信息功能材料与器件-国风云.ppt

信息功能材料与器件原理 光纤材料与光纤传感 材料学院信息材料系国凤云 一 光纤结构与传光特性 概述1966年高锟论证了石英玻璃光纤的传输损耗可降到20dB km 当时水平为1000dB km 甚至更小的可能性 1970年美国康宁公司拉制第一根损耗低于20dB km的单模石英光纤 这使人们确认光导纤维完全能胜任光通信的传输媒质 实现光纤通信 80年代初 光纤传输损耗在1 55 m时已降至0 2dB km 目前 10Gb s的系统已经商品化 而最高速率超过Tb s的光纤通信实验系统也已问世 世界铺设的光纤总长度已超过两亿公里 单根光纤通信容量已达上亿条话路 光纤除体积小 重量轻 损耗低 频带宽 信息容量大优点外 还具有如下独特优点 光纤传输过程没有电磁泄露 这不仅有利于保密 而且避免了线路的串扰 光纤传输过程不受外界电磁辐射的影响 可以在马达附近 核试验现场等恶劣环境使用 经特殊设计的光纤 其传输光束的振幅 相位 偏振状态 波长等物理量可受外界环境调制而变化 通过相干光检测可得到极高的检测灵敏度 因而 光纤已作为传感介质广泛用于工业自动控制 军用侦察等领域 1 光纤基本结构 一 光纤结构与传光特性 光纤是一种介质光波导 光波导是指将光波约束在其中并能定向传播的器件 通常其结构有多种形状 有圆柱形 平面形 矩形等 它们的共同特点是中央介质的折射率比周围介质高 利用光在两种介质界面上的全反射来约束光波 从而实现光在中央介质中的定向传输 光纤可视为圆柱形光波导 分两个同轴区 内层为折射率高的纤芯 外层为包层 两者之间有良好的光学接触界面 图 a 是光纤的横截面图 纤芯直径为2a 包层直径2b 一 光纤结构与传光特性 分类按纤芯折射率不同可分为阶跃折射率型光纤 SIF StepIndexFiber 简称阶跃光纤 和梯度折射率型光纤 GIF GradedIndexFiber 简称渐变光纤或梯度光纤 两种 图2 1表示这两种光纤的横截面折射率分布 图 b 表示阶跃光纤的横截面折射率分布 其中n1是纤芯折射率 分布均匀 其值略高一些 n2是包层的折射率 分布也是均匀的 其值略低一些 图 c 表示渐变光纤的横截面折射率分布 包层中折射率为n2 是均匀的 但在纤芯中折射率是半径r的函数n r 其分布由包层起逐渐增大 并在纤芯中心处达到最大值n1 按光纤传输特性不同又可分为单模光纤和多模光纤两大类 当光纤中只传输一种模式时 称单模光纤 单模光纤的纤芯直径极小 约在2a 2 12 m范围 纤芯 包层的折射率差也小 n1 n2 n1 0 0005 0 01 当光纤中传输的模式是多个时 则称多模光纤 多模光纤的纤芯直径较大 芯径约在2a 50 m 500 m范围 纤芯 包层的折射率差大 0 01 0 02 一 光纤结构与传光特性 子午光线的传播条件通过光纤中心轴的任何平面都称为子午面 位于子午面内的光线被称为子午线 条件 入射到纤芯和包层分界面上的入射角应满足全反射条件 全反射传输 即 c c为临界角 或 c 相应的入射端面上的入射角 c 即 一 光纤结构与传光特性 2 光纤的传光特性 2 1阶跃光纤中光线传输 图中n1 n2分别为纤芯和包层的折射率 n0为光纤周围媒质的折射率 子午光线的传播如图可将光纤分为若干阶梯状薄层 认为各薄层的折射率一定 可采用类似前述的均匀折射率 阶跃光纤 全反射方法分析 例如入射到纤芯中央折射率最高处的三束光线在各层界面上按折射定律产生折射 并依次进入折射率较低的薄层中 期间入射角逐渐减小 光线 入射角最大 