第七章 光纤测量技术

1、1、光纤技术的发展历史3、光纤结构和类型4、光纤的损耗6、光纤传感器实例主要内容主要内容2、光纤波导的原理 1966年，高锟发表了一篇题为年，高锟发表了一篇题为光频率介质光频率介质纤维表面波导纤维表面波导的论文，开创性地提出光导的论文，开创性地提出光导纤维在通信上应用的基本原理，描述了长程纤维在通信上应用的基本原理，描述了长程及高信息量光通信所需绝缘性纤维的结构和及高信息量光通信所需绝缘性纤维的结构和材料特性。简单地说，只要解决好玻璃纯度材料特性。简单地说，只要解决好玻璃纯度和成分等问题，就能够利用玻璃制作光学纤和成分等问题，就能够利用玻璃制作光学纤维，从而高效传输信息。维，从而高效传输信息。

2、 提出用纤维材料传达光束讯号，以建置通信提出用纤维材料传达光束讯号，以建置通信的第一人的第一人 高琨博士的照片高琨博士的照片 高琨博士被称为高琨博士被称为“光纤之父光纤之父” 2009年年10月月6日，瑞典皇日，瑞典皇家科学院向高锟颁授诺贝尔家科学院向高锟颁授诺贝尔物理学奖。皇家科学院说，物理学奖。皇家科学院说，高锟在高锟在“有关光在纤维中的有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面传输以用于光学通信方面”取得了突破性成就取得了突破性成就.1970 年年，光纤研制取得了重大突破。，光纤研制取得了重大突破。美国康宁美国康宁(Corning)公司就研制成功损耗公司就研制成功损耗20 dB/km的石英光

3、纤。的石英光纤。1972年年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/km。1973 年年，美国贝尔，美国贝尔(Bell)实验室取得了更大成绩，光纤损耗降实验室取得了更大成绩，光纤损耗降低到低到2.5dB/km。1974 1974 年年降低到降低到1.1dB/km。1976 年年，日本电报电话，日本电报电话(NTT)公司等单位将光纤损耗降低到公司等单位将光纤损耗降低到0.47 dB/km(波长波长1.2m)。1、光纤技术的发展历史 1976年年日本电报电话公司研制成功发射波长为日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3 m的铟镓砷磷的铟镓砷磷(InGaAs

4、P)激光器，激光器，1979年年美国电报电话美国电报电话(AT&T)公司和日本电报电话公司研制成功发射公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为波长为1.55 m的连续振荡半导体激光器。的连续振荡半导体激光器。 由于光纤和半导体激光器的技术进步，使由于光纤和半导体激光器的技术进步，使 1970 年成为光年成为光纤通信发展的一个重要里程碑。纤通信发展的一个重要里程碑。 国内外光纤通信发展的现状国内外光纤通信发展的现状光纤光纤: 多模多模 单模，单模，工作波长工作波长: 0.85 m 1.31 m和和1.55 m，传输速率传输速率: 几十几十Mb/s 几十几十Gb/s。 应用范围应用范围:

5、市话局间中继市话局间中继 长途干线长途干线 用户接入网用户接入网 数字电话数字电话 有线电视有线电视(CATV) 单一类型信息的传输单一类型信息的传输 多种业务的传输。多种业务的传输。目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统将成目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统将成为未来国家信息基础设施的支柱。为未来国家信息基础设施的支柱。 光纤通信的优点光纤通信的优点 通信手段通信手段 传输容量传输容量( (话话路路)/)/条条 中继距离中继距离/km /km 1000 km1000 km内中继器个内中继器个数数 微波无线电微波无线电 960 960 50502020小同轴小同轴

6、9609604 4250250中同轴中同轴 180018006 6160160光缆光缆 1920192030303333光缆光缆 14000(1Gb/s)14000(1Gb/s)84841111光缆光缆 6000(445MB/S)6000(445MB/S)1341347 71、容许频带很宽，传输容量很大、容许频带很宽，传输容量很大2. 损耗很小，损耗很小， 中继距离很长且误码率很小中继距离很长且误码率很小 石英光纤在石英光纤在1.31 m和和1.55 m波长，波长， 传输损耗分传输损耗分别为别为0.50 dB/km和和0.20 dB/km。因此，用光纤比用同。因此，用光纤比用同轴电缆或波导管的

7、中继距离长得多，见。目前，采轴电缆或波导管的中继距离长得多，见。目前，采用外调制技术，波长为用外调制技术，波长为1.55m的色散移位单模光纤的色散移位单模光纤通信系统，若其传输速率为通信系统，若其传输速率为2.5 Gb/s，则中，则中继距离可继距离可达达150 km；若其传输速率为；若其传输速率为10 Gb/s，则中继距离可，则中继距离可达达100 km。 3. 重量轻、重量轻、 体积小体积小 光纤重量很轻，直径很小。即使做成光缆，在芯光纤重量很轻，直径很小。即使做成光缆，在芯数相同的条件下，其重量还是比电缆轻得多，体积数相同的条件下，其重量还是比电缆轻得多，体积也小得多。也小得多。 4. 抗

