光纖及光纖傳感器

1、2021/2/6111 光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀 1.1.1 探索時期的光通信探索時期的光通信 1.1.2 現(xiàn)代光纖通信現(xiàn)代光纖通信 1.1.3 國內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀國內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀1 2 光纖通信的優(yōu)點和應(yīng)用光纖通信的優(yōu)點和應(yīng)用 1.2.1 光通信與電通信光通信與電通信 1.2.2 光纖通信的優(yōu)點光纖通信的優(yōu)點 1.2.3 光纖通信的應(yīng)用光纖通信的應(yīng)用1 3 光纖通信系統(tǒng)的基本組成光纖通信系統(tǒng)的基本組成 1.3.1 發(fā)射和接收發(fā)射和接收 1.3.2 基本光纖傳輸系統(tǒng)基本光纖傳輸系統(tǒng) 1.3.3 數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)返回主目錄

2、光纖通訊簡介光纖通訊簡介2021/2/621.1 光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀 1.1.1 探索時期的光通信探索時期的光通信 在這個時期,美國麻省理工學院利用He - Ne激光器和CO2激光器進行了大大氣激光通信試驗氣激光通信試驗。由于沒有找到穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質(zhì)穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質(zhì), 對光通信的研究曾一度走入了低潮。 1960年,美國人梅曼(Maiman)發(fā)明了第一臺紅寶石激光器, 給光通信帶來了新的希望。激光器的發(fā)明和應(yīng)用激光器的發(fā)明和應(yīng)用, 使沉睡了使沉睡了80年的光通信進入一個嶄新的階年的光通信進入一個嶄新的階段段。 1880年,美國人貝爾(Bell)發(fā)

3、明了用光波作載波傳送話音的“光電話”。貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型。 原始形式的光通信:中國古代用“烽火臺”報警,歐洲人用旗語傳送信息。 2021/2/63 1.1.2 現(xiàn)代光纖通信現(xiàn)代光纖通信 1966年,英籍華裔學者英籍華裔學者高錕高錕(C.K.Kao)和霍克哈姆和霍克哈姆(C.A.Hockham)發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的論文,指出了利用光纖(Optical Fiber)進行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑,奠定了現(xiàn)代光通信光纖通信光纖通信的基礎(chǔ)。 指明通過指明通過“原材料的提純制造出適合于原材料的提純制造出適合于長距離通信使用的低損耗光纖長距離通信使用的低損耗光纖

4、”這一發(fā)展方這一發(fā)展方向向2021/2/64光纖通信發(fā)明家光纖通信發(fā)明家高錕高錕( (左左) )1998年在英國接受年在英國接受IEE授予的獎?wù)率谟璧莫務(wù)?021/2/65 1970年年,光纖光纖研制取得了重大突破研制取得了重大突破 1970年,美國康寧(Corning)公司研制成功損耗20dB/km的石英光纖。把光纖把光纖通信的研究開發(fā)推向一個新階段。通信的研究開發(fā)推向一個新階段。 1972年,康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4 dB/km。 1973 年,美國貝爾(Bell)實驗室的光纖損耗降低到2.5dB/km。1974 年降低到1.1dB/km。 1976 年,日本電報電話(NTT)

5、公司將光纖損耗降低到0.47 dB/km(波長1.2m)。 在以后的 10 年中,波長為1.55 m的光纖損耗: 1979 年是0.20 dB/km,1984年是0.157 dB/km,1986 年是0.154 dB/km, 接近了光光纖最低損耗的理論極限纖最低損耗的理論極限。 2021/2/66 1970 年年,光纖通信用光纖通信用光源光源取得了實質(zhì)性的進展取得了實質(zhì)性的進展 1970年,美國貝爾實驗室、日本電氣公司(NEC)和前蘇聯(lián)先后,研制成功室溫下室溫下連續(xù)振蕩連續(xù)振蕩的鎵鋁砷(GaAlAs)雙異質(zhì)結(jié)半導體激光器(短波長)。雖然壽命只有幾個小時,但它為半導體激光器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 1

