光纤及光纤传感PPT课件

1、11 光纤通信发展的历史和现状光纤通信发展的历史和现状 1.1.1 探索时期的光通信探索时期的光通信 1.1.2 现代光纤通信现代光纤通信 1.1.3 国内外光纤通信发展的现状国内外光纤通信发展的现状1 2 光纤通信的优点和应用光纤通信的优点和应用 1.2.1 光通信与电通信光通信与电通信 1.2.2 光纤通信的优点光纤通信的优点 1.2.3 光纤通信的应用光纤通信的应用1 3 光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成 1.3.1 发射和接收发射和接收 1.3.2 基本光纤传输系统基本光纤传输系统 1.3.3 数字通信系统和模拟通信系统数字通信系统和模拟通信系统返回主目录光纤通讯简介光纤通

2、讯简介1.1 光纤通信发展的历史和现状光纤通信发展的历史和现状 1.1.1 探索时期的光通信探索时期的光通信 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稳定可靠和低损耗的传输介质， 对光通信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，激光器的发明和应用， 使沉睡了使沉睡了80年的光通信进入一个崭年的光通信进入一个崭新的阶段新的阶段。 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

3、”。贝尔光电话是现代光通信的雏型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 现代光纤通信现代光纤通信 1966年，英籍华裔学者英籍华裔学者高锟高锟(c.k.kao)和霍克哈姆和霍克哈姆(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信光纤通信的基础。 指明通过指明通过“原材料的提纯制造出适合于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长距离通信使用的低损耗光纤”这一发展方这一发展方向向光纤通信发明家光纤通信发明家

4、高锟高锟( (左左) )1998年在英国接受年在英国接受iee授予的奖章授予的奖章 1970年，年，光纤光纤研制取得了重大突破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。把光纤把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。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，波长为

5、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光纤最低损耗的理论极限。 1970 年，光纤通信用年，光纤通信用光源光源取得了实质性的进展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，研制成功室室温下连续振荡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

6、铟镓砷磷(ingaasp)激光器。 1977 年，贝尔实验室研制的半导体激光器寿命达到10万小时。 1979年美国电报电话(at&t)公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为1.55 m的连续振荡半导体激光器。 由于光纤和半导体激光器的技术进步，由于光纤和半导体激光器的技术进步，使使 1970 年成为光纤通信发展的一个重年成为光纤通信发展的一个重要里程碑要里程碑 实用实用光纤通信系统光纤通信系统的发展的发展 1976 年，美国在亚特兰大(atlanta)进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验场试验。 1980 年，美国标准化ft - 3光纤通信系统

7、投入商业应用。 1976 年和 1978 年，日本先后进行了速率为34 mb/s的突变型多模光纤通信系统， 以及速率为100 mb/s的渐变型多模光纤通信系统的试验。 1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。 随后，由美、日、 英、法发起的第一条横跨大西洋 tat-8海底光缆通信系统于1988年建成。 第一条横跨太平洋 tpc-3/haw-4 海底光缆通信系统于1989年建成。从此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展开，促进了全球通信网的发展。光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段光纤通信的发展可以粗略地分为三个阶段： 第一阶段(19661976年)，这是从基础研究到商业应用的开发时期。 第

8、二阶段(19761986年)，这是以提高传输速率和增加传输距离为研究目标和大力推广应用的大发展时期。 第三阶段(19861996年)，这是以超大容量超长距离为目标、全面深入开展新技术研究的时期。 1.1.3 国内外光纤通信发展的现状国内外光纤通信发展的现状 1976年美国在亚特兰大进行的现场试验，标志着光纤通信从基础研究发展到年美国在亚特兰大进行的现场试验，标志着光纤通信从基础研究发展到了商业应用的新阶段了商业应用的新阶段。 此后，光纤通信技术不断创新：光纤从多模发展到单模多模发展到单模，工作波长从0.85 m发展到1.31 m和1.55 m(短波长向长波长短波长向长波长），传输速率传输速率从

9、几十mb/s发展到几十gb/s。 随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格不断下降光纤价格不断下降，应用范围不断扩大。 目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统将成为未来国家信息基础设施的支柱。 在许多发达国家，生产光纤通信产品的行业已在国民经济中占重要地位在许多发达国家，生产光纤通信产品的行业已在国民经济中占重要地位。光纤通信整体发展时间表光纤通信整体发展时间表1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 100000 10000 1000 100 10 1 0.1 0.8m多模1.3m单模1.55m直接检测光孤子光放大器1.

