光电子技术—光纤与光纤技术应用

1、光纤与光纤技术简介1 光纤简介光纤简介 主要光纤产品介绍主要光纤产品介绍 光纤拉锥及折射率传感光纤拉锥及折射率传感 全分布式光纤传感技术全分布式光纤传感技术 掺铒光纤激光器掺铒光纤激光器内内 容容21. 1. 光光 纤纤 简简 介介31. 光光 纤纤 简简 介介什么是光纤（什么是光纤（optical fiber)optical fiber)？ 光纤是光纤是光导纤维光导纤维的简称。光纤是以的简称。光纤是以光脉冲光脉冲的的形式来传输信号，材质以形式来传输信号，材质以玻璃或有机玻璃玻璃或有机玻璃为主的为主的网络传输介质网络传输介质。 电 信电 信号号光光 发发送送 机机光光 接接受受 机机电 信电

2、信号号光纤光纤4光纤结构光纤结构 光纤由三部分组成：光纤由三部分组成：芯层（芯层（corecore）包层（包层（claddingcladding）涂覆层（涂覆层（coatingcoating） 内层（内层（buffer layer） 外层（外层（top layertop layer） 芯层芯层: SiO2+Ge+F : SiO2+Ge+F 包层包层: SiO2+F: SiO2+F内涂覆层内涂覆层: :丙烯酸树脂丙烯酸树脂 外涂敷层外涂敷层: :丙烯酸树脂丙烯酸树脂1. 光光 纤纤 简简 介介5光纤分类光纤分类光纤信号处理光纤信号处理光纤光纤通通 信用信用光纤光纤非非 通信通信用光纤用光纤单模光

3、纤（单模光纤（SM）多模光纤（多模光纤（MM）特种光纤特种光纤光纤传感光纤传感光纤测量光纤测量其它光学系统其它光学系统1. 光光 纤纤 简简 介介61. 光光 纤纤 简简 介介模式（模式（mode）概念）概念 模式是指光的在模式是指光的在光纤中光纤中的的传输方式传输方式（电磁场分（电磁场分布形式）。布形式）。 光纤中能够传导的模式是由光纤中能够传导的模式是由光纤结构参数光纤结构参数所决所决定的。外界激励只能激励起光纤中定的。外界激励只能激励起光纤中允许存在的模式允许存在的模式而不会改变模式的固有性质。而不会改变模式的固有性质。 模式是光模式是光波动方程的解波动方程的解。它对应于波动方程某。它对

4、应于波动方程某一本征值并满足全部边界条件。每一个模式对应于一本征值并满足全部边界条件。每一个模式对应于沿光纤轴向传播的一种电磁波。沿光纤轴向传播的一种电磁波。7单模与多模光纤单模与多模光纤阶跃型多模单模光纤1. 光光 纤纤 简简 介介8光纤几何尺寸光纤几何尺寸 芯径芯径 单模光纤：单模光纤： 10um;10um; 多模光纤：多模光纤： 50um/62.5um50um/62.5um包层直径包层直径 普通光纤：普通光纤： 125um涂覆层直径涂覆层直径 普通光纤普通光纤 内层内层 170200um 外层外层 245um1. 光光 纤纤 简简 介介125um245um9光纤工作原理光纤工作原理 光纤

5、利用光在光纤利用光在界面上的全反射原界面上的全反射原理进行工作。理进行工作。1. 光光 纤纤 简简 介介10多模多模芯层芯层包层包层芯层芯层包层包层G.652G.6551. 光光 纤纤 简简 介介11光纤通信原理光纤通信原理 光纤通信采用数字通信原理。光纤通信采用数字通信原理。 0 1 0 0 1 1 0 1 0 模拟信号模拟信号 数字信号数字信号 模拟信号模拟信号编编 码码解解 码码1. 光光 纤纤 简简 介介12单信道全光中继数字通信单信道全光中继数字通信光光-电电-光中继的数字通信光中继的数字通信1. 光光 纤纤 简简 介介13光纤通信特点光纤通信特点1. 光光 纤纤 简简 介介优点：优

