光纤传感技术及其应用12次课ppt课件

第四章光纤通信技术,光纤通信是一种“光通信”，以激光为信息载体，以光纤为传输介质的通信方式。,光纤通信系统的组成和分类,主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。其中 电端机(收、发部分)为常规的电子通信设备。,光发送机的作用是将电信号转换为光信号，并将生成的光信号注入光纤。光发送机一般由驱动电路、光源和调制器构成 光纤的作用是为光信号的传送提供传送媒介(信道)，将光信号由一处送到另一处 中继器分为电中继器和光中继器(光放大器)两种，其主要作用就是延长光信号的传输距离。,光源： 目前，在光纤通信系统获得应用的光源器件有两种，即发光二极管LED和激光二极管LD,光接收机,光检测器的功能：光信号的解（O/E） 光检测器的类型：PIN光电二极管、雪崩光电二极管（APD）,光纤连接器的三种端面接触形式： 平面型接触（FC,Flat Contact） PC型接触（PC,Physical Contact） APC型接触（APC,Angle Physical Contact）,连接器的品种、型号,1. FC系列连接器 FC型连接器是一种罗纹连接，外部零件采用金属材料制作的连接器。 2. SC系列连接器 即插拔式连接器，它的连接器方式是插拔耦合式. 3. ST型连接器 ST型连接器采用带键的卡口式锁紧机构。,二.光耦合器-三通或多通,耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个输出， 或把多个输入的光信号组合成一个输出。,T形耦合器 星形耦合器 定向耦合器 波分复用器WDM/解复用器,耦合器类型,耦合器基本结构的分类 光纤型 微器件型 波导型 波导型耦合器将是耦合器的发展的主要方向,三.光隔离器-二级管,四. 光衰减器-电阻,1.耦合型光衰减器。它是通过输入、输出光束对准偏差的控制来改变光耦合量的大小，从而达到改变衰减量的目的。如在光纤对光纤的准直结构中，通过控制两根光纤间的距离来得到不同的衰减。 2. 反射型光衰减器。它是在玻璃基片上镀简述薄膜作为衰减片。由膜层厚度的不同来改变反射量的大小，从而达到改变衰减量的目的。 3. 吸收型光衰减器。它是采用光学吸收材料制成衰减片，对光的作用主要是吸收和透射，其反射量很小。因而光线可垂直入射到衰减片上，从而可简化结构和工艺，使器件体积和重量变得更小。这种器件具有长期的稳定性。,五.光开关-开关,光开关的种类 1. 机械式光开关 机械式光开关是最传统的光开关。 2. 液晶光开关 液晶光开关是在硅衬底材料上制作出偏振光束分支波导，再把每个分支波导交叉点刻蚀成有一定角度的槽，槽内装上折射匹配的液晶，液晶槽下面是电热器。 3. 热光效应光开关 热光效应光开关是利用加热光波导，改变光波导的折射率，引起主波导与需要的分支波导间的光耦合，从而实现光开/关的器件。,六光滤波器-滤波器,光滤波器（多层介质薄膜谐振腔） 光滤波器（MZI型） 光滤波器（阵列波导光栅AWG） 可调谐光滤波器,第五章 光纤传感技术及其应用,光纤传感器(FOS),光纤传感器(FOS Fiber Optical Sensor)是20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。 光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。光纤传感技术是伴随着光通信技术的发展而逐步形成的。,光纤传感器可以这样定义：一种用来检测光在光纤中 传播时，因光纤的全部或部分环节所在环境(物理量或化学量或 生物量等)的变化带来的光传输特性改变的装置。,光纤传感器的发展与动态,70年代末，美最先发表FOS文章 1981年美召开光纤陀螺会议 1981年英第一届国际FOS会议 1984年西德第一届FOS会议 1986年美第三届FOS会议 1988年日本第四届FOS会议 1989年美第五届FOS会议 2000年意大利第十四届FOS会议,光纤传感器的特点,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。 光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量 光纤传感器技术是一门多学科性科学，它涉及知识面广泛，如纤维光学、光电技术、弹性力学、电磁学、电子技术和微型计算机应用等。