第1章-光纤器件及原理.ppt

课程名称 光纤传感原理与应用技术主讲教师 王建彬 一 主要章节结构 二 课程主要内容梗概 课程简介 第1章光纤器件及原理1 光纤结构及光的传播原理光纤的基本结构由纤芯和包层构成 光纤纤芯由折射率略高于包层的光学材料构成 大约高1 左右 使光线在纤芯内形成全反射 即光由纤芯引导传播 为了形成一定的机械强度以达到保护光纤的目的 包层外附加若干层材料 光纤跳线的结构由内到外由6层构成 不同类型的光纤的纤心和包层的几何尺寸差别很大 下面是以通信光纤的尺寸为例 1 纤芯 9 m 2 包层 125 m 3 塑料涂层4 松套管 900 m 5 轻质纤维6 聚乙烯护套裸光纤的概念 光纤的材料常用光纤以二氧化硅SiO2为主 传播波长1550nm 损耗0 16dB Km 接近理论最低损耗 其他材料有晶体光纤 氟化物光纤 重金属光纤 聚合物光纤等 它们在不同波长下损耗不同 特殊环境光纤 如高温要求 SiO2可以耐高温 但塑料涂层材料耐高温性能差 光纤的类型多模光纤 纤芯比较粗 100 m 140 m 200 m 240 m 50 m 125 m 62 5 m 125 m 单模光纤 9 m 125 m 自聚焦光纤 折射率沿径向逐渐变小 使出射光逐渐变直 用于成像或准直 光纤的特性机械特性 描述抗拉强度 弯曲度等 光学特性 光衰减量 10lg P0 Pi dB 在光纤光学中 经常使用dBm度量光功率的大小 dBm的定义为 光功率 10lg P0 1mW dBm 大于1mW的功率为正值 小于1mW的功率为负值 10mW为10dBm 0 1mW为 10dBm 5光纤光栅 1976年 加拿大科学家Hill等人在研究光纤中的非线性效应时 首次在掺锗石英光纤中发现光敏特性 以及因光致折射率变化而产生的滤波效应 由此开启了光纤光栅这个全新的研究领域 光纤材料的光敏性 是指掺杂光纤被激光照射时 折射率随光强的空间分布发生相应的变化 变化大小与光强成线性关系并可永久保存下来 一般认为 光纤材料的光敏性源于掺杂引起的缺陷 由于杂质对材料原有分子结构的干扰 不可避免的形成缺陷中心 由此产生新的吸收带 比如在石英光纤中掺锗之后 将增加180nm 195nm 213nm 240nm 281nm 325nm 517nm等多个吸收带 其中240nm和195nm为强吸收带 通常 对光纤材料光敏性的研究主要集中在240nm和193nm两个紫外光波段上 也就是说 一般以这两个波段的紫外光来写入光纤光栅 普通石英光纤的光敏性较小 很难达到大的折射率调制 可以采用载氢等增敏技术 但是比较耗时 另一种方法是采用专门用于紫外写入光栅的高光敏性光纤 如硼掺杂的锗石英光纤 5 1光纤光栅的制作方法 横向干涉法用准分子光束干涉的方法 美国东哈特福德联合技术研究中心的Mehz等人首次制作了横向侧面曝光写入的光纤光栅 光源是准分子泵浦的染料激光器 其输出是经过倍频的 在紫外244nm谱区产生相干可调谐光 两束光经全反射后交于光纤上 产生干涉场 形成明暗相间的干涉条纹 光纤经过一定的时间 在纤心内部形成与干涉条纹同样分布的折射率分布变化 从而写入体光栅 相位掩模板法光纤光栅相位掩模法的实质是用相位掩模光栅以 B neff宽度的间距来调制紫外光束的空间相位 这里 B即是所希望的布拉格光纤光栅反射波长 neff是在 B波长处的有效折射率 相位掩模法原理 相位掩模板产生衍射 各级衍射光功率系数取决于掩模板的占空比d p和深度h 当占空比为50 并适当选择深度h 可使0级衍射光功率系数为0 而其他高级次衍射光功率所占比重也很小 主要是 1级衍射光相互干涉 从而写入光栅 优点是对光源相干性和光路稳定性要求低且光栅周期与光源波长无关 缺点是不够灵活 逐点写入法Hill采用了Lumonics系列Te 260 2型准分子激光器 通过一个狭缝挡板 将光束照射在光纤上 激光器的受激气体为KrF 激光波长为249nm 脉冲重复率是8ns 平均能量每个脉冲为240mJ 峰值功率为3omw 光束横截面为3cm 0 7cm 逐点写入法是利用聚焦激光束在光纤上移动曝光而写入光栅 可采用光纤固定光斑移动 或者光斑固定光纤移动方法 该方法要求驱动光斑或者光纤的微电机和机构具有高精度 而且由于很难将UV光斑聚焦到1um以下 一般只能用来写入长周期光纤光栅 其他光栅写入法 除以下介绍外 请参阅课本p9 