6、973 年,半導體激光器壽命達到7000小時。 1976年,日本電報電話公司研制成功發(fā)射波長為1.3 m的銦鎵砷磷(InGaAsP)激光器。 1977 年,貝爾實驗室研制的半導體激光器壽命達到10萬小時。 1979年美國電報電話(AT&T)公司和日本電報電話公司研制成功發(fā)射波長為1.55 m的連續(xù)振蕩半導體激光器。 由于光纖和半導體激光器的技術(shù)進步由于光纖和半導體激光器的技術(shù)進步,使使 1970 年成為光纖通信發(fā)展的一個重年成為光纖通信發(fā)展的一個重要里程碑要里程碑2021/2/67 實用實用光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展的發(fā)展 1976 年,美國在亞特蘭大(Atlanta)進行了世界上第一個實

7、用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)世界上第一個實用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗場試驗。 1980 年,美國標準化FT - 3光纖通信系統(tǒng)投入商業(yè)應(yīng)用。 1976 年和 1978 年,日本先后進行了速率為34 Mb/s的突變型多模光纖通信系統(tǒng), 以及速率為100 Mb/s的漸變型多模光纖通信系統(tǒng)的試驗。 1983年敷設(shè)了縱貫日本南北的光纜長途干線。 隨后,由美、日、 英、法發(fā)起的第一條橫跨大西洋 TAT-8海底光纜通信系統(tǒng)于1988年建成。 第一條橫跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光纜通信系統(tǒng)于1989年建成。從此,海底光纜通信系統(tǒng)的建設(shè)得到了全面展開,促進了全球通信網(wǎng)的發(fā)展。2021/2/68光纖通信的發(fā)展可

8、以粗略地分為三個階段光纖通信的發(fā)展可以粗略地分為三個階段: 第一階段(19661976年),這是從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的開發(fā)時期。 第二階段(19761986年),這是以提高傳輸速率和增加傳輸距離為研究目標和大力推廣應(yīng)用的大發(fā)展時期。 第三階段(19861996年),這是以超大容量超長距離為目標、全面深入開展新技術(shù)研究的時期。2021/2/69 1.1.3 國內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀國內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀 1976年美國在亞特蘭大進行的現(xiàn)場試驗?zāi)昝绹趤喬靥m大進行的現(xiàn)場試驗,標志著光纖通信從基礎(chǔ)研究發(fā)展到了標志著光纖通信從基礎(chǔ)研究發(fā)展到了商業(yè)應(yīng)用的新階段商業(yè)應(yīng)用的新階段。 此后,光纖通信技術(shù)不斷

9、創(chuàng)新:光纖從多模發(fā)展到單模多模發(fā)展到單模,工作波長從0.85 m發(fā)展到1.31 m和1.55 m(短波長向長波長短波長向長波長）,傳輸速率傳輸速率從幾十Mb/s發(fā)展到幾十Gb/s。 隨著技術(shù)的進步和大規(guī)模產(chǎn)業(yè)的形成,光纖價格不斷下降光纖價格不斷下降,應(yīng)用范圍不斷擴大。 目前光纖已成為信息寬帶傳輸?shù)闹饕劫|(zhì),光纖通信系統(tǒng)將成為未來國家信息基礎(chǔ)設(shè)施的支柱。 在許多發(fā)達國家在許多發(fā)達國家,生產(chǎn)光纖通信產(chǎn)品的行業(yè)已在國民經(jīng)濟中占重要地位生產(chǎn)光纖通信產(chǎn)品的行業(yè)已在國民經(jīng)濟中占重要地位。2021/2/610光纖通信整體發(fā)展時間表光纖通信整體發(fā)展時間表1974 1976 1978 1980 1982 198

10、4 1986 1988 1990 1992 100000 10000 1000 100 10 1 0.1 0.8m多模1.3m單模1.55m直接檢測光孤子光放大器1.55m相干檢測系統(tǒng)性能(Gb/sKm）2021/2/6111.2 光纖通信的優(yōu)點和應(yīng)用光纖通信的優(yōu)點和應(yīng)用 1.2.1 光通信與電通信光通信與電通信 通信系統(tǒng)的傳輸容量傳輸容量取決于對載波調(diào)制的頻帶寬度頻帶寬度,載波頻率越高載波頻率越高,頻帶寬度越頻帶寬度越寬寬。光通信的主要特點光通信的主要特點 載波頻率高載波頻率高;頻帶寬度寬頻帶寬度寬（圖 1.1 ） 光通信利用的傳輸媒質(zhì)光通信利用的傳輸媒質(zhì)-光纖光纖,可以在寬波長范圍內(nèi)獲得很

