光纖傳感技術(shù)課件：光纖傳感技術(shù)的基本概念

光纖傳感技術(shù)的基本概念1.1光纖的基本概念1.2光纖傳感器概述1.3光纖傳感器的工作原理1.4光纖傳感器件

1.1光纖的基本概念

1.1.1光纖的結(jié)構(gòu)

光纖的完整名稱叫做“光導(dǎo)纖維（OpticalFiber）”，由能傳導(dǎo)光波的石英玻璃纖維外加保護(hù)層構(gòu)成。石英玻璃纖維是用純石英經(jīng)特殊工藝?yán)傻募?xì)絲，相對于金屬導(dǎo)線而言,它具有重量輕、線徑細(xì)的特點(diǎn)。石英玻璃纖維透明、纖細(xì)，雖比頭發(fā)絲還細(xì)，卻具有把光封閉在其中并沿軸向進(jìn)行傳播的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，它由折射率較高的纖芯和折射率較低的包層組成，為了保護(hù)光纖，包層外往往還覆蓋保護(hù)層加以保護(hù)，其中纖芯的芯徑一般為50μm或62.5μm，而加上包層后直徑一般為125μm。如上所述，光纖是由纖芯和包層兩部分組成的，如圖1-1所示。纖芯完成光信號的傳輸；包層則用來將光封閉在纖芯內(nèi)，保護(hù)纖芯，并增加光纖的機(jī)械強(qiáng)度。目前，通信光纖的纖芯和包層的主體材料都是石英玻璃，但由于兩區(qū)域的摻雜情況不同，因而折射率也不同。纖芯的折射率一般是1.463～1.467（根據(jù)光纖的種類而異），包層的折射率一般為1.45～1.46。也就是說，纖芯的折射率比包層的折射率稍微大一些。圖1-1光纖的結(jié)構(gòu)1.1.2光纖的分類

(1)按傳輸模式分類。光纖維傳輸中的一個重要性能就是模式分布。模式是指傳輸線橫截面和縱截面的電磁場結(jié)構(gòu)圖形，即電磁波的分布情況。一般來說，不同的模式有不同

的場結(jié)構(gòu)，且每一種傳輸線都有一個與其對應(yīng)的基?；蛑?/p>

模。根據(jù)光纖能傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)目，可將其分為單模光纖和多模光纖。單模光纖（SingleModeFiber，見圖1-2），就是指在給定的工作波長上只能傳輸一種模式，即只能傳輸主模態(tài)的光纖，其內(nèi)芯很小，直徑約8μm~10μm。由于只能傳輸一種模式，因此可以完全避免模式色散，使得傳輸頻帶很寬，傳輸容量很大。這種光纖適用于大容量、長距離的光纖通信，是未來光纖通信和光波技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。圖1-2單模光纖多模光纖（MultiModeFiber，見圖1-3），是指在給定的工作波長上能以多個模式同時傳輸?shù)墓饫w。多模光纖能承載成百上千種的模式。由于不同的傳輸模式具有不同的傳輸速度和相位，因此在長距離的傳輸之后會產(chǎn)生延時，導(dǎo)致光脈沖變寬，這種現(xiàn)象就是光纖模間色散（或模態(tài)色散）。由于多模光纖具有模間色散的特性，可以使得多模光纖的帶寬變窄，降低了其傳輸容量，因此僅適用于較小容量的光纖通信。圖1-3多模光纖

(2)按材料分類，光纖可分為石英系光纖、多組分玻璃光纖、塑料包層石英芯光纖、全塑光纖和氟化物光纖等。其中，全塑光纖是用高度透明的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯（有機(jī)玻璃）制成的。它的特點(diǎn)是制造成本低廉，芯徑較大，與光源的耦合效率高，耦合進(jìn)光纖的光功率大，使用方便；但由于損耗較大，帶寬較小，這種光纖只適用于短距離低速率通信，如短距離計算機(jī)網(wǎng)鏈路、船舶內(nèi)通信等。目前通信中普遍使用的是石英系光纖。（3）按最佳傳輸頻率窗口分類，光纖可分為常規(guī)型單模光纖和色散位移型單模光纖。

常規(guī)型單模光纖是指光纖生產(chǎn)廠家將光纖傳輸頻率最佳化在單一波長的光上，如1.3mm的光色散位移型單模光纖是指光纖生產(chǎn)廠家將光纖傳輸頻率最佳化在兩個波長的光上，如1.3mm和1.55mm的光。

常規(guī)單模光纖在1.31mm處的色散比在1.55mm處的色散要小得多，這種光纖如工作在1.55mm波長區(qū)，雖然損耗較低，但由于色散較大，會給高速光通信系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響。

色散位移光纖（DSF）可以對色散進(jìn)行補(bǔ)償，使光纖的零色散點(diǎn)從1.31mm處移到1.55mm附近，故這種光纖又稱為1.55mm零色散單模光纖，代號為G653。

G653光纖是單信道、超高速傳輸?shù)睦硐雮鬏斆浇?，現(xiàn)在已用于通信干線網(wǎng)，特別是用于超高速率、長中繼距離的海纜通信系統(tǒng)中。色散位移光纖雖然是用于單信道、超高速傳輸很理想的傳輸媒介，但在用于波分復(fù)用多信道傳輸時，又會由于光纖的非線性效應(yīng)而對傳輸信號產(chǎn)生干擾。特別是在色散為零的波長附近，干擾尤為嚴(yán)重。為此，人們又研制出了一種非零色散位移光纖，即G655光纖，這種光纖將光纖的零色散點(diǎn)移到1.55mm工作區(qū)以外的1.60mm以后或在1.53mm以前，但在1.55mm波長區(qū)內(nèi)仍保持很低的色散。這種非零色散位移光纖不僅可用于現(xiàn)在的單信道、超高速傳輸，還適應(yīng)于將來用波分復(fù)用擴(kuò)容，是一種既滿足當(dāng)前需要，又兼顧將來發(fā)展的理想傳輸媒介。

(4)按折射率分布分類，光纖可分為階躍型和漸變型。

階躍型光纖是指光纖的纖芯折射率高于包層折射率，使得輸入的光能在纖芯與包層的交界面上不斷產(chǎn)生全反射而前進(jìn)。這種光纖纖芯的折射率是均勻的，包層的折射率稍低一些。光纖中心到玻璃包層的折射率是突變的，所以稱為階躍型折射率多模光纖，簡稱階躍光纖，也稱突變光纖。這種光纖的傳輸模式很多，各種模式的傳輸路徑不一樣，經(jīng)傳輸后到達(dá)終點(diǎn)的時間也不相同，因而會產(chǎn)生時延差，使光脈沖受到展寬。所以這種光纖的模間色散高，傳輸頻帶不寬，傳輸速率不能太高，通信效果不夠理想，只適用于短途低速通信。但單模光纖由于模間色散很小，所以單模光纖都采用突變型。這是研究開發(fā)較早的一種光纖，現(xiàn)在已逐漸被淘汰了。為了解決階躍光纖存在的弊端，人們又研制、開發(fā)了漸變折射率多模光纖，簡稱漸變型光纖。漸變型光纖是指光纖中心到玻璃包層的折射率逐漸變小，可使高次模的光按正弦形式傳播，減少模間色散，提高光纖帶寬，增加傳輸距離，但制造成本較高?，F(xiàn)在的多模光纖多為漸變型光纖。漸變型光纖的包層折射率分布與階躍型光纖一樣，是均勻分布的。漸變型光纖的纖芯折射率中心最大，沿纖芯半徑方向逐漸減小。由于高次模和低次模的光線分別在不同的折射率層界面上按折射定律產(chǎn)生折射后進(jìn)入低折射率層中，因此，光的行進(jìn)方向與光纖軸方向所形成的角度將逐漸變小。同樣的過程不斷發(fā)生，直至光在某一折射率層產(chǎn)生全反射，而使光改變方向，朝中心較高的折射率層行進(jìn)。這時，光的行進(jìn)方向與光纖軸方向所構(gòu)成的角度在各折射率層中每折射一次，其值就增大一次，最后達(dá)到中心折射率最大的地方。在這之后和上述完全相同的過程不斷重復(fù)進(jìn)行，由此實現(xiàn)了光波的傳輸?？梢钥闯?，光在漸變光纖中會自動地進(jìn)行調(diào)整，從而最終到達(dá)目的地，這叫做自聚焦。（5）按工作波長分類，光纖可分為短波長光纖、長波長光纖和超長波長光纖。目前在實際應(yīng)用中常用光纖的規(guī)格：單模的為8μm/125μm、9μm/125μm、10μm/125μm；多模的為50μm/125μm（歐洲標(biāo)準(zhǔn)）、62.5μm/