,光纤传感器的原理,光纤的结构,开发某种目的新型光纤传惑器时，首先要掌握关于光纤本身 的基础知识,光纤传感器的原理,光纤传光原理 全反射,n1 n2 入射角,光纤传感器的原理,光纤传光与数值孔径,光纤的种类,光纤按纤芯和包层材料性质非类，有玻璃光纤和塑料光纤两类； 按折射率分有阶跃型和梯度型二种 按光纤的传播模式来分，可分为多模光纤和单模光纤二类。,光纤模式及其对光信号传输的影响,光纤的特性,信号通过光纤时的损耗和色散是光纤的主要特性。 传输损耗，由材料吸收和杂质散射等因素引起。有三个低损耗窗口：（1）0.85m附近，损耗24dB/km;（2）1.31 m附近，损耗约0.5dB/km;（3）1.55 m附近，损耗约0.2dB/km。 色散（Dispersion）：一般包括材料色散、模式色散、波导色散等，引起接收的信号脉冲展宽，从而限制了信息传输速率。,光导纤维的主要参数,1. 数值孔径（NA） 2. 光纤模式 3. 传播损耗,上一页,下一页,返 回,上一页,下一页,返 回,1. 数值孔径（NA）,反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。 意义：无论光源发射功率有多大，只有2i张角之内的光功率能被光纤接受传播。 大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。 但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。,2. 光纤模式,光波沿光导纤维传播的途径和方式 在光导纤维中传播模式很多对信息的传输是不利的，导致合成信号的畸变，因此我们希望模式数量越少越好。 阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量表示为,希望V小：d不能太大，n2与n1之差很小,3. 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,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。,光纤传感器结构原理,把被测量的状态转变为可测的光信号的装置,光纤传感器的工作原理，可以归纳为这样一个过程：通过置 于光路中的光调制器，将一个携带着待测信息(被测对象)的信 号叠加到载波光波上，承载信息的调制光波在光纤中传输，最后 由光探测系统解调，经信号处理后检测出所需要的待侧信号。,光纤传感器结构原理及分类 1、光纤传感器结构原理 以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接，见图(a)。,光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，见图(b)。,由光发送器发出的光经光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。,光是一种电磁波，其波长从极远红外的lmm到极远紫外线的10nm。它的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量E的振动，即 A电场E的振幅矢量；光波的振动频率； 光相位；t光的传播时间。 可见，只要使光的强度、偏振态(矢量A的方向)、频率和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。,光纤传感器一般由光源、光纤、光电元件等组成。根据光纤传感器的用途和光纤的类型，对光源一般要提出功率和调制的要求。常用的光源有激光二极管和发光二极管。激光二极管具有亮度高，易调制，尺寸小等优点。而发光二极管具有结构简单和温度对发射功率影响小等优点。除此之外，还有采用白炽灯等作光源。,光纤传感器与电类传感器对比,以机电测量为基础,以光学测量为基础,光纤传感器与电类传感器对比,从对比可见光纤传感器与电类传感器是并行互补的一类新型传感器,光纤传感器在易燃易爆场合的应用,光纤传感器在高电压、强电磁场干扰场合的应用,光纤传感器在实时在线检测中的应用,光纤光谱仪在线检测 CH4,传统分布测量,光纤传感技术在分布测量中的应用 （时域变换技术）,检测仪表,S1,S2,S3,Sn,电缆,OTDR技术 用于分布检测,光纤传感技术在分布测量中的应用 （时域变换技术）,光纤,传感器,光学现象,被测量,光纤,分类,干涉型,相位调制光纤传感器,干涉（磁致伸缩） 干涉（电致伸缩） Sagnac效应 光弹效应 干涉,电流、磁场 电场、电压 