第八章光纤探阃枚术与系就 §8.1光纤测试技术基础 811光纤结构 812光纤类型 8.13光纤传输特性 814单模光纤的偏振与模式双折射 8.1.5光纤的连接耦合技术 §82光纤传感器的原理与实现 82l强度调制光纤传感器 822相位调制光纤传感器 8.2.3频率调制光纤传感器 8.2.4偏振调制光纤传感器 825波长调制光纤传感器 §83光纤布拉格光栅传感器 8.3.1传感原理 8.3.2解调技术 8.3.3封装增敏和复用技术
第八章 光纤探测技术与系统 §8.1 光纤测试技术基础 8.1.1 光纤结构 8.1.2 光纤类型 8.1.3 光纤传输特性 8.1.4 单模光纤的偏振与模式双折射 8.1.5 光纤的连接耦合技术 §8.2 光纤传感器的原理与实现 8.2.1 强度调制光纤传感器 8.2.2 相位调制光纤传感器 8.2.3 频率调制光纤传感器 8.2.4 偏振调制光纤传感器 8.2.5 波长调制光纤传感器 §8.3 光纤布拉格光栅传感器 8.3.1 传感原理 8.3.2 解调技术 8.3.3 封装增敏和复用技术
在实际的光传输过程中,光纤易受外界环境因素影 响,如温度、压力、电磁场等外界条件的变化将引起光 纤光波参数如光强、相位、频率、偏振、波长等的变化 因此,测出光波参数的变化,就可以知道导致光波参数 变化的各种物理量的大小,于是产生了光纤传感技术。 光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列独特的 优点,如灵敏度高,抗电磁干扰,耐腐蚀,电绝缘性好, 防爆,光路有可挠曲性,便于与计算机联接,结构简单, 体积小,重量轻,耗电少等 2021/2/3
2021/2/3 2 在实际的光传输过程中，光纤易受外界环境因素影 响，如温度、压力、电磁场等外界条件的变化将引起光 纤光波参数如光强、相位、频率、偏振、波长等的变化。 因此，测出光波参数的变化，就可以知道导致光波参数 变化的各种物理量的大小，于是产生了光纤传感技术。 光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列独特的 优点，如灵敏度高，抗电磁干扰，耐腐蚀，电绝缘性好， 防爆，光路有可挠曲性，便于与计算机联接，结构简单， 体积小，重量轻，耗电少等
§8.1光纤测试技术基础 8.1.1光纤结构 光纤是能够传输光的纤维波导或光导纤维的简称,如图8.1-1所示 纤芯n 包层m 外套 图81-1光纤结构 在图81-1所示具体的光纤中,当光线在纤芯与包层的分界面的入射角大于时,才 能保证光线在纤芯内产生多次全反射,使光线沿光纤传输。然而,内光线的这个入射角的大 小又取决于从空气中入射的光束进入纤芯所产生的折射角,因此,空气和纤芯界面上入射光 的入射角日就限定了光能否在光纤中以全反射形式传输。 2021/2/3
2021/2/3 3 8.1.1 光纤结构 光纤是能够传输光的纤维波导或光导纤维的简称，如图8.1-1所示。 §8.1 光纤测试技术基础
与内光线入射角的临界值相对应,光纤入射光的入射角日也有一个最大值bm。当 62≤6m时,入射光在光纤内将以大于或等于e2的入射角在纤芯和包层界面上产生多次全 反射 在上述临界条件下,空气和纤芯界面上,入射光线满足 n, sine=n, sin e (814) 式(8.14)中6,为光线由空气进入纤芯后的折射角,并且满足日1+6=90°。此时内 光线在纤芯与包层的界面上发生全反射,由斯涅耳定律,有 sing=n,/n,=sin(90-6 (815) 于是有 (816) 定义为光纤的数值孔径为 NA=no sine (817) MA是表示光纤波导特性的重要参数,它的平方是光纤端面集光能力的量度,反映光纤 与光源或探测器等元件耦合时的耦合效率。 2021/2/3
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812光纤类型 8.1.21单模光纤和多模光纤 单模光纤只能传输一种模式,但这种模式可以按两种相互正交的偏振状态出现。多模光 纤能传输多种模式,往往有几百到几千个模式 光纤能传导的模式数N可用下式计算 (81-10) 2(a+2) a+ 式(8110)中,n1是纤芯折射率的最大值;c是光纤断面折射率分布指数,它决定光 纤折射率沿径向分布的规律。Δ为最大相对折射率差,即 △ 几1-n2 (819) 几1 8122阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤 根据纤芯径向折射率的不同,光纤又可分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤。通常 单模光纤多半是阶跃折射率分布,多模光纤既有阶跃折射率分布也有渐变折射率分布。 2021/2/3