125μm(美國標(biāo)準(zhǔn))。工業(yè)、醫(yī)療和低速網(wǎng)絡(luò)：100μm/

140μm、200μm/230μm。塑料光纖：98μm/1000μm

(用于汽車控制)。國際上流行的布線標(biāo)準(zhǔn)EIA/TIA-568A和ISO11801推薦使用三種光纖，即62.5μm/125μm多模光纖、

50μm/125μm多模光纖和8.3μm/125μm單模光纖。1.1.3光纖的主要特性

1.物理特性

在一般的光纖網(wǎng)絡(luò)中均采用兩根光纖（作用于不同傳輸方向）組成傳輸系統(tǒng)。按波長范圍（近紅外范圍內(nèi)）可分為三種：0.85μm短波長區(qū)（0.8μm～0.9μm）、1.3μm長波長區(qū)(1.25μm～1.35μm)和1.55μm長波長區(qū)（1.53μm～1.58μm）。不同的波長范圍，光纖的損耗特性也不同，其中，0.85μm波長區(qū)采用多模光纖通信方式，1.55μm波長區(qū)采用單模光纖通信方式，1.3μm波長區(qū)采用多模和單模兩種方式。

2.傳輸特性

光纖通過內(nèi)部的全反射來傳輸一束經(jīng)過編碼的光信號，內(nèi)部的全反射可以在任何折射指數(shù)高于包層媒體折射指數(shù)的透明媒體中進(jìn)行。光纖的數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)吉比特每秒（Gb/s）級，信號損耗和衰減非常小，傳輸距離可達(dá)數(shù)十千米，是長距離傳輸?shù)睦硐雮鬏斀橘|(zhì)。

3.連通性

光纖普遍用于點(diǎn)到點(diǎn)的鏈路。由于光纖具有功率損失和衰減小的特性，并且具有較大的帶寬潛力，因此一段光纖能夠支持的分接頭數(shù)比雙絞線或同軸電纜多得多。

4.地理范圍

從目前的技術(shù)來看，光纖可以在6km～8km的距離內(nèi)不用中繼器傳輸，因此光纖適合于在幾個建筑物之間通過點(diǎn)到點(diǎn)的鏈路連接局域網(wǎng)絡(luò)。

5.抗干擾性

光纖具有不受電磁干擾和噪聲影響的特征，適宜在長距離內(nèi)保持高數(shù)據(jù)傳輸率，而且能夠提供很好的安全性。

由于光纖通信具有損耗低、頻帶寬、數(shù)據(jù)傳輸率高、抗電磁干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，對高速率、距離較遠(yuǎn)的局域網(wǎng)也很適用。目前采用波分復(fù)用（WavelengthDivisionMultiplexing，WDM）技術(shù)可以在一條光纖上復(fù)用多路傳輸，每路使用不同的波長。

1.2光纖傳感器概述

1.2.1光纖傳感器的定義

光纖傳感器（OpticalFiberTransducer）是利用光導(dǎo)纖維的傳光特性，把被測量的變化轉(zhuǎn)換為光特性(強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)、頻率、波長)變化的傳感器。光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，待測參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如強(qiáng)度、波長、頻率、相位、偏正態(tài)等）發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號光，再經(jīng)過光纖送入光探測器解調(diào)，而后獲得被測參數(shù)。光纖傳感器的基本工作原理見圖1-4。圖1-4光纖傳感器工作原理示意圖1.2.2光纖傳感器的分類

光纖傳感器技術(shù)是最近幾年出現(xiàn)的新技術(shù)，可以用來測量多種物理量，比如聲場、電場、壓力、溫度、角速度、加速度等，還可以完成現(xiàn)有測量技術(shù)難以完成的測量任務(wù)。在狹小的空間，強(qiáng)電磁干擾和高電壓的環(huán)境中，光纖傳感器都顯示出了獨(dú)特的能力。根據(jù)光纖在傳感器中的作用，可以將光纖傳感器分為功能型（傳感型）傳感器、非功能型（傳光型）傳感器和拾光型傳感器三大類。

1.功能型傳感器

功能型傳感器利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制，使傳輸?shù)墓獾膹?qiáng)度、相位、頻率頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化，再通過對被調(diào)制過的信號進(jìn)行解調(diào)，得到被測信號，其結(jié)構(gòu)示意如圖1-5所示。在功能型光纖傳感器中，光纖不僅是導(dǎo)光媒質(zhì)，也是敏感元件，光在光纖內(nèi)會受被測量的調(diào)制。

功能型光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高；缺點(diǎn)是須用特殊光纖，成本高。其典型應(yīng)用有：光纖陀螺光纖陀螺、光纖水聽器等。圖1-5功能型傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

2．非功能型傳感器

非功能型傳感器利用其他敏感元件感受被測量的變化量，光纖僅作為信息的傳輸介質(zhì)，常采用單模光纖，其結(jié)構(gòu)示意如圖1-6所示。

非功能型光纖傳感器無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實現(xiàn)，且成本較低，但是，其靈敏度較低。圖1-6非功能型傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

3．拾光型光纖傳感器

拾光型光纖傳感器用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射或被其反射、散射的光，其結(jié)構(gòu)示意如圖1-7所示。典型例子如光纖激光多普勒速度計、輻射式光纖溫度傳感器等。

此外，根據(jù)被測對象對光的調(diào)制形式，又可以將光纖傳感器分為強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器、偏振調(diào)制型光纖傳感器、頻率調(diào)制型光纖傳感器和相位調(diào)制型光纖傳感器四種類型。圖1-7拾光型傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

1）強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器

強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器是一種利用被測對象的變化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強(qiáng)度發(fā)生變化來實現(xiàn)敏感測量的傳感器?？衫霉饫w的微彎損耗，各物質(zhì)的吸收特性，振動膜或液晶的反射光強(qiáng)度的變化，物質(zhì)因各種粒子射線或化學(xué)、機(jī)械的激勵而發(fā)光的現(xiàn)象，以及物質(zhì)的熒光輻射或光路的遮斷等來構(gòu)成壓力、振動、溫度、位移、氣體等各種強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器。

這種光纖傳感器的結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)、成本低，但

受光源強(qiáng)度波動和連接器損耗變化等影響較大。

2）偏振調(diào)制型光纖傳感器

偏振調(diào)制型光纖傳感器是一種利用光偏振態(tài)變化來傳遞被測對象信息的傳感器?？衫霉庠诖艌雒劫|(zhì)中傳播的法拉第效應(yīng)制成電流、磁場傳感器；利用光在電場中的壓電晶體內(nèi)傳播的泡克爾斯效應(yīng)制成電場、電壓傳感器；利用物質(zhì)的光彈效應(yīng)構(gòu)成壓力、振動或聲傳感器；以及利用光纖的雙折射性構(gòu)成溫度、壓力、振動等傳感器。這類傳感器可以避免光源強(qiáng)度變化的影啊，因此靈敏度高。

