光纤传感总结(20210310122923)

1、光纤传感技术总结 1. 光纤（Optical fiber ）是传光的纤维波导或光导纤维的简称，它是通过 内 全反射原理或折射原理 传输光的玻璃状电介质细丝。直径：几微米-几百微米。 2. 传感器：能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的 器件或装置。 3光纤传感器：是用待测量对光纤内传输的光波参量进行调制得到调制信 号，该信号经光纤传输至光探测器进行解调，从而获得待测量值的一种装置。 4光纤传感技术：以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号 的新型传感技术。 5光纤传感原理：光纤传感原理是以光纤的 导波现象为基础的，光从光纤射 出时，光的特性得到调制，通过对调制光的检

2、测，便能感知外界的信息，实现对 各种物理量的测量。E=EoCos t + ） 6光纤传感系统的组成 7光纤传感器的分类： 1） .根据光纤在传感器中的作用功能型光纤传感器（Functional Fiber，简称FF 型）（全光纤型、传感型）.非功能型光纤传感器（Non Fun ctio nal Fiber，简称NFF型（传 光型） 2） 根据光受被测对象的调制形式.强度调制型光纤传感器.波长调制型光纤传 感器.相位调制型光纤传感器.频率调制型光纤传感器.偏振调制型光纤传感器 3）按被测对象分 光纤温度、压力、位移、流量、磁场、电压、图像、医用、光谱、气 体、液体传感器，光纤陀螺仪 8. 光纤传

3、感的特点： 1）灵敏度高； 2）抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全; 3）重量轻、体积小、可绕曲； 4）测量对象广泛，对被测介质影响小； 5）便于复用，便于成网； 9. 光纤的结构: 1） 、纤芯：高纯度 SiO2，掺杂质：GeO2、P2O5 （提高折射率）；折射率n1 2） 、包层：SiO2，掺杂质：F、B （降低折射率）；折射率n2折射率n1n2 3）、一次涂敷层：环氧树脂、硅橡胶（加强机械强度） 4）、套塑：尼龙、聚乙烯（加强机械强度） 包层Coati ng 涂敷层 二氏嶽 0 10光纤的分类： 1）按照传输的总模数来分 模式（mode）:在光纤中具有确定 空间和时间 分布的电磁场分量

4、称为光纤中的模。是电磁场 的一种分布形式。 、单模光纤（Single-mode fiber, SMF ）只传输主模，没有模式色散，适于大容量、 长距离的光纤通信。纤芯直径：212 m;包层直径：125 m； 、多模光纤（Multimode fiber, MMF ）在一定的工作波长下，可以同时传输多种模式。 纤芯直径：50500 i m; 2）按照折射率（refractive index）分布分类 阶跃折射率光纤 （Step index fiber, SIF）:也叫突变型光纤或均匀光纤，纤芯折射率为 n1保持不变，到包层突然变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a=5080 1 m,光线以折线形 状沿

5、纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变大。 梯度折射率光纤（Graded index fiber, GIF ）:也叫渐变型光纤或非均匀光纤，在纤芯 中心折射率最大为 n 1,沿径向r向外围逐渐变小，直到包层变为n2。这种光纤一般纤芯直 径2a为50 1 m,光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变小。 图三种基本类型的光纤 （a）突变型多模光纤；（b）渐变型多模光纤；（c）单模光纤 11.光纤的导光机理：射线法和波动法 射线法(rays) 1) .光射线： .子午线：过纤芯的轴线的平面称为子午面，子午面上和轴线相交的光射线称为子午 射线，简称为子午线。 .斜射线：不在一个平面里，不经

6、过光纤轴线的空间折线。 2) .射线法：用光射线来研究光传输特性的方法，称为射线法。 3) 阶跃型光纤中光射线的分析 主要特性参数的定义： 相对折射率差厶 纤芯折射率n1 ;包层折射率n2 ; n1n2 =(n 12-n22)/2 n12 当n1与n2差别极小时，这种光纤称为弱导波光纤 (n1-n2)/n1 SM: =0.00050.01; MM: =0.010.02 z nosing 1 =n1sinB 1 =n icosB 数值孔径NA :光从空气中入射到光纤输入端面所允许最大光锥半角之正旋。 NA表示光纤接收和传输光的能力 NA sin 11 P= 阶跃型光纤的导光机理 阶跃型光纤是靠全

7、反射原理将光波限制在纤芯中向前传播。 只有满足全反射条件的光射线才可在纤芯中形成导波。 这些光射线射入光纤端面的角度必须是在最大入射角c以内 渐变型光纤中光射线的分析 1、渐变型光纤折射率分布的普遍公式为 22 r p n2(r)nj 12()p a r-纤芯半径； a-轴线到包层外边沿的半径 p-决定折射率变化曲线的坡度 渐变型光纤中，不同射线具有相同轴向速 度的这种现象，称为自聚焦现象，具有这种 自聚焦现象的光纤称为 自聚焦光纤。 射入纤芯某点r处的光线的数值孔径，称为该点的 本地数值孔径 NA(r)、n 2(r) n： 光纤轴线处捕捉射线的能 n (r) / , NA(r) /，该点光纤