角速度 振动、压力、加速度、位移 温度,SM、PM SM、PM SM、PM SM、PM SM、PM,a a a a a,非 干 涉 型,强度调制光纤温度传感器,遮光板遮断光路 半导体透射率的变化 荧光辐射、黑体辐射 光纤微弯损耗 振动膜或液晶的反射 气体分子吸收 光纤漏泄膜,温度、振动、压力、加速度、位移 温度 温度 振动、压力、加速度、位移 振动、压力、位移 气体浓度 液位,MM MM MM SM MM MM MM,b b b b b b b,偏振调制光纤温度传感器,法拉第效应 泡克尔斯效应 双折射变化 光弹效应,电流、磁场 电场、电压、 温度 振动、压力、加速度、位移,SM MM SM MM,b,a b b b,频率调制光纤温度传感器,多普勒效应 受激喇曼散射 光致发光,速度、流速、振动、加速度 气体浓度 温度,MM MM MM,c b b,注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型,光纤传感器的分类,光纤传感器的组成与分类,功能型（全光纤型）光纤传感器 非功能型（或称传光型）光纤传感器 拾光型光纤传感器,1）功能型（全光纤型）光纤传感器 利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤)作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下，其光学特性(光强、相位、偏振态等)的变化来实现“传”和“感”的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。,信号处理,光受信器,光纤敏感元件,光发送器,2）非功能型（或称传光型）光纤传感器 光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。,3）拾光型光纤传感器 用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。,光纤传感器的光源,光纤传感器的光源的要求 光纤传感器的光源的分类,光纤传感器的光源的要求,由于光纤传感器中光纤细而长，若使光波能在其中正常传播，并满足测量要求，则对光源的结构与性能有一定要求： (1)由于光纤传感器结构所限，要求光源的体积小，便于与光纤耦合； (2)光源要有足够的亮度，以提高传感器输出的光功率； (3)光源发出的光波长应适合，以减少光波在光纤中传闭时的能量损耗； (4)光源工作时稳定性好、噪声小，能在室温下连续长期工作； (5)光源要便于维护，使用方便。,光纤传感器的光源的分类,非相干光源 包括白帜光源与发光二极管； 相干光源 包括各种激光器：半导体激光器、氦氖激光器、固体激光器 在大多数光纤传感器中希望使用相干光源。,光纤传感器用光探测器,光纤传感器用光探测器的要求 光纤传感器用光探测器的分类,光纤传感器用光探测器的要求,(1)线性好，按比例地将光信号转换为电信号； (2)灵敏度高，能敏感微小的输入光信号，并输出较大的电信号； (3)响应频带宽、响应运度快，动态特性好； (4)性能稳定，噪声小等。,光纤传感器用光探测器的分类,光电二极管 光敏电阻 光电池,光调制技术,按照调制方式分类，光调制可以分为强度调制、偏振调制、频率调制、相位调制和波长调制等。 光的调制过程就是将一携带信息的信号叠加到载波光波上；完成这一过程的器件叫做调制器。 在光纤传感器中，光的解调过程通常是将载波光携带的信号转换成光的强度变化，然后由光电探测器进行检测。,1）强度调制型光纤传感器 可以概括为：通过检测被 测对象所引起的光强变化来实现对被测对象的监测和控制。主要分为光源、调制区、光探测器三 大部分 优点：结构简单、容易实现，成本低。 缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大 。,传感过程实际上分为两个阶段使被 测对象与光强度调制器发生相互作用；进而把信号传递给载波光 波，并进行探测。强度调制型光纤传感器的特点是：技术上比较 容易实现，所采用光纤多为光通信用多模光纤而相关的光纤接 头和耦合器等部件国内已有产品供应。,2）偏振调制光纤传感器 在许多光学系统中，尤其是包含有单模光纤的系统中，光波的偏振特性起着重要作用。理解光纤系统中的偏振现象是讨论光纤偏振元件和传感器的中心问题。许多物理效应都会影响或改变光的偏振状态。 