3）頻率調(diào)制型光纖傳感器

頻率調(diào)制型光纖傳感器是一種利用單色光射到被測物體上反射回來的光的頻率發(fā)生變化來進(jìn)行監(jiān)測的傳感器。有利用運(yùn)動物體反射光和散射光的多普勒效應(yīng)的光纖速度、流速、振動、壓力、加速度傳感器；利用物質(zhì)受強(qiáng)光照射時的喇曼散射構(gòu)成的測量氣體濃度或監(jiān)測大氣污染的氣體傳感器；以及利用光致發(fā)光的溫度傳感器等。

4）相位調(diào)制型傳感器

相位調(diào)制型傳感器的基本原理是利用被測對象對敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致光的相位發(fā)生變化，使兩束單色光所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變化，通過檢測干涉條紋的變化量來確定光的相位變化量，從而得到被測對象的信息。常見的有利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動傳感器；利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場傳感器；利用電致伸縮的電場、電壓傳感器以及利用光纖薩格納克（Sagnac）效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器（光纖陀螺）等。這類傳感器的靈敏度很高。但由于須用特殊光纖及高精度檢測系統(tǒng)，因此其成本較高。近年來，各種傳感器都向著精確度高、靈敏度高、適應(yīng)性強(qiáng)、智能化、小巧的方向發(fā)展。在這個快速發(fā)展的過程中，光纖傳感器這個新成員已經(jīng)受到了大家的青睞。

光纖傳感器具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，例如：它可以在耐腐蝕、耐高溫、耐水的環(huán)境中工作；可以在對人體健康有害的地方或者是人無法到達(dá)的地方使用；它有抗原子輻射和抗電磁干擾的獨(dú)特性能，而且質(zhì)量很輕、質(zhì)地柔軟且徑細(xì)；它可以絕緣，對其他電器沒有感應(yīng)等。

表1-1對比了上述各類型的光纖傳感器。

1.3光纖傳感器的工作原理

1.3.1光電/電光效應(yīng)

1.光電效應(yīng)及其規(guī)律

在光(包括不可見光)的照射下,從物體中發(fā)射出電子的現(xiàn)象,叫做光電效應(yīng)。在光電效應(yīng)中發(fā)射出來的電子,叫做光電子。光電效應(yīng)有如下規(guī)律：（1）對任何一種金屬,都存在一極限頻率。入射光的頻率必須大于這個極限頻率,才能產(chǎn)生光電效應(yīng)；

（2）光電子的最大初動能隨著入射光頻率的增大而增大,與入射光的強(qiáng)度無關(guān)；

（3）入射光照射到金屬上時,光電子的發(fā)射幾乎是瞬時的(一般不超過10－9s)；

（4）當(dāng)入射光的頻率大于極限頻率時,光電流的強(qiáng)度與入射光的強(qiáng)度成正比。

2．光電效應(yīng)方程

（1）最大初動能。發(fā)生光電效應(yīng),電子克服金屬原子核的引力逸出時其動能大小是不同的。金屬表面上的電子吸收光子后逸出時動能的最大值,稱為最大初動能。

（2）逸出功。電子吸收光子的能量后,可能向各個邊方向運(yùn)動,有的向金屬內(nèi)部運(yùn)動,有的向外運(yùn)動,由于路程不同,電子逃逸出來時損失的能量也不同,因而它們離開金屬表面時的初動能不同。只有直接從金屬表面飛出來的電子的初動能最大,這時光電子克服原子核的引力所做的功叫這種金屬的逸出功。（3）極限頻率。對于某種金屬，逸出功W一定,故入射光的頻率越大,光電子的最大初動能也越大；若入射光的頻率比較低,使得hν<W,就不能產(chǎn)生光電效應(yīng)；若hν=W,這時光子的頻率就是發(fā)生光電效應(yīng)的極限頻率。不同金屬的逸出功不同,故它們的極限頻率不同。

（4）光電效應(yīng)方程。根據(jù)能量守恒定律，光電子的最大初動能跟入射光子的能量hν和逸出功W的關(guān)系為（1.3-1）

2.電光效應(yīng)

在電場作用下，某些各向同性的透明介質(zhì)變?yōu)楦飨虍愋裕瑥亩构猱a(chǎn)生雙折射的現(xiàn)象稱為電光效應(yīng)。其中，折射率變化與外加電場成正比的效應(yīng)稱為泡克爾斯效應(yīng)，又稱一階電光效應(yīng)或線性電光效應(yīng)。折射率變化與外加電場的平方成正比的效應(yīng)稱為克爾效應(yīng)，即二階電光效應(yīng)。通常，一階電光效應(yīng)比二階電光效應(yīng)強(qiáng)很多。本節(jié)只介紹一階電光效應(yīng),即泡克爾斯效應(yīng)的作用。晶體的兩端設(shè)有電極，并在兩極間加一個電場。外加電場平行于通光方向，這種運(yùn)用稱為縱向運(yùn)用或縱向調(diào)制。對于KDP（磷酸二氫鉀）類晶體，晶體折射率的變化Δn與電場E的關(guān)系由下式給定：（1.3-2）其中，no為晶體尋常光折射率，γ63是KDP晶體的縱向運(yùn)用電光系數(shù)。兩正交的平面偏振光穿過厚度為l的晶體后，光程差為其中，U=El是加在晶體上的縱向電壓。當(dāng)折射率變化引起的相位變化為π時，稱此電壓為半波電壓Uλ/2。晶體的縱向半波電壓為(1.3-4)當(dāng)晶體的通光方向垂直于外加電場時稱為橫向運(yùn)用，這時產(chǎn)生的電光效應(yīng)稱為橫向電光效應(yīng)。晶體中兩正交的平面偏振光由于電光效應(yīng)產(chǎn)生的相位差為

（1.3-5）

其中，γc是有效電光系數(shù)，l是光傳播方向的晶體長度，d是電場方向晶體的厚度。晶體的橫向半波電壓由下式給定：

(1.3-6)

晶體的半波電壓與晶體的幾何尺寸有關(guān)，通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整電光晶體的d/l的比值（稱為縱橫比），可以降低半波電壓的數(shù)值，這是橫向調(diào)制的一大優(yōu)點(diǎn)。

利用泡克爾斯效應(yīng)可以制作出調(diào)制器、光開關(guān)等光學(xué)

器件。1.3.2磁光效應(yīng)

一束入射光進(jìn)入具有固有磁矩的物質(zhì)內(nèi)部或者在物質(zhì)界面反射時，光波的傳播特性，如偏振面、相位或者散射特性會發(fā)生變化，這個物理現(xiàn)象稱為磁光效應(yīng)。磁光效應(yīng)是光與具有磁矩的物質(zhì)相互作用而產(chǎn)生的一系列現(xiàn)象。磁光效應(yīng)包括法拉第效應(yīng)、克爾效應(yīng)、塞曼效應(yīng)、磁線振雙折射等。法拉第效應(yīng)和克爾效應(yīng)是研究最多、應(yīng)用最廣的磁光效應(yīng)。

1.法拉第效應(yīng)

1845年，英國物理學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)一束線偏振光沿外磁場方向通過玻璃后，透射光的偏振面發(fā)生了旋轉(zhuǎn)。這是歷史上首次發(fā)現(xiàn)磁光效應(yīng)。法拉第效應(yīng)的大小用法拉第旋轉(zhuǎn)角來描述。光線透射后能使偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)稱為旋光物質(zhì)(如石英晶體、酒石酸溶液等)，旋光物質(zhì)又有左旋物質(zhì)和右旋物質(zhì)之分。當(dāng)一束光線偏振光沿正反兩個方向透射過某旋光物質(zhì)時，透射光的偏振面的旋轉(zhuǎn)方向是相反的，因而旋光物質(zhì)是一種互易性旋光物質(zhì)，一般旋光物質(zhì)都具有這種特性。而發(fā)生法拉第效應(yīng)的物質(zhì)其旋轉(zhuǎn)方向與入射光的傳播方向無關(guān)，是由磁場的方向決定的，當(dāng)光線正反兩次透射過該物質(zhì)時，透射光的偏振面的偏轉(zhuǎn)角將加倍，這就是法拉第效應(yīng)的非互易性。法拉第效應(yīng)的應(yīng)用非常廣泛，可用于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究和光譜學(xué)等領(lǐng)域，利用法拉第磁光效應(yīng)原理可制作光隔離器、回轉(zhuǎn)器、磁光開關(guān)和環(huán)行器等磁光器件。