8、捕捉光射线的能力越强; 力最强。 传导模：只有满足全反射条件的那些模式才能在光纤中传播，称为传导模。 kon2 B koni 辐射模：那些不满足全反射条件的模式，其电磁场不限于光纤芯区而可径 向辐射至无穷远，称为辐射模。 泄漏模：有一些不处于子午面的斜射线，由于它们部分满足全反射条件， 于是沿传播方向有衰减的泄漏模。 2、截止：指光纤中的导波截止。当光纤中出现辐射模时，即认为导波截止。 w 截止条件为：w w 临界条件为：w= w 5、主模(基模)：人们把光纤中的最低工作模式称为主模。主模的归一化截 止频率最低：w =0,没有截止现象，在任何频率下都可以传输。 6、高次模：光纤中除主模之外，其

9、它所有模式统称为高次模。 第一高次模截止时(g 2.405)，其它所有高次模均截止，这时光纤中只 传输主模。所以单模光纤的单模传输条件是：0 w10) 2.3光纤的传输特性 2.3.1 光纤的损耗(Attenuation) 光纤的损耗：光波在光纤中传输，随着传输距离的增加而光功率逐渐下降， 这就是光纤的传输损耗。 引起损耗的原因：光纤本身损耗(吸收损耗、散射损耗) 外因：光纤弯曲、光纤与光源的耦合、光纤之间的连 一、吸收损耗(Absorption) 吸收损耗：光波通过光纤材料时，有一部分光能变成热能，造成光功率 的损失。 1、本征吸收：是由SiO2材料引起的固有吸收，它基本上确定了某一材料吸收

10、损 耗的下限，它与波长有关。 紫外(UV: ultraviolet)吸收(0.006 卩 m 入 0.4 卩 m) 红外(IR: infrared)吸收(0.76 卩 m 入 300 卩 m) 2、杂质吸收：由光纤材料的不纯净而造成的附加吸收损耗。 二、 散射损耗(Scatteri ng Losses) 散射损耗是由于光纤的材料、形状、折射率分布等的缺陷或不均匀使光 纤中传导的光发生散射产生的损耗。 1、瑞利(Rayleigh)散射：a R=A/ 入 4 2、结构缺陷散射： 3、非线性散射：受激拉曼散射(SRS) 受激布里渊散射(SBS) 2.3.2 光纤的色散(Chromatic Dispe

11、rsion ) 1、光纤的色散： 光信号通过光纤传播期间，波形在时间上发生展宽的现象。 2、光纤的色散产生原因： 一是光源发出的并不是单色光； 二是调制信号有一定的带宽。 3、色散的分类 模式色散( Intermodal dispersion) 由于不同模式的时间延迟不同而产生的。 材料色散( Material dispersion) 由于光纤的折射率随波长而改变， 模式内部不同波长成分的光， 其时间延 迟不同而产生的。 波导色散( Waveguide dispersion) 由于波导结构参数与波长有关而产生的，也叫结构色散。 偏振模色散( Polarization dispersion )

12、由于实际的单模光纤两正交模有不同的群延迟产生的。 时延：某一条子午射线在纤芯中传输一定长度所需要的时间。用T 表示。 时延差： 两条以不同角度入射的子午线，在光纤中传输同一空间长度 L 时，所 用时间的差别。用At 表示。 最大时延差： 在空间长度为 L 的光纤中，走得最快的射线与走得最慢的射线在 时间上的差别。用At max表示。 5、色散补偿 零色散波长光纤 色散位移光纤( DSF-Dispersion-Shifted Fiber ) 色散平坦光纤( DFF-Dispersion-Flat Fiber) 色散补偿光纤 (DCF-Dispersion Compensating Fiber)

13、色散补偿器 2.3.5光纤的制作技术 1、光纤预制棒的制备 2、光纤拉丝及一次涂覆 3、光纤的涂覆和套塑工艺 2.4 光纤标准 1、G.651 多模渐变型 (GIF) 光纤，这种光纤在光纤通信发展初期广泛应用于中小 容量、中短距离的通信系统。 2、G.652 常规单模光纤 :(1)波长 1310 nm 为色散零点； (2)波长 1550 nm 处衰减 最小，约为0.22 dB/km,色散系数的最大值为17ps/(nm.km)；工作波长可以 在1310 nm或1550 nm。它广泛用于数据通信。缺点：波长1550 nm色散大，阻 碍了高速率、远距离的应用。 3、 G.653色散位移光纤：使光纤色

