《光纤传感与通信》

光纤传感与通信 龚元E mail ofsgon Tel 61830278电子科技大学通信与信息工程学院光纤传感与通信教育部重点实验室 2020 4 19 2 教学目的 通过本课程的学习 使大家掌握光纤的结构与特性 基础理论分析方法 相关器件的基本原理以及在光纤传感和光纤通信中的应用 培养一定的科学研究素养 学会如何提出问题 分析问题和解决问题 2020 4 19 3 教学方法与考核 模式 课堂讲授 课后习题 必须 课后阅读 参观实验室 可选 考核 开卷考试70 平时成绩30 包括出勤 随堂练习 课后习题 2020 4 19 4 教材 饶云江 主编 2006 光纤技术 科学出版社2009年8月最新印刷 少量修订 2020 4 19 5 本课程的结构与重点 光纤材料 结构光纤传输理论 光纤无源器件光纤有源器件 光纤传感光纤通信 光纤拉制方法 2020 4 19 6 参考书目 2020 4 19 7 参考书目 UnderstandingFiberOptics JeffHecht FifthEdition PearsonEducation Inc 2006 FiberOpticTechnology A R Jha SciTechPublishing 2007 2020 4 19 8 参考书目 2020 4 19 9 参考书目 第1章绪论 2020 4 19 11 本章内容提要 1 1历史回顾1 2光纤技术基础1 3光纤与通信网络1 4光纤与传感技术1 5光纤技术的发展1 6本章小结思考与练习 2020 4 19 12 1 1历史回顾 古代通信 烽火台的狼烟 海上通信 手旗 2020 4 19 13 1 1历史回顾 对通信的迫切需求推动了光纤的出现 2020 4 19 14 1 1历史回顾 通信频段 无线电 微波 光 2020 4 19 15 1 1历史回顾 寻找光的传输通道的过程 1870年 英国物理学家JoanTyndall验证了光可以在一个弯曲的水流中传播1929 1930年 美国的哈纳尔 Hanael 和德国的拉姆 Lamm 先后拉制出石英光纤并用于光线和图象的短距离传输 1 光纤的出现 2020 4 19 16 1 1历史回顾 1953年 在伦敦皇家科学技术学院工作的NarinderKapany开发出了用不同光学玻璃作芯和包层的光导纤维 这也就诞生了今天所使用的光纤的结构 光纤 这个名词就是Kapany给出的 但是 由于材料和制作工艺原因 光纤的损耗达1000dB km 仍不能商用到光通信中1966年 华裔科学家高锟 CharlesKao 博士在英国发表了一篇论文 用于光频率的绝缘纤维表面波导管 指出 光纤材料固有损耗很小 由瑞利散射决定 大损耗是由其杂质 过渡金属离子 产生的 若把金属离子含量降低到10 6以下 损耗可降到10dB km以下 若再改进热处理提高均匀性 损耗可降到几个dB km 高锟的工作是光纤通信领域的一个真正突破 具有里程碑意义 他明确了要解决的技术问题及其方法 2 光纤之父 高锟博士 2020 4 19 17 1 1历史回顾 清楚问题后就是制作 1970年 康宁公司 Corning 的RoberMaurer DonaldKeck和PeterSchultz根据高锟博士的思想 采用化学气相沉积 CVD 工艺第一个制出衰减少于20dB km的光纤 比同轴电缆5 10dB km的损耗略大 但已为可接受的损耗 是世界上公认的第一根通信用光导纤维 光纤的损耗已由1000dB km下降到0 16dB km 致使光纤通信在世界范围内形成了一个充满活力的新兴产业 2 实用化的光纤制作 2020 4 19 18 1 2光纤技术基础 