2.克爾效應(yīng)

1877年，克爾發(fā)現(xiàn)鐵磁體對反射光的偏振狀態(tài)也會產(chǎn)生影響，這就是磁光克爾效應(yīng)。由于介質(zhì)中磁化強(qiáng)度的方向不同，磁光克爾效應(yīng)包括三種情況：

（1）縱向克爾效應(yīng)，即磁化強(qiáng)度既平行于介質(zhì)表面又平行于光線的入射面時的克爾效應(yīng)；

（2）極向克爾效應(yīng)，即磁化強(qiáng)度與介質(zhì)表面垂直時發(fā)生的克爾效應(yīng)；

（3）橫向克爾效應(yīng)，即磁化強(qiáng)度與介質(zhì)表面平行時發(fā)生的克爾效應(yīng)。克爾效應(yīng)最重要的應(yīng)用是觀察鐵磁材料中的磁疇，不同的磁疇有不同的自發(fā)磁化方向，因而引起反射光振動面的不同旋轉(zhuǎn)，通過偏振片觀察反射光時，將觀察到與各磁疇對應(yīng)的明暗不同的區(qū)域，用此方法還可對磁疇變化進(jìn)行靜態(tài)或動態(tài)觀察。另外，磁光克爾效應(yīng)對于磁光存儲技術(shù)的研究有著極其重要的作用。

3.塞曼效應(yīng)

塞曼效應(yīng)是荷蘭物理學(xué)家塞曼在1896年發(fā)現(xiàn)的。他發(fā)現(xiàn)，原子光譜線在外磁場作用下可分裂成若干條譜線，分裂的條數(shù)隨能級的類別而不同，隨后洛倫茲在理論上解釋了譜線分裂的原因。塞曼效應(yīng)證實了原子磁矩的空間量子化，為研究原子結(jié)構(gòu)提供了重要途徑。塞曼效應(yīng)也可以用來測量天體的磁場。1908年，美國天文學(xué)家海爾等人利用塞曼效應(yīng)，首次測量到了太陽黑子的磁場。

4.科頓-穆頓效應(yīng)

科頓-穆頓效應(yīng)是1907年由科頓和穆頓共同發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)光的傳播方向與磁場垂直時，平行于磁場方向的線偏振光的相速不同于垂直于磁場方向的線偏振光的相速，因此將產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象稱為科頓-穆頓效應(yīng)，故科頓-穆頓效應(yīng)也稱為磁線振雙折射效應(yīng)。弗克脫在氣體中也發(fā)現(xiàn)了同樣的效應(yīng)，稱弗克脫效應(yīng)，它比前者要弱得多。當(dāng)介質(zhì)對兩種互相垂直的振動有不同的吸收系數(shù)時，就表現(xiàn)出二向色性的性質(zhì)，稱為磁線振二向色性效應(yīng)。1.3.3聲光效應(yīng)

超聲波通過介質(zhì)時會造成介質(zhì)局部壓縮和伸長而產(chǎn)生彈性應(yīng)變，該應(yīng)變隨時間和空間作周期性變化，使介質(zhì)出現(xiàn)疏密相間的現(xiàn)象，如同一個相位光柵。當(dāng)光通過這一受到超聲波擾動的介質(zhì)時就會發(fā)生衍射現(xiàn)象，其衍射光的強(qiáng)度、頻率、方向等都隨著超聲場的變化而變化，這種現(xiàn)象稱為聲光效應(yīng)。

按照聲波頻率的高低以及聲波和光波作用長度的不同，聲光相互作用可以分為拉曼-納斯衍射和布拉格衍射兩種類型。

1.拉曼-納斯衍射

當(dāng)超聲頻率較低，光波平行于聲波面入射（即垂直于聲場傳播方向），聲光相互作用長度較短時，在光波通過介質(zhì)的時間內(nèi)，折射率的變化可以忽略不計，聲光介質(zhì)可近似看做為相對靜止的“平面相位光柵”，產(chǎn)生拉曼-納斯衍射。由于聲速比光速小得多，而且聲波長比光波長大得多，當(dāng)光波平行通過介質(zhì)時，幾乎不通過聲波面，因此只受到相位調(diào)制，即通過光密（折射率大）部分的光波波陣面將推遲，而通過光疏（折射率?。┎糠值墓獠ú嚸鎸⒊?，于是，通過聲光介質(zhì)的平面波波陣面出現(xiàn)凹凸現(xiàn)象，變成一個折皺曲面。由出射波陣面上各子波源發(fā)出的次波將發(fā)生相干作用，形成與入射方向?qū)ΨQ分布的多級衍射光，這就是拉曼-納斯衍射。

2.布拉格衍射

當(dāng)聲波頻率較高，聲波作用長度較大，而且光束與聲波波面間以一定的角斜入射時，光波在介質(zhì)中要穿過多個聲波面，故介質(zhì)具有“體光柵”的性質(zhì)。當(dāng)入射光與聲波面間夾角滿足一定條件時，介質(zhì)內(nèi)各級衍射光會相互干涉，各高級次衍射光將互相抵消，只出現(xiàn)0級和+1級或（-1級）（視入射光的方向而定）衍射光，即產(chǎn)生布拉格衍射。

因此，若能合理選擇參數(shù)，并使超聲場足夠強(qiáng)，可使入射光能量幾乎全部轉(zhuǎn)移到+1級（或-1級）衍射極值，從而使光束能量可以得到充分利用。所以，利用布拉格衍射效應(yīng)制成的聲光器件可以獲得較高的效率。1.3.4彈光效應(yīng)

1.彈光效應(yīng)

由機(jī)械應(yīng)力引起的材料的折射率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為彈光效應(yīng)。當(dāng)沿晶體主軸方向加單向機(jī)械應(yīng)力σ時，沿此方向折射率n要發(fā)生變化，其表達(dá)式為

n=n0+a′σ+b′σ2(1.3-7)

式中，n0為初始折射率，a′、b′為常數(shù)。

改變σ的方向，物體就由受拉變成受壓，相應(yīng)的n值也隨之發(fā)生變化，所以各向同性材料無一級電光效應(yīng)，但有彈光效應(yīng)。(1.3-8)代入熔石英的彈光張量和主應(yīng)變張量，有（1.3-12）（1.3-13）（1.3-14）（1.3-15）

3．張力作用下彎曲光纖的彈光效應(yīng)

實際應(yīng)用中經(jīng)常把光纖纏繞在某一圓柱形物體上，這樣就不可避免地存在張力對雙折射的影響。在某些場合下，可人為地加上較強(qiáng)的張力以增加光纖的雙折射，使光纖具有保偏光纖的特性。保偏光纖的傳輸線偏振光廣泛應(yīng)用于航天、航空、航海、工業(yè)制造技術(shù)及通信等國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域。在以光學(xué)相干檢測為基礎(chǔ)的干涉型光纖傳感器中，使用保偏光纖能夠保證線偏振方向不變，提高相干信噪比，以實現(xiàn)對物理量的高精度測量。如圖1-8所示，由于光纖縱向存在張力，除彎曲引起的縱向應(yīng)變外還存在平均應(yīng)變代表縱向平均應(yīng)力，E為彈性模量，因此可以得到縱向應(yīng)力表達(dá)式(1.3-20)圖1-8光纖彎曲時F與σ的變化關(guān)系在圖1-8中，考慮到截取出的該段光纖其靜力平衡，可以導(dǎo)出縱向平均應(yīng)力與F的關(guān)系：(1.3-21)其中,F代表縱向應(yīng)力的合力，a為光纖包層的半徑,R為光纖彎曲半徑。體積力的表達(dá)式為(1.3-22)（1.3-24）在纖芯內(nèi)，

r=0，將極坐標(biāo)系變換為直角坐標(biāo)系，有纖芯應(yīng)力差為（1.3-26）（1.3-25）

1.光學(xué)的多普勒效應(yīng)