14、散系数零点从1310 nm移到1550 nm,实现 了 155 Onm处最低衰减与零色散一致。适用于长距离、大容量通信系统中，如 20 Gb/s系统中。由于1550 nm的零色散，四波混频等非线性效应严重，不适合 用于波分复用系统。 4、G.654 1.55卩m损耗最小的单模光纤：在波长1.31卩m色散为零，在1.55卩m 色散为17-20 ps/(nm km)，和常规单模光纤相同，但损耗更低，可达0.20 dB/km 以下.主要用于长距离，不能插入有源器件的无中断海底光纤通信系统中。 5、G.655非零色散光纤：可以抑制四波混频和交叉相位调制等非线性光学效应， 以满足密集波分复用系统的要求。

15、这种光纤在密集波分复用和孤子传输系统中使 用，实现了超大容量超长距离的通信。 骨架式有利于前护测压力 层绞式 单位式 4-100 低损耗、耐水压、耐张力 用户光缆 单位式 带状式 200 高密度、多芯和低一中拥耗 局内光艇 式式式 线状位 软带单 2-20 重量轻、缆径细、可绕性好 表 各种光缆的结构、芯线数及必要条件 2.5.3光缆特性 拉力特性：光缆能承受的最大拉力取决于加强件的材料和横截面积，一般要求大 于1km光缆的重量，多数光缆在100400 kg范围。 压力特性：光缆能承受的最大侧压力取决于护套的材料和结构，多数光缆能承受 的最大侧压力在100400kg/10cm。 弯曲特性：弯曲

16、特性主要取决于纤芯与包层的相对折射率差以及光缆的材料和 结构。实用光纤最小弯曲半径一般为2050 mm，光缆最小弯曲半径一般为 200500 mm。 温度特性：取决于光缆材料的选择及结构的设计。我国一般在低温地区为-40C +40 C, 在高温地区为-5 C+60 C。 光纤有源器件：指包含有半导体有源材料，并且能够与光纤耦合的光电子器件。 包括光源、探测器和光放大器。 光纤无源器件：不发光、不进行光电转换的光纤器件。包括三类： (1) 分立光学元件组合器件：早期采用(棒透镜、反射镜、棱镜等)； (2) 全光纤结构器件：FBG Coupler (3) 光波导型器件(集成光学) 3.1 光纤连接

17、器(Optical Fiber Connecto) 1、定义：把两个光纤端面结合在一起，使发射光纤输出的光能量可以最大限度 耦合到另外接收光纤的器件。 光纤连接器的作用是将需要连接起来的单根或多根光纤芯线的端面对准、 贴紧并能多次使用。 (3)单芯光纤连接器分类 FC 型(Ferrule Connector ):螺纹插拔式 SC 型(Square/Subscriber Connectc):矩形插拔式 ST型(Spring Tension):卡口插拔式 (6) 变换器：不同型号插头变换：SC-FC; ST-FC; (7) 跳线：将一根光纤的两头都装上插头称为跳线。 (8) 评价指标 插入损耗：越

18、小越好lL10log-PouL (dB) Pin 回波损耗：越大越好 rl 10log 且(dB) Pin 重复性：多次插拔后插入损耗的变化。v 0.1dB 3.2 光纤耦合器(Optical Fiber Coupler) 1、定义：光纤耦合器是使光信号能量实现分路/合路的器件；一般光纤耦合器 是对同一波长的光功率进行分路或合路，因此光纤耦合器又称为分路器、合路器 光纤传感技术总结 或双工器。它是使用量仅次于连接器的又一类重要的光纤无源器件。 光纤耦合器作用：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。 5、熔融拉锥型全光纤耦合器 熔融拉锥法就是将两根（或两根以上

19、）除去涂覆层的光纤以一定的方式靠拢, 在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导 结构，实现传输光功率耦合的一种方法。 （3）特点： 极低的附加损耗。 方向性好。 良好的环境稳定性。 控制方法简单、灵活。 制作成本低廉、适于批量生产。 6光纤耦台器的主要参数 （1）隔离度A 由端口 1输人的光功率Pl，应从端口 2和端口 3输出，端口 4从理论上 讲应无光功率输出。但实际上端口 4还是有少量光功率输出的（P4），其大小就 表示了 1、4两个端口的隔离程度。隔离度用 A表示，为 Ai-4=-10lg(P4/P1)(dB) 般情况下，要求A20dB （2）插入损耗L 它

20、表示了定向耦合器损耗的大小。如由端口1输人光功率P1，应由端 口 2和端口 3输出光功率P2和P3,插入损耗等于输出光功率之和与输入光功率 之比取对数，单位为分贝，用L表示，为 L 10|gP2R 一般情况下，要求 LN1，这种粒子数一反常态的分布，称为 粒子数反转分布。因此，粒 子数反转分布状态是使物质产生光放大的必要条件。 二、激光器的基本组成 1、能够产生激光的工作物质(Operation Material ) 可以处于粒子数反转分布状态的工作物质，必须有确定能级的原子系 统，可以在所需要的光波范围内辐射光子。经过分析可知，在三能级以上系统中， 可以得到粒子数反转分布。 2、泵浦源(Pu