大于临界角 c 经各界面折射后 进入包层中 形成辐射模 不能在光纤中传播 光线 入射角较 小 经数次折射后 可在某一界面满足全反射条件而被折回 趋向中心高折射率层 以至光线与轴向之间夹角变大 到达某一界面后再次被折回 重复上述过程 因此光束以传输模形式被限制在纤芯内传播 光线 的入射角比 更小 因此将在比 更靠近光纤中心轴的界面间重复地进行反射 并沿轴向传播 一 光纤结构与传光特性 2 2梯度光纤中光线传输 注意 一 光纤结构与传光特性 1 梯度折射率光纤中子午线的传播轨迹形状取决于纤芯折射率的径向分布 可以证明纤芯折射率取下式分布时光线传播轨迹呈正弦曲线 式中 n 0 为光纤轴上的折射率 n r 为离轴距离r处的折射率 光线与轴的夹角 为 2 不同入射角的光线沿轴向传播轨迹的周期不同 因而不能完全会聚于一点 如果要求其完全会聚于一点 则纤芯沿径向的折射率分布应为双曲正割分布 传输模式是指光纤中光波场 电磁场 的分布状态 横电模 图 b 所示 在横截面上有电场 E Er 分量 而在传输方向上没有电场分量 Ez 0 只有磁场分量 Hz 0 简称TEmn波 横磁模 图 c 所示 在横截面上有磁场 H Hr 分量 而在传输方向上没有磁场分量 Hz 0 只有电场分量 Ez 0 简称TMm波 混合模 光纤横截面上电场E Er或磁场H Hr都不为零 而且在纵轴方向上电场Ez和磁场Hz也可能都不为零 这时光纤中传输的模式就是TE与TM模式的混合 当纵轴方向的电场分量占优磁场很弱时 混合模记为EHmn 磁场分量占优电场很弱时记为HEmn 图所示的z轴表示光纤纵轴方向 即光波传播方向 x轴与y轴组成的平面表示光纤的横截面 r代表光纤的径向 代表圆周的方向 一 光纤结构与传光特性 2 3光纤传输的模式特性 单模光纤与多模光纤的判据 一 光纤结构与传光特性 定义 为光纤的归一化频率 式中 K是真空中的波数 a是纤芯半径 为光纤相对折射率差 n 0 光纤中心轴处的折射率 n a 光纤包层内壁处的折射率 由图知 0V1 2 405时 光纤中传输模是多个 这种光纤称多模光纤 光纤的损耗导致光信号的衰减 是光纤的一个重要指标 常用衰减常数A表示 一 光纤结构与传光特性 2 4光纤的传输损耗 定义 dB km 式中 L为光纤长度 光纤输入光功率Pin 输出光功率Pout 有多种原因可引起光纤损耗 就材料本身而言主要由材料的吸收损耗和散射损耗确定 损耗机理如下 吸收损耗指光传输过程中部分光能转化成热量造成的损失 包括 本征吸收指光纤的基质材料本身的吸收 它决定了材料损耗下限 红外区域本征吸收由组分原子振动产生 紫外区域吸收由电子跃迁产生 2 杂质吸收一些外来元素 如过渡金属正离子Cu Cr Fe Co 等 在可见和近红外区域 0 5 m 1 1 m波段 有很强的吸收损耗 除金属杂质外 OH 离子是另一个极重要的杂质 水 OH 吸收峰位于可见光及近红外 强烈吸收2 73 m的红外光 在高次谐波处 1 38 m和0 95 m 也依次出现吸收峰 散射损耗 一 光纤结构与传光特性 1 本征散射 瑞利散射 它是由光纤材料在固化时局部密度起伏引起折射率不均匀而产生的 瑞利散射损耗与光波波长的四次方成反比 当入射光波长接近或小于散射体的尺寸时 瑞利散射总存在 光纤材料的本征损失就是由瑞利散射损耗和本征吸收组成 它给出完全理想条件下材料损耗的下限 2 光波导散射由于光纤结构不均匀性 芯径起伏 界面粗糙及缺陷 引起传导模的辐射损耗 称波导散射损耗 如图所示 这种不均匀性主要是在光纤制造过程中产生的 色散现象 