光纤及光纤传感器　课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,1,光纤通信发展的历史和现状,1.1.1,探索时期的光通信,1.1.2,现代光纤通信,1.1.3,国内外光纤通信发展的现状,1,2,光纤通信的优点和应用,1.2.1,光通信与电通信,1.2.2,光纤通信的优点,1.2.3,光纤通信的应用,1 3,光纤通信系统的基本组成,1.3.1,发射和接收,1.3.2,基本光纤传输系统,1.3.3,数字通信系统和模拟通信系统,返回主目录,光纤通讯简介,1.1,光纤通信发展的历史和现状,1.1.1,探索时期的光通信,在这个时期，美国麻省理工学院利用,He - Ne,激光器和,CO,2,激光器进行了,大气激光通信试验,。,由于没有找到,稳定可靠和低损耗的传输介质,， 对光通信的研究曾一度走入了低潮。,1960,年，美国人梅曼,(Maiman),发明了第一台红宝石激光器， 给光通信带来了新的希望。,激光器的发明和应用， 使沉睡了,80,年的光通信进入一个崭新的阶段,。, 1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音的“光 ”。贝尔光 是现代光通信的雏型。,原始形式的光通信,:,中国古代用,“,烽火台,”,报警，欧洲人用旗语传送信息。,1.1.2,现代光纤通信,1966,年，,英籍华裔学者,高锟,(C.K.Kao),和霍克哈姆,(C.A.Hockham),发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤,(Optical Fiber),进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信,光纤通信,的基础。,指明通过,“原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤”,这一发展方向,光纤通信发明家,高锟,(,左,),1998,年在英国接受,IEE,授予的奖章, 1970年，光纤研制取得了重大突破, 1970年，美国康宁(Corning)公司研制成功损耗20dB/km的石英光纤。把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。, 1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/km。, 1973 年，美国贝尔(Bell)实验室的光纤损耗降低到。1974 年降低到。, 1976 年，日本电报 (NTT)公司将光纤损耗降低到0.47 dB/km(波长1.2m)。, 在以后的 10 年中，波长为1.55 m的光纤损耗：,1979 年是0.20 dB/km，1984年是0.157 dB/km，1986 年是0.154 dB/km， 接近了光纤最低损耗的理论极限。,1970 年，光纤通信用光源取得了实质性的进展, 1970年，美国贝尔实验室、日本电气公司(NEC)和前苏联先后，研制成功室温下连续振荡的镓铝砷(GaAlAs)双异质结半导体激光器(短波长)。虽然寿命只有几个小时，但它为半导体激光器的发展奠定了基础。, 1973 年，半导体激光器寿命达到7000小时。, 1976年，日本电报 公司研制成功发射波长为1.3 m的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器。, 1977 年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时。, 1979年美国电报 (AT&T)公司和日本电报 公司研制成功发射波长为1.55 m的连续振荡半导体激光器。 ,由于光纤和半导体激光器的技术进步，使,1970,年成为光纤通信发展的一个重要里程碑,实用,光纤通信系统,的发展,1976,年，美国在亚特兰大,(Atlanta),进行了,世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验,。,1980,年，美国标准化,FT - 3,光纤通信系统投入商业应用。,1976,年和,1978,年，日本先后进行了速率为,34 Mb/s,的突变型多模光纤通信系统， 以及速率为,100 Mb/s,的渐变型多模光纤通信系统的试验。,1983,年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。,随后，由美、日、 英、法发起的第一条横跨大西洋,TAT-8,海底光缆通信系统于,1988,年建成。,第一条横跨太平洋,TPC-3/HAW-4,海底光缆通信系统于,1989,年建成。