光纤传感器中的偏振调制器普通采用的物理效应有旋光效应、磁光效应、普克尔效应、克尔效应及光弹效应等 偏振调制光纤传感器是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。,有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感器； 利用光在电场中的压电晶体内传播的克尔效应做成的电场、电压传感器； 利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器； 利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。这类传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。,3）频率调制光纤传感器 是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化来进行监测的传感器。 有利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器 利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器； 利用光致发光的温度传感器等。,4）相位调制传感器 相位调制是光纤传感中最重要的传感技术，其基本的传感机 理是，在待测场能量的作用下，使光纤中传播的光波发生相位变 化，再以干涉测量技术把相位变化变换为振幅变化，实现对待测 物理量的捡测。 通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用光纤赛格纳克（Sagnac）效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。这类传感器的灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。,）波长分布(颜色调制)传感器 光纤传感器中的颜色调制，主要是利用传感探头的光频谱特 性随外界物理量变化的性质来实现的。可以作成各种光纤传感 器来检测物质的种类、浓度等化学量。 通常的测试方法为；通过测量物质在化学反应时放出的光， 以及光入射到某种物质上时反射、折射光和透射光的强度随波长 的变化情况，可以得到组成物质的原子、分子的固有结构图案， 即物质的发光光谱、吸收光谱等。对光谱进行测量和分析，可以 研究材料的化学性质，这种光谱分析是化学分析的重要内容之一,传感信号光纤传输网络,010mA,0 5V,光电变换,计算机,电 阻,电 容,光纤传输网络,光纤, 传输量大 传输距离远 不怕电磁干扰 接口方式齐全,电 感,电脉冲,光参量,光纤转速传感器,非接触测量方式,光纤流量发讯器,光纤负压报警器,光纤液位变送器,点式光纤液位传感器,适用于 高、低液位报警 密封加油控制,光 纤 液 位 传 感 器,光纤温度传感器,阻光型,光纤温度传感器,折光型,光纤高温温度传感器,光谱型,光纤温度传感器示意框图,光纤陀螺（FOG）的原理,Sagnac 效应,FOG 工程测量 模拟实验装置,光纤气体成分传感器,光纤化学成分传感器,光纤光谱传感器,光纤传感器的发展趋势,光纤传感器具有很多的优点，是对以电为基础的传统传感器的革命性变革，发展前景是极其光明的。但是，目前光纤传感器的成本较高,在这方面仍面临着传统传感器的挑战，存在着与传统传感器和其它新型传感器的竞争问题。为此，有必要说明光纤传感器的可能发展趋势： 当前应以传统传感器无法解决的问题作为光纤传感器的主要研究对象。 集成化光纤传感器。 多功能全光纤控制系统。 充分发挥光纤的低传输损耗特性，发展远距离监测系统。 开辟新领域。,光纤陀螺是一种惯导器件，它的应用非常广泛，各种工具的导航如宇宙飞船、飞机、导弹、舰船、各种车辆、机器人等，雷达的方位测量和控制，钻井的动态检测等，凡需精确确定角度坐标的情况都可以应用。光纤陀螺没有机械陀螺的高旋转部件,也没有激光陀螺的闭锁效应,它自上世纪七十年代出现以来,以其体积小、结构简单、灵敏度高、启动速度快等优点,受到各国科技界的普遍重视。随着保偏光纤、光源、集成光路多功能芯片的技术指标和信息处理技术的不断提高，又使光纤陀螺的性能提高到新的水平，更进一步证实了光纤陀螺的技术优势,光纤陀螺,光纤陀螺的主要类型,光纤陀螺(Fiber Optic Gyroscope)是利用光学效应测量旋转角速度的一种光学传感器。根据它对光波进行相位或频率的调制，可分为干涉型（I-FOG）、谐振型（R-FOG）和布里渊散射型（B-FOG）。