11、小的損耗?？梢栽趯挷ㄩL范圍內(nèi)獲得很小的損耗。 （圖 1.2 ）2021/2/612圖 1.1 部分電磁波頻譜100 THz10 THz1 THz100 GHz10 GHz1 GHz100 MHz10 MHz1 MHz1 m可見光線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)亞毫米波遠紅外線近紅外線(光纖通信用）頻率波長名稱紫外線2021/2/613圖 1.2 各種傳輸線路的損耗特性 10001001010.110 M標準同軸38 mm海底同軸光纖100 M1 G10 G

12、100 G1 T10 T100 T 1000 T頻率/HzM：(注)G：T：1061091012傳輸損耗/(dBkm1)51 mm波導器2021/2/614 1.2.2 光纖通信的光纖通信的優(yōu)點優(yōu)點 容許頻帶很寬容許頻帶很寬,傳輸容量很大傳輸容量很大 損耗很小損耗很小, 中繼距離很長且誤碼率很小中繼距離很長且誤碼率很小 重量輕、重量輕、 體積小體積小 抗電磁干擾性能好抗電磁干擾性能好 泄漏小泄漏小, 保密性能好保密性能好 節(jié)約金屬材料節(jié)約金屬材料, 有利于資源合理使用有利于資源合理使用2021/2/615世界上三大著名的光纖光纜公司美國的西電公司、康寧公司和日本的住友公司,光導纖維產(chǎn)量每年都在

13、12萬千米以上。 2021/2/616 1.2.3 光纖通信的光纖通信的應(yīng)用應(yīng)用 光纖可以傳輸數(shù)字信號,也可以傳輸模擬信號。光纖在通信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)與計算機網(wǎng),以及在其它數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中, 都得到了廣泛應(yīng)用。光纖寬帶干線傳送網(wǎng)和接入網(wǎng)發(fā)展迅速, 是當前研究開發(fā)應(yīng)用的主要目標。 光纖通信的各種應(yīng)用可概括如下: 通信網(wǎng)通信網(wǎng) 構(gòu)成因特網(wǎng)的計算機局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)構(gòu)成因特網(wǎng)的計算機局域網(wǎng)和廣域網(wǎng) 有線電視網(wǎng)的干線和分配網(wǎng)有線電視網(wǎng)的干線和分配網(wǎng) 綜合業(yè)務(wù)光纖接入網(wǎng)綜合業(yè)務(wù)光纖接入網(wǎng)市級城市的一二級電信主干市級城市的一二級電信主干,銀行銀行,部隊部隊,郵局郵局,鐵路等鐵路等的電信局域網(wǎng)的電信局域網(wǎng)2021/

14、2/617 ATMInternet骨干網(wǎng)骨干網(wǎng)DDN/ FRPSTN/ISDNTV業(yè)務(wù)分配節(jié)點業(yè)務(wù)分配節(jié)點 (COT)(COT)業(yè)務(wù)接入節(jié)點（業(yè)務(wù)接入節(jié)點（RTRT）網(wǎng)管網(wǎng)管SNMP與電信網(wǎng)管中心相連Q3100/1000ME1/BRA/PRA155M622M SDH典型應(yīng)用之一:寬帶綜合業(yè)務(wù)光纖接入系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)2021/2/618典型應(yīng)用之二:作為校園網(wǎng)的骨干傳輸網(wǎng)2021/2/6191.3 光纖通信系統(tǒng)的基本組成光纖通信系統(tǒng)的基本組成 下圖示出單向傳輸?shù)墓饫w通信系統(tǒng),包括發(fā)射發(fā)射、接收接收和作為廣義信道的基本光光纖傳輸系統(tǒng)纖傳輸系統(tǒng)。信息源電發(fā)射機光發(fā)射機光接收機電接收機信息宿基本光纖傳輸系