1 光纤结构 涂覆层直径一般250 m 包层直径一般125 m 纤芯直径根据光纤类型而不同 一般通信用单模光纤直径为8 m 10 m 多模光纤直径为62 5 m或50 m b 不同用途的光纤尺寸 1 通信光纤芯径小 包层厚 其标准包层直径是125 m 塑料护套的直径约250 m 便于操作和保护光纤内部的玻璃表面 防止刮痕或其他机械损伤 2 传像光纤束 内窥镜用 中单根光纤的直径小到几微米 包层薄 3 传能量 照明 光纤的芯大 可到几毫米 包层薄 4 特殊用途光纤可有多层结构 光纤激光器用双包层光纤 2020 4 19 19 2 光纤材料 多数光纤的基材是纯石英 加入少量掺杂物 锗 氟 硼等 以改变纤芯或包层的折射率 一般 通信用最纯的光纤材料是纯二氧化硅 Si02 医用传像光纤和照明光纤则使用低纯度玻璃制造 还有光纤是用塑料制造的 没有玻璃透明 但灵活易用 少数光纤用塑料作包层 石英作芯 一般 塑料是用于保护的外涂覆层 专用光纤也可用其他材料 例如 氟化物用于红外 在远红外 氟化物比石英更透明 1 2光纤技术基础 2020 4 19 20 3 光纤特性 在机械特性方面 光纤坚硬而又弯曲灵活 相对强度大 细光纤比粗光纤更易弯曲 通信光纤可与人的头发粗细相比 比同样长度的人的胡须要硬得多 光纤弯曲后能恢复到原来笔直的形状 电线不能 但光纤的塑性差 受外力时不能一直延伸 外力过大时会折断 注意 虽然光纤坚硬且弯曲灵活 强度大 但如果光纤表面有裂纹 光纤就易损伤 脆 塑料涂层的作用就是防止光纤表面受到损伤 光纤的光学性质取决于它们的结构和成分 最明显的是损耗或衰减 色散 偏振等 第3 4章介绍 1 2光纤技术基础 2020 4 19 21 1 3光纤与通信网络 什么是通信 Communication 通 传送 信 信息 信息的传送基本组成 发送 传输 接收什么是光通信 Opticalcommunication用光波载运信息 实现通信什么是光纤通信 Opticalfibercommunication以光波载运信息 用光纤作传输媒体 实现通信 2020 4 19 22 1 3光纤与通信网络 光纤通信系统基本构成 2020 4 19 23 1 3光纤与通信网络 标志性事件 1880年 A G Bell首次利用太阳光进行通信 通信距离仅213米 这是Bell在他所有的发明中最得意的一个 Photophone 奠定了今天光通信的基础 1960年 激光出现以后 Bell的自由空间光信息传输 获得了新的生命力 现在 自由空间光通信已实现了全天候 数公里的通信 20世纪70年代 利用石英玻璃纤维做波导 将载有信息的光子限制在光纤内 实现了大容量 长距离的信息传输 1977年在美国芝加哥城的两电话局间开通了世界上第一条商用光纤通信系统 2020 4 19 24 1 3光纤与通信网络 光纤损耗与中继放大 八十年代末到九十年代初 掺铒光纤放大器 EDFAs 获应用 2020 4 19 25 光纤通信的发展历程 1 开发了损耗低 色散量小的1 31mm波长 材料色散与波导色散几乎抵消 为0色散波长 该波长处的损耗约0 5dB km左右 2 在半导体激光器方面 研究成功InGaAsP InP材料的长波长器件 同1 31mm窗口相配合 使1 31mm成为长途干线光纤通信的主角 3 近几年来 在1 55mm波长处的研究很活跃 i 损耗更低 0 2dB km 但色散大 可改变结构实现色散位移 达到损耗和色散均低的效果 ii 1 55mm处的半导体激光器和探测器也极为成功 iii 光纤放大器 如EDFA 发展成熟 1 3光纤与通信网络 2020 4 19 26 2 至1980年代初 