传感器第二章第1节 光纤学

1、第二章 光纤传感基础知识v光纤v光纤传感中的光源v光纤传感中的光探测器v光器件一、 光纤的结构550 m125 m250 m纤 芯包 层防 护 层第一节 光纤 光纤的折射率分布 (a) 阶跃分布； (b) 高斯分布 二、光纤的分类从折射率分布角度分阶跃折射率型渐变折射率型（也称为梯度折射率型）渐变光纤的折射率分布可以表示为 ararnarnrng211)( 其中, g是折射率变化的参数， a是纤芯半径， r是光纤中任意一点到中心的距离， 是渐变折射率光纤的相对折射率差， 即121nnn 当g=2时， 折射率分布为抛物线分布; 当g=时， 渐变光纤演变为阶跃光纤。 从传输模式v单模光纤v多模光纤

2、多模光纤单模光纤D1252 md50 m纤芯D1252 md10 m包层从应用材料分v石英光纤v塑料光纤从应用角度分v通信v传感v艺术照明三、 光纤的制造 1. 预制棒的制造方法多 余 气 体 排 出旋 转 的 硅 管BCl3、 GeCl4SiCl4、 SiO2O2喷 灯左 右 移 动 2. 拉丝工艺 送棒机构硅预制棒环形加热炉直径测量涂覆同心度测量固化牵引棍套塑四、光缆的结构v缆芯v加强元件v护套 图 2.4 各类光缆的典型结构示意图(a) 层绞式； (b) 骨架式； (c) 带状式； (d) 束管式聚乙烯聚脂薄膜带包带骨架中心加强芯光纤光纤钢芯(a)(b)钢棒聚乙烯带状光纤聚乙烯管光纤纤维

3、凯夫拉尔纤维聚乙烯(c)(d) (a) 阶跃光纤中的光传输； (b) 渐变光纤中的光传输端 面 折 射(a)(b)端 面 折 射 五、光在光纤中的几何传输 输 入 光 脉 冲全 反 射 路 径纤 芯 (n1)包 层 (n2)m axm in中 心 轴 线输 出 光 脉 冲 临界光锥与数值孔径 非 全 反 射 光全 反 射 光临 界 光 锥包 层 (n2)纤 芯 (n1 n2)c六、 光纤的数值孔径NA和模间时延差 v 从空气中入射到光纤纤芯端面上的光线被光纤捕获成为束缚光线的最大入射角max为临界光锥的半角为光纤的数值孔径， 记为NA。 v对于阶跃光纤， NA为2sin12221nnnNAc2

4、122212nnn光纤的模间时延差 输 入 光 脉 冲全 反 射 路 径纤 芯 (n1)包 层 (n2)m axm in中 心 轴 线输 出 光 脉 冲cLn1光纤纤芯和包层中的电场和磁场均满足波动方程， 但它们的解不是彼此独立的， 而是满足在纤芯和包层处电场和磁场的边界条件。 满足边界条件的电磁场波动方程的解， 即电磁场的稳态分布就是光纤的模。 这种空间分布在传播过程中只有相位的变化，没有形状的变化， 且始终满足边界条件， 每一种这样的分布对应一种模式。 七、光纤中模式的概念v归一化变量2221nnakVo20k多模光纤中的模式 多模渐变光纤现已成为国际标准G.651光纤。22212nnaV

5、对于阶跃光纤， g， 其模式数目为22VM 单模光纤的传播模 只能传播一种模式的光纤称为单模光纤。 为保证光纤中只存在一个模式， 可以证明应满足如下截止条件： 405. 222221nnaV八、光 纤 的 损 耗 1 、损耗系数损耗系数()表示， 单位为dB/km, 即单位长度km的光功率损耗 dB（分贝）值。 )/()()0(lg10)(kmdBLzpzpL、损耗起因v吸收损耗 红外吸收、紫外吸收、OH离子吸收、金属离子吸收v散射损耗 瑞利散射、波导散射、非线性散射v弯曲损耗图2.13 光纤损耗与波长的关系 0.81.01.21.41.6瑞利散射OHOH红外吸收波长 / m损耗 / (dB