一 光纤结构与传光特性 2 5光纤的色散 如图 当光纤中输入一个光脉冲 传播一段距离后会产生 延迟畸变 脉冲展宽 现象称之为色散效应 延迟畸变 程度决定于光纤折射率分布 材料色散特性 模式分布及光源光谱宽度等 1 多模色散又称模式色散 只存在于多模光纤中 由于光纤中存在许多传输模式 各模式之间群速度不同 所以到达光纤出射端的时刻也不同 造成光脉冲展宽 从而产生色散 2 材料色散由于光纤材料的折射率随入射光频率不同而变化 即同一材料对不同光波长的折射率不一样 当非单色光通过光纤传输时 光脉冲要被展宽 3 波导色散光纤波导结构一定时 既使是同一传输模式 其传播常数随入射光波长不同而变化 由此产生色散 这是由于传输模的群速度对于光的频率 波长 不是常数 同时光源又有一定宽度 非单色光 的原因 此外 在单模光纤中还存在特有的偏振色散 这是由于单模光纤中实际上存在偏振方向相互正交的两个基模 当光纤中存在双折射时 这两个正交模式的群时延不同 由此产生色散现象 偏振色散也属于一种模式色散 一 光纤结构与传光特性 2 6光纤材料与制备 按用途不同 光纤可分两大类 通信光纤 常规光纤 和传感光纤 特种光纤 通信光纤材料 目前长距离通信用石英光纤其基质材料是二氧化硅 密度2 2g cm3 熔点17000C 折射率1 457 芯层中有极少量掺杂材料 如二氧化锗 用于提高折射率 包层材料一般是纯二氧化硅 其折射率比纤芯低百分之几 包层外面的涂覆层是高分子材料 如环氧树脂 硅橡胶等用于增强光纤的柔性和机械强度 含不同掺杂剂的石英的折射率 石英光纤的制备工艺 主要包括两个过程 即制棒和拉丝 光纤预制棒制备方法有化学气相沉积法 多组分玻璃熔融法 溶胶 凝胶 Sol gel 法 机械成型法等 一 光纤结构与传光特性 MCVD法制备光纤预制棒工艺简介 高温SiCl4 O2 SiO2 2Cl2 高温GeCl4 O2 GeO2 2Cl2 高温2CF2Cl2 SiCl4 2O2 SiF4 2Cl2 2CO2 将SiCl4 O2送入正在旋转着的高纯石英管内 同时用氢氧焰喷灯对它加热 管体温度达14000C至16000C 送入管内的气体便起反应 使SiO2一层一层地沉积在管的内壁上 然后再送入SiCl4 O2 GeCl4 则在其空心处附着SiO2 GeO2 它的折射率比SiO2高 便形成芯 而SiF4可以降低纤芯的折射率 一 光纤结构与传光特性 光纤拉丝工艺过程简介 如图 将预制棒放入20000C高温的石墨拉丝炉中加温软化 处于熔融状态 由牵引轮控制拉丝进度 使光纤拉细到要求尺寸 在炉下方有一台测径装置实时测量光纤直径 控制预制棒送给速度和牵引轮的拉丝速度 这样拉出的裸光纤十分脆弱 极易折断 因此 拉纤同时要进行涂覆 在裸光纤外表面涂上硅橡胶 聚乙烯之类保护层 工艺上称一次被塑 可以大大改善光纤的柔性 提高光纤机械强度 二 光纤传感原理与器件构造 光纤传感的基本原理就是光纤传感器的调制原理 也就是研究外界变化量 力 电 光 热 磁 化学 生物等 的作用如何使光纤中传输光的特性参数 光的振幅 相位 偏振态 波长 发生变化的规律 传感器的基本构造原理是将光源入射的光束经由光纤送入调制区 在调制区内 外界被测参数与进入调制区的光相互作用 使光的光学性质 如强度 波长 频率 相位 偏振态等 发生变化成为被调制的信号光 经光纤送入光敏器件 解调器而获得被测参数 传感过程中 光纤可起到导光器和光调制器的作用 光纤传感器按其传感原理分为两类 一是传光型光纤传感器 一是传感型光纤传感器 两类传感器构造基本相似 