世界各地的光纤通信线路已上千条 3 1988年 开通了第一条跨越大西洋海底 连结美国东海岸同欧洲大陆的光缆 4 1989年4月 从美国西海岸经夏威夷及关岛 连结日本及菲律宾的跨太平洋海底光缆又开通 最近又有第三条跨大西洋海底光缆要投入使用 5 我国 光纤通信起步不晚 因各种因素 经济实力 技术条件 政策 到1980年代中才在推广应用及基础方面得到发展 到2001年底 铺设光缆总长达149 5万公里 其中长途干线光缆33 5万多公里 本地中继网光缆线路75 5万多公里 接入网光缆线路37万多公里到2002年3月 我国 八横八纵 格状国家光通信骨干网基本建成 近两年来 我国铺设光缆已转向城域网等局部性网络 随着光通信的发展 我国数据传输速度和质量将进一步得到提高 2020 4 19 27 光通信网有 1 全球海底网络 性能要求高的网络第一条国际海底光纤 连接英格兰和比利时 1986年铺设 第一条跨大西洋海底光缆 TAT 8 1988年铺设 由AT T 英国电信 法国电信等共同进行 长度5600km 载8万个语音信道 单模光纤 波长1300nm 光电光 再生中继器1个 50km 并用能传输1 6A电流的单独导线为中继器供电 缺点 1996年连接美国和欧洲的TAT 12和TAT 13用波分复用 Wavelength divisionMultiplexing 技术提高运载能力 为30万个信道 1 3光纤与通信网络 2020 4 19 28 全球海底光纤系统 2020 4 19 29 2 陆地网络陆地网络比海底网络的性能要求低 典型例是泛欧光纤网络 使用波分复用技术 覆盖整个欧洲 已成功将16 10Gbps的信号传输500km 16是波长数 10Gbps是单波长信道能力 现在 信息传输容量已达到数Tbps 如2001年达到1Tbps 2003年1 5 2Tb s 距离8000km 9000km 至2010年可达10Tb s 当然需要相应性能的器件和光纤传输系统 3 卫星系统与光纤网络卫星通信可连接地球上的任何点 其不足是 传输能力不如光纤 光纤达50Tbps 卫星信号延迟大 信号从地面到卫星 再从卫星回地面 距离远大于光纤传输 受大气条件影响大 光纤受影响小 光纤网络和卫星系统结合 可取长补短 2020 4 19 30 我国主干光纤网 2020 4 19 31 4 光纤到户 FTTH 目前FTTH 还有FTTC FTTD 的优势 一是无源网络 不供电 二是高带宽 长距离 三是承载业务的种类多 四是支持的协议灵活 目前 世界数据业务中 带宽成为了瓶颈 而FTTH能解决该问题 1 3光纤与通信网络 2020 4 19 32 4 光纤到户 FTTH 进展2004 4 武汉电信与烽火公司联合开通 光纤到户 数字家庭 试点 家庭数字化进程加快 2005 8 美国开始大范围部署光纤到户 2014年全球FTTH用户规模有望达到1 144亿温州电信开通 光纤到户 3年将完成7成用户端改造新加坡2009年9月起启动全国FTTH网络建设国内光纤到户的建设成本也已经低于铜缆 现在分摊到每户的线路成本已经低于1000元 在武汉试点的费用则是按包月收费150元 1 3光纤与通信网络 2020 4 19 33 FTTH概念 光纤到户 FTTH 2020 4 19 34 5 局域网 LocalAreaNetwork 局域网 LocalAreaNetwork 简称LAN 是指在某一区域内由多台计算机互联成的计算机组 某一区域 指的是同一办公室 同一建筑物 同一公司和同一学校等 一般是方圆几千米以内 局域网可以实现文件管理 应用软件共享 打印机共享 电子邮件和传真通信服务等功能 局域网是封闭型的 