6、/ km)、 光纤损耗的测试v截断法v插入法v后向散射法。 v截断法 光 源扰 模 器光 检 测 器近 端待 测 光 纤远 端LFNPPLlg10 v插入法 )()(lg1021PP光 源1光 检 测 器2光 连 接 器P1()光 源1光 检 测 器AP2()待 测 光 纤B 2光 连 接 器v 瑞利散射光功率与传输光功率成比例。利用与传输光相反方向的瑞利散射光功率来确定光纤损耗系数的方法，称为后向散射法。 v用后向散射法的原理设计的测量仪器称为光时域反射仪(OTDR)。这种仪器采用单端输入和输出，不破坏光纤， 使用非常方便。OTDR不仅可以测量光纤损耗系数和光纤长度，还可以测量连接器和接头的

7、损耗，观察光纤沿线的均匀性和确定故障点的位置，确实是光纤通信系统工程现场测量不可缺少的工具。 光学系统耦合器件光学系统光学系统信号处理放大器示波器数据处理系统被测光纤光源光检测器后向散射法 设在光纤中正向传输光功率为P，经过L1和L2点时分别为P1和P2，从这两点返回输入端(L=0)。 光检测器接收的后向散射光功率分别为P(L1)和P(L2)，正向和反向平均损耗系数)/()()(lg)(2102112KmdBLPLpLLbb 后向散射法还可利用光在光纤中传输的时间来确定光纤的长度L。显然， 12nctL 后向散射功率曲线 (a) 输入端反射区； (b) 恒定斜率区， 用以确定损耗系数； (c)

8、连接器、 接头或局部缺陷引起的损耗； (d) 介质缺陷(例如气泡)引起的反射； (e) 输出端反射区， 用以确定光纤长度。 九、光纤的色散 v模间色散v模内色散 ： 材料色散 波导色散 偏振色散v材料色散是由于石英材料的折射率是波长的函数而引起的， 而实际的光源的谱是有一定宽度的， 因而不同的波长由于速度不同相互之间有延迟， 导致输入光纤的窄脉冲输出时变宽了。v 对于普通的单模光纤， 材料色散在波长=1.27 m左右时为零， 1.27 m时有正的色散， 1.27 m时有负的色散。 v 波导色散是由于光纤中模式的传播常数是频率的函数而引起的。 它不仅与光源的谱宽有关， 还与光纤的结构参数如V等有

9、关。 v波导色散为负色散。、色散与带宽 色散对光纤传输系统的影响，在时域和频域的表示方法不同。色散通常用3 dB光带宽f3dB、脉冲展宽表示。 用脉冲展宽表示时， 光纤色散可以写成 =(2n+2m+2w)1/2 : 高斯脉冲半高全宽(FWHM)44. 015 . 0,0BLBf3 dB=7 . 0光纤的带宽距离积一般vG.652常规型单模光纤vG.653色散位移型光纤(DSF)vG.654光纤又称1550nm波长衰减最小光纤vG.655非零色散型光纤（NZDF）Non Zero Dispersion Fiber v色散平坦型光纤 201001020色散 / (ps / nmkm)材料色散常规型

10、1.11.31.51.1波长 / m波导色散色散平坦型色散位移型2010010201.3 1.51.7波长 / m色散位移型色散平坦型常规型色散 / (ps / nmkm)1.7十、单 模 光 纤 （一） 模场直径 模场直径（MFD）由主模LP01模的模场分布决定。 多模光纤的模场直径与纤芯直径几乎相等, 但单模光纤的模场直径一般不等于纤芯直径， 这是因为单模光纤中并非所有的光都由纤芯承载并局限于纤芯内传播。E(r)r0r2aE0e2E0模场直径2W02020exp)(WrErE假设电场分布是高斯型的2W0为MFD（二）截止波长405. 2221ancLP01模截止时的波长叫做单模光纤的截止波