从此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展开，促进了全球通信网的发展。,光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段,：,第一阶段,(19661976,年,),，这是从基础研究到商业应用的开发时期。,第二阶段,(19761986,年,),，这是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。,第三阶段,(19861996,年,),，这是以超大容量超长距离为目标、全面深入开展新技术研究的时期。,1.1.3,国内外光纤通信发展的现状,1976,年美国在亚特兰大进行的现场试验，标志着光纤通信从基础研究发展到了商业应用的新阶段,。,此后，光纤通信技术不断创新：光纤从,多模发展到单模,，工作波长从,0.85 m,发展到,1.31 m,和,1.55 m(,短波长向长波长,），,传输速率,从几十,Mb/s,发展到几十,Gb/s,。,随着技术的进步和大规模产业的形成，,光纤价格不断下降,，应用范围不断扩大。,目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统将成为未来国家信息基础设施的支柱。,在许多发达国家，生产光纤通信产品的行业已在国民经济中占重要地位,。,光纤通信整体发展时间表,1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992,100000,10000,1000,100,10,1,0.8m,多模,1.3m,单模,1.55m,直接检测,光孤子,光放大器,1.55m,相干检测,系统性能,(Gb/s,Km,）,1.2,光纤通信的优点和应用,1.2.1,光通信与电通信,通信系统的,传输容量,取决于对载波调制的,频带宽度,，,载波频率越高，频带宽度越宽,。,光通信的主要特点,载波频率高；频带宽度宽,（,图,1.1,）,光通信利用的传输媒质,-,光纤，可以在宽波长范围内获得很小的损耗。,（,图,1.2,）,图,1.1,部分电磁波频谱,图,1.2,各种传输线路的损耗特性,1.2.2,光纤通信的,优点,容许频带很宽，传输容量很大,损耗很小， 中继距离很长且误码率很小,重量轻、 体积小,抗电磁干扰性能好,泄漏小， 保密性能好,节约金属材料， 有利于资源合理使用,世界上三大著名的光纤光缆公司,美国的西电公司、康宁公司和日本的住友公司，光导纤维产量每年都在,12,万千米以上。,1.2.3,光纤通信的,应用,光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤在通信网、广播电视网与计算机网，以及在其它数据传输系统中， 都得到了广泛应用。光纤宽带干线传送网和接入网发展迅速， 是当前研究开发应用的主要目标。,光纤通信的各种应用可概括如下：,通信网,构成因特网的计算机局域网和广域网,有线电视网的干线和分配网,综合业务光纤接入网,市级城市的一二级电信主干，银行，部队，邮局，铁路等的电信局域网,ATM,Internet,骨干网,DDN/ FR,PSTN/ISDN,TV,业务分配节点,(COT),业务接入节点（,RT,）,网管,SNMP,与电信网管中心相连,Q3,100/1000M,E1/BRA/PRA,155M,622M SDH,典型应用之一：宽带综合业务光纤接入系统,拓扑结构,典型应用之二：作为校园网的骨干传输网,1.3,光纤通信系统的基本组成,下图示出单向传输的光纤通信系统，包括,发射,、,接收,和作为广义信道的基本,光纤传输系统,。,基本光纤传输系统的三个组成部分,1,、光发送机,组成框图：,光 源,调制器,通道耦合器,电信号输入,光输出,驱动电路,结构参数：,发送功率，,dbm,概念,光源光谱特性,：,输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定， 器件寿命长,电信号对光的调制的实现方式,直接调制,用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的。,这种方案技术简单，成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。,外调制,把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。,外调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用。 ,图 两种调制方案,(a),直接调制；,(b),间接调制,(,外调制,),2.,光纤线路,功能：,是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变,(,失真,),和衰减传输到光接收机,组成,:,光纤,、,光纤接头,和,光纤连接器,低损耗 “窗口”：,普通石英光纤在近红外波段，除杂质吸收峰外，其损耗随波长的增加而减小，在,0.85 m,、,1.31 m,和,1.55 m,有三个损耗很小的波长“窗口”，见后图。,光源,激光器的发射波长,和,光检测器,光电二极管的波长响应,，都要和光纤这三个波长,窗口,相一致。,目前在实验室条件下，,1.55 m,的损耗已达到,0.154 dB/km,， 接近石英光纤损耗的理论极限。,衰减（,dB/km,）,第一窗口,第二窗口,波长,（,m,）,普通单模光纤的衰减随波长变化示意图,6 5 4 3 2 1,0,。,4,0,。,2,第三窗口,C,波段,15251565nm,1.57 1.62,L,波段,3,、光接收机,功能：,是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号,组成部分：,耦合器，光电检测器，解调器,组成框图：,电子电路,光输入,耦合器,光电检测器,解调器,电信号输出,结构参数：,接收机灵敏度,，定为,BER10,-9,条件下，所要,求的最小平无接收功率。,检测方式：,直接检测,和,外差检测,1.3.3,数字通信系统和模拟通信系统,数字通信系统,用参数取值离散的信号,(,如脉冲的有和无、电 平的高和低等,),代表信息，强调的是信号和信息之间的一一对应关系；,模拟通信系统,则用参数取值连续的信号代表信息，强调的是变换过程中信号和信息之间的线性关系。,这种基本特征决定着两种通信方式的优缺点和不同时期的发展趋势。,数字通信系统的,优点,如下：, 抗干扰能力强，传输质量好。, 可以用再生中继，传输距离长。, 适用各种业务的传输，灵活性大。, 容易实现高强度的保密通信。, 数字通信系统大量采用数字电路，易于集成，从而实现小型化、微型化，增强设备可靠性，有利于降低成本,。,模拟通信系统的,优点,占用带宽较窄外，电路简单易于实现、价格便宜等。,第六章 其它现代检测方法,一、光纤传感技术,涂敷层,-,材料：硅酮或丙烯酸盐,-,隔离杂光。,1.,光纤的基本结构,主体,-,纤芯与包层,对称柱体光学纤维,光纤（,Optic fiber,）,-,光导纤维,纤芯,-,石英玻璃；直径：,575m,；材料：二氧化硅（主体），掺杂其他微量元素,-,提高折射率,纤芯、包层、涂敷层、护套,-,多层介质结构,包层,-,直径：,100200m,；材料：二氧化硅（主体）,-,折射率略低于纤芯。,护套,-,材料,:,尼龙,/,其他有机材料,-,提高机械强度，保护光纤,特殊场合：没有涂敷层和护套,-,裸纤,光纤测量技术,- 20,世纪,70,年代中期,特点,-,灵敏度高、响应速度快、结构简单、体积小、质量轻、易弯曲、,耐腐蚀、抗电磁干扰及抗辐射性能好、便于远距离遥测,光通信技术,光纤测量技术,-,以光波为载体，光纤为媒质来感知和传输外界被测信号,-,全反射,2.,光线的传播,折射率：纤芯,-,n,1,包层,-,n,2,n,1,n,2,3.,光纤测量,位移、压力、温度、,电流等,4.,光纤传感器的应,用,金门大桥是美国最著名的桥梁，主桥,1,966,米，主跨,1,280,米，建成于,1937,年，保持了,27,年是世界最大跨径的桥梁的记录。,70,岁,南京长江二桥是我国目前跨径最大的斜拉桥。由南、北汊大桥和南岸、八卦洲及北岸引线组成。其中，南汊大桥为钢箱梁斜拉桥，桥长,2938,米，其中主跨,628,米，该跨径目前居同类桥型中国内第一，世界第三 。,1999,年,1,月,4,日，重庆市綦江县连接老城和新城的虹桥像往常一样迎接节后第一天忙碌返家的人流，也默默地迎接着自己出生以来的两年零,222,天。它当然不知道，这是它的最后一天。,2001,年,11,月,6,日晨,4,时,30,分左右，宜宾南门大桥突然,发生悬索及桥面部分断裂事故，造成两死两伤。,光学传感器,1989,年美国布朗大学的门德斯等人首先提出了将光纤传感器用于钢筋混凝土结构和建筑检测的可能性。随后加拿大的,Rotest,公司研制出了白光法布里,珀罗光纤传感器，该公司将这种传感器用于桥梁结构中的的应力、应变、结构振动、结构损伤程度、裂缝的发生与发展等内部状态的检测。,1,2,3,4,n水1.33 n玻璃1.51.9 n金刚石。