光纤及光纤传感器课件

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CO2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 光电话 贝尔光电话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 OpticalFiber 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4dB km 1973年 美国贝尔 Bell 实验室的光纤损耗降低到2 5dB km 1974年降低到1 1dB km 1976年 日本电报电话 NTT 公司将光纤损耗降低到0 47dB km 波长1 2 m 在以后的10年中 波长为1 55 m的光纤损耗 1979年是0 20dB km 1984年是0 157dB km 1986年是0 154dB 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 日本电报电话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年美国电报电话 AT T 公司和日本电报电话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34Mb s的突变型多模光纤通信系统 以及速率为100Mb 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 1966 1976年 这是从基础研究到商业应用的开发时期 第二阶段 1976 1986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 1986 1996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 1000001000010001001010 1 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 622MSDH 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 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1 5两种调制方案 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 154dB km 接近石英光纤损耗的理论极限 0 70 80 91 01 11 21 31 41 5 衰减 dB km 波长 m 普通单模光纤的衰减随波长变化示意图 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 结构参数 接收机灵敏度 定为BER 10 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 Opticfiber 光导纤维 纤芯 石英玻璃 直径 5 75 m 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 100 200 m 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 n1包层 n2 n1 n2 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 33n玻璃 1 5 1 9n金刚石 2 42 当光由光密物质出射至光疏物质时 发生折射 5 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n1略大于包层的折射率n2 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 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 外径一般为125um 一根头发平均100um 内径 单模9um多模50 62 5um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 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 I0 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 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 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6 16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100 Pa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1 Pa 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