11、长。405. 222221nnaV（三）单模光纤的偏振模光波的偏振 光在介质中传播时，对介质而言，电场和磁场分量的作用是同时存在，并有确定的相互关系的，因此在讨论光与物质相互作用时，可以只考虑电场分量的贡献。 偏振即极化的意思，是指场矢量的空间方位。一般选用电场强度E来定义偏振状态。 kEH 单模光纤中的基模实际上是一简并模，它是两个相互正交的线性偏振模。 对于理想的圆柱对称光纤， 这两个模具有相同的传播常数， 不引起光脉冲的展宽。 实际上，光纤不可能保证圆柱对称性、光纤内部残余应力、光纤弯曲扭转等引起折射率各向异性，使基模兼并受到破坏，xy，这就是单模光纤的双折射，导致了光脉冲的展宽， 即偏

12、振模色散PMD。 22yxBL拍长cnnyxyxp偏振模色散v如果光纤中的光强足够强，在暗室内能用肉眼看到纤芯-包层的散射光，能观察到这种散射光强沿光纤长度的明显周期性变化。在电磁场理论中，电偶极子的辐射图可以说明：在偏振方向上(等效电偶极子方向)辐射最小，在垂直与偏振方向的方向上辐射最强。所以在 最暗，在 处最亮。2 , 0（四）单模光纤的偏振/双折射的起因v扭转v变形（椭圆度、弯曲、应力、温度）v电(磁)场弹性理论基础 v弹性体受力后产生的恢复原来形状的内力称内应力，简称为应力。 应力和外力相抗衡，阻止弹性体的形变。v应力的数学定义为：单位横截面上所产生的内聚力 。 v垂直于单元面积的应力

13、法向应力（正应力）；相切于单元面积的应力切向应力（剪切应力）。SF /物理定义：弹性体受应力作用，产生的体积和形状的变化称为应变。数学定义：弹性理论中，将单位长度所产生的形变 称应变 。 应力与应变成正比关系的物体叫完全弹性体，胡克定律表示了应力与应变之间的线性关系:在弹性限度内，物体的形变跟引起形变的外力成正比。LL / 表示膨胀或压缩情况下应力与应变的关系，所以又叫压缩模量。v数学定义：在线性弹性形变区，物体纵向应力与纵向应变的比例常数 就是材料的弹性模量E。v物理定义：杨氏弹性模量表示固体对所受作用力的阻力的度量。v固体介质对拉伸力的阻力越大，则杨氏弹性模量大，物体越不易变形；反过来说，

14、坚硬的不易变形的物体，杨氏弹性模量大。 L/LS/FE v 在拉伸变形中，物体的伸长总是伴随着垂直方向的收缩，所以把介质横向应变与纵向应变之比横向应变与纵向应变之比 称泊松比。v泊松比是表示物体横向变形性质的一个参数。如果介质坚硬，在同样作用力下，横向应变小，泊松比就小，可小到0.05 。而对于软的未胶结的土或流体，泊松比可高达0.45 0.5。 LLdd/ 扭转在光纤中会产生剪切应力 ，使光纤因弹光效应 而产生旋光性 ,设每单位长度扭转角为 ,则在光纤单位长度上引起偏振面的旋转角正比于 ，g为扭转光纤的旋光能力，取决于材料的弹光系数g221121PPgn2211,PP是纤芯材料的弹光系数(1

15、)椭圆度双折射椭圆度(光纤不圆或弯曲)，设a、b为椭圆长、短轴，用椭圆度e表示bae121bae或或实际上，光纤不圆产生椭圆度不大，.时，椭圆度引起的双折射2322125.0ae若椭圆度是由弯曲产生的，弯曲半径与的关系为Rae16. 0（）应力双折射 当光纤的内应力均匀时，折射率可认为是一个实数，而光纤因形成不均匀的应力场，产生应变，使折射率各向异性，随应力的变化而导致的双折射为。光纤弯曲，应力双折射的归一化值为2121121125. 0RaPPnBbb，为弹光系数，石英光纤.，.，则2093. 0RaBbzzbtSRaRaB336.0093.02zz是光纤轴向张力引起的光纤应变。（）温度双折