10、55m相干检测系统性能(gb/skm）1.2 光纤通信的优点和应用光纤通信的优点和应用 1.2.1 光通信与电通信光通信与电通信 通信系统的传输容量传输容量取决于对载波调制的频带宽度频带宽度，载波频率越高，频带宽载波频率越高，频带宽度越宽度越宽。光通信的主要特点光通信的主要特点 载波频率高；频带宽度宽载波频率高；频带宽度宽（图 1.1 ） 光通信利用的传输媒质光通信利用的传输媒质-光纤，可以在宽波长范围内获得很小的损耗。光纤，可以在宽波长范围内获得很小的损耗。 （图 1.2 ）图 1.1 部分电磁波频谱100 thz10 thz1 thz100 ghz10 ghz1 ghz100 mhz10

11、mhz1 mhz1 m可见光线10 m100 m1 m m10 m m100 m m1 m10 m100 m中波 (mf)短波 (hf)米波 (vhf)分米波(uhf)厘米波(shf)毫米波(ehf)亚毫米波远红外线近红外线(光纤通信用）频率波长名称紫外线图 1.2 各种传输线路的损耗特性 10001001010.110 m标准同轴38 mm海底同轴光纤100 m1 g10 g100 g1 t10 t100 t 1000 t频率/hzm：(注)g：t：1061091012传输损耗/(dbkm1)51 mm波导器 1.2.2 光纤通信的光纤通信的优点优点 容许频带很宽，传输容量很大容许频带很宽，

12、传输容量很大 损耗很小，损耗很小， 中继距离很长且误码率很小中继距离很长且误码率很小 重量轻、重量轻、 体积小体积小 抗电磁干扰性能好抗电磁干扰性能好 泄漏小，泄漏小， 保密性能好保密性能好 节约金属材料，节约金属材料， 有利于资源合理使用有利于资源合理使用世界上三大著名的光纤光缆公司美国的西电公司、康宁公司和日本的住友公司，光导纤维产量每年都在12万千米以上。 1.2.3 光纤通信的光纤通信的应用应用 光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤在通信网、广播电视网与计算机网，以及在其它数据传输系统中， 都得到了广泛应用。光纤宽带干线传送网和接入网发展迅速， 是当前研究开发应用的主要目标。

13、 光纤通信的各种应用可概括如下： 通信网通信网 构成因特网的计算机局域网和广域网构成因特网的计算机局域网和广域网 有线电视网的干线和分配网有线电视网的干线和分配网 综合业务光纤接入网综合业务光纤接入网市级城市的一二级电信主干，银行，部队，邮局，铁市级城市的一二级电信主干，银行，部队，邮局，铁路等的电信局域网路等的电信局域网 atminternet骨干网骨干网ddn/ frpstn/isdntv业务分配节点业务分配节点 (cot)(cot)业务接入节点（业务接入节点（rtrt）网管网管snmp与电信网管中心相连q3100/1000me1/bra/pra155m622m sdh典型应用之一：宽带综

14、合业务光纤接入系统拓扑结构典型应用之二：作为校园网的骨干传输网1.3 光纤通信系统的基本组成光纤通信系统的基本组成 下图示出单向传输的光纤通信系统，包括发射发射、接收接收和作为广义信道的基本光光纤传输系统纤传输系统。信息源电发射机光发射机光接收机电接收机信息宿基本光纤传输系统光纤线路接 收发 射电信号输入光信号输出光信号输入电信号输出 基本光纤传输系统的三个组成部分基本光纤传输系统的三个组成部分)( 1)(lg10)(mvmvpdbmp电信号对光的调制的实现方式电信号对光的调制的实现方式 直接调制直接调制 用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的。 这种

15、方案技术简单，成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。 外调制外调制 把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。 外调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用。 图 1.5两种调制方案 (a) 直接调制； (b) 间接调制(外调制) 激光源驱动器光纤光信号输出电信号输入(a)激光源调制器驱动和控制电信号输入光纤光信号输出(b) 2. 光纤线路光纤线路 是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变(失真失真)和衰减传输到光接和衰减传输到光接收机收机光纤光纤、光纤

16、接头光纤接头和光纤连接器光纤连接器 普通石英光纤在近红外波段，除杂质吸收峰外，其损耗随波长的增加而减小，在0.85 m、1.31 m和1.55 m有三个损耗很小的波长“窗口”，见后图。激光器的发射波长激光器的发射波长和光电二极管的波长响应光电二极管的波长响应，都要和光纤这三个波长窗口窗口相一致。 目前在实验室条件下，1.55 m的损耗已达到0.154 db/km， 接近石英光纤损耗的理论极限。0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5衰减（衰减（db/km）第一窗口第一窗口第二窗口第二窗口波长波长（m）普通单模光纤的衰减随波长变化示意图普通单模光纤的衰减随波长变化示