,1. 干涉型光纤陀螺（I-FOG）,即第一代光纤陀螺，也是发展较为完善的一类，目前应用最广泛。干涉型光纤陀螺实质上是一个Sagnac干涉仪2，其工作原理示意图如图1.1所示。 由光源发出的一束光经耦合器后分成两束光，分别由光纤环的两端输入，耦合进光纤环，并在光纤环内相向传播，由于光纤环围绕垂直于环面的轴线转动，引起在光纤环内相向传播的两束光之间相位差变化S（称为Sagnac相移），因此，在光纤环内相向传播的这两光束，最后在耦合器（Y分支波导集成光学芯片）处会合，发生干涉。,Sagnac相移S和转动角速度之间的关系由下式确定:,式中，L为光纤环总长度，D为光纤环直径，为工作波长，C为真空中光速，为角速度。,2. 谐振型光纤陀螺仪（R-FOG）,谐振型光纤陀螺仪属于第二代光纤陀螺，它采用了高相干性光源，理论上的检测精度高于干涉型光纤陀螺，谐振型光纤陀螺的构成如图,谐振型光纤陀螺的工作原理是：利用单模光纤构成环型谐振腔，当陀螺仪旋转时，谐振型光纤陀螺谐振器内的顺、逆时针方向传播光由于转动而产生谐振频率差别，利用该频差来检测旋转角速度。,集成光学陀螺,3. 受激布里渊散射光纤陀螺仪（B-FOG）,受激布里渊散射光纤陀螺属于第三代光纤陀螺，它是基于光学非线性效应的受激布里渊散射而提出的。受激布里渊散射是一种能在光纤内发生的非线性过程。受激布里渊散射光纤陀螺的构成如图所示：,当光纤环中传输的光满足受激布里渊散射的阈值条件时，分别产生两束后向散射Stokes光，这两束以相反方向传播的Stokes散射光分别沿着与泵浦光相反的方向经过第二个耦合器后在第一个耦合器处相遇并进行拍频，记为，拍频由Sagnac效应决定，所以我们可以通过检测F来求得输入角速度，它们之间的关系式如下：,p是光纤环的周长，,干涉仪式光纤陀螺仪按光路组成可以分为： 消偏型 全光纤保偏型 集成光学型,光纤陀螺仪分类,美国 1976年美国犹他大学提出光纤陀螺的概念并首先研制出试验装置 九十年代开始低、中精度的光纤陀螺开始应用于飞机航姿系统、 导弹姿态与航向参考系统、战术导弹惯导系统 和GPS/INS组合导 航系统 等。 九十年代开始精度迅速提高， 每五年提高一个数量级,光纤陀螺仪发展状况,日本 1991年用于日产汽车 作为速度传感器用于汽车组合导航 俄罗斯 全光纤型 集成光学型,光纤陀螺的互易性 光在线性介质中传播的互易性是光纤陀螺能实际应用的前提 1、装置的互易性 同光路 同模式 同偏振态,干涉式光纤陀螺分类 光纤陀螺按光路系统可分为全光纤陀螺和集成光学光纤陀螺 1全光纤陀螺 全光纤陀螺是指构成光纤陀螺光路的所有器件都由光纤构成，并串接在一根光纤上，即由光源到探测器组成一个光纤闭环光路。,干涉式光纤陀螺分类 2集成光学光纤陀螺 集成光学光纤陀螺，利用集成光学波导技术，将光纤陀螺用的功能器件，包括分路器、偏振器和调制器都集成在一块铌酸锂波导芯片上，使光纤陀螺的光路系统简化成由光源、探测器、光纤圈及波导芯片构成。,光纤器件介绍 光纤陀螺按光路系统可分为全光纤陀螺和集成光学光纤陀螺 1光源 半导体激光器（LD） 发光二极管（LED） 超辐射发光二极管（SLD） 掺铒光纤光源,2探测器 PIN光电二极管作为光纤陀螺光路系统的接收器件,光纤器件介绍 光纤陀螺按光路系统可分为全光纤陀螺和集成光学光纤陀螺 3光纤定向耦合器,光纤器件介绍 4光纤偏振器 光纤偏振器在光纤陀螺干涉光路中发挥起偏器和检偏器的作用可分为：（1）一种是利用光纤小直径弯曲时引起偏振分量损耗差制成的光纤圈型偏振器 ；（2）研磨光纤包层直至几乎将纤芯裸露，再将此研磨面镀以金属或双折射晶体，而制成的研磨型光纤偏振器。,光纤器件介绍 5光纤消偏器 消偏器是一种造成非偏振态光的光纤器件,光纤器件介绍 6光纤及光纤圈 通常使用的光纤，要求损耗低并具有良好的物理性能和机械性能,光纤器件介绍 7.集成光学芯片 光纤陀螺用的多功能集成光学芯片（IOC）是利用钛扩散技术和质子交换技术，将偏振器、分束合束器和相位调制器都集成在LiNbO3晶片上。,基片的准备 : 2761的铌酸锂基片。首先将基片按照下述过程进行清洗：甲苯浸泡 去离子水冲洗 丙酮超声 乙醇超声 去离子水冲洗烘干基片表面。 镀铝:使用磁控溅射机对进行过清洗和烘干的铌酸锂基片镀铝 匀胶与曝光 显影与腐蚀,质子交换与退火 :设备为扩散炉 端面研磨与剖光 :用280#金刚砂进行粗磨，直至陪片和波导片的端面都已磨到，三个片子的端面都在同一平面上 用302#金刚砂研磨至少1个小时 用304#金刚砂研磨至少1个小时 用5研磨膏抛光约30分钟 用3研磨膏抛光约30分钟 用1.5研磨膏抛光约30分钟 用0.5研磨膏抛光约30分钟。