設(shè)觀察者的運(yùn)動速度為vB，c為光速，那么單位時間內(nèi)觀察者的運(yùn)動距離為vB，觀察者的接收頻率為ν′，光源頻率為ν0。那么ν′指觀察者在單位時間內(nèi)接收到的光波的數(shù)目。分兩種情況進(jìn)行討論。

(1)波源靜止，觀察者運(yùn)動。首先假定觀察者向波源運(yùn)動。在這種情況下，觀察者在單位時間內(nèi)所接收到的完全波的數(shù)目比靜止時要多。這是因為，在單位時間內(nèi)，原來位于觀察者處的波陣面向右傳播了c的距離，同時觀察者自己向左運(yùn)動了vB的距離，這就相當(dāng)于波通過觀察者的總距離為vB+c,因而這時在單位時間內(nèi)，觀察者所接收的波的數(shù)目為即（1.3-27）（1.3-28）當(dāng)觀察者遠(yuǎn)離波源運(yùn)動時，同理，取負(fù)(—)號。

(2)波源運(yùn)動，觀察者靜止。波源運(yùn)動時，仍按自己的頻率發(fā)射波，在一個周期T內(nèi)，波傳播了cT距離，波源位置由S1運(yùn)動到了S2，移過距離為vsT。由于波源的運(yùn)動，使波長變小了，則實際波長為（1.3-29）由于觀察者靜止，所以其接收到的頻率就是波的頻率為即（1.3-31）（1.3-30）此時觀察者接收的頻率大于波源的頻率。當(dāng)波源遠(yuǎn)離觀察者運(yùn)動時，取正(+)號。

2.薩格納克效應(yīng)

薩格納克效應(yīng)揭示了同一條光路中兩束相同傳播光的光程差與其旋轉(zhuǎn)速度之間的解析關(guān)系，即同一光源同一光路下，兩束相同傳播光之間的光程差或相位差與其光學(xué)系統(tǒng)相對于慣性空間旋轉(zhuǎn)的角速度成正比。它最早是由法國人Sagnac于1913年發(fā)現(xiàn)并得到實驗證實的。

1）圓形光路軌道的情況

由相對論可知，光在一個運(yùn)動介質(zhì)中的傳播速度為(1.3-32)其中，c為真空中的光速，n為介質(zhì)折射率，v為介質(zhì)運(yùn)動速度。如圖1-9所示，該圓形光軌道由N匝光纖構(gòu)成。光源發(fā)出的光進(jìn)入光路，經(jīng)A點(diǎn)的分離（或合路）器BS分成逆時針和順時針方向的兩路光(分別稱為R、L光)。圖1-9圓形光路軌道Sagnac效應(yīng)對于順時針方向的R光，由式（1.3-32）可得，其到達(dá)時間tR為（1.3-33）（1.3-34）同樣可求得逆時針方向的L光到達(dá)時間tL為故可得，兩路光到達(dá)的時間差Δt為設(shè)光的角頻率為ω，波長為λ，則兩路光的相位差Δθ為（1.3-35）其中，l=2πNa為光纖長度。

2)任意形狀光路軌道的情況

如圖1-10所示，光路上任一點(diǎn)沿傳播方向的線微分矢量

dl=udl′，其中，

u為切向單位矢量，dl′為dl′的模。

設(shè)光路系統(tǒng)以O(shè)點(diǎn)為中心，以垂直于紙面的角速度Ω旋轉(zhuǎn)，其在u方向的線速度分量為vs=V·u，其中v為沿Ω方向的線速度矢量，且v=Ω×r，r為由O點(diǎn)到任意點(diǎn)的矢徑。對于R光，由式（1.3-33）可得，對應(yīng)線微分dl′的時間微分dtR為（1.3-36）圖1-10任意形狀光路軌道Sagnac效應(yīng)

3.光纖陀螺原理

第一個光纖陀螺（FOG）由Vali和R.W.Shorthill于1976年研制成功，它標(biāo)志著第二代光學(xué)陀螺——光纖陀螺的誕生（第一代光學(xué)陀螺為激光陀螺）。與機(jī)電陀螺或激光陀螺相比，光纖陀螺具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）零部件少，無運(yùn)動部件，儀器牢固穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的耐沖擊和抗加速運(yùn)動的能力；

（2）光纖線圈增長了激光束的檢測光路，使檢測靈敏度和分辨率比激光陀螺提高了好幾個數(shù)量級，有效地克服了激光陀螺的閉鎖問題；（3）無機(jī)械傳動部件，不存在磨損問題，具有較長的使用壽命；

（4）相干光束的傳播時間極短，可瞬間啟動；

（5）易于采用集成光路技術(shù)，信號穩(wěn)定可靠，可直接用數(shù)字輸出，并可與計算機(jī)接口連接；

（6）具有較寬的動態(tài)范圍；

（7）可與環(huán)形激光陀螺一起使用，構(gòu)成各種慣導(dǎo)系統(tǒng)的傳感器，尤其是級聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的傳感器；

（8）結(jié)構(gòu)簡單、價格低、體積小、質(zhì)量小。光纖陀螺一問世就以其明顯的優(yōu)點(diǎn)、靈活的結(jié)構(gòu)及誘人的前景，引起了世界上許多國家的大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)的重視。光纖陀螺的基本原理是薩格納克效應(yīng)，不同類型的光纖陀螺只是所采用的相位解調(diào)方式不同，或者對光纖陀螺的噪聲補(bǔ)償方法不同而已。下面以干涉型光纖陀螺（I-FOG）為例來介紹其原理結(jié)構(gòu)，如圖1-11所示。圖1-11光纖陀螺原理結(jié)構(gòu)示意圖來自光源的光束通過分束器分成了兩束光，這兩束光分別從光纖線圈（光纖纏繞在半徑為R的環(huán)上）兩端耦合進(jìn)入光纖傳感線圈并反向傳輸。從光纖線圈兩端射出來的兩束光，通過合束器后又重新復(fù)合，并產(chǎn)生干涉。如果光纖線圈處在靜止?fàn)顟B(tài)，則從光纖線圈兩端出來的兩束光的相位差為零。如果光纖線圈以角速度ω旋轉(zhuǎn)，則這兩束光會由于薩格納克效應(yīng)而產(chǎn)生相位差，其值由式（1.3-35）確定。

設(shè)l為光纖長度，a為陀螺圓形軌道半徑，光源波長為λ，由式（1.3-35）可以確定Δθ－Ω的關(guān)系。對上述原理模型和解析關(guān)系做如下說明：

（1）根據(jù)式（1.3-35），為了獲得高靈敏特性，在光路軌道形狀一定的情況下，可以通過適當(dāng)?shù)卦黾庸饫w圈數(shù)，即增加l來提高相位與角速度的比值Δθ/Ω。受到陀螺幾何尺寸的限制，光纖長度不能無限增加，應(yīng)根據(jù)具體情況而定。（2）必須保證系統(tǒng)光路具有理想的互易特性，即當(dāng)陀螺處于靜止?fàn)顟B(tài)時，沿光路互為反向的兩路光束不存在任何形式的相位差。