15、統(tǒng)光纖線路接 收發(fā) 射電信號輸入光信號輸出光信號輸入電信號輸出2021/2/620 基本光纖傳輸系統(tǒng)的三個組成部分基本光纖傳輸系統(tǒng)的三個組成部分)( 1)(lg10)(mvmvpdBmp2021/2/621電信號對光的調(diào)制的實現(xiàn)方式電信號對光的調(diào)制的實現(xiàn)方式 直接調(diào)制直接調(diào)制 用電信號直接調(diào)制半導體激光器或發(fā)光二極管的驅(qū)動電流,使輸出光隨電信號變化而實現(xiàn)的。 這種方案技術(shù)簡單,成本較低,容易實現(xiàn),但調(diào)制速率受激光器的頻率特性所限制。 外調(diào)制外調(diào)制 把激光的產(chǎn)生和調(diào)制分開,用獨立的調(diào)制器調(diào)制激光器的輸出光而實現(xiàn)的。 外調(diào)制的優(yōu)點是調(diào)制速率高,缺點是技術(shù)復雜,成本較高,因此只有在大容量的波分復用和

16、相干光通信系統(tǒng)中使用。 2021/2/622 圖 1.5兩種調(diào)制方案 (a) 直接調(diào)制; (b) 間接調(diào)制(外調(diào)制) 激光源驅(qū)動器光纖光信號輸出電信號輸入(a)激光源調(diào)制器驅(qū)動和控制電信號輸入光纖光信號輸出(b)2021/2/623 2. 光纖線路光纖線路 是把來自光發(fā)射機的光信號是把來自光發(fā)射機的光信號,以盡可能小的畸變以盡可能小的畸變(失真失真)和衰減傳輸?shù)焦饨邮蘸退p傳輸?shù)焦饨邮諜C機光纖光纖、光纖接頭光纖接頭和光纖連接器光纖連接器 普通石英光纖在近紅外波段,除雜質(zhì)吸收峰外,其損耗隨波長的增加而減小,在0.85 m、1.31 m和1.55 m有三個損耗很小的波長“窗口”,見后圖。激光器的發(fā)

17、射波長激光器的發(fā)射波長和光電二極管的波長響應(yīng)光電二極管的波長響應(yīng),都要和光纖這三個波長窗口窗口相一致。 目前在實驗室條件下,1.55 m的損耗已達到0.154 dB/km, 接近石英光纖損耗的理論極限。2021/2/6240.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5衰減（衰減（dB/km）第一窗口第一窗口第二窗口第二窗口波長波長（m）普通單模光纖的衰減隨波長變化示意圖普通單模光纖的衰減隨波長變化示意圖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2021/2/6252021/2/626 1.3.3

18、數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng)用參數(shù)取值離散的信號(如脈沖的有和無、電 平的高和低等)代表信息,強調(diào)的是信號和信息之間的一一對應(yīng)關(guān)系; 則用參數(shù)取值連續(xù)的信號代表信息,強調(diào)的是變換過程中信號和信息之間的線性關(guān)系。 這種基本特征決定著兩種通信方式的優(yōu)缺點和不同時期的發(fā)展趨勢。2021/2/627 數(shù)字通信系統(tǒng)的數(shù)字通信系統(tǒng)的如下如下: 抗干擾能力強,傳輸質(zhì)量好。 可以用再生中繼,傳輸距離長。 適用各種業(yè)務(wù)的傳輸,靈活性大。 容易實現(xiàn)高強度的保密通信。 數(shù)字通信系統(tǒng)大量采用數(shù)字電路,易于集成,從而實現(xiàn)小型化、微型化,增強設(shè)備可靠性,有利于降低成本。 模擬通信系統(tǒng)的模擬通信系統(tǒng)