8、电磁干扰性能好抗电磁干扰性能好 光纤由电绝缘的石英材料制成，光纤通信线路不光纤由电绝缘的石英材料制成，光纤通信线路不受各种电磁场的干扰和闪电雷击的损坏。无金属光受各种电磁场的干扰和闪电雷击的损坏。无金属光缆非常适合于存在强电磁场干扰的高压电力线路周缆非常适合于存在强电磁场干扰的高压电力线路周围和油田、煤矿等易燃易爆环境中使用。光纤围和油田、煤矿等易燃易爆环境中使用。光纤(复合复合)架空地线架空地线(Optical Fiber Overhead Ground Wire, OPGW)是光纤与电力输送系统的地线组合而成的通是光纤与电力输送系统的地线组合而成的通信光缆，已在电力系统的通信中发挥重要作用

9、。信光缆，已在电力系统的通信中发挥重要作用。 5. 泄漏小，泄漏小， 保密性能好保密性能好 在光纤中传输的光泄漏非常微弱，即使在弯曲地段也无法在光纤中传输的光泄漏非常微弱，即使在弯曲地段也无法窃听。没有专用的特殊工具，光纤不能分接，因此信息在光纤窃听。没有专用的特殊工具，光纤不能分接，因此信息在光纤中传输非常安全。中传输非常安全。 6. 节约金属材料，节约金属材料， 有利于资源合理使用有利于资源合理使用 制造同轴电缆和波导管的铜、铝、铅等金属材料，在地球上的储存量是有限的；而制造光纤的石英(SiO2)在地球上基本上是取之不尽的材料。制造8 km管中同轴电缆，1 km需要120 kg铜和500

10、kg铝；而制造8 km光纤只需320 g石英。 所以， 推广光纤通信，有利于地球资源的合理使用。 光纤拉丝装置预制棒加热炉线径测量牵引辊预涂覆在鼓上的光纤n 光纤有不同的结构形式。目前，通信用的光纤绝光纤有不同的结构形式。目前，通信用的光纤绝大多数是用石英材料做成的横截面很小的双层同大多数是用石英材料做成的横截面很小的双层同心玻璃体，外层玻璃的折射率比内层稍低。折射心玻璃体，外层玻璃的折射率比内层稍低。折射率高的中心部分叫做纤芯，其折射率为率高的中心部分叫做纤芯，其折射率为 ，直径，直径为为2a；折射率低的外围部分称为包层，其折射率；折射率低的外围部分称为包层，其折射率为为 ，直径为，直径为2

11、b。它的基本结构形式如图所示。它的基本结构形式如图所示 151n2nn2n1nr ( )r2am=2a8.32 b1252 bm=2、光纤波导原理n特点：n1n2光在芯和包层之间的界面上反复进行全反射，并在光纤中传递下去。16纤芯的作用约束光的传输。约束光的传输。包层的作用形成光波导效应。形成光波导效应。涂敷层的作用保护光纤不受水汽的侵蚀保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤，同时增加光纤的柔韧性和机械擦伤，同时增加光纤的柔韧性n虽然光纤的基本结构形式如上图虽然光纤的基本结构形式如上图 所示，但所示，但是按照折射率分布、传输模式多少、材料是按照折射率分布、传输模式多少、材料成分等的不同，光纤可分为很

12、多种类，下成分等的不同，光纤可分为很多种类，下面将简单介绍一下面将简单介绍一下 171. 按照折射率分布来分一般可以分为阶跃型光纤和渐变型光纤两种 如果纤芯折射率沿半径方向保持一定，包层折射率沿半径方向也保持一定，而且纤芯和包层折射率在边界处呈阶梯型变化的光纤，称为阶跃型光纤，又可称为均匀光纤。它的结构如图所示。 阶跃折射率光纤18图5.1 阶跃折射率光纤 (a)折射率剖面 (b)端视图 (c) 纵剖面图纤芯包层n阶跃折射率光纤的临界角sinc=n2/n1n引入纤芯和包层相对折射率差：n=(n1-n2)/n1n这是 一个恒定的参数,因为全反射角存在的条件是n1大于n2,其典型值为0.0119n

13、常见的阶跃折射率的光纤通常有三种常见的阶跃折射率的光纤通常有三种结构结构纤芯和包层都是使用玻璃纤芯和包层都是使用玻璃纤芯使用石英玻璃而包层使用塑料纤芯使用石英玻璃而包层使用塑料塑料纤芯而包层使用另一种塑料塑料纤芯而包层使用另一种塑料全玻璃的纤芯和包层折射率差最小全玻璃的纤芯和包层折射率差最小塑料包层石英光纤塑料包层石英光纤(PCS)稍大一些稍大一些全塑料光纤最全塑料光纤最 大大(POF 聚合物光纤聚合物光纤)20数值孔径（Numerical Aperture, NA）NA-(P84)n阶跃光纤数值孔径NA的物理意义是：能使光在光纤内以全反射形式进行传播的接收角c之正弦值。 21n需要注意的是，