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812光纤类型 8.1.21单模光纤和多模光纤 单模光纤只能传输一种模式,但这种模式可以按两种相互正交的偏振状态出现。多模光 纤能传输多种模式,往往有几百到几千个模式 光纤能传导的模式数N可用下式计算 (81-10) 2(a+2) a+ 式(8110)中,n1是纤芯折射率的最大值;c是光纤断面折射率分布指数,它决定光 纤折射率沿径向分布的规律。Δ为最大相对折射率差,即 △ 几1-n2 (819) 几1 8122阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤 根据纤芯径向折射率的不同,光纤又可分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤。通常 单模光纤多半是阶跃折射率分布,多模光纤既有阶跃折射率分布也有渐变折射率分布。 2021/2/3
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折射率 光纤截面和光线路径 典型尺寸 125μm (包层) 二√ 8~12μm 纤芯) (a)单模阶跃折射率光纤 125-400μm (包层) 0-200μm (纤芯) (b)多模阶跃折射率光纡 125-140μm r A (包层) (纤芯) ()多模梯度折射率光纤 图8-3阶跃光纤、渐变光纤和单模光纤折射率的分布
图8-3 阶跃光纤、渐变光纤和单模光纤折射率的分布
实际设计与使用的光纤,其性能也各不相同。单模光纤频带极宽,而 渐变折射率光纤的信息容量较大,且处理简便。当需要从光源处收集 尽可能多的光能时,则使用粗芯阶跃折射率多模光纤比较合适。因此 通常在短距离、低数据率通信系统中使用多模阶跃光纤;在长距离 高数据率通信系统中使用单模光纤或渐变折射率多模光纤。在光纤传 感应用中,光强度调制型或传光型光纤传感器绝大多数采用多模(阶 跃或渐变折射率)光纤。相位调制型和偏振态凋制型光纤传感器采用 单模光纤,例如,满足特殊要求的保偏光纤、低双折射光纤、髙双折 射光纤等 2021/2/3
2021/2/3 8 实际设计与使用的光纤，其性能也各不相同。单模光纤频带极宽，而 渐变折射率光纤的信息容量较大，且处理简便。当需要从光源处收集 尽可能多的光能时，则使用粗芯阶跃折射率多模光纤比较合适。因此， 通常在短距离、低数据率通信系统中使用多模阶跃光纤；在长距离、 高数据率通信系统中使用单模光纤或渐变折射率多模光纤。在光纤传 感应用中，光强度调制型或传光型光纤传感器绝大多数采用多模（阶 跃或渐变折射率）光纤。相位调制型和偏振态凋制型光纤传感器采用 单模光纤，例如，满足特殊要求的保偏光纤、低双折射光纤、高双折 射光纤等
8.13光纤传输特性 光纤的衰减(或损耗)和色散(或带宽)是描述光纤传输特性的两个 重要参量 81.31光纤的损耗 光纤的损耗主要包括吸收损耗、散射损耗和微扰损耗,这里主要介绍 前2种。 (1)吸收损耗 玻璃材料的吸收损耗主要是 由它们所含的过渡金属离子 所造成的(如铜、铁、铬等 正离子)。此外氢氧根 A(um) (OH-)引起的吸收损耗亦 08101.21.41618 是极为重要的因素。 图814无OH基光纤损耗与波长的关系 2021/2/3
2021/2/3 9 8.1.3 光纤传输特性 光纤的衰减（或损耗）和色散（或带宽）是描述光纤传输特性的两个 重要参量。 8.1.3.1 光纤的损耗 光纤的损耗主要包括吸收损耗、散射损耗和微扰损耗，这里主要介绍 前2种。 （1）吸收损耗 玻璃材料的吸收损耗主要是 由它们所含的过渡金属离子 所造成的（如铜、铁、铬等 正离子）。此外氢氧根 （OH-）引起的吸收损耗亦 是极为重要的因素
(2)散射损耗 切透明物体都具有因 密度不均匀而引起的折 射率不均匀,因而使光 向各个方向散射造成光 80010012001400160(m 能量的损耗,这种散射 称为瑞利散射,它代表图815低OH基光纤损耗与波长的关系 了光纤损耗的最低极限 当波长小于0.8μm时,此外,光纤在制造过程中造成的缺陷,如 瑞利散射引起的损耗随纤芯与包层的界面不规则、光纤粗细不均 波长的缩短而明显增加。匀等都会引起模式耦合而使一部分能量转 因此目前使用的石英玻移到辐射模而逸出纤芯,造成散射损耗。 璃光纤,其使用波段限光纤弯曲时亦会引起模式耦合而造成“弯 于0.8~1.7μm波段之曲损耗
（2）散射损耗 一切透明物体都具有因 密度不均匀而引起的折 射率不均匀，因而使光 向各个方向散射造成光 能量的损耗，这种散射 称为瑞利散射，它代表 了光纤损耗的最低极限。 当波长小于0.8µm时， 瑞利散射引起的损耗随 波长的缩短而明显增加。 因此目前使用的石英玻 璃光纤，其使用波段限 于0.8~1.7µm波段之 间。 此外，光纤在制造过程中造成的缺陷，如 纤芯与包层的界面不规则、光纤粗细不均 匀等都会引起模式耦合而使一部分能量转 移到辐射模而逸出纤芯，造成散射损耗。 光纤弯曲时亦会引起模式耦合而造成“弯 曲损耗