21、mping Source) 使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源，称为泵浦源。物质在泵 浦源的作用下，使粒子从低能级跃迁到较高能级，使得N2 N1,在这种情况下， 受激辐射受激吸收，从而有光的放大作用。这时的工作物质已被激活，成为激 光纤传感技术总结 活物质或称增益物质(gain material)。 3、光学谐振腔(Optical Resonant Cavity ) 提供必要的反馈以及进行频率选择 (1) 光学谐振腔的结构 对于两个反射镜，要求其中一个能全反射，另一个为部分反射，产生的 激光由此射出。 4.1.3 半导体激光器(LD :Laser Diodes) 一、半导体激光器的工作原

22、理和结构 用半导体(Semiconductor材料作为激活物质的激光器，称为半导体激光器。 1、半导体的简单介绍：半导体是由大量原子周期性有序排列构成的共价晶体。 在这种晶体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能 带。 能量低的能带称为价带，能量高的能带称为导带，导带底的能量Ec和价带顶的 能量Ev之间的能量差Ec-Ev=Eg称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带。 半导体光源发射的光子的能量、波长取决于半导体材料的带隙Eg，以电子伏特 (eV)表示的发射波长为1 240 (m)时 半导体分类 (a) 本征半导体(Intrinsic Semiconductor) (b)

23、N 型半导体(Negative Semiconductor) (c) P 型半导体(Positive Semiconductor) 2、半导体激光器的工作原理 (1) P-N 结(P-N Junction)的形成 在P型和N型半导体组成的PN结界面上，由于存在多数载流子(电子或空 穴)的梯度，因而产生扩散运动，形成内部电场。内部电场产生与扩散相反方向 的漂移运动，直到P区和N区的Ef相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能 带发生倾斜。 在PN结上施加正偏电压 产生与内部电场相反方向的外加电场， 结果能带倾斜减小，扩散增强。电子 运动方向与电场方向相反，便使 N区的电子向P区运动，P区的空穴向N

24、区运 动，最后在PN结形成一个特殊的增益区。增益区的导带主要是电子，价带主要 是空穴，结果获得粒子数反转分布。 （3）激光的产生 当PN结上外加的正向偏压足够大时，将使得结区处于粒子数反转分布状态， 即出现受激辐射受激吸收情况，可产生光的放大作用。被放大的光在由P-N 结构成的光学谐振腔（谐振腔的两个反射镜，是由半导体材料的天然解理面而成 的）中来回反射，不断增强，当满足阈值条件后，即可发出激光。 半导体激光器是向半导体 PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受 激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。 （2）异质结半导体激光器 它们的“结”是由不同的半导体材料制成的。 主

25、要目的是为了降低阈值 电流，提高效率。 铟傢砷磷（InGaAsP）双异质结条形激光器，它是由五层半导体材料构 成。其中nInGaAsP是发光的作用区（有源区），作用区的上、下两层称为限 制层，它们和有源区构成光学谐振腔。限制层和有源区之间形成异质结。最下面 一层，n-InP是衬底，顶层P+ -InGaASP是接触层，其作用是为了改善和金属电 极的接触。顶层上面数微米宽的窗口为条形电极。 iia + + d丄 L 单频半导体激光器 分布反馈激光器(DFB: Distributed Feed Back ) 光栅波导区 有源区 N 20 光纤传感技术总结 23 DFB激光器优点单纵模激光器。谱线窄，

26、波长稳定性好。 动态谱 线好。 线性好 LD特点：激光、受激辐射光、输出光功率大、有阈值、谱线宽度窄、调制频率 高、与光纤耦合效率高、适用于长距离、大容量传输。 4.1.4 发光二极管(LED-Light Emitting Diode) 发光二极管(LED)的工作原理与激光器(LD)有所不同，LD发射的是受 激辐射光，LED发射的是自发辐射光。LED的结构和LD相似，大多是采用双 异质结(DH)芯片，把有源层夹在P型和N型限制层中间，不同的是LED不需要 光学谐振腔，没有阈值。 光纤 120 金属接触层 光导 衬底 金属 双异质结层 非相干光输出 (b) 条形接触层 有源区 SiO2绝缘层 |

27、 120 30 (a)正面发光型 (b)侧面发光型 LED的工作原理 当给LED外加合适的正向电压时，大量的空穴和电子分别从P区扩散到n 区和从N区扩散到p区(由于双异质结构，p区中外来的电子和空穴不会分别扩 散到P区和N区)，在有源区形成粒子数反转分布状态，最终克服受激吸收及其 他衰减而产生自发辐射的光输出。 发光二极管具有如下工作特性： (1)光谱较宽(2) P - I曲线的线性较好(3)与光纤的耦合效率较低 (4) 寿命长(大于3105 h)( 5)温度特性较好 LED特点：荧光、自发辐射光、输出光功率小、谱线宽度较宽、调制频率 较低、与光纤耦合效率低、性能稳定、寿命长、价格低，适用于短