,当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射,5,介质,2,（折射率,n,2,）,介质,1,（折射率,n,1,）,入射光,折射光,反射光,光的折射和反射,:,折射角大于入射角,8.2,光 纤 传 感 器,一、 概述,光纤传感器是,20,世纪,70,年代中期发展起来的一门新技术,它是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的。 ,光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列优点，,光导纤维,(,光纤,),光纤传感器具有如下优点,:,(1),与其他传感器相比,它具有很高的灵敏度。,(2),频带宽动态范围大。,(3),结构简单,可挠曲,体积小,重量轻耗能少。,(4),如不受电磁干扰,灵敏度高,耐腐蚀,电绝缘、 防爆性好。,(5),便于与计算机和光纤传输系统相连,易于实现系统的遥测和控制。,(6),可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等各种恶劣环境。,它能用于温度、 压力、应变、位移、速度、加速度、磁、电、声和,PH,值等各种物理量的测量,具有极为广泛的应用前景,。 ,二、 光纤的结构和传输原理,1, 光纤的结构,光导纤维简称为光纤,目前基本上还是采用石英玻璃,其结构示于图,8 - 27,。 中心的圆柱体叫纤芯,围绕着纤芯的圆形外层叫做包层。纤芯和包层主要由不同掺杂的石英玻璃制成。纤芯的折射率,n,1,略大于包层的折射率,n,2,在包层外面还常有一层保护套,多为尼龙材料。光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质,而光纤的机械强度由保护套维持。,纤芯,包层,保护套,光纤的结构,纤芯,core,：折射率较高，用来传送光；,包层,coating,：折射率较低，与纤芯一起形成全反射条件；,保护套,jacket,：强度大，能承受较大冲击，保护光纤。,2, 光纤的传输原理,众所周知,光在空间是直线传播的。 在光纤中,光的传输限制在光纤中,并随光纤能传送到很远的距离,光纤的传输是基于光的全内反射。 ,设有一段圆柱形光纤,如图,8 - 28,所示,它的两个端面均为光滑的平面。 当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成,角时,根据折射定律,在光纤内折射成,然后以 角入射至纤芯与包层的界面。若要在界面上发生全反射,则纤芯与界面的光线入射角 应大于临界角,c,即,式（）, ,结论：只要入射光的入射角满足式（）光纤内部反复逐次发生全内反射,直至传播到另一端面。,实际工作时需要光纤弯曲,但只要满足全反射条件,光线仍继续前进。可见这里的光线“转弯”实际上是由光的全反射所形成的。 ,说明光纤集光本领的术语叫数值孔径,NA,即,数值孔径反映纤芯接收光量的多少。,表明：无论光源发射功率有多大，只要入射角处于,光锥脚内，光纤才能导光如入射角过大，光线便从包层逸出产生漏光,越大，表明集光能力越强,这有利于耦合效率的提高,但数值孔径过大,会造成光信号畸变,所以要适当选择数值孔径的数值。,输入,输入,输出,输出,低数值孔径,NA,高数值孔径,NA,NA,NA,外径一般为,125,um(,一根头发平均,100,um),内径：单模,9um,多模,单模 一种光纤类型，光以单一路径通过这种光纤。以激光器为光源。 多模 一种光纤类型，光以多重路径通过这种光纤。以发光二极管或激光器为光源。,125,9,50,125,62.5,125,光纤的尺寸,传播损耗,损耗原因：,光纤纤芯材料的吸收、散射，光纤弯曲处的辐射损耗等的影响,传播损耗（单位为,dB,）,式中, I,光纤长度；,a,单位长度的衰减；,I,0,光导纤维输入端光强；,I,光导纤维输出端光强。,光纤的分类,按材料分类：,玻璃光纤：纤芯与包层都是玻璃，损耗小，传输距离长，成本高；,胶套硅光纤：纤芯是玻璃，包层为塑料，特性同玻璃光纤差不多，成本较低；,塑料光纤：纤芯与包层都是塑料，损耗大，传输距离很短，价格很低。多用于家电、音响，以及短距的图像传输。,光纤传感器可以分为两大类,:,一类是功能型（传感型）传感器,;,另一类是非功能型（传光型）传感器。功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件,被测量对光纤内传输的光进行调制,使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化,再通过对被调制过的信号进行解调,从而得出被测信号。,三、 光纤传感器,光源,光敏元件,被测对象,测得信息,光导纤维,功能型传感器,非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化,光纤仅作为信息的传输介质。