19、的 占用帶寬較窄外,電路簡單易于實現(xiàn)、價格便宜等。2021/2/628第六章第六章 其它現(xiàn)代檢測方法其它現(xiàn)代檢測方法一、光纖傳感技術(shù)一、光纖傳感技術(shù)涂敷層涂敷層- 材料材料:硅酮或丙烯酸鹽硅酮或丙烯酸鹽- 隔離雜光。隔離雜光。1. 光纖的基本結(jié)構(gòu)光纖的基本結(jié)構(gòu)主體主體 - 纖芯與包層纖芯與包層對稱柱體光學纖維對稱柱體光學纖維光纖（光纖（Optic fiber） - 光導纖維光導纖維纖芯纖芯 - 石英玻璃石英玻璃;直徑直徑:575m;材料材料:二氧化硅（主體）二氧化硅（主體）,摻雜其摻雜其他微量元素他微量元素 - 提高折射率提高折射率纖芯、包層、涂敷層、護套纖芯、包層、涂敷層、護套- 多層介質(zhì)結(jié)

20、構(gòu)多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)包層包層 - 直徑直徑:100200m;材料材料:二氧化硅（主體）二氧化硅（主體）- 折射率略低折射率略低于纖芯。于纖芯。護套護套 - 材料材料:尼龍尼龍/其他有機材料其他有機材料 - 提高機械強度提高機械強度,保護光纖保護光纖特殊場合特殊場合:沒有涂敷層和護套沒有涂敷層和護套 - 裸纖裸纖2021/2/629光纖測量技術(shù)光纖測量技術(shù) - 20世紀世紀70年代中期年代中期特點特點 - 靈敏度高、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、易彎曲、靈敏度高、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、易彎曲、 耐腐蝕、抗電磁干擾及抗輻射性能好、便于遠距離遙測耐腐蝕、抗電磁干擾及抗輻射性能好、便

21、于遠距離遙測光通信技術(shù)光通信技術(shù)光纖測量技術(shù)光纖測量技術(shù) - 以光波為載體以光波為載體,光纖為媒質(zhì)來感知和傳輸外界被測信號光纖為媒質(zhì)來感知和傳輸外界被測信號- 全反射全反射2. 光線的傳播光線的傳播折射率折射率:纖芯纖芯 - n1 包層包層 - n2 n1 n2 3. 光纖測量光纖測量位移、壓力、溫度、位移、壓力、溫度、電流等電流等2021/2/6304. 4. 光纖傳感器的應(yīng)用光纖傳感器的應(yīng)用 金門大橋是美國最著名的橋梁,主橋1,966米,主跨1,280米,建成于1937年,保持了27年是世界最大跨徑的橋梁的記錄。70歲南京長江二橋是我國目前跨徑最大的斜拉橋。由南、北汊大橋和南岸、八卦洲及北

22、岸引線組成。其中,南汊大橋為鋼箱梁斜拉橋,橋長2938米,其中主跨628米,該跨徑目前居同類橋型中國內(nèi)第一,世界第三 。1999年1月4日,重慶市綦江縣連接老城和新城的虹橋像往常一樣迎接節(jié)后第一天忙碌返家的人流,也默默地迎接著自己出生以來的兩年零222天。它當然不知道,這是它的最后一天。 2001年11月6日晨4時30分左右,宜賓南門大橋突然發(fā)生懸索及橋面部分斷裂事故,造成兩死兩傷。 光學傳感器1989年美國布朗大學的門德斯等人首先提出了將光纖傳感器用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和建筑檢測的可能性。隨后加拿大的Rotest公司研制出了白光法布里珀羅光纖傳感器,該公司將這種傳感器用于橋梁結(jié)構(gòu)中的的應(yīng)力、應(yīng)變

23、、結(jié)構(gòu)振動、結(jié)構(gòu)損傷程度、裂縫的發(fā)生與發(fā)展等內(nèi)部狀態(tài)的檢測。1234n水1.33 n玻璃1.51.9 n金剛石2.42。 當光由光密物質(zhì)出射至光疏物質(zhì)時,發(fā)生折射 5介質(zhì)介質(zhì)2（折射率（折射率n2）介質(zhì)介質(zhì)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反射角入射角發(fā)生全反射為臨界入射角，此時，當)1(12arcsin12sin902ccnncnnc折射角大于入射角8.2 光光 纖纖 傳傳 感感 器器 一、一、 概述概述 光纖傳感器是20世紀70年代中期發(fā)展起來的一門新技術(shù), 它是伴隨著光纖及光通信技術(shù)的發(fā)展