可以由办公室内的两台计算机组成 也可以由一个公司内的上千台计算机组成 1 3光纤与通信网络 2020 4 19 35 5 局域网 LocalAreaNetwork LAN的传输能力一般需要100Mbps以上 而由于LAN大部分用铜线相连 限制了传输速率 解决方案 换成光纤 但安装费用仍然较高 不过 光纤器件 如光纤 塑料纤维 连接器 光电和接口设备等的价格正在不断下降 使光纤与铜线竞争LAN市场时有优势 广域网 WideAreaNetwork 简称WAN 是一种跨越大的 地域性的计算机网络的集合 通常跨越省 市 甚至一个国家 广域网包括大大小小不同的子网 子网可以是局域网 也可以是小型的广域网 1 3光纤与通信网络 2020 4 19 36 1 4光纤与传感技术 光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的 以光波为载体 光纤为媒质 感知和传输外界被测量信号的新型传感技术 所谓感知 或敏感 是指外界信号按照其变化规律使光纤中传输的光波的物理特征参量 如强度 功率 波长 频率 相位和偏振态等发生变化 测量光参量的变化即 感知 外界信号的变化 这种 感知 实质上是外界信号对光纤中传播的光波实时调制 所谓传输 是指光纤将受到外界信号调制的光波传输到光探测器进行检测 将外界信号从光波中提取出来并按需要进行数据处理 也就是解调 因此 光纤传感技术包括调制与解调两方面的技术 即外界信号 被测量 如何调制光纤中的光波参量的调制技术 或加载技术 及如何从被调制的光波中提取外界信号 被测量 的解调技术 或检测技术 2020 4 19 37 1 4光纤与传感技术 1 光强调制型光纤传感器光强调制是光纤传感技术中相对比较简单 用得最广泛的一种调制方法 其基本原理是利用外界信号 被测量 的扰动改变光纤中光 宽谱光或特定波长的光 的强度 即调制 再通过测量输出光强的变化 解调 实现对外界信号的测量 2 光相位调制型光纤传感器光相位调制 是指外界信号 被测量 按照一定的规律使光纤中传播的光波相位发生响应的变化 光相位的变化量即反映被测外界量 2020 4 19 38 1 4光纤与传感技术 3 光偏振调制型光纤传感器偏振调制 是指外界信号 被测量 通过一定的方式使光纤中光波的偏振面发生规律性偏转 旋光 或产生双折射 从而导致光的偏振特性变化 通过检测光偏振态的变化即可测出外界被测量 4 光波长调制型光纤传感器外界信号 被测量 通过选频 滤波等方式改变光纤中传输光的波长 测量波长变化即可检测到被测量 这类调制方式称为光波长调制 5 光频率调制型光纤传感器光频率调制 是指外界信号 被测量 对光纤中传输的光波频率进行调制 频率偏移即反映被测量 目前使用较多的调制方法为多普勒法 即外界信号通过多普勒效应对接收光纤中的光波频率实施调制 是一种非功能型调制 2020 4 19 39 1 4光纤与传感技术 由于现有的任何一种光探测器都只能响应光的强度 而不能直接响应光的频率 波长 相位 和偏振调制信号都要通过某种转换技术转换成强度信号 才能为光探测器接收 实现检测 2020 4 19 40 1 4光纤与传感技术 光纤传感技术经过二十多年的发展 已形成了一个巨大的传感器家族 光纤传感器有很多优点 抗电磁干扰 电绝缘 耐腐蚀 本质安全 灵敏度高 重量轻 体积小 可弯曲 测量对象广泛 双刃剑 有窜扰 对被测介质影响小 有利于在医药卫生等具有复杂环境的领域中应用 便于复用 便于成网 可埋入结构体内 成本低 器件平均成本低 但系统成本较高 2020 4 19 41 1 光纤光栅传感器 光纤光栅分为布拉格光纤光栅和长周期光纤光栅两类布拉格光纤光栅是一种折变周期小于1 