,通光测试 :由于波长1.3的红外光肉眼是无法观察到的，为了方便光路的调整，本文首先采用了波长632.8nm的氦氖激光器做为光源进行通光测试。下图为通光测试的原理图。,首先将氦氖激光器出射的光用透镜耦合法耦合至光纤中，然后将光纤和波导安装在精密对准仪上，利用水平和垂直两个CCD摄像头通过显示器观察光纤与片子上条波导的相对位置，通过仔细调整进行对准，将光纤出射的光耦合至波导中，经过波导传输后，在接收屏上可以观察到光斑。通光实验时所使用的光纤必须保证端面整齐、干净。,将波长632.8nm的氦氖激光器更换为波长1.3m的LD激光器，在波导的出射端用红外接收靶进行接收，仔细调整红外接收靶的位置，观察到的近场光斑如图,集成光学陀螺,集成光学陀螺是光纤陀螺和激光陀螺的进一步小型化，微型化。与光纤陀螺和激光陀螺相比，集成光学陀螺用集成在芯片上的环形波导取代光纤陀螺的光纤环和由分立元件组成的环型激光谐振腔，因而具有体积小、重量轻的特点。与传统的机械陀螺相比，集成光学陀螺大大减少了活动部件，因此，它可以承受更大的冲击力，能够抗更大的振动，具有高可靠性。,集成光学陀螺,D2,D1,集成光学陀螺是在光波导基片上，实现包括窄带线宽激光器、3dB分束器、声表面波声光移频器,低损耗环形谐振器在内的功能元件的集成化，用声表面波声光移频技术对Sagnac相移(频差)，进行跟踪与测量，实现IOG闭环检测.环形谐振器是集成光学陀螺的核心敏感部件，其性能直接影响光学陀螺系统的性能，是此种陀螺设计与制造的关键技术。,环形谐振器,C为定向耦合器，如果光从P1输入，则被耦合进P4。环绕一周后经P2一部分光将被耦合进P3，另一部分进入P4，从而形成光的闭合回路。在稳定状态下，从P1-P3和P2-P4光将会达到一个动态的稳定状态，即谐振状态。当环中的谐振建立起来时, 定向耦合器的作用就是补偿由于耦合器的插入损耗, 波导损耗造成的能量损失。,环形谐振器设计考虑,谐振型光学陀螺中，由光探测器散粒噪声决定的极限灵敏度满足下式： 对谐振器我们只能对谐振器性能参数精细度F与谐振器面积进行设计。为了追求高极限灵敏度，要求腔面积和谐振腔精细度F要尽可能大，但为了集成化和微型化的要求，腔面积不宜过大，要适当选取，所以为提高限灵敏度我们要提高精细度F值,由上式可知在n确定后FSR只由来确定，F由和k来确定，F与k为反比关系，同时k通过硅基PLC技术可精确控制，即腔性能很大的依赖于谐振环总传输损耗 ，而谐振环总传输损耗由直波导的传输损耗，圆弧波导损耗和定向耦合器的损耗构成,关于可用于集成光学陀螺的波导谐振器，已经有广泛的研究。早期的研究主要是聚合物环形波导和玻璃基离子交换环形波导谐振器，最近见诸报道的有聚合物环形波导和硅基环形光波导谐振器。其中聚合物基波导和玻璃基离子交换波导的传播损耗目前已经分别达到005dBcm和01dBcm的水平，而近年来化学气相沉积工艺的进步使硅基光波导的传播损耗大大降低，再者由于其工艺成熟和便于集成，因而硅基光波导被认为是集成光学陀螺的首选材料。目前硅基光波导的传播损耗已经降到0024dBcm的水平,1991年，JBismuth等人报道他们用PECVD法制作的硅基波导谐振器，波导谐振器在扣除测试光源的谱宽影响后，精细度达到100左右，这是见诸报道的波导谐振器精细度的最高水平。这样精细度的谐振器，已经基本满足谐振式集成光学陀螺的要求。为进一步提高陀螺的分辨率，还需要进一步降低损耗，提高精细度.,环形谐振器材料考虑,国外发展概况,国外从20世纪80年代就已经开始了集成光学环形波导的研究，并预言其在陀螺上的应用。早在1983年，美国Northrop公司的ALawrence提出微光陀螺的概念并于1988年获得微光陀螺的专利。 1990年美国导航学会的技术会议，Northrop公司报道了他们的微光陀螺样机 在Northrop之后，一些研究机构陆续提出基于环形波导的无源谐振式集成光学陀螺的实现方案。这些研究机构包括：Honeywell与Minnesota大学，Rice System与Lacent，Intellisense，美国Sandia国家实验室，以及日本的NIT公司和东京大学。他们研制出微型集成光学陀螺样机，并验证了系统方案，并逐渐形成产品。 2000年，日本提出硅基的单片集成微光陀螺。 目前见诸报道的，接近工程化和产品化的微型集成光学陀螺方案是InteUisense公司的小型的低成本的抗振动集成光学陀螺(VlGOR)。