6、点： 信号损耗小，中继距离长；信号损耗小，中继距离长； 光纤为绝缘体不受电磁干扰；光纤为绝缘体不受电磁干扰； 玻璃光纤不产生电磁场，保密性高；玻璃光纤不产生电磁场，保密性高； 重量轻，易于施工和运输；重量轻，易于施工和运输；缺点：缺点： 光纤制造工艺复杂，生产成本较高；光纤制造工艺复杂，生产成本较高； 光纤连接复杂；光纤连接复杂； 配套光器件价格较高配套光器件价格较高142. 主要光纤产品主要光纤产品152. 主要光纤产品主要光纤产品DCF光纤光纤光纤光纤 普普 通通 光光 纤纤 特特 种种 光光 纤纤单模光纤单模光纤多模光纤多模光纤保偏光纤保偏光纤大芯径光纤大芯径光纤光子晶体光纤光子晶体光纤

7、产品分类产品分类162. 主要光纤产品主要光纤产品普通单模光纤普通单模光纤(G652A/B)特点：特点：q 光纤中只传导基模光纤中只传导基模 ；q 芯径小，传输带宽高；芯径小，传输带宽高；q 熔接和耦合困难，对光源要求高；熔接和耦合困难，对光源要求高；q 制造工艺简单。制造工艺简单。单模光纤单模光纤LP00CladdingCore172. 主要光纤产品主要光纤产品多模光纤多模光纤(GIMM)的折射率分布（的折射率分布（G651)折射率分布公式折射率分布公式n2(r)=n21-2(r/a)gg1 三角形分布；三角形分布；g2 抛物线型分布；抛物线型分布；g 阶跃型分布阶跃型分布corecladd

8、ing18多模光纤多模光纤12CladdingCore2. 主要光纤产品主要光纤产品渐变型多模光纤（渐变型多模光纤（GIMMGIMM）特点：特点：q 光纤中传导多个模式光纤中传导多个模式 ；q 芯径大，模间色散大；芯径大，模间色散大；q 易于耦合，对光源要求低；易于耦合，对光源要求低；q 制造工艺复杂。制造工艺复杂。19精确的折射率剖面精确的折射率剖面控制控制消除中心凹陷消除中心凹陷消除芯层消除芯层/ /包层界面包层界面缺陷缺陷2. 主要光纤产品主要光纤产品PCVDPCVD工艺在制造多模光纤中的优势工艺在制造多模光纤中的优势PCVDNONPCVD202. 主要光纤产品主要光纤产品各种光纤的用途

9、各种光纤的用途单模光纤：单模光纤：q普通单模：高速率、长距离传输通信主干网。普通单模：高速率、长距离传输通信主干网。多模光纤：多模光纤：q50um50um多模：局域网通信、音多模：局域网通信、音/ /视频信号传输和数据传输。视频信号传输和数据传输。q62.5um62.5um多模：多模：局域网通信（北美地区使用较多）。局域网通信（北美地区使用较多）。212. 主要光纤产品主要光纤产品特种光纤简介特种光纤简介保偏光纤特点：保偏光纤特点：q 双折射率高，保双折射率高，保偏性能好偏性能好 ；q 衰耗低；衰耗低；q 弯曲稳定性好；弯曲稳定性好；保偏光纤应用：保偏光纤应用：q 光纤陀螺光纤陀螺 ；q 偏振

10、敏感器件；偏振敏感器件；q 偏振传感器；偏振传感器；熊猫型保偏光纤熊猫型保偏光纤222. 主要光纤产品主要光纤产品特种光纤简介特种光纤简介DCFDCF光纤特点：光纤特点：q 负色散值（反色负色散值（反色散光纤）散光纤） ；q 高色散斜率；高色散斜率；q 芯径小，相对折芯径小，相对折射率高；射率高；17DispersionWavelength-130SM fiberDCF fiber1550nm1310nm232. 主要光纤产品主要光纤产品DCFDCF光纤应用光纤应用242. 主要光纤产品主要光纤产品特种光纤简介特种光纤简介大芯径光纤特点：大芯径光纤特点：q 光纤芯径大（可达到光纤芯径大（可达到

11、190um190um以上），以上），NANA值大值大 ；q 与光源间的光耦合效率高；与光源间的光耦合效率高；q 允许更高的光源密度；允许更高的光源密度；大芯径光纤应用：大芯径光纤应用：q 工业局域网工业局域网 ；q 光纤传感；光纤传感；q 激光能量传输；激光能量传输；252. 主要光纤产品主要光纤产品特种光纤简介特种光纤简介光子晶体光纤（光子晶体光纤（PCFPCF）：）：263. 光纤拉锥及折射率传感光纤拉锥及折射率传感273. 光纤拉锥及折射率传感光纤拉锥及折射率传感28图图 1 1 光子晶体光纤锥区示意图光子晶体光纤锥区示意图3.1 3.1 实验原理实验原理3. 光纤拉锥及折射率传感光纤拉