m的反射式短周期光栅 其反射谱具有线宽小 中心波长设计容易等优点长周期光纤光栅是一种周期为数十微米到毫米量级的透射式光纤光栅 其透射谱的带宽一般较大 其中心波长或幅度容易受到外界环境的影响 其原理在第七章介绍 注意 长 短周期光纤光栅仅周期不同 但其性能差异大 2020 4 19 42 FBG传感器的复用 2020 4 19 43 Accelerometer Strainsensor Temperaturesensor Hydrophoneunit FluidLevelMeter PressureforOilDrilling 光纤光栅传感器 2020 4 19 44 2 光纤法珀传感器 光纤法珀传感器 Fabry PerotSensor 是目前成熟 应用广泛的一种光纤传感器 结构 在光纤内制造出两个反射面 形成一个腔长为L的微腔 传感原理 1 当相干光沿光纤入射到微腔时 在微腔的两端面反射后沿原路返回 并产生干涉 其干涉信号与微腔的长度相关 2 当外界量 力 变形 位移 温度 电压 电流 磁场 作用于微腔时 其腔长L发生变化 导致其干涉信号变化 据此可从干涉信号的变化导出微腔的长度 得到外界参量的变化 实现传感 其原理在第七章介绍 2020 4 19 45 2020 4 19 46 2 光纤法珀传感器 2020 4 19 47 3 光纤白光干涉传感器 基于光纤干涉的传感技术是最精确的物理量检测方法之一 该类系统常用单模 或窄带 高相干激光设备 1 精确 用激光波长作标准量 2 其单值动态范围很小 3 系统重新启动时难识别出干涉级数 适于相对测量 4 系统对温度 湿度 压力等环境要求高 结构复杂 成本高 2020 4 19 48 用低相干光源的白光干涉能解决一些难题 可绝对测量 且动态范围大 分辨率 精度 高 白光干涉测量 使用低相干 宽谱光源 如半导体激光器SLD或发光二极管LED 光程差的改变影响干涉条纹 跟踪干涉条纹的变化以获取信息 该方法常称为 白光 干涉测量方法 具体原理在第七章介绍 第一个基于白光干涉的位移传感器是1984年报道的 近年来 人们不断完善这类系统 得到了广泛的实际应用 眼睛OCT 2020 4 19 49 4 光纤陀螺 激光于1960年在世界上首次出现 1962年 美 英 法 前苏联几乎同时开始酝酿研制用激光来作为方位测向器 称之为激光陀螺仪 陀螺仪在航天航空 机载系统和军事技术上的应用非常广泛 激光陀螺仪的原理是利用光程差来测量旋转角速度 Sagnac效应 在闭合光路中 由同一光源发出的沿顺时针方向和反时针方向传输的两束光和光干涉 利用检测相位差或干涉条纹的变化 就可以测出闭合光路旋转角速度 激光陀螺仪的基本元件是环形激光器 2020 4 19 50 4 光纤陀螺 Sagnac效应 1911年萨格纳克发明了一种可以旋转的环形干涉仪 将同一光源发出的一束光分解为两束 让它们在同一个环路内沿相反方向循行一周后会合 然后在屏幕上产生干涉 2020 4 19 51 2020 4 19 52 4 光纤陀螺传感技术光纤陀螺是一种新型角速度敏感元件 1976年Vali和Shorthill首次报道了光纤陀螺 1 与传统旋转角度仪器比较 FOG的优点有 预热时间短 寿命长 高可靠 动态范围大 轻 低价 2 与激光陀螺相比 易微型化 可用于不同精度场合 FOG应用 包括传统的航空航天 及控制 无人车辆导航 天线或摄像机稳定器等方面近20年来 光纤陀螺中的物理现象已清楚 但个别关键技术仍未解决 目前 中低精度光纤陀螺已在市场上出售 主要是在军方 高精度光纤陀螺也正在投入生产 2020 4 19 53 Fiber