（3）光電探測器接收到的光強(qiáng)I（或光電流id）與薩格納克相位差存在以下關(guān)系：I(或id)∝cos(Δθ)。容易求得在Δθ=±π/2處獲得最大檢測靈敏度。為此，需要給系統(tǒng)提供一個π/2的固定相位偏差。這也是解決陀螺旋轉(zhuǎn)方向識別的一個有效手段。就原理而言，可以將光纖陀螺分為干涉型光纖陀螺、諧振腔光纖陀螺、布里淵光纖陀螺、鎖模光纖陀螺及Fabry-Perot（法珀）光纖陀螺；就其結(jié)構(gòu)而言，可將其分為開環(huán)光纖陀螺和閉環(huán)光纖陀螺；從相位解調(diào)方式來分，可將其分為相位差偏置式光纖陀螺、光外差式光纖陀螺及延時調(diào)制式光纖陀螺。干涉型光纖陀螺的結(jié)構(gòu)與光纖薩格納克干涉儀相同。由式（1.3-35）可知，它將角速度ω的測量轉(zhuǎn)化為相位差Δθ，再通過相位解調(diào)技術(shù)，把光相位的直接測量轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)度測量，這樣就能方便地測量出薩格納克相位變化。干涉型光纖陀螺是光線光纖陀螺中最早研究的，目前已廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海等諸多領(lǐng)域。I-FOG中的光纖線圈一般都用單模光纖和保偏光纖制作。用保偏光纖制作光纖線圈可得到高性能FOG。

I-FOG分為開環(huán)和閉環(huán)兩種類型，分別如圖1-12和圖1-13所示。開環(huán)式I-FOG直接檢測干涉后的薩格納克相移，主要用作角速度傳感器。這種光纖陀螺結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，但是線性度差，動態(tài)范圍小。閉環(huán)式I-FOG利用反饋回路，由相位調(diào)制器引入與薩格納克相移等值反向的非互易相移，是一種較精密且復(fù)雜的FOG，主要用于中等精度的慣導(dǎo)系統(tǒng)。圖1-12開環(huán)式I-FOG原理圖圖1-13閉環(huán)式I-FOG原理圖

1.4光纖傳感器件

1.4.1光纖連接器

1.光纖連接器的結(jié)構(gòu)與種類

光纖(纜)連接器（全稱為光纖活動連接器）不僅是實現(xiàn)光纖(纜)之間活動連接的光無源器件，還具有將光纖(纜)與其他無源器件、光纖(纜)與系統(tǒng)和儀表進(jìn)行活動連接的功能。

1)光纖連接器的結(jié)構(gòu)

光纖連接器采用某種機(jī)械和光學(xué)結(jié)構(gòu)使兩根光纖的纖芯對準(zhǔn)，保證90%以上的光能夠通過。目前有代表性并且正在使用的光纖連接器主要有五種結(jié)構(gòu)。

（1）套管結(jié)構(gòu)。套管結(jié)構(gòu)連接器由插針和套筒組成。

（2）雙錐結(jié)構(gòu)。雙錐結(jié)構(gòu)連接器利用了錐面定位的原理。（3）V形槽結(jié)構(gòu)。V形槽結(jié)構(gòu)光纖連接器利用V形槽基座和蓋板使兩個插針及纖芯對準(zhǔn)，如圖1-14所示。圖1-14V形槽結(jié)構(gòu)（4）球面定心結(jié)構(gòu)。球面定心結(jié)構(gòu)由兩部分組成，一部分是裝有精密鋼球的基座，另一部分是裝有圓錐面(相當(dāng)于車燈的反光鏡)的插針。

（5）透鏡耦合結(jié)構(gòu)。透鏡耦合又稱遠(yuǎn)場耦合，可分為球透鏡耦合和自聚焦透鏡耦合兩種，分別如圖1-15和圖1-16

所示。圖1-15球透鏡耦合結(jié)構(gòu)圖1-16自聚焦透鏡耦合

2）光纖連接器的種類

光纖連接器的品種、型號很多，其中有代表性的有FC、ST、SC、D4、雙錐、F-SMA、MT-RJ連接器,等等。下面主要對FC、ST和新型多芯光纖這幾種連接器作簡單的介紹。（1）FC型連接器。FC型連接器采用螺紋連接，外部零件采用金屬材料制作，是我國電信網(wǎng)采用的主要光纖連接器品種，我國已制定了FC型連接器的國家標(biāo)準(zhǔn)。（2）ST型連接器。ST型連接器采用帶鍵的卡口式鎖緊機(jī)構(gòu)，確保連接時準(zhǔn)確對中。

（3）新型多芯光纖連接器。隨著用戶通信網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大、WDM的普及、電信網(wǎng)/數(shù)據(jù)網(wǎng)的光纖化乃至多媒體大容量信息處理設(shè)備的發(fā)展，光纜向多芯、高密度方向深入發(fā)展，新型的光纖連接器在不斷出現(xiàn)，如帶狀多芯光纜需要的多芯光纖連接器-多芯帶狀光纖MT連接器。

2.光纖連接器的特性

評價一個連接器的指標(biāo)主要有四個，即插入損耗、回波損耗、重復(fù)性及互換性。

1）插入損耗

插入損耗是指光纖中的光信號通過活動連接器之后，其輸出光功率相對輸入光功率的比率的分貝數(shù)，表達(dá)式為

式中，Ac為連接器插入損耗，P0為輸入端的光功率，P1為輸出端的光功率。(1.4-1)

2）回波損耗

回波損耗又稱為后向反射損耗。它是指在光纖連接處，后向反射光功率對輸入光功率的比率的分貝數(shù)，表達(dá)式為

式中，Ar表示回波損耗，P0表示輸入光功率，PR表示后向反射光功率。

3）重復(fù)性

重復(fù)性是指光纖(纜)活動連接器多次插拔后插入損耗的變化，用dB表示。

4）互換性

互換性是指連接器各部件互換時插入損耗的變化，也用dB表示。

（1.4-2）1.4.2光纖耦合器

1.光纖耦合器的制作原理

制作光纖耦合器的方法有多種，大致可分為燒結(jié)（FUSH）、微光學(xué)式（MICRO·Optics）及光波導(dǎo)式（WaveGuide）等。下面主要介紹熔融拉錐法的原理。

熔融拉錐法就是將兩根(或兩根以上)除去涂覆層的光纖以一定的方式靠攏，在高溫加熱下熔融，同時向兩側(cè)拉伸，最終在加熱區(qū)形成雙錐體形狀的特殊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)傳輸光功率耦合的一種方法。

1）熔融拉錐型單模光纖耦合器

在單模光纖中，傳導(dǎo)模是兩個正交的基模(HE11)信號。其中，歸一化頻率為

（1.4-3）

式中，λ為光波的波長（μm），a為纖芯半徑。

2.光纖耦合器的特性

1）插入損耗

插入損耗(InsertionLoss，IL)定義為指定輸出端口的光功率相對全部輸入光功率的減少值。該值通常以分貝(dB)表示，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中，ILi為第i個輸出端口的插入損耗，Pouti是第i個輸出端口的光功率值，Pin是輸入端口的光功率值。（1.4-5）

2）附加損耗

附加損耗(ExcessLoss，EL)定義為所有輸出端口的光功率總和相對于全部輸入光功率的衰減值（差值），該值以分貝(dB)表示。附加損耗的數(shù)學(xué)表達(dá)式為（1.4-6）

3）分光比

分光比(CouplingRatio，CR)是光耦合器所特有的技術(shù)術(shù)語，它定義為耦合器各輸出端口的輸出功率相對輸出總功率的百分比，在具體應(yīng)用中常用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為

(1.4-7)