16、射纤芯和包层热胀系数不同，引起的热胀冷缩会产生，造成双折射。温度引起的归一化双折射为gasTTSSPPnB121211212分别为环境温度和光纤制造温度（玻璃软化温度）aTgT和分别是光纤芯和包层的热胀系数。1S2S和（五）特殊双折射光纤、低双折射光纤 为了测量磁场引起的偏振态旋转变化，要求光纤本身的固有双折射低，尤其是测量母线电流的传感器。其偏振面的旋转角与磁场沿光纤轴向方向的线积分成正比。 由于光纤制造工艺的不完善（纤芯椭圆度和内应力）都将引起光纤双折射效应，改善工艺水平，使归一化双折射降低到 量级，称之为低双折射光纤。v英南安普敦大学1979年研究用法拉第效应测量磁场和电流的超低双折射光

17、纤。710Bv减小双折射的方法：(1)改进光纤的制作工艺降低非圆率；(2)选择热胀系数相等的材料减小不对称应力（GeO2-SiO2，B2O3-SiO2）；(3)扭转光纤，减小拍长。制作时，沿轴向高速旋转预制棒，偏振光跟不上双折射轴的快速旋转，对传播模式来说，纤芯是圆周对称的，就获得了一种固有折射几乎为零的超低双折射光纤。但外部弯曲、压力还是会引起双折射，控制外部就能用于磁场、电流传感器。2、高双折射光纤要求B值在10-310-4量级范围,相当于光纤拍长在毫米量级。在较长距离内光纤具有传输线偏振模的特点，高双折射光纤又称为偏振保持光纤，简称保偏光纤。实现方法：采用大纤芯椭圆度和加强光纤的内应力。

18、加强内应力是提高双折射最有效的方法。十一、光纤的非线性效应 由于光注入光纤介质产生了电偶极子， 电偶极子反过来与光波会产生相互调制的相互作用。任何介质（如玻璃光纤）对光功率的响应都是非线性的。在光功率小时引起小的振荡即线性响应， 在光功率大时振荡产生非线性响应。非线性折射率调制效应 当光纤中光功率保持低电平时， 玻璃光纤的折射率一直为常数。 当光纤中的光功率提高后， 光纤的折射率受到传输信号光强度的调制而发生变化。非线性受激散射 在光强度调制系统中， 当光信号与声波或光纤材料中振动的分子相互作用时， 会散射光并把能量向更长的波长转移。 非线性受激散射可分为布里渊散射和拉曼散射两种形式。、受激布

19、里渊散射SBSv当一个窄线宽、 高功率信号沿光纤传输时，入射泵浦光P 通过在媒质上产生压力波，使媒质密度（因而折射率）产生周期变化，相当于在媒质内。反过来，这声波又对入射光产生散射作用，产生频率为s= P 的斯托克斯光。v对于工作于1.55 m的二氧化硅光纤， 布里渊频偏约为 11 GHz， 且决定于光纤中的声速， 反射光线宽， 还取决于声波的损耗， 它可在几十至几百兆赫兹的范围内变动。v布里渊散射光的频移量与温度的关系式为 其中为参考温度，为温度为时的频移，为温度系数 001)(TTCTTTBB 0TB15104 . 9K、受激拉曼散射SRSv当一个强光信号在光纤中传输时，在入射光的作用下，

20、媒质内部导致随时间的周期性调制，并对入射光产生散射作用。设入射光频率为P，媒质分子振动频率为V，则散射光的频率从P移动nV，即频率s= P nV和频率as= P +nV（ n为整数）。v 这些散射谱线相对于原入射光谱线移动是有规律的，只与媒质分子结构有关，与入射光波长无关。v当入射光为高强激光时，媒质的喇曼散射具有受激性质，称为受激喇曼散射。散射光通过媒质时可得到放大，从而构成喇曼放大器；受激喇曼散射光在适当条件下可往返放大而产生振荡，构成光纤喇曼激光器。喇曼散射与温度关系可构成分布式温度传感器v斯托克斯散射波长大于入射光波长，反斯托克斯散射波长小于入射光波长后向反斯托克斯和斯托克斯带的峰值强