opticgyroscope 4 光纤陀螺传感技术 2020 4 19 54 光纤陀螺传感技术 Fiber opticgyroscope 2020 4 19 55 5 其它光纤传感技术 此外 近年还发展了一些新的光纤传感技术 基于光子晶体光纤的传感技术 它可用于一些气体的检测 曲率传感 及增强双光子生物传感等 2020 4 19 56 5 其它光纤传感技术 基于聚合物光纤的传感技术 它可用作安全检测传感器 湿度传感 生物传感 化学 气体 传感 露点传感 流量传感等 此外 还可传感重要的物理量 如辐射 液面 放电 磁场 折射率 温度 风度 旋度 振动 位移 水声 粒子浓度等 2020 4 19 57 5 其它光纤传感技术 基于光纤激光器的有源腔传感器 比如用Ring Down腔技术可进行吸收谱分析量 其灵敏度达1ppm 10 6 现在Ring Down腔技术已应用于测量各种吸收 如等粒子体 火焰辐射 超声喷射和气体分子吸收等 2020 4 19 58 1 5光纤技术的发展 1 光纤的发展 在光纤种类方面 从最早的多模光纤 到现在的单模光纤 保偏光纤 掺杂光纤 塑料光纤 光子晶体光纤等 已有数十种光纤来满足人们的不同需求 目前的发展主要在于 聚合物 塑料光纤 制作 应用 光子晶体光纤 结构 制作 理论 应用 其它光纤 制作 宽带光传输非零色散位移光纤 G 656光纤 色散补偿光纤 DCF 宽工作波长多模光纤掺稀土光纤微纳光纤 2020 4 19 59 1 聚合物 塑料光纤 POF 特点 芯径大 0 3 3mm 有柔韧性好 连接方便 耦合效率高 较高的带宽 耐震动 抗辐射 价格便宜 施工方便等应用 1 是短距离信息传输的较理想介质 可用于汽车总线布线 家庭网络 消费电子 工业控制 军事 航空航天 传感器 小型光盘系统 个人计算机 短距离数据通信等 2 在传感领域也有重要应用 不足 损耗 传输带宽 温度稳定性和长期可靠性不够 采用梯度折射率的聚合物光纤 GIPOF 可见光损耗 10dB km 带宽lGHz km 40 80 C稳定工作近几年 微结构聚合物光纤 MPOF 聚合物光子晶体光纤正成为聚合物光纤的研究亮点 2020 4 19 60 江源邹宁宇化学工业出版社2002 06 2020 4 19 61 2 光子晶体光纤 PCF 1991在光子晶体基础上提出 1996Russel小组制造出第1根光子晶体光纤 特点 低损耗 低色散 低非线性 可能是下一代光传输介质 PCF在光纤通信系统中的应用包括 传输光纤和光纤器件 1 传输光纤的主要目标是改进工艺和结构 降低衰耗 现1550nm衰减为0 37dB km PCF光纤传输实验 NTT公司用PCF实验10km长8x10Gbps波分复用 C Peucheret等人用PCF实验5 6km长40Gbps 1550nm 2020 4 19 62 2 光子晶体光纤 PCF 2 器件方面 PCF可构成光纤激光器 光纤放大器 已有研究进展的有 光波长变换 拉曼放大器 光孤子激光器 光纤光栅和连续谱超宽带光源等 调整PCF结构尺寸 实现性能指标 3 传感方面前景好 因宽带 传感容量大 PCF上可加工微传感结构 如光栅 FBG和LPFG 可掺杂 加工F P腔等 目前 PCF的研究重点是 理论建模与结构设计 制造工艺 性能测量 实验研究 应用探索 光纤传感与通信 等 2020 4 19 63 2 光纤通信技术的发展 在光纤通信方面 现在有三个快速发展的趋势 第一是迅速增加光网络容量 目前主要用波分复用 Wavelength divisionMultiplexing WDM 和时分复用 Time divisionMultiplexing TDM 技术