例如，對于標(biāo)準(zhǔn)X形耦合器，1∶1或50∶50代表了同樣的分光比，即輸出為均分的器件。

4）方向性

方向性也是光耦合器所特有的一個技術(shù)術(shù)語，它是衡

量器件定向傳輸性的參數(shù)。以標(biāo)準(zhǔn)X形耦合器為例，方向性定義為在耦合器正常工作時，輸入端非注入光端口的輸出光功率與總注入光功率的比值，以分貝(dB)為單位的數(shù)學(xué)表達(dá)式為（1.4-8）式中，Pin1代表總注入光功率，Pin2代表輸入端非注入光端口的輸出光功率。

5）均勻性

均勻性就是衡量均分器件的“不均勻程度”的參數(shù)。它定義為在器件的工作帶寬范圍內(nèi)，各輸出端口輸出功率的最大變化量，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

（1.4-9）

式中,MIN(Pout)為最小輸出光功率，MAX(Pout)為最大輸出光功率。

6）偏振相關(guān)損耗

偏振相關(guān)損耗(PolarizationDependentLoss，PDL)是衡量器件性能對于傳輸光信號的偏振態(tài)的敏感程度的參量。它是指當(dāng)傳輸光信號的偏振態(tài)發(fā)生360°變化時，器件各輸出端口輸出光功率的最大變化量：

在實際應(yīng)用中，光信號偏振態(tài)的變化是經(jīng)常發(fā)生的，因此，為了不影響器件的使用效果，往往要求器件有足夠小的偏振相關(guān)損耗。（1.4-10）

7）隔離度

隔離度是指某一光路對其他光路中的信號的隔離能力，隔離度高意味著線路之間的“串話”小，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中，Pt是某一光路輸出端測到的其他光路信號的功率值，Pin是被檢測光信號的輸入功率值。(1.4-11)1.4.3波分復(fù)用器

1.波分復(fù)用器的分類

1）光柵型

衍射光柵型波分復(fù)用器件是近年發(fā)展起來的。衍射光柵是利用硅襯底單晶各向異性腐蝕制作的光柵，比棱鏡分光具有更大的優(yōu)勢，是常用來制作波分復(fù)用器的主要分光元件。

2）波導(dǎo)陣列光柵型

圖1-17所示是一種波導(dǎo)陣列光柵型波分復(fù)用器件。它由輸入/輸出波導(dǎo)、空間耦合器和波導(dǎo)陣列光柵構(gòu)成。圖1-17波導(dǎo)陣列光柵型DWDM

3）光纖光柵

光纖光柵是利用光纖制造中的缺陷，用紫外光照射，使得光纖纖芯折射率分布呈周期性變化，在滿足布拉格光柵條件的波長上全反射，而讓其余波長通過，是一種全光纖陷波濾波器，如圖1-18所示。圖1-18光纖光柵濾波作用（1）干涉法。干涉法是利用雙光束干涉原理，將一束紫外光分成兩束平行光，并在光纖外形成干涉場，調(diào)節(jié)兩干涉臂長，使得形成的干涉條紋周期滿足制作光纖光柵的要求。（2）相位掩模法。相位掩模法是利用預(yù)先制作的模板，當(dāng)紫外光通過模板時產(chǎn)生干涉，從而在光纖圓柱面形成干涉場，將光柵寫入光纖。

2.波分復(fù)用器/解復(fù)用器的特性

1）復(fù)用器

以光信號波長為函數(shù)的復(fù)用器，可用于給定的輸入端口(1至N端口為輸入端口，0端口為輸出端口)。

2）解復(fù)用器

以光信號波長為函數(shù)的解復(fù)用器的主要光學(xué)特性有以下

幾點(diǎn)：

（1）中心波長(或通帶):λ1,λ2,…,λn+1。

（2）中心波長工作范圍:Δλ1，Δλ2，…,Δλn－1，Δλn。1.4.4光開關(guān)

1.光開關(guān)的種類

1）機(jī)械式光開關(guān)

機(jī)械式光開關(guān)是最傳統(tǒng)的光開關(guān)。一種實用化的機(jī)械式多模光纖光開關(guān)的插入損耗小于1dB，開關(guān)時間小于1ms。機(jī)械式開關(guān)分為以下三類：

（1）微光機(jī)電系統(tǒng)光開關(guān)。微光機(jī)電系統(tǒng)光開關(guān)是微光機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)與傳統(tǒng)光技術(shù)相結(jié)合的新型機(jī)械式光開關(guān)。

（2）毛細(xì)管效應(yīng)光開關(guān)。毛細(xì)管效應(yīng)光開關(guān)是采用了電毛細(xì)管效應(yīng)或熱毛細(xì)管效應(yīng)的光開關(guān)結(jié)構(gòu)。

（3）金屬薄膜光開關(guān)。金屬薄膜光開關(guān)使用了金屬膜與無源波導(dǎo)相結(jié)合的構(gòu)形，其結(jié)構(gòu)如圖1-19所示。圖1-19金屬薄膜光開關(guān)的結(jié)構(gòu)

2）液晶光開關(guān)

液晶光開關(guān)是指在硅襯底材料上制作出偏振光束分支波導(dǎo)，再把每個分支波導(dǎo)交叉點(diǎn)刻蝕成有一定角度的槽，槽內(nèi)裝上折射匹配的液晶，液晶槽下面是電熱器，從而實現(xiàn)光開/關(guān)的器件。

3）熱光效應(yīng)光開關(guān)

熱光效應(yīng)光開關(guān)是利用加熱光波導(dǎo)，改變光波導(dǎo)的折射率，引起主波導(dǎo)與需要的分支波導(dǎo)間的光耦合，從而實現(xiàn)光開/關(guān)的器件。

2.光開關(guān)的特性參數(shù)

1）插入損耗

插入損耗是指輸入與輸出端口之間光功率的減少，以分貝(dB)來表示，即

式中，P0為進(jìn)入輸入端的光功率，P1為輸出端接收的光功率。插入損耗與開關(guān)的狀態(tài)有關(guān)。(1.4-14)

2）回波損耗

回波損耗(也稱反射損耗或反射率)是指從輸入端返回的光功率與輸入光功率的比值，以分貝(dB)表示，即

式中，P0為進(jìn)入輸入端的光功率，P1為輸入端口接收到的返回光功率?；夭〒p耗與開關(guān)的狀態(tài)有關(guān)。(1.4-15)

3）隔離度

隔離度是指兩個相隔離輸出端口光功率的比值，以分貝(dB)來表示，即

（1.4-16）

式中，n、m為開關(guān)的兩個隔離端口(n≠m)，Pin是光從i端口輸入時n端口的輸出光功率，Pim是光從i端口輸入時在m端口測得的光功率。

4）遠(yuǎn)端串?dāng)_

遠(yuǎn)端串?dāng)_是指光開關(guān)接通端口的輸出光功率與串入另一端口的輸出光功率之間的比值。

5）近端串?dāng)_

近端串?dāng)_是指當(dāng)其他端口接終端匹配，連接的端口與另一個隔離的端口的光功率之比。

6）消光比

消光比是兩個端口處于導(dǎo)通和非導(dǎo)通狀態(tài)的插入損耗之差，即

(1.4-17)式中，ILnm為n、m端口導(dǎo)通時的插入損耗，IL0nm為n、m端口非導(dǎo)通時的插入損耗。1.4.5光隔離器

1.光隔離器的功能及原理

在光纖通信系統(tǒng)中總是存在著反向光，這些反向光的存在，會產(chǎn)生反射噪聲，入射光源又會引起光源擾動，使光路變得不穩(wěn)定，甚至無法進(jìn)行實際應(yīng)用。

光隔離器是一種只允許光沿一個方向通過，而在相反方向阻擋光通過的光無源器件。它的作用是防止光路中由于各種原因產(chǎn)生的反向光對光源以及光路系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。光隔離器是在兩個線偏振器（起偏器和檢偏器）中間加上一只法拉第旋轉(zhuǎn)器構(gòu)成的。