17、意图6 5 4 3 2 10。40。2第三窗口第三窗口 c 波段波段15251565nm 1.57 1.62 l波段波段 1.3.3 数字通信系统和模拟通信系统数字通信系统和模拟通信系统用参数取值离散的信号(如脉冲的有和无、电 平的高和低等)代表信息，强调的是信号和信息之间的一一对应关系； 则用参数取值连续的信号代表信息，强调的是变换过程中信号和信息之间的线性关系。 这种基本特征决定着两种通信方式的优缺点和不同时期的发展趋势。 数字通信系统的数字通信系统的如下：如下： 抗干扰能力强，传输质量好。 可以用再生中继，传输距离长。 适用各种业务的传输，灵活性大。 容易实现高强度的保密通信。 数字通信

18、系统大量采用数字电路，易于集成，从而实现小型化、微型化，增强设备可靠性，有利于降低成本。 模拟通信系统的模拟通信系统的 占用带宽较窄外，电路简单易于实现、价格便宜等。第六章第六章 其它现代检测方法其它现代检测方法一、光纤传感技术一、光纤传感技术涂敷层涂敷层- 材料：硅酮或丙烯酸盐材料：硅酮或丙烯酸盐- 隔离杂光。隔离杂光。1. 光纤的基本结构光纤的基本结构主体主体 - 纤芯与包层纤芯与包层对称柱体光学纤维对称柱体光学纤维光纤（光纤（optic fiber） - 光导纤维光导纤维纤芯纤芯 - 石英玻璃；直径：石英玻璃；直径：575m；材料：二氧化硅（主体），；材料：二氧化硅（主体），掺杂其他微量

19、元素掺杂其他微量元素 - 提高折射率提高折射率纤芯、包层、涂敷层、护套纤芯、包层、涂敷层、护套- 多层介质结构多层介质结构包层包层 - 直径：直径：100200m；材料：二氧化硅（主体）；材料：二氧化硅（主体）- 折射率略折射率略低于纤芯。低于纤芯。护套护套 - 材料材料:尼龙尼龙/其他有机材料其他有机材料 - 提高机械强度，保护光纤提高机械强度，保护光纤特殊场合：没有涂敷层和护套特殊场合：没有涂敷层和护套 - 裸纤裸纤光纤测量技术光纤测量技术 - 20世纪世纪70年代中期年代中期特点特点 - 灵敏度高、响应速度快、结构简单、体积小、质量轻、易弯曲、灵敏度高、响应速度快、结构简单、体积小、质量

20、轻、易弯曲、 耐腐蚀、抗电磁干扰及抗辐射性能好、便于远距离遥测耐腐蚀、抗电磁干扰及抗辐射性能好、便于远距离遥测光通信技术光通信技术光纤测量技术光纤测量技术 - 以光波为载体，光纤为媒质来感知和传输外界被测信号以光波为载体，光纤为媒质来感知和传输外界被测信号- 全反射全反射2. 光线的传播光线的传播折射率：纤芯折射率：纤芯 - n1 包层包层 - n2 n1 n2 3. 光纤测量光纤测量位移、压力、温度、位移、压力、温度、电流等电流等4. 4. 光纤传感器的应用光纤传感器的应用 金门大桥是美国最著名的桥梁，主桥1,966米，主跨1,280米，建成于1937年，保持了27年是世界最大跨径的桥梁的记

21、录。70岁南京长江二桥是我国目前跨径最大的斜拉桥。由南、北汊大桥和南岸、八卦洲及北岸引线组成。其中，南汊大桥为钢箱梁斜拉桥，桥长2938米，其中主跨628米，该跨径目前居同类桥型中国内第一，世界第三 。1999年1月4日，重庆市綦江县连接老城和新城的虹桥像往常一样迎接节后第一天忙碌返家的人流，也默默地迎接着自己出生以来的两年零222天。它当然不知道，这是它的最后一天。 2001年11月6日晨4时30分左右，宜宾南门大桥突然发生悬索及桥面部分断裂事故，造成两死两伤。 光学传感器1989年美国布朗大学的门德斯等人首先提出了将光纤传感器用于钢筋混凝土结构和建筑检测的可能性。随后加拿大的rotest公

22、司研制出了白光法布里珀罗光纤传感器，该公司将这种传感器用于桥梁结构中的的应力、应变、结构振动、结构损伤程度、裂缝的发生与发展等内部状态的检测。1234n水1.33 n玻璃1.51.9 n金刚石2.42。 当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射 5介质介质2（折射率（折射率n2）介质介质1（折射率（折射率n1）入射光入射光折射光折射光反射光反射光1 2 1 光的折射和反射光的折射和反射:212sin21sin1nnnn反射角入射角发生全反射为临界入射角，此时，当)1(12arcsin12sin902ccnncnnc折射角大于入射角8.2 光光 纤纤 传传 感感 器器 一、一、 概述概述 光纤传

