèi)幾乎沒有能導電的載流子，又稱為結(jié)區(qū)或耗盡區(qū)。當加上與勢壘電場方向相反的正向偏壓時，結(jié)區(qū)變窄，

8、在外電場作用下，P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子就向?qū)Ψ綌U散運動，從而在PN結(jié)附近產(chǎn)生電子與空穴的復合，并以熱能或光能的形式釋放能量。采用適當?shù)牟牧希箯秃夏芰恳园l(fā)射光子的形式釋放，就構(gòu)成發(fā)光二極管。采用不同的材料及材料組分，可以控制發(fā)光二極管發(fā)射光譜的中心波長。圖3，圖4分別為發(fā)光二極管的伏安特性與輸出特性。從圖3可見，發(fā)光二極管的伏安特性與一般的二極管類似。從圖4可見，發(fā)光二極管輸出光功率與驅(qū)動電流近似呈線性關(guān)系。這是因為：驅(qū)動電流與注入PN結(jié)的電荷數(shù)成正比，在復合發(fā)光的量子效率一定的情況下，輸出光功率與注入電荷數(shù)成正比。發(fā)光二極管的發(fā)射強度隨發(fā)射方向而異。方向的特性如圖5，圖5的發(fā)射強度是以最大值

9、為基準，當方向角度為零度時，其發(fā)射強度定義為100。當方向角度增大時，其放射強度相對減少，發(fā)射強度如由光軸取其方向角度一半時，其值即為峰值的一半，此角度稱為方向半值角，此角度越小即代表元件之指向性越靈敏。一般使用紅外線發(fā)光二極管均附有透鏡，使其指向性更靈敏，而圖5（a）的曲線就是附有透鏡的情況，方向半值角大約在± 7°。另外每一種型號的紅外線發(fā)光二極管其幅射角度亦有所不同，圖5 (b)所示之曲線為另一種型號之元件，方向半值角大約在± 50°。（a）A型管（加裝透鏡） （b）B型管 圖5 兩種紅外發(fā)光二極管的角度特性曲線圖4、光電二極管紅外通信接收端由光電

10、二極管完成光電轉(zhuǎn)換。光電二極管是工作在無偏壓或反向偏置狀態(tài)下的PN結(jié)，反向偏壓電場方向與勢壘電場方向一致，使結(jié)區(qū)變寬，無光照時只有很小的暗電流。當PN結(jié)受光照射時，價電子吸收光能后掙脫價鍵的束縛成為自由電子，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生電子空穴對，在電場作用下，電子向N區(qū)運動，空穴向P區(qū)運動，形成光電流。紅外通信常用PIN型光電二極管作光電轉(zhuǎn)換。它與普通光電二極管的區(qū)別在于在P型和N型半導體之間夾有一層沒有滲入雜質(zhì)的本征半導體材料，稱為I型區(qū)。這樣的結(jié)構(gòu)使得結(jié)區(qū)更寬，結(jié)電容更小，可以提高光電二極管的光電轉(zhuǎn)換效率和響應速度。圖6是反向偏置電壓下光電二極管的伏安特性。無光照時的暗電流很小，它是由少數(shù)載流子的漂移形成

11、的。有光照時，在較低反向電壓下光電流隨反向電壓的增加有一定升高，這是因為反向偏壓增加使結(jié)區(qū)變寬，結(jié)電場增強，提高了光生載流子的收集效率。當反向偏壓進一步增加時，光生載流子的收集接近極限，光電流趨于飽和，此時，光電流僅取決于入射光功率。在適當?shù)姆聪蚱秒妷合?，入射光功率與飽和光電流之間呈較好的線性關(guān)系。圖7是光電轉(zhuǎn)換電路，光電二極管接在晶體管基極，集電極電流與基極電流之間有固定的放大關(guān)系，基極電流與入射光功率成正比，則流過R的電流與R兩端的電壓也與光功率成正比。5、光源的調(diào)制對光源的調(diào)制可以采用內(nèi)調(diào)制或外調(diào)制。內(nèi)調(diào)制用信號直接控制光源的電流，使光源的發(fā)光強度隨外加信號變化，內(nèi)調(diào)制易于實現(xiàn)，一般用

12、于中低速傳輸系統(tǒng)。外調(diào)制時光源輸出功率恒定，利用光通過介質(zhì)時的電光效應，聲光效應或磁光效應實現(xiàn)信號對光強的調(diào)制，一般用于高速傳輸系統(tǒng)。本實驗采用內(nèi)調(diào)制。圖8是簡單的調(diào)制電路。調(diào)制信號耦合到晶體管基極，晶體管作共發(fā)射極連接，流過發(fā)光二極管的集電極電流由基極電流控制，R1，R2提供直流偏置電流。圖9是調(diào)制原理圖，由圖9可見，由于光源的輸出光功率與驅(qū)動電流是線性關(guān)系，在適當?shù)闹绷髌孟拢S調(diào)制信號變化的電流變化由發(fā)光二極管轉(zhuǎn)換成了相應的光輸出功率變化。6、副載波調(diào)制由需要傳輸?shù)男盘栔苯訉庠催M行調(diào)制，稱為基帶調(diào)制。在某些應用場合，例如有線電視需要在同一根光纖上同時傳輸多路電視信號，此時可用N個基帶信號對頻率為f1，f2fN的N個副載波頻率進行調(diào)制，將已調(diào)制的N個副載波合成一個頻分復用信號，驅(qū)動發(fā)光二極管。在接收端，由光電二極管還原頻分復用信號，再由帶通濾波器分離出副載波，解調(diào)后得到需要的基帶信號。對副載波的調(diào)制可采用調(diào)幅，調(diào)頻等不同方法。調(diào)頻具有抗干擾能力強，信號失真小的優(yōu)點，本實驗采用調(diào)頻法。圖10是副載波調(diào)制傳輸框圖。如果載波的瞬時頻率偏移隨調(diào)制信號m(t)線性變化，即： （10）則稱為調(diào)頻，kf是調(diào)頻系數(shù)，代表頻率調(diào)制的靈敏度，單位為2赫茲/伏。調(diào)頻信號可寫成下列一般形式： （11）式中為載波的角頻率，為調(diào)頻信號的瞬時相位偏