11 振幅掩模 相位掩模写入取样分布光纤光栅 W L Bragg将晶体看成是一系列间距为d的离散的互相平行的平面 光纤Bragg光栅的概念 均匀光纤布拉格光栅结构 6光纤光栅传感器基础光栅的布拉格波长为 反射率 R透射率 T一部分光反射一部分光透射 反射光的心波长峰值为 因光纤光栅的栅距是沿光纤轴向分布的 因此在外界条件如温度 压力的作用下 光纤将产生轴向应变与折射率变化 栅距也随之变化 导致反射波长变化 光纤光栅中心波长的变化与温度 应变的关系 热膨胀系数 热光系数 弹光系数 7光纤光栅术语及性能指标 1 传感器波长 指反射谱中尖峰的中心波长 它与FBG的光栅距离有关 由于温度影响光栅距离 所以传感器波长与温度有关 2 传感器带宽 指反射尖峰的带宽 FBG的带宽越小 测量精度越高 从现在工艺看 合理的带宽为0 2nm 0 3nm 3 反射率 光纤反射率越高 返回测量系统的光功率越大 相应的测量传输距离越长 推荐反射率大于90 因为传输过程中会存在损耗 4 边摸抑制 如果反射两边有其他旁瓣 则检测仪器要有较高的判断能力 旁瓣小或没有 光滑 则对光栅制作要求很高 而对测量仪器要求较低 现在有一些技术可以抑制边摸 8光纤耦合器1 耦合器的概念和特性引入耦合器的概念P15 耦合器就是用来连接3个或者更多的连接点 将输入信号分成两路或者更多路输出 或将两路或者更多路输入信号合并成一路输出 光信号在每条支路中的分配比例可以相同也可以不同 使用过程需考虑以下因素 输入输出端的数量 信号的衰减与分束 光传输的方向 波长选择 光纤类型 即单模或多模 偏振敏感与偏振损耗 1 2 1 8 10 16 光敏感 方向性 双向性P15 分光比依赖于传输波长 波长每变化1nm 分光比变化0 2 允许带宽20nm 分光比变化小于4 波长平坦型耦合器 宽带化是一个重要发展方向 2 耦合器的类型与制作技术T形和Y形耦合器 一端输入 两端输出 P17 树形耦合器 一个输入端 3个或3个以上的输出端 星形耦合器 具有多个输入端与多个输出端 它们在数量上通常也是相等的 1 腐蚀型光纤耦合器P17 2 刨磨型光纤耦合器P17 3 熔融型光纤耦合器熔锥型光纤耦合器因制作方法简单 价格便宜 容易与外部光纤连接成为一整体 而且可以耐受机械振动和温度变化等优点 目前成为市场的主流制造技术 熔融拉锥法就是将两根 或两根以上 除去涂覆层的光纤以一定的方法靠扰 在高温加热下熔融 同时向两侧拉伸 最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构 通过控制光纤扭转的角度和拉伸的长度 可得到不同的分光比例 光耦合 最后把拉锥区用固化胶固化在石英基片上插入不锈钢管内 这就是光分路器 对于更多路数的分路器生产可以用多个二分路器组成 熔融拉锥法其中最重要的生产设备是融熔机 也是生产光分路器的重要步骤 虽然重要步骤部分可由机器代工 但烧结之后 仍须人工作检测封装 因此人工成本约占10 15 左右 再者采用人工检测封装须保证品质的一致性 这也是量产时所必须克服的 但技术困难度不若DWDMmodule及光主动元件高 因此初期想进入光纤产业的厂商 大部分会从光耦合器切入 毛利则在20 30 这种生产工艺因固化胶的热膨胀系数与石英基片 不锈钢管的不一致 在环境温度变化时热胀冷缩的程度就不一致 此种情况容易导致光分路器损坏 尤其把光分路放在野外的情况更甚 这也是光分路容易损坏得最主要原因 尽管刨磨型光纤耦合器有很多优点 但它的制作过程很费时间 熔融拉锥FBT法就是将两根 或者以上 去除涂覆层的光纤一定的方式靠拢 在高温加热下熔融 同时向两端拉伸 最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构 实现传输光功率耦合的一种方式 对于单模光纤 传导模是两个正交的基模信号 荡起进入熔锥区时 随着纤心不断变细 光纤截止频率逐渐减小 越来越多的光功率渗入光纤包层中 耦合区 构成了光纤包层为芯 空气为新包层的复合波导 光信号在其中传播 在输出端 纤芯逐渐变粗 光纤截止频率重新增大 光功率被两根光纤以特定的比例捕获 实现功率分配 9光纤隔离器及环形器 隔离器是一种非互易器件 其主要作用是只允许光波往一个方向上传输 阻止光波往其它方向特别是反方向传输 隔离器主要用在激光器或光放大器的后面 