,1990年Northrop微光陀螺样机,它在玻璃衬底上，采用离子交换技术形成环形波导谐振腔，窄带激光光源通过耦合器在谐振器中产生正反时针方向(CW、CCW)的两束激光。衬底上部分沉积一层ZnO介质，集成两个表面声波移频器，以将转动角速度转换成频率差而实现闭环输出。,2000年日本提出硅基的单片集成微光陀螺,在si基衬底除集成环形波导谐振腔和定向耦合器，研究者们已进行陀螺的开环演示实验并给出试验结果。,Intellisense公司的VlGOR样机,加工工艺的选取,为了防止芯层中的导波光信号泄漏到高折射率的硅衬底中，要求包层厚度在10到15m之间，由于Si 的热膨胀系数(2.510-6/0C) 与SiO2的热膨胀系数(3.510-7/0C) 相差很大,在硅片上沉积厚纯SiO2 时很容易产生龟裂。因此,龟裂和析晶等问题是目前硅基片上生长厚SiO2 的主要难点。 SiO2光波导的制作工艺主要有两种：一是与光纤制作技术相类似的火焰水解沉积法(FHD)，二是半导体工艺中的等离子体增强化学气相沉积（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD）法，由于FHD设备和技术本身的复杂性以及PECVD工艺的成熟性，综合调研结果我们采用了专用PECVD设备制作波导层。,工艺流程: （1)采用热氧化法制备二氧化硅下包层。 （2)用PECVD沉积芯层：在PECVD生长室进行SiO2薄膜Ge掺杂， （3)制作掩模。 （4)光刻。 （5)RIE刻蚀。 (6)用PECVD沉积上包层。 (7）退火工艺。,谢 谢！,光纤传感器的应用 （一）温度的检测 光纤温度传感器有功能型和传光型两种。,1、遮光式光纤温度计 下图为一种简单的利用水银柱升降温度的光纤温度开关。可用于对设定温度的控制，温度设定值灵活可变,1,2,3,4,水银柱式光纤温度开关,1 浸液 2 自聚焦透镜 3 光纤 4 水银,下图为利用双金属热变形的遮光式光纤温度计。当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化。这种形式的光纤温度计能测量1050的温度。检测精度约为0.5。它的缺点是输出光强受壳体振动的影响，且响应时间较长，一般需几分钟。,光源,接收,热双金属式光纤温度开关,1,2,1 遮光板 2 双金属片,2、透射型半导体光纤温度传感器 当一束白光经过半导体晶体片时，低于某个特定波长g的光将被半导体吸收,而高于该波长的光将透过半导体。这是由于半导体的本征吸收引起的,g称为半导体的本征吸收波长。电子从价带激发到导带引起的吸收称为本征吸收。当一定波长的光照射到半导体上时,电子吸收光能从价带跃迁入导带,显然,要发生本征吸收,光子能量必须大于半导体的禁带宽度Eg，即,因c/v，则产生本征吸收条件,h 普朗克常数；v 光频率,因此，对于波长大于g的光，能透过半导体，而波长小于g的光将被半导体吸收。不同种类的半导体材料具有不同的本征吸收波长，图为在室温(20)时,120m厚的GaAs材料的透射率曲线。,由图看出，GaAs在室温时的本征吸收波长约为880nm左右，半导体的吸收光谱与Eg有关，而半导体材料的Eg随温度的不同而不同，Eg与温度t的关系可表示为,式中：Eg（0）绝对零度时半导体的禁带宽度； 经验常数(eVK)；经验常数(K)。,850,800,900,950,1000,0,10,20,30,40,t=20,波长/nm,GaAs的光谱透射率曲线,透射率(%),对于GaAs材料，由实验得到, =5.810-4eV/K =300K,2、透射型半导体光纤温度传感器 当一束白光经过半导体晶体片时，低于某个特定波长g的光将被半导体吸收,而高于该波长的光将透过半导体。这是由于半导体的本征吸收引起的,g称为半导体的本征吸收波长。电子从价带激发到导带引起的吸收称为本征吸收。当一定波长的光照射到半导体上时,电子吸收光能从价带跃迁入导带,显然,要发生本征吸收,光子能量必须大于半导体的禁带宽度Eg，即,因c/v，则产生本征吸收条件,h 普朗克常数；v 光频率,因此，对于波长大于g的光，能透过半导体，而波长小于g的光将被半导体吸收。不同种类的半导体材料具有不同的本征吸收波长，图为在室温(20)时,120m厚的GaAs材料的透射率曲线。,由此可见，半导体材料的Eg随温度上升而减小，亦即其本征吸收波长g随温度上升而增大。反映在半导体的透光特性上，即当温度升高时，其透射率曲线将向长波方向移动。若采用发射光谱与半导体的g(t)相匹配的发光二极管作为光源，如图，则透射光强度将随着温度的升高而减小。