28、距离、小容量 传输。 4.1.6 光源的调制(The Modulation of source) 电/光转换是用承载信息的数字电信号对光源进行调制来实现的。调制 分为直接调制和外调制两种方式。受调制的光源特性参数有功率、幅度、频率 和相位。 1、光源的直接调制(Direct Modulation) 直接在光源上进行调制，调制半导体激光器的注入电流。分为模拟强度调制 (ATM)、脉位调制(PPM)和数字调制(PCM-IM)。 2、光源的间接调制(Indirect Modulation) 在光源输出的通路上外加调制器来对光波进行调制。通过电光、声光效应， 利用晶体传输特性随电压或声压变化而变化实现

29、对光的调制。 (1) 电光调制(Electrooptic Modulation) 电光效应(Electrooptic Effect):电场引起晶体折射率变化。 帕克耳效应(Pocke s Effect): n E (2) 声光调制(Acoustooptic Modulation) 声光效应(Acoustooptic Effect):声波在介质中传播时，介质受声波压强作用 而产生应变，这种应变使介质的折射率发生变化，从而影响光波传输特性。 光源与光纤的耦合 影响耦合效率的主要因素是 光源的发散角和光纤的数值孔径。发散角大，耦 合效率低；数值孔径大，耦合效率高。此外，光源发光面和光纤端面的尺寸、形

30、 状及两者之间的距离都会影响到耦合效率。 光源与光纤的耦合一般采用两种方法，即直接耦合与透镜耦合。 4.2 光电检测器 Photoelectric Detector 光接收机中实现将光信号转换为电信号的器件称为光电检测器。光电检测器 是利用材料的光电效应来实现光电转换的。 对光检测器的要求如下： 波长响应要和光纤低损耗窗口 (0.85卩m、1.31卩m和1.55卩m)兼容； (2) 响应度要高，在一定的接收光功率下，能产生最大的光电流； (3) 噪声要尽可能低，能接收极微弱的光信号； 性能稳定，可靠性高，寿命长，功耗和体积小。 一、半导体的光电效应 光照射到半导体的P-N结上，若光子能量足够大

31、，则半导体材料中价带的电子吸收光子的能量，从价带越过禁带到达导带, 在导带中出现光电子，在价带中出现光空穴, 即产生光电子一空穴对，总起来又称光生载 流子。光生载流子在外加负偏压和内建电场 的作用下，在外电路中出现光电流，从而在 电阻R上有信号电压输出。实现了输出电压 跟随输入光信号变化的光电转换作用。 四、光电检测器的特性 1、响应度R0和量子效率n 光电转换效率用响应度 R0或量子效率n表示。 N耗毘肚 I即 导带底 价帝闸土 响应度(Responsivity)的定义为：Ro=|p/Po(A/W) 式中Ip为光电检测器的平均输出电流；Po为光电检测器的平均输入功率 光生电子一空穴对数 入射

32、光子数 量子效率(Quantum Efficiency)的定义为: 2、响应时间(Response Time) 响应时间是指半导体光电二极管产生的光电流跟随入射光信号变化快慢的 状态。一般用响应时间(上升时间和下降时间)来表示。 (1) 光电二极管等效电路的RC时间常数 (2) 载流子在耗尽区的渡越时间 (3) 耗尽区外产生的载流子由于扩散而产生的时间延迟 3、暗电流 ID (Dark Current) 在理想条件下，当没有光照时，光电检测器应无光电流输出。但是，实际上 由于热激励、宇宙射线或放射性物质的激励，在无光情况下，光电检测器仍有电 流输出，这种电流称为 暗电流。严格说暗电流还包括器件

33、表面的漏电流。 暗电流将引起光接收机噪声增大。因此，器件的暗电流越小越好。 光放大器的作用使光信号直接在光域进行放大而无须转换成电信号进行信 光纤传感技术总结 息处理，即用全光中继来代替光-电-光中继 3、掺铒(Er3+)光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier) (1)工作原理 e,3能级 1.27eV 0.80eV 980nm 泵浦光 1550nm 信号光亠片亠 E3 980nm E2 1530nm 放大后 的信号: 1550nm E1 0 铒离子能级图 Er3+在未受任何光激励的情况下，处在低能级E1上，当用泵浦光源的激 光不断地激发掺铒光纤时，处于基态的粒子