以避免反射光返回到该器件致使器件性能变坏 插入损耗和隔离度是隔离器的两个主要参数 对正向入射光的插入损耗值越小越好 对反向反射光的隔离度的值越大越好 目前插入损耗的典型值约为1dB 值越小越好 隔离度的典型值的大致范围为40 50dB 值越大越好 光纤隔离器工作原理 假设入射光是垂直偏振光 起偏振器的透振方向是在垂直方向 故入射光顺利通过它射向法拉第旋转器 法拉第旋转器由旋光材料制成 能使光的偏振态旋转一定角度 如45 并且其旋转方向与光传播方向无关 法拉第旋转器后的检偏振器透振方向若在45 方向上 则经过法拉第旋转器旋转45 后的光能通过检偏振器 即光沿正方向 从左到右 通过这些器件是没有损耗的 但沿反方向 从右到左 传送的反射光 其偏振态也在45 当反射光经过法拉第旋转器再旋转45 后 偏振态达到90 变为水平偏振光 则无法通过起偏振器 隔离器的工作原理 光纤环形器光学环行器是一种多端口输入输出的非互易性器件 三端口 四端口结构原理 单向传输 与光隔离器工作原理基本相同作用 按规定的端口顺序传输在三端口环行器中 端口1输入的光信号在端口2输出 端口2输入的光信号在端口3输出 端口3输入光信号在端口1输出 三端 四端环形器示意图 10光开关1 微机电光开关按照在光传输中的作用 分为3大类 1 将光纤通道中的光信号切断或开通 2 将光信号由一条光纤通道转换到另一条光纤通道中去 3 将光纤通道中的光信号由一种波长转换成另一种波长 1 微机电光开关 2 电光开关定向耦合性电光开关 公式的推导 P21 在同一个基片上配置多个此种类型的耦合元件 就可组成一个开光阵列 M Z干涉仪电光开关 3 LiNbO3波导构成马赫 曾德尔1X1光开关P23 热光开关 介质折射率随温度变化的公式 以及引起的相位变化 4 M Z干涉仪型热光开关5 Y和X数字型热光开关6 气泡开关 安捷伦公司结合热喷墨打印和硅平面光波导两种技术 开发出的二维光交叉连接系统 又称为 光子交换平台 由许多交叉的硅波导和经过交叉点的沟道组成 沟道中填充特定的折射率匹配液 缺省条件下 入射光可沿着波导无交换传输 当需要交换时 一个热敏硅片会在液体中波导交叉点处产生一个气泡 气泡将入射波导中的光信号全反射至输出波导 实现光路的选择 转换 7 液晶开关液晶是一种介于固态和液态之间的物质 它具有光学各向异性晶体所特有的双折射性 液晶分子有较强的电偶极矩 在外电场作用下易于极化 其分子间的作用力比固体弱 容易呈现各种状态 而且多数在介电常数 折射率 磁化等方面显示出较大的各向异性 因此 通过微小的外部能量 电 磁 热等就能实现分子状态间的转变 从而引起它的电 光 磁的物理性质发生变化 液晶材料用于光开关 利用了它的光学特性随电场改变的特性 称液晶的电光效应 液晶开关是根据用外电场控制液晶分子的取向 对偏振进行控制而实现开关功能的 8 磁效应光开关P279 声光开关 11波分复用器所谓波分复用 是将光纤的各个传输波段 按照一定的间隔 如 1 6nm 20GHz 0 8nm 100GHz 0 4nm 50GHz 等 分隔成很多较小的频带 每个频带对应一定的波长这就叫波分 然后把每个频带的中心频率作为载波 用它来承载各个不同码速的光通路 在一根光纤中同时传输多个波长的光通路 这就叫复用 接收端根据各载波频率的不同 利用带通滤波器滤除每一个信道的信号 由于在光频域上信号频率差别比较大 人们更喜欢用波长来定义频率上的差别 因而这样的复用方法就称为波分复用 WDM 1 光栅型波分复用器P29角色散作用的介绍 2 介质薄膜滤波器型波分复用器重点介绍一下是由于多层介质薄膜沉淀叠加带来的光学效应 看 b 图 3 熔锥型波分复用器熔锥型波分复用器是以光纤为基础的器件 将两根 或两根以上 的光纤绞合一小段 采用如图16 a 所示的加热熔拉技术 通过熔拉使光纤形成双锥形锥体 当两根光纤的一小段纤芯相互靠近 仅几微米 并使纤芯直径大幅度减小时 则能实现双光纤耦合 其结构如图16 b 所示 图16熔锥光纤型光复用器 a 加热熔拉 b 熔锥型光复用器的结构 集成光波导型波分复用器 集成光波导型波分复用器是以光集成技术为基础的平面波导型器件 具有一切平面波导技术的潜在优点 诸如适于批量生产 重复性好 尺寸小 可以在光掩膜过程中实现复杂的光路 与光纤的对准容易等等 因而代表了一种先进的波分复用技术 目