,（二）压力的检测 种类：强度调制型、相位调制型和偏振调制型三类。 1、采用弹性元件的光纤压力传感器 利用弹性体的受压变形，将压力信号转换成位移信号，从而对光强进行调制。因此，只要设计好合理的弹性元件及结构，就可以实现压力的检测。下图为简单的利用Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器。在Y形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。,膜片反射式光纤压力传感器示意图,光源,接收,1,2,1 Y形光纤束 2 壳片 3 膜片,3,P,弹性膜片材料是恒弹性金属，如殷钢、铍青铜等。但金属材料的弹性模量有一定的温度系数，因此要考虑温度补偿。若选用石英膜片，则可减小温度的影响。 膜片的安装采用周边固定，焊接到外壳上。对于不同的测量范围，可选择不同的膜片尺寸。一般膜片的厚度在0.05mm0.2mm之间为宜。对于周边固定的膜片，在小挠度(y0.5t，t为膜片厚度)的条件下，膜片的中心挠度y为,R膜片有效半径；t膜片厚度； p外加压力； E膜片材料的弹性模量； 为膜片的泊松比。,可见，在一定范围内，膜片中心挠度与所加的压力呈线性关系。若利用Y形光纤束检测位移特性的线性区，则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系。 这种传感器结构简单、体积小、使用方便，但如果光源不稳定或长期使用后膜片的反射率下降，影响其精度。,改进型的膜片反射式光纤压力传感器的结构如图(a),这里采用了特殊结构的光纤束，光纤束的一端分成三束,其中一束为输入光纤,两束为输出光纤。三束光纤在另一端结合成一束,并且在端面成同心环排列分布,如图(b)。其中最里面一圈为输出光纤束1,中间一圈为输入光纤束,外面一圈为输出光纤束2。当压差为零时，膜片不变形,反射到两束输出光纤的光强相等,即I1I2。当膜片受压变形后,使得处于里面一圈的光纤束,接收到的反射光强减小,而处于外面一圈的光纤束2接到的反射光强增大,形成差动输出。,4,(a)传感器结构,(b)探头截面结构,(c)测量原理,2(外圈),1 (内圈),I1,I0,I2,I1,I0,I2,I1,I0,I2,3 (输入),可见，输出光强比I2Il与膜片的反射率、光源强度等因素均无关，因而可有效地消除这些因素的影响。 将上式两边取对数且满足(Ap)21时,等式右边展开后取第一项，得到 这表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。因此，若将I1、I2检出后分别经对数放大后，再通过减法器即可得到线性的输出。 若选用的光纤束中每根光纤的芯径为70m,包层厚度为3.5m,纤芯和包层折射率分别为1.52和1.62,则该传感器可获得115dB的动态范围,线性度为0.25。采用不同的尺寸、材料的膜片,即可获得不同的测量范围。,两束输出光的光强之比为,A与膜片尺寸、材料及输入光纤束数值孔径等有关的常数； p待测量压力。,2、光弹性式光纤压力传感器 晶体在受压后其折射率发生变化，呈现双折射的现象称为光弹性效应。利用光弹性效应测量压力的原理及传感器结构如图。发自LED的入射光经起偏器后成为直线偏振光。当有与入射光偏振方向呈45的压力作用于晶体时，使晶体呈双折射从而使出射光成为椭圆偏振光，由检偏器检测出与入射光偏振方向相垂直方向上的光强，即可测出压力的变化。其中1/4波长板用于提供一偏置，使系统获得最大灵敏度。,(b)传感器结构,1,2,3,4,5,P,(a)检测原理,P,6,7,8,9,10,11,1 光源 2、8 起偏器 3、9 1/4波长板 4、10 光弹性元件5、11 检偏器 6 光纤 7 自聚焦透镜,偏振光,线偏振光,椭圆偏振光,为了提高传感器的精度和稳定性，下图为另一种检测方法的结构。输出光用偏振分光镜分别检测出两个相互垂直方向的偏振分量；并将这两个分量经“差和”电路处理，即可得到与光源强度及光纤损耗无关的输出。该传感器的测量范围为103Pa106Pa，精度为1，理论上分辨力可达1.4Pa。 这种结构的传感器在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量振动、加速度。,输出,前置,放大,前置,放大,I2I1,I2+I1,驱动,1,2,3,4,5,6,I1,I2,PD1,PD2,光弹性式光纤压力传感器的另一种结构,1 光纤 2 起偏器 3 光弹性元件 4 1/4波长