都由光源 入射光纤 调制器 出射光纤和光敏器件组成 前者光纤仅起导光作用 后者光纤兼具导光和光调制器功能 二 光纤传感原理与器件构造 实际上 研究光纤传感器原理就是定性或定量研究光在调制器内与外界被测物理量的相互作用 也就是光纤中的光束被外界物理量调制的原理 1 利用光弹效应实现光调制的原理 光纤材料本身是各向同性的介质 因而不同方向的电场分量所遇到的折射指数相同 设为n 当光纤受力时 引起了弹性形变 通过光弹效应该形变又引起折射指数的变化 使材料变为各向异性 从而呈现出双折射 应力双折射 在弹性形变体内取一微元体积 观察它的应力情况 设在x c y c z c的面上受到正应力 设相应的正应力为 1 2 3 定义拉力为正 压力为负 这里仅考虑正应力引起的线变形 导致线双折射情况 在弹性限度内 应变和应力的关系满足胡克定律 如单只存在x方向的应力 1 则在x方向的应变 1为 式中 E为材料的场氏弹性模量 它表明产生单位形变所需的力 1也使y z方向产生应变 设相应的应变为 2 3 则有 其中 是材料的泊松比 二 光纤传感原理与器件构造 如三个方向的应力 1 2 3同时存在 则三个方向的应变 1 2 3由三者共同决定 可写成下列矩阵形式 其中 由于形变将引起材料折射指数的变化 在受应力后 材料折射指数由n变为n n 一般引用一叫做抗渗介电常数的参量1 n2求出 1 n2 即可决定 n 由于 1 n2 与形变通过光弹效应联系 二 光纤传感原理与器件构造 对石英玻璃 P叫弹光系数 它也是一个二阶张量 1 n2 i的下标i表示坐标方向 当光波沿z 3 方向传播时 沿x 1 y 2 方向的线偏振模的折射指数变化为 因而其x y方向的折射指数差 n与双折射率 i为 二 光纤传感原理与器件构造 传感应用 1 利用光纤弯曲产生线双折射可构造光偏振调制器 可见 弯曲光纤相当于一线延迟器 适当选取曲率半径R和弯曲光纤的圈数可做成光纤型 4 波片 或 2 波片 这可以用来构成光纤型偏振控制器 图示弯曲光纤光纤外半径为A 曲率半径为R 其线双折射为 2 利用光纤侧向受力产生线双折射可构造光偏振调制器 图示光纤在y方向受侧向压力的情况 设单位长度所加压力为F 则应力双折射率为 A是光纤外径 用这种方法也可得到光纤型线延迟器 二 光纤传感原理与器件构造 2 利用电光效应实现光调制的原理 电光效应是指介质的光参数 折射指数n随外加电场强度E而变化 即n是E的函数 常采用介电抗渗系数 来表征 参数 与n E的关系分别为 常用晶体材料的泡克尔电光效应构成电光调制器 相应材料称泡克尔材料 如 铌酸锂晶体 晶体光纤 对泡克尔材料 E 可简化为 是未加外电场的介电抗渗系数值 n是未加外电场时的折射指数 第二项与外加电场成线性关系 这叫做泡克尔电光效应 相应的系数 称为线性电光系数 第三项与外电场E的平方成正比 这称为克尔电光效应 相应的系数 称为二次电光系数 二 光纤传感原理与器件构造 由 可求出相应的 n值 可见n E 也是外加电场的线性函数 当信号电场E改变时 介质的折射指数n随之线性变化 从而实现对光的调制 n与E的关系由材料的电光系数 决定 表明电光晶体材料本身的特性 由于电光晶体是各向异性材料 故又与外加电场的传播方向及偏振状态有关 其情况比较复杂 二 光纤传感原理与器件构造 传感应用 1 可构成相位调制器 图示一块电光晶体在横向或纵向通过电极加上调制电压v 便在晶体中产生电场强度E 由于泡克尔效应 在此电场的作用下晶体的折射系数发生变化 当光波通过此晶体时 经受的相位变化为