12、锥及折射率传感29 如图所示，光从单模光纤输入，经过第一熔接点过后，一部分光耦合进PCF的纤芯以纤芯模式传输，另一部分光耦合至包层以包层模式传输。在锥形传感区域，随着PCF锥形区域的直径变细，以纤芯模式传输的光能量逐渐减弱，而以包层模式传输的光能量逐渐增强。在这一过程中，PCF的两种模式的传播常数不同，在传输距离L过后，两种模式之间会产生相位延迟。最终，当两束光通过第二熔接点时，两种模式在单模光纤中发生干涉。3. 光纤拉锥及折射率传感光纤拉锥及折射率传感30 3. 光纤拉锥及折射率传感光纤拉锥及折射率传感31图 2 光纤拉锥示意图图 3 光子晶体光纤（PCF）传感示意图3. 光纤拉锥及折射率传

13、感光纤拉锥及折射率传感32图 4 、熔接点产生空气腔的C-type PCF实验数据折射率灵敏度为折射率灵敏度为126-160nm/RIU126-160nm/RIU应变灵敏度为应变灵敏度为- -0.0016nm/0.0016nm/温度灵敏度为温度灵敏度为0.006nm/0.006nm/4. 4. 全分布式光纤传感技术全分布式光纤传感技术334. 全分布式光纤传感技术全分布式光纤传感技术344. 全分布式光纤传感技术全分布式光纤传感技术354. 全分布式光纤传感技术全分布式光纤传感技术364. 全分布式光纤传感技术全分布式光纤传感技术374. 全分布式光纤传感技术全分布式光纤传感技术384. 全分

14、布式光纤传感技术全分布式光纤传感技术394. 全分布式光纤传感技术全分布式光纤传感技术404. 全分布式光纤传感技术全分布式光纤传感技术414. 全分布式光纤传感技术全分布式光纤传感技术424. 全分布式光纤传感技术全分布式光纤传感技术434. 全分布式光纤传感技术全分布式光纤传感技术444. 全分布式光纤传感技术全分布式光纤传感技术454. 全分布式光纤传感技术全分布式光纤传感技术464. 全分布式光纤传感技术全分布式光纤传感技术474. 全分布式光纤传感技术全分布式光纤传感技术484. 全分布式光纤传感技术全分布式光纤传感技术494. 全分布式光纤传感技术全分布式光纤传感技术504. 全分

15、布式光纤传感技术全分布式光纤传感技术515. 5. 掺铒光纤激光器掺铒光纤激光器525. 掺铒光纤激光器掺铒光纤激光器535.1 研究背景研究背景掺铒光纤激光器的可行性在1987年被美国的贝尔实验室及英国南安普顿大学两家机构所证实，成功放大了掺铒单模光纤中的光信号，实现了半导体激光器向光纤激光器的转化。目前，通信领域中大量使用了掺铒光纤激光器，因为它有小型轻量化，高增益，高效率和容易产生非线性光学效应的特点。5. 掺铒光纤激光器掺铒光纤激光器545.2 实验原理与方法实验原理与方法PART ONEPART TWO980 nm LDWDM滤波器滤波器输出输出5. 掺铒光纤激光器掺铒光纤激光器55

16、非线性偏振旋转效应：光通过偏振相关隔离器后变成线偏振光，PC1将线偏振光变为椭圆偏振光，光纤的非线性效应作用在两个正交偏振分量上，使光的偏振态发生变化。由于非线性相移是强度相关的，通过调节PC2，使得光再一次通过偏振相关隔离器时，较大的光强度损耗小，较小的光强损耗大，最后实现脉冲输出。5. 掺铒光纤激光器掺铒光纤激光器565.3 滤波器的设计滤波器的设计5. 掺铒光纤激光器掺铒光纤激光器57提出了一种基于锥形保偏光纤的可调谐光纤滤波器，并结合非线性偏振旋转效应实现可调谐的调Q掺铒光纤激光器，通过参数优化，调节偏振控制器就能实现波长调谐的调Q脉冲输出，方法简单可行，有较好的创新性。 5. 掺铒光纤激光器掺铒光纤激光器585.4 脉冲脉冲掺铒光纤激光器掺铒光纤激光器 5. 掺铒光纤激光器掺铒光纤激光器59原理：3dB耦合器OC1将入射光分成幅值相等传播方