,光源,光敏元件,被测对象,测得信息,光导纤维,敏感元件,传光型传感器,1:,光强调制型光纤传感器,光纤微弯曲位移和压力传感器是光强调制型光纤传感器的一个典型例子。它是基于光纤微弯而产生的弯曲损耗原理制成的。微弯曲损耗的机理可用图中光纤微弯对传播光的影响来说明。假如光线在光纤的直线段以大于临界角射入界面（,c,）,则光线在界面上产生全反射。理想情况下,光将无衰减地在纤芯内传播。当光线射入微弯曲段的界面上时,入射角将小于临界角（,c,）。这时,一部分光在纤芯和包层的界面上反射；另一部分光则透射进入包层,从而导致光能的损耗。基于这一原理,人们研制成了光纤微弯曲传感器（如图,8-29,所示）。,图,8-29,光纤微弯对传播光的影响,该传感器由两块波形板（变形器）构成,其中一块是活动板,另一块是固定板。波形板一般采用尼龙、有机玻璃等非金属材料制成。一根阶跃型多模光纤（或渐变型多模光纤）从一对波形板之间通过。当活动板受到微扰（位移或压力）作用时,光纤就会发生周期性微弯曲,引起传播光的散射损耗,使光在芯模中重新分配： 一部分光从芯模（传播模）耦合到包层模（辐射模）；另一部分光反射回芯模。当活动板的位移或压力增加时,泄漏到包层的散射光随之增大；相反,光纤芯模的输出光强度就减小。参见图,8-30,。于是光强就受到了调制。通过检测泄漏出包层的散射光强度或光纤芯透射光强度就能测出位移（或压力）信号。,图,8-30,光纤微弯曲位移（压力）传感器原理图,图,8-31,光纤芯透射光强度与外力的关系,光纤微弯曲传感器的一个突出优点是光功率维持在光纤内部,这样就可以免除周围环境污染的影响,适宜在恶劣环境中使用。另外,它还有灵敏度较高（能检测小至,100Pa,的压力变化）、结构简单、动态范围宽、线性度较好、性能稳定等优点。因此,光纤微弯曲传感器是一种有发展前途的传感器。,微弯式光纤压力传感,基于光纤的,微弯效应,，即由压力引起变形器产生位移，使光纤弯曲而调制光强度。,1,聚碳酸酯薄膜,2,可动变形板,3,固定变形板,4,、,5,光纤,微弯式光纤水听器探头最小,1Pa, 光纤温度传感器,光纤温度传感器是目前仅次于加速度、压力传感器而广泛使用的光纤传感器。根据工作原理可分为相位调制型、 光强调制型和偏振光型等。这里仅介绍一种光强调制型的半导体光吸收型光纤温度传感器,图,8 - 30,为这种传感器的结构原理图,它的敏感元件是一个半导体光吸收器,光纤用来传输信号。传感器是由半导体光吸收器、光纤、发射光源和包括光控制器在内的信号处理系统等组成。它体积小、灵敏度高、 工作可靠,广泛应用于高压电力装置中的温度测量等特殊场合。,这个性质反映在半导体,(,如,砷化镓,),的透光性上则表现为：当温度升高时，其透射率曲线将向长波方向移动。若采用发射光谱与半导体的,g,（,t,）相匹配的发光二极管作为光源，则透射光强度将随着温度的升高而减小，即通过检测透射光的强度或透射率，即可检测温度变化,。,相对发光强度,透射率,LED,发光光谱,半导体透射率,T,1,T,2,T,3,T,3,T,1,T,2,波长,半导体透射测量原理,这种传感器的基本原理是利用了多数半导体的能带随温度的升高而减小的特性,材料的吸收光波长将随温度增加而向长波方向移动,如果适当地选定一种波长在该材料工作范围内的光源,那么就可以使透射过半导体材料的光强随温度而变化,从而达到测量温度的目的。 ,这种光纤温度传感器结构简单、制造容易、成本低、便于推广应用,可在,-10300,的温度范围内进行测量,响应时间约为,2 s,。 , 光纤反射式位移传感器,A,B,C,D,Z,O,U,反射式光纤位移传感器原理图,采用弹性元件的光纤压力传感器,膜片反射式光纤压力传感器示意图,膜片的中心挠度,y,若利用,Y,形光纤束位移特性的线性区，则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系。,1 Y,形光纤,2,壳体,3,膜片,与所加的压力,P,呈线性关系,光纤图像传感器是靠光纤传像束实现图像传施的。传像束由玻璃光纤按阵列排列而成。一根传像束一般由数万到几十万条直径为,10,一,20um,的光纤组成，每条光纤传送一个像素信息。用传像束可以对图像进行传递、分解、合成和修正。传像束式的光纤图像传感器在医疗、工业、军事部门有着广泛的应用。,有较好的灵敏度、线性度和动态范围。,电气绝缘性能好，不受电磁干扰，可安全传输信号，可以在强电磁干扰下完成测量任务。,适用于强腐蚀性等恶劣环境中安全工作。,光纤传感器重量轻、体积小、柔软性好、结构简单，几何形状适应性好，可在狭窄的空间中使用。,频带宽，有利于实现超高速测量。,利用现有光通信技术，易于实现远距离测量,。,光纤传感器的特点,