21、度之比表示为kThcRasrexp4其中为普朗克常数，为光速，为入射光频率，为波尔兹曼常数，是绝对温度。sa十二、短距离光传输介质十二、短距离光传输介质塑料光纤塑料光纤（POF） 石英玻璃光纤以其衰减小、带宽高等优点被用作远距离、高速率、大容量公用网的光传输介质，但由于石英玻璃光纤有原料纯洁、制造复杂、价格昂贵、接续困难等缺点，从而不能大量用作短距离接入网光传输介质。 塑料光纤不仅制造简单、价格便宜，还具有接续快捷等优点，最适宜作为局域网中短距离通信、有线电视网、室内计算机之间、近距离光纤传感的传输介质。塑料光纤结构v塑料光纤构成光纤的芯与包层都是塑料材料。v塑料光纤结构赋予了其施工快捷，接续

22、成本低等优点。与大芯径和的石英玻璃多模光纤相比，塑料光纤的芯径高达，接续时可使用不带光纤定位套筒的便宜注塑塑料连接器，光纤接续中芯对准产生偏差都不会影响耦合损耗。v芯径或更大则能够消除在石英玻璃多模光纤中存在的模间噪音。塑料光纤材料v塑料光纤材料选择时，材料的本身衰减要低、色散要小、化稳性要好、制造简单、价格低廉等。v塑料光纤芯材料：聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯聚碳酸酯、氟化聚甲基丙烯酸酯和全氟树脂等；v塑料光纤包层：聚甲基丙烯酸甲酯、氟塑料、硅树脂等。塑料光纤的分类塑料光纤的分类特殊塑料光纤包括所有具有特殊性能的塑料光纤，比如激光染料激光染料掺杂塑料光纤、闪烁塑料光纤、掺杂塑料光纤、闪烁塑料光

23、纤、电光塑料光纤电光塑料光纤等，还有具有特殊设计结构的塑料光纤，比如微结微结构塑料光纤和双芯塑料光纤构塑料光纤和双芯塑料光纤等。塑料光纤塑料光纤普通塑料光纤普通塑料光纤特殊塑料光纤特殊塑料光纤包括所有的阶跃型多模塑料光阶跃型多模塑料光纤、渐变型多模塑料光纤以及纤、渐变型多模塑料光纤以及单模塑料光纤单模塑料光纤。这类光纤与普通石英光纤类似，由纤芯和包层构成，不同的纤芯折射率分布构成了不同类型的光纤。多模光纤主要用在强度型传感器的系统中，被测量的物理量直接影响输出光信号的强度。渐变折射率多模塑料光纤可以解决带宽窄的问题。在单模光纤中，单模石英光纤的缺点是纤芯芯径非常细，只有510微米。而塑料单模光

24、纤相对于石英光纤的特点就是芯径粗，是石英光纤的50100倍，对接容易、成本低，所以其在干涉型光纤传感器中具有更出众的特点。普通塑料光纤普通塑料光纤折射率分布应用的情况一类是阶跃型， 另一类是渐变型。多模光纤单模光纤塑料光纤性能塑料光纤的性能重点是衰减、色散、热稳定性等。v塑料光纤的衰减主要受限于芯包塑料材料的吸收损耗和色散损耗。人们是通过选用低折射率和等温压缩率小的塑料材料和通过稳定塑料光纤制造工艺来使塑料光纤获得小的散射损耗。v在碳氢键为基本骨架的塑料材料中，在波长650处的衰减系数大约为120B。v用氟化塑料制成的梯度折射率塑料光纤，在0.85波长处衰减系数为41B，在1.3波长处衰减为33B。11-11-2007Dasheng POF62塑料光纤与其它传输介质比较塑料光纤与其它传输介质比较v用作短距离光传输介质的塑料光纤，按其折射率分布形状可分为两种：阶跃折射率分布塑料光纤和梯度折射率分布塑料光纤。v阶跃折射率分布塑料光纤由于模间色散作用其传输带宽仅为几十至上百。v氟化梯度折射率分