24、而逐步形成的。 光纖傳感器與傳統(tǒng)的各類傳感器相比有一系列優(yōu)點,光導纖維(光纖) 光纖傳感器具有如下優(yōu)點: (1) 與其他傳感器相比,它具有很高的靈敏度。 (2) 頻帶寬動態(tài)范圍大。 (3) 結(jié)構(gòu)簡單,可撓曲,體積小, 重量輕耗能少。 (4)如不受電磁干擾, 靈敏度高, 耐腐蝕,電絕緣、 防爆性好。 (5)便于與計算機和光纖傳輸系統(tǒng)相連,易于實現(xiàn)系統(tǒng)的遙測和控制。 (6)可用于高溫、高壓、強電磁干擾、腐蝕等各種惡劣環(huán)境。 它能用于溫度、 壓力、應(yīng)變、位移、速度、加速度、磁、電、聲和PH值等各種物理量的測量, 具有極為廣泛的應(yīng)用前景。 二、二、 光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理 1 光纖的

25、結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu) 光導纖維簡稱為光纖, 目前基本上還是采用石英玻璃, 其結(jié)構(gòu)示于圖8 - 27。 中心的圓柱體叫纖芯, 圍繞著纖芯的圓形外層叫做包層。纖芯和包層主要由不同摻雜的石英玻璃制成。纖芯的折射率n1略大于包層的折射率n2, 在包層外面還常有一層保護套, 多為尼龍材料。光纖的導光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì), 而光纖的機械強度由保護套維持。 纖纖芯芯包包層層保護保護套套光纖的結(jié)構(gòu) 纖芯 core:折射率較高,用來傳送光; 包層 coating:折射率較低,與纖芯一起形成全反射條件; 保護套 jacket:強度大,能承受較大沖擊,保護光纖。 2 光纖的傳輸原理光纖的傳輸原理 眾所周知, 光在空

26、間是直線傳播的。 在光纖中, 光的傳輸限制在光纖中, 并隨光纖能傳送到很遠的距離, 光纖的傳輸是基于光的全內(nèi)反射。 設(shè)有一段圓柱形光纖, 如圖8 - 28所示, 它的兩個端面均為光滑的平面。 當光線射入一個端面并與圓柱的軸線成角時, 根據(jù)折射定律, 在光纖內(nèi)折射成, 然后以 角入射至纖芯與包層的界面。若要在界面上發(fā)生全反射, 則纖芯與界面的光線入射角 應(yīng)大于臨界角 c, 即2222222222221(21sin021arcsin0210)12(110)(sin11sin)(sin11cos1sin1sin12sin12sin290sin. 2sin1nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnon

27、nnnnnncccc）即：當光纖所處環(huán)境為空氣即：又：所以：由于為臨界入射角）（式（） 結(jié)論:只要入射光的入射角滿足式（）光纖內(nèi)部反復逐次發(fā)生全內(nèi)反射, 直至傳播到另一端面。實際工作時需要光纖彎曲, 但只要滿足全反射條件, 光線仍繼續(xù)前進?？梢娺@里的光線“轉(zhuǎn)彎”實際上是由光的全反射所形成的。 說明光纖集光本領(lǐng)的術(shù)語叫數(shù)值孔徑NA, 即021sin22nnnNAc數(shù)值孔徑反映纖芯接收光量的多少。表明:無論光源發(fā)射功率有多大,只要入射角處于光錐腳內(nèi),光纖才能導光如入射角過大,光線便從包層逸出產(chǎn)生漏光越大,表明集光能力越強這有利于耦合效率的提高, 但數(shù)值孔徑過大, 會造成光信號畸變, 所以要適當選擇

28、數(shù)值孔徑的數(shù)值。 輸入輸入輸入輸入輸出輸出輸出輸出低數(shù)值孔徑低數(shù)值孔徑NA高數(shù)值孔徑高數(shù)值孔徑NANANA外徑一般為外徑一般為125um(一根頭發(fā)平均一根頭發(fā)平均100um)內(nèi)徑內(nèi)徑:單模單模9um 多模多模50/62.5um單模單模 一種光纖類型一種光纖類型,光以單一路徑通過這種光纖。以激光器為光源。光以單一路徑通過這種光纖。以激光器為光源。 多多模模 一種光纖類型一種光纖類型,光以多重路徑通過這種光纖。以發(fā)光二極管或激光器光以多重路徑通過這種光纖。以發(fā)光二極管或激光器為光源。為光源。 12595012562.5125光纖的尺寸2021/2/6512021/2/652傳播損耗 損耗原因:光纖