23、感器是20世纪70年代中期发展起来的一门新技术, 它是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的。 光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列优点，光导纤维(光纤) 光纤传感器具有如下优点: (1) 与其他传感器相比,它具有很高的灵敏度。 (2) 频带宽动态范围大。 (3) 结构简单,可挠曲,体积小, 重量轻耗能少。 (4)如不受电磁干扰, 灵敏度高, 耐腐蚀,电绝缘、 防爆性好。 (5)便于与计算机和光纤传输系统相连,易于实现系统的遥测和控制。 (6)可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等各种恶劣环境。 它能用于温度、 压力、应变、位移、速度、加速度、磁、电、声和ph值等各种物理量的测量, 具有极

24、为广泛的应用前景。 二、二、 光纤的结构和传输原理光纤的结构和传输原理 1 光纤的结构光纤的结构 光导纤维简称为光纤, 目前基本上还是采用石英玻璃, 其结构示于图8 - 27。 中心的圆柱体叫纤芯, 围绕着纤芯的圆形外层叫做包层。纤芯和包层主要由不同掺杂的石英玻璃制成。纤芯的折射率n1略大于包层的折射率n2, 在包层外面还常有一层保护套, 多为尼龙材料。光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质, 而光纤的机械强度由保护套维持。 纤纤芯芯包包层层保护保护套套光纤的结构 纤芯 core：折射率较高，用来传送光； 包层 coating：折射率较低，与纤芯一起形成全反射条件； 保护套 jacket：强度大

25、，能承受较大冲击，保护光纤。 2 光纤的传输原理光纤的传输原理 众所周知, 光在空间是直线传播的。 在光纤中, 光的传输限制在光纤中, 并随光纤能传送到很远的距离, 光纤的传输是基于光的全内反射。 设有一段圆柱形光纤, 如图8 - 28所示, 它的两个端面均为光滑的平面。 当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成角时, 根据折射定律, 在光纤内折射成, 然后以 角入射至纤芯与包层的界面。若要在界面上发生全反射, 则纤芯与界面的光线入射角 应大于临界角 c, 即2222222222221(21sin021arcsin0210)12(110)(sin11sin)(sin11cos1sin1sin12si

26、n12sin290sin. 2sin1nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnonnnnnnncccc）即：当光纤所处环境为空气即：又：所以：由于为临界入射角）（式（） 结论：只要入射光的入射角满足式（）光纤内部反复逐次发生全内反射, 直至传播到另一端面。实际工作时需要光纤弯曲, 但只要满足全反射条件, 光线仍继续前进。可见这里的光线“转弯”实际上是由光的全反射所形成的。 说明光纤集光本领的术语叫数值孔径na, 即021sin22nnnnac数值孔径反映纤芯接收光量的多少。表明：无论光源发射功率有多大，只要入射角处于光锥脚内，光纤才能导光如入射角过大，光线便从包层逸出产生漏光越大，表明集光能力

27、越强这有利于耦合效率的提高, 但数值孔径过大, 会造成光信号畸变, 所以要适当选择数值孔径的数值。 输入输入输入输入输出输出输出输出低数值孔径低数值孔径na高数值孔径高数值孔径nanana外径一般为外径一般为125um(一根头发平均一根头发平均100um)内径：单模内径：单模9um 多模多模50/62.5um单模单模 一种光纤类型，光以单一路径通过这种光纤。以激光器为光源。一种光纤类型，光以单一路径通过这种光纤。以激光器为光源。 多模多模 一种光纤类型，光以多重路径通过这种光纤。以发光二极管或激光一种光纤类型，光以多重路径通过这种光纤。以发光二极管或激光器为光源。器为光源。 125950125

28、62.5125光纤的尺寸传播损耗 损耗原因：光纤纤芯材料的吸收、散射，光纤弯曲处的辐射损耗等的影响 0201iaalgi传播损耗（单位为db） 式中, i光纤长度； a单位长度的衰减； i0光导纤维输入端光强； i光导纤维输出端光强。光纤的分类 按材料分类： 玻璃光纤：纤芯与包层都是玻璃，损耗小，传输距离长，成本高； 胶套硅光纤：纤芯是玻璃，包层为塑料，特性同玻璃光纤差不多，成本较低； 塑料光纤：纤芯与包层都是塑料，损耗大，传输距离很短，价格很低。多用于家电、音响，以及短距的图像传输。 光纤传感器可以分为两大类: 一类是功能型（传感型）传感器; 另一类是非功能型（传光型）传感器。功能型传感器是

29、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、三、 光纤传感器光纤传感器光源光源光敏元件光敏元件被测对象被测对象测得信息测得信息光导纤维光导纤维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。 光源光源光敏元件光敏元件被测对象被测对象测得信息测得信息光导纤维光导纤维敏感元件敏感元件传光型传感器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

30、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 01c1 c1 cn1 n2包层n2纤芯n1 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

31、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 位移(压力)活动板光纤输出光固定板输入光1008060402000.51.01.52.0外力 / n透射光强 / %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