34、获得了能量就会向高能级跃迁。由 E1跃迁至E3,粒子在E3这个高能级上是不稳定的，它将迅速以无辐射过程落 到亚稳态E2上，在该能级上，粒子相对来讲有较长的存活寿命，由于泵浦源不 断地激发，则E2能级上的粒子数就不断增加，而 E1能级上的粒子数就少，这 样，在这段掺铒光纤中就实现了粒子数反转分布状态，就存在了实现光放大的条 件。 当输入光信号的光子能量 E=hf正好等于E2和E1的能级差时，即： E2-E仁hf,则亚稳态E2上的粒子将以受激辐射的形式跃迁回到基态E1上，并 辐射出和输入光信号的光子一样的全同光子，从而大大增加了光子数量，使得输 入信号光在掺铒光纤中变为一个强的输出光信号，实现了光

35、的直接放大。 (2) EDFA的结构 (a) 、同向泵浦(Equi-direction Pumping)结构 输入光信号与泵浦光源输出的光波， 以同一方向注入掺铒光纤。 (b) 、反向泵浦(Reverse direct ion Pump in g结构 单泵浦的输出功率可达14dBm。 (c) 、双向泵浦(Bi-direction Pumping)结构 双泵浦的输出功率可达17dBm以上 I川kl向泉浦 時号输入 i时反向泵浦 呆浦光泵浦光 门戏向泵浦 (3) EDFA的主要优点： (1 )工作波长(1.531.56 m)与光纤通信最佳波段一致； (2) 与传输光纤的耦合损耗很小，可达0.1 d

36、B。 (3) 增益高(达40dB)、噪声低(低至3dB4dB )、输出功率大(达1420dBm)； (4) 能量转换效率高； (5) 增益特性稳定：对温度不敏感，与偏振无关； (6) 频带宽，在1550 nm窗口，频带宽度为2040 nm,可进行多信道传输， 有利于增加传输容量。 (4) EDFA的主要缺点：波长固定( 1.55 m左右)；增益带宽不平坦。 4、光纤喇曼放大器(FRA: Fiber Raman Amplifier ) (2) FRA的原理 若一强泵浦光和一弱信号光在一根光纤中传输，弱信号光的波长在强泵 浦光的拉曼增益带宽内，基于受激拉曼散射原理而使弱信号光得到放大，获得拉曼增益

37、。 信号光频率 WDM 耦合器 p 泵浦光 .Y 泵浦光 Si p s 斯托克斯光 =存 p s 待放大信号光 p 一 s 滤波器 已放大信号光 反斯托克斯光 P s 石英晶体的晶格振动 (4) FRA的特点 优点： 具有很宽的工作带宽，可以实现全波段光放大。 在传输系统中和EDFA组合使用时，能有效地降低系统的噪声指数。 25 光纤传感技术总结 可以对光信号构成分布式放大，因此可实现无中继长距离传输。 分布式拉曼放大，可以减少入射信号的光功率，降低了光纤非线性的影响，避 免四波混频效应对系统的影响。 具有较宽的拉曼增益谱。（多个泵浦源，可达132 m） 缺点： 喇曼光纤放大器所需要的泵浦光功

38、率高。 作用距离太长，增益系数偏低。 对偏振敏感。 EDFA和FRA的比较 EDFA的增益频谱是由铒能级电平决定的，它与泵浦光波长无关，它是固定 不变的。EDFA由于能级跃迁机制所限，增益带宽只有 80 nm。 光纤拉曼放大器使用多个泵源，可以得到比EDFA宽得多的增益带宽。目前 增益带宽已达132 nm。这样通过选择泵浦光波长，就可实现任意波长的光放大， 所以光纤拉曼放大器是目前唯一能实现 1 2901 660 nm光谱放大的器件，光纤 拉曼放大器可以放大EDFA不能放大的波段。 5. 半导体光放大器 （1） SOA的工作原 利用受激辐射来实现对入射光功率的放大的。 激活介质（有源区）吸收外

39、部 泵浦提供的能量，电子获得了能量跃迁到较高的能级，产生粒子数反转。输入光 信号会通过受激辐射过程激活这些电子， 使其跃迁到较低的能级，从而产生一个 放大的光信号。 SOA与半导体激光器的结构相似，但它没有反馈机制，因此 SOA只能放大 光信号，但不能产生相干的光输出。 （2） SOA的结构：法布里-珀罗放大器（FPA）行波放大器（TWA） SOA的特性: SOA最大的优点是它使用InGaAsP来制造，因此体积小、紧凑，可以与其 他半导体和元件集成在一起。SOA的主要特性是： （1）它们与偏振有关，因此需要保偏光纤。 它们具有可靠的高增益（20dB）。 它们的输出饱和功率范围是 510dBm。

