《光纤及光纤传感器》PPT课件.ppt

1、11 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

2、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(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

3、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0.47 dB/km(波长1.2m)。 在以后的 10 年中，

4、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

5、半导体激光器寿命达到10万小时。 1979年美国电报电话(AT 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

6、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

7、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

8、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

9、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。,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

10、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,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