29、纖芯材料的吸收、散射,光纖彎曲處的輻射損耗等的影響 0201IAalgI傳播損耗（單位為dB） 式中, I光纖長度; a單位長度的衰減; I0光導纖維輸入端光強; I光導纖維輸出端光強。光纖的分類 按材料分類: 玻璃光纖:纖芯與包層都是玻璃,損耗小,傳輸距離長,成本高; 膠套硅光纖:纖芯是玻璃,包層為塑料,特性同玻璃光纖差不多,成本較低; 塑料光纖:纖芯與包層都是塑料,損耗大,傳輸距離很短,價格很低。多用于家電、音響,以及短距的圖像傳輸。 光纖傳感器可以分為兩大類: 一類是功能型（傳感型）傳感器; 另一類是非功能型（傳光型）傳感器。功能型傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件, 被測量對

30、光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M行調(diào)制, 使傳輸?shù)墓獾膹姸取⑾辔?、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化, 再通過對被調(diào)制過的信號進行解調(diào), 從而得出被測信號。 三、三、 光纖傳感器光纖傳感器光源光源光敏元件光敏元件被測對象被測對象測得信息測得信息光導纖維光導纖維功能型傳感器非功能型傳感器是利用其它敏感元件感受被測量的變化, 光纖僅作為信息的傳輸介質(zhì)。 光源光源光敏元件光敏元件被測對象被測對象測得信息測得信息光導纖維光導纖維敏感元件敏感元件傳光型傳感器1:光強調(diào)制型光纖傳感器 光纖微彎曲位移和壓力傳感器是光強調(diào)制型光纖傳感器的一個典型例子。它是基于光纖微彎而產(chǎn)生的彎曲損耗原理制成的。微彎曲損耗的機理可用圖6.16中光纖微

31、彎對傳播光的影響來說明。假如光線在光纖的直線段以大于臨界角射入界面（c）,則光線在界面上產(chǎn)生全反射。理想情況下,光將無衰減地在纖芯內(nèi)傳播。當光線射入微彎曲段的界面上時,入射角將小于臨界角（ c ）。這時,一部分光在纖芯和包層的界面上反射;另一部分光則透射進入包層,從而導致光能的損耗?；谶@一原理,人們研制成了光纖微彎曲傳感器（如圖8-29所示）。圖8-29 光纖微彎對傳播光的影響 01c1 c1 cn1 n2包層n2纖芯n1 該傳感器由兩塊波形板（變形器）構(gòu)成,其中一塊是活動板,另一塊是固定板。波形板一般采用尼龍、有機玻璃等非金屬材料制成。一根階躍型多模光纖（或漸變型多模光纖）從一對波形板之間

32、通過。當活動板受到微擾（位移或壓力）作用時,光纖就會發(fā)生周期性微彎曲,引起傳播光的散射損耗,使光在芯模中重新分配: 一部分光從芯模（傳播模）耦合到包層模（輻射模）;另一部分光反射回芯模。當活動板的位移或壓力增加時,泄漏到包層的散射光隨之增大;相反,光纖芯模的輸出光強度就減小。參見圖8-30。于是光強就受到了調(diào)制。通過檢測泄漏出包層的散射光強度或光纖芯透射光強度就能測出位移（或壓力）信號。 圖8-30 光纖微彎曲位移（壓力）傳感器原理圖 位移(壓力)活動板光纖輸出光固定板輸入光1008060402000.51.01.52.0外力 / N透射光強 / %圖8-31 光纖芯透射光強度與外力的關(guān)系 光纖微彎曲傳感器的一個突出優(yōu)點是光功率維持在光纖內(nèi)部,這樣就可以免除周圍環(huán)境污染的影響,適宜在惡劣環(huán)境中使用。另外,它還有靈敏度較高（能檢測小至100Pa的壓力變化）、結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)范圍寬、線性度較好、性能穩(wěn)定