40、 它们具有大的带宽。 它们工作在0.85卩m, 1.30卩m和1.55卩m波长范围。 （6）它们是小型化的半导体器件，易于和其他器件集成。 （7）几个SOA可以集成为一个阵列。 但是，由于非线性现象（四波混频），SOA的噪声指数高，串扰电平高。 掺Er3+光纤激光器的基本结构 掺铒光纤激光器有F-P腔、环形腔、环路反射器光纤谐振腔以及“8”字形 腔。其中环形腔，能有效克服增益介质的空间烧孔效应而实现单模运转，且较易 稀土掺杂光纤 实现。 激光输出 aaoiz 未转换的泵浦光线 环形腔掺铒光纤激光器工作原理 泵浦光经过 WDM耦合进入环路，经EDF （三能级系统）转化为波长1550 nm左右的光

41、，至V达耦合器后，一部分耦合至输出端，另一部分耦合到FBG，只 有波长为入B的光波反射回耦合器。隔离器使光在环路中只能沿逆时针方向传播， 传播一周后获得适当的增益再次到达 FBG，从而实现环路振荡，当所获得的增 益大于腔内损耗时，耦合器的输出端得到波长为入B的激光输出。 IMG 光纤传感技术总结 5.1.1光光效应：当光波照射到某些运动或静止的物质后，光波的某些参数（如 波长）会发生改变，这种现象称为 光光效应。 2. 萨格纳克效应 光学系统以角速度旋转，旋转半径为R,则与旋转方向同向行进的光线比静 止时的行进路程长，而反向行进的光线比静止时行进的路程短， 这种现象称为萨 格纳克效应。 3.

42、拉曼效应和布里渊效应 光照射到某些物质（气体、液体或者固体）时，该物质会散射出原来光源所不具 有的且与原来光源光谱偏离较大的光谱，这种现象称为 拉曼效应。 光照射到某些物质时，该物质会散射出与入射光谱偏离较小的光谱， 这种现象称 为布里渊效应。 物质对光的散射有多种形式，常用的有瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射。 电子在光的作用下从金属的表面逸出的现象称为光电效应，逸出来的电子称为光 电子，光电子在电场作用下而形成了电流，这种电流被称为 光电流。 物质的光学特性受到电场的影响而发生变化的现象称为电光效应。光电效应有线 性和非线性两种。 6.1光强调制型光纤传感器 光强调制型光纤传感器是用被测信号

43、调制光强，使探测器接收到的光强随被 测信号的变化而变化，这类光纤传感器称为光强调制型光纤传感器。 光强调制型光纤传感器具有结构简单， 易于实现等优点。常用的类型有：微 反射式强度调制 淙光探!器 光 吃送光纤 1. 图9唱反射贰光强调制器的原珥结构（胡和鋼出电压与位移关系（h| 折射率光强度调制 利用被测物理量引起传感材料折射率的变化; 利用渐逝场耦合； 利用折射率不同的介质之间的折射与反射 折射率光强度调制 反射面 山，临界角强度调制 光吸收系数强度调制 (1) 利用光纤的吸收特性进行强度调制 x射线、丫射线等辐射线会使光纤材料的吸收损耗增加，使光纤的输出功 率降低，从而构成强度调制辐射量传

44、感器。改变光纤材料成分可对不同的射线进 行测量。如选用铅玻璃制成光纤，它对 x射线、丫射线、中子射线最敏感，用 这种方法做成的传感器既可用于卫星外层空间剂量的监测，也可用于核电站、放 射性物质堆放处辐射量的大面积监测。 光吸收系数强度调制 (2) 利用半导体的吸收特性进行强度调制 大多数半导体的禁带宽度Eg都随着温度T的升高而几乎线性地减小。它们 的光吸收边的波长将随着T的升高而变化。 (10 6.2相位调制型光纤传感器 相位调制型光纤传感器主要是利用光干涉原理来完成信号的检测。 由于测试装置的结构和原理不同，相位调制型光纤传感器又有麦克尔逊 (Michelson)干涉型、马赫-曾德尔(Mac

45、h-Zehnder)干涉型、塞格纳克(Sagnac型及 法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉型光纤传感器。 31 光纤传感技术总结 光探劃器 敏感部弁嗎 沛分逓討反射镜 图四种类型光纤干沛仪结构 心）谊克尔谨干沖仪说峙桶-泽徳尔干涉仪；（小峯格纳克r涉仪；（川法祁甲-珀罗于祎仪 M( 麦克尔逊（Michelson）干涉型光纤传感器有两个特点： 其一是信号光纤与参考光纤在同一环境中，受环境的影响小； 其二是光的发出与接收在同一侧，属单端操作。使用时可放在被测体的内部形成 智能结构，也可放在被测体的外部，长期预留。 麦克尔逊（Michelson）干涉型光纤传感器的工作原理： 光源（激光器）发