起偏器由偏振片或雙折射晶體構(gòu)成，實現(xiàn)由自然光得到偏振光；磁光晶體制成的法拉第旋轉(zhuǎn)器，完成對光偏振態(tài)的非互易調(diào)整；檢偏器實現(xiàn)將光線匯聚平行出射。不管光的傳播方向如何，迎著外加磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向觀察，偏振光總按順時針方向旋轉(zhuǎn)。這就是法拉第效應(yīng)的不可逆性。光隔離器的工作原理如下：如圖1-20所示，正向入射的信號光通過起偏器后成為線偏振光，法拉第旋磁媒質(zhì)與外磁場一起使信號光的偏振方向右旋45°，并恰好低損耗通過與起偏器成45°角的檢偏器。對于反向光，通過檢偏器的線偏振光經(jīng)過旋轉(zhuǎn)媒質(zhì)時，偏轉(zhuǎn)方向也右旋45°，從而使反向光的偏振狀態(tài)與起偏器方向正交，完全阻斷了反向光的傳輸。圖1-20光隔離器光隔離器是偏振相關(guān)的，其缺點(diǎn)是將產(chǎn)生損耗。為克服這種缺陷而開發(fā)了一種偏振無關(guān)的光隔離器，其結(jié)構(gòu)可以參考圖1-21所示的光環(huán)形器的原理。它首先用偏振分光鏡將輸入光分成兩束與偏振方向垂直的偏振光，這兩束偏振光通過各自的偏振器后再會合。光隔離器目前已得到廣泛應(yīng)用。圖1-21光環(huán)形器的傳光方向

2.光隔離器的評價指標(biāo)

1）插入損耗

光隔離器的插入損耗來源于偏振器和法拉第旋轉(zhuǎn)器。設(shè)P0為輸入光功率，P1為輸出光功率，則插入損耗IL定義為

（1.4-18）

高質(zhì)量的光隔離器的正向插入損耗應(yīng)在0.5(dB)以下，越小越好。

2）隔離度

隔離度一般是指反射傳輸光的損耗，也可以定義為

（1.4-19）

只是光從隔離器的反向輸入，隔離度越大越好。偏振器和法拉第旋轉(zhuǎn)器不理想將會使插入損耗增加，隔離度減小。實際應(yīng)用的單級光隔離器的隔離度一般只有36(dB)，不能滿足要求，可以選用雙級隔離器，隔離度將大于60(dB)。

3.光隔離器的應(yīng)用

光隔離器用在激光器與光纖之間。在光纖傳感系統(tǒng)中，光纖與激光耦合時,光源所發(fā)出的光通常以激光連接器的形式耦合到光纖線路中，活接頭處的光纖端面間隙會使約4%的反射光反射回光源。這類反射光的存在，使激光器的工作變得不穩(wěn)定，同時產(chǎn)生噪聲，從而影響激光器的穩(wěn)定性。為了消除反射光對激光器的影響，需要在激光器與光纖之間加光隔離器。1.4.6光環(huán)形器

1.光環(huán)形器的功能及原理

光環(huán)形器是只允許某端口的入射光從確定端口輸出而反射光從另一端口輸出的環(huán)形器件。如圖1-22所示，對于三個端口的環(huán)形器，端口1的輸入光信號只能從端口2輸出，而端口2的輸入光信號只能從端口3輸出。在光纖傳感系統(tǒng)中，通常是將光注入傳感光纖，并測量其后向反射光；傳統(tǒng)的方法是使用3(dB)的2×2耦合器，但這樣會導(dǎo)致6(dB)的損耗，而使用環(huán)形器則可避免這個損耗。光環(huán)形器和光隔離器的工作原理類似，只是光隔離器為雙端口器件，即一個輸入端口和一個輸出端口，而光環(huán)形器為多端口器件，常用的有三端口、四端口和六端口環(huán)形器。環(huán)形器的主要組成部件為雙折射分離元件、法拉第旋轉(zhuǎn)器和相位旋轉(zhuǎn)器。雙折射分離元件不僅能使入射光分離成相互正交的偏振光，而且兩者具有一定的分裂度，即在空間上可以分離開來。圖1-22是一種光環(huán)形器的原理圖。圖1-22（a）是前向傳輸原理圖。光束由端口1到端口2傳播的工作過程如下：入射光經(jīng)過雙折射分離元件1后，被分離成兩束，上束為垂直偏振光（也稱E光），下束為水平偏振光（也稱O光），經(jīng)過法拉第旋轉(zhuǎn)器和相位旋轉(zhuǎn)器分別旋轉(zhuǎn)45°后，上束變?yōu)樗狡窆猓率優(yōu)榇怪逼窆?，由于水平偏振光通過雙折射分離元件2時其偏振方向不變，且不發(fā)生折射，而垂直偏振光通過時發(fā)生折射，過程與分離元件1相反，因此光束在端口2處被合成后輸出。光束由端口2到端口3傳播的工作過程如圖1-22（b）所示。輸入光首先被靠近端口2的雙折射分離元件分成兩束正交偏振光，由于法拉第旋轉(zhuǎn)器的非互異性，相位旋轉(zhuǎn)器和法拉第旋轉(zhuǎn)器的作用相互抵消，因而兩個分量通過這兩個器件后偏振態(tài)保持不變，經(jīng)過靠近端口3的雙折射分離元件的分離后，它們已偏離了端口1的軸，兩束光線分別通過反射棱鏡和偏振分束立方體透鏡重新組合，并從端口3輸出。圖1-22光環(huán)形器的原理圖（Ａ）圖1-22光環(huán)形器的原理圖（Ａ）

2.光環(huán)形器的評價指標(biāo)

光環(huán)形器在光纖傳感領(lǐng)域的應(yīng)用，要求光環(huán)形器插入損耗低、隔離度高、器件體積小、環(huán)境性能好。其中光環(huán)形器的隔離度、插入損耗這兩項指標(biāo)最重要。

以三端口光環(huán)形器為例，插入損耗包括端口1到端口2的插入損耗和端口2到端口3的插入損耗，其定義與光隔離器中的相似。設(shè)P2為端口2的入射光功率，P1、P3分別為從端口1及端口3輸出的光功率，則隔離度I可定義為（1.4-20）1.4.7光纖光柵

光纖光柵是利用石英光纖的紫外光敏特性，將光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)直接做在光纖上形成的光纖波導(dǎo)器件。光纖光柵從結(jié)構(gòu)上可分為周期性結(jié)構(gòu)（如圖1-23所示）和非周期性結(jié)構(gòu)兩類。使用亞微米工藝實現(xiàn)周期結(jié)構(gòu)比較容易，但其特性受到限制；非周期結(jié)構(gòu)制造困難，但其特性容易滿足各種要求。光纖光柵是一種頻譜選擇元件，可構(gòu)成多種全光纖器件，如光纖激光器、光纖濾波器、光纖調(diào)制器等。圖1-23光纖光柵結(jié)構(gòu)圖

1.光纖光柵工作原理

光纖光柵從本質(zhì)上講是一種光學(xué)衍射光柵，如圖1-24所示，其特性可描述為

其中，n為介質(zhì)折射率，θ1、

θ2分別是入射光波和衍射光波與法線的夾角，p為衍射級次（通常一級衍射是主要的），λ為光波長，T為光柵周期。圖1-24光學(xué)衍射光柵由射線理論可知，光纖中模場的傳輸常數(shù)β=2πneff/λ，其中，neff=n1sinθ（其中，n1為纖芯折射率，θ是模場傳輸方向與z軸的夾角）為有效折射率，令p=－1，由光纖光柵特性方程，可得

即為光柵的相位匹配條件。其中，β1為入射模的縱向傳輸常數(shù)，β2為p=－1的一級衍射形成的模式縱向傳輸常