46、出的光经耦合器后分成两路，一路经参考臂（光纤）到达反射镜 M1，经M1反射后的光反向传输再经光纤耦合器到达光探测器，这束光称为参 另一路经传感臂到反射镜M2，被M2反射的光沿传感臂反向传输经耦合器传输 至光探测器，这束光称为信号光。 传感臂放置在被测场，被测量的变化将引起传感光纤的长度发生变化， 则光在光 纤内部传输时的相位随之变化。 当参考光与信号光相遇时将发生干涉， 干涉光的相位是被测量的函数，即干涉后 光束的相位受被测量的调制。 通过光探测器输出的信号经解调可得到被测量。 马赫-曾德尔干涉型与麦克尔逊干涉型光纤传感器的不同点在于： (1) 信号光纤可在被测环境中，而参考光纤可在其他环境中

47、； (2) 光的发射与接收在传感器的两端，属双端操作。 传感器的优点是灵敏度高，且由于它提供了两个输出信号，从而能避免向激光腔 的光反馈。 但它也具有两个缺点： 其一是它所用的光纤较多，使用及安装都比较麻烦； 其二是它需要一个参考光纤，而一般情况下它不和测量光纤安在同一位置， 这就 使得输入臂与输出臂不对称，从而导致测量的不稳定，环境对其影响较大，限制 了这种传感器的应用。 双折射单模光纤马赫-曾德尔传感器的工作原理： 它使用了一对双折射单模光纤，当一束正交线性偏振的频率子波被分为两路射入 信号光纤和参考光纤，信号臂中 CD 1和3 2子波相位被测量调制。 调制后沿信号光纤快轴输出的32子波在

48、光电检测器D1处与参考臂中沿快轴传 输的3 1子波进行光学差拍，同时信号臂中沿慢轴传输的3 1子波与参考臂中沿 慢轴传输的3 2子波在另一光电检测器D2处差拍，两差拍电流又被送入相位解 调器，进而得到被测量的变化规律。 其灵敏度较单个的MachZehnder干涉型光纤传感器的灵敏度提高了 6倍。缺点 是系统复杂，造价高。 其灵敏度较单个的MachZehnder干涉型光纤传感器的灵敏度提高了 6倍。缺点 是系统复杂，造价高 624法布里-珀罗干涉型光纤传感器 法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉型光纤传感器的特点：是采用单根光纤利用多 束光干涉来检测被测量。避免了前两种传感器所需双根光纤配

49、对的问题，且比 Michelson型光纤传感器更适合于低频率变化信号的测量。 Fabry-Perot(F-P型光纤传感器可分为本征、非本征两种。图6.9和图6.10分别为 其结构图。 1 本征F-P型光纤传感器 如图6.9所示为本征F-P型光纤传感器 檄删传触 闾本征 这种传感器的传感头的特点为： (1) 光纤F-P腔是由一段光纤和两个端面上的反射镜构成的。若两个反射镜的反 射率不同，则称为非对称本征F-P干涉腔；若两个反射镜的反射率相同，则称为 对称本征F-P干涉腔； (2) 构成F-P腔的一段光纤与传光光纤为同一种光纤，便于光纤F-P腔与传光光 纤的连接。 (3) 所设计的F-P腔的性价比

50、高，入射光与诸束出射干涉光在F-P腔的同侧，便 于安装使用； (4) 使用一条光纤完成信号光与参考光的传输，使传感器结构简单、体积小、成 本低，特别适用于恶劣的监测环境，它的前景十分乐观。 光纤F-P干涉腔是由一段光纤的两个端面上所镀的反射面形成的。(看PPT吧！ !) 非本征F-P型光纤传感器的传感头的特点为： 光纤F-P腔是由两段光纤的两个端或一根光纤的一个端面和另一个被测面构成。 若两个反射面要平等放置，且一般情况下在两个面上镀上反射率相同反射镜面。 由于两个反射面间是空气，故称为非本征 F-P干涉(EFPI)。 F-P 干涉结构最为简单。主要优点是： (1) F-P 干涉结构只用一根光

51、纤就可以实现传感与传光两种功能，因而光路体积 小，调整较为简单； (2) 光纤F-P干涉腔是由两个平行反射端面构成的，当入射光进入 F-P腔后发生 多次反射形成多束反射光与透射光。由于任何两束反射光 (或透射光 )都满足干涉 条件，因此相遇时会发生干涉，且F-P结构的干涉光光强相对于相位差的灵敏度 1/比其他干涉结构都高； (3) F-P 结构只有短短的腔体感受外界环境的变化，因此若对腔体合理设计，它 的抗干扰能力就会比其他干涉结构高得多； (4) 由于F-P结构测量时的灵敏度高，简单的信号处理电路就可满足测试要求， 所以整个系统调整简单、价格相对较低。 6.2.5 布拉格光栅型光纤传感器( PPT) 光栅的 Bragg 波长为B2ne 6.3 偏振调制型光纤传感器 光波是一种横波，它的光矢量是与传播方向垂直的。 线偏振光 :如果光波的光矢量方向始终不变，只是它的大小随位相改变，这样的 光称线偏振光。