14、光纤的NA并非越大越好。NA越大，虽然光纤接收光的能力越强，但光纤的模式色散也越厉害。因为NA越大，则其相对折射率差也就越大，值较大的光纤的模式色散也越大，从而使光纤的传输容量变小。因此NA 取值的大小要兼顾光纤接收光的能力和模式色散。CCITT建议光纤的NA=0.180.23。22n和平板波导一样和平板波导一样,模式失真和数值孔径随着模式失真和数值孔径随着折射率差的增加而变大折射率差的增加而变大.n模式脉冲展宽和数值孔径模式脉冲展宽和数值孔径 由大到小由大到小全塑料光纤全塑料光纤 塑料包层石英光纤塑料包层石英光纤 全玻璃光纤全玻璃光纤 23 脉冲展宽小可以使光纤实现长距离大脉冲展宽小可以使光

15、纤实现长距离大容量传输容量传输,NA小会导致光源到光纤的耦合效小会导致光源到光纤的耦合效率低下率低下24 全玻璃光纤具有最低的衰耗和最小的全玻璃光纤具有最低的衰耗和最小的模式脉冲展宽模式脉冲展宽,所以比较适合高信息速率和所以比较适合高信息速率和长距离传输系统长距离传输系统25石英光纤 由于由于PCS光纤的传输损耗和脉冲展宽比光纤的传输损耗和脉冲展宽比全玻璃纤维光纤要大，所以比较适合应用全玻璃纤维光纤要大，所以比较适合应用于短距离的传输系统。其数值孔径比较大，于短距离的传输系统。其数值孔径比较大，使得光源到光纤的耦合效率比较高。使得光源到光纤的耦合效率比较高。26 由于传输损耗很大，使全塑料光纤

16、传由于传输损耗很大，使全塑料光纤传输距离受到很大限制。传输距离通常只有输距离受到很大限制。传输距离通常只有数十米。其数值孔径很大，使得光源到光数十米。其数值孔径很大，使得光源到光纤的耦合效率很高，全塑料光纤也因此得纤的耦合效率很高，全塑料光纤也因此得到应用。到应用。27塑料光纤 光纤的尺寸大小通常用纤芯直径和包层光纤的尺寸大小通常用纤芯直径和包层直径表示，都是以微米为单位，例如直径表示，都是以微米为单位，例如50/125 光纤代表纤芯直径为光纤代表纤芯直径为50微米包层直径微米包层直径为为125微米的光纤。微米的光纤。SI 光纤的直径的典型光纤的直径的典型 值为值为50/125，100/140

17、和和200/2302829图5.2 可被SI 光纤捕获的光线形成的圆锥纤芯n进入光纤的光在芯包交界面上的入射角大进入光纤的光在芯包交界面上的入射角大于临界角时，就在光纤内产生全反射；而于临界角时，就在光纤内产生全反射；而入射角小于临界角的光就有一部分进入包入射角小于临界角的光就有一部分进入包层，当包层外围介质的折射率比包层的折层，当包层外围介质的折射率比包层的折射率还有小时，光纤通过包层外边界面的射率还有小时，光纤通过包层外边界面的内全反射也能够被光纤捕获。内全反射也能够被光纤捕获。30n前者的传输损耗小，能作远距离传输，称前者的传输损耗小，能作远距离传输，称为传导模为传导模n后者的传输损耗大

18、，称为包层模后者的传输损耗大，称为包层模3132图5.3包层模的射线路经。在纤芯和包层界面上的部分反射造成了多条传输路经纤芯包层3、光纤结构和类型 n光纤是一种纤芯折射率比包层折射率高光纤是一种纤芯折射率比包层折射率高的同轴圆柱形电介质波导的同轴圆柱形电介质波导;n根据光纤横截面上折射率的径向分布情根据光纤横截面上折射率的径向分布情况，光纤分为阶跃型和渐变型两种况，光纤分为阶跃型和渐变型两种;n作为信息传输波导，实用光纤有两种基作为信息传输波导，实用光纤有两种基本类型，它们是多模光纤和单模光纤。本类型，它们是多模光纤和单模光纤。n2n1nr ( )r阶阶跃跃多多模模光光纤纤(a)包包层层纤纤芯

19、芯2a2a m=1001402b m=2bn2n1nr ( )r渐渐变变多多模模光光纤纤(b)2a2a m=62.52b1252b m=2b多模光纤n 可以传播数百到上千可以传播数百到上千个模式的光纤，称为个模式的光纤，称为多模多模(MM, Multimode)光纤。光纤。n 根据折射率在纤芯和根据折射率在纤芯和包层的径向分布情况，包层的径向分布情况，又可分为阶跃多模光又可分为阶跃多模光纤和渐变多模光纤。纤和渐变多模光纤。t光强光强0tSM SM GI SI1.00.5脉冲展宽脉冲展宽n2n1nr ( )r2a m=2a8.32b1252b m=单模光纤-色散最小n 只能传播一个模式的光纤称为

20、单模光纤只能传播一个模式的光纤称为单模光纤n 标准单模标准单模(SM, Single Mode)光纤折射率分布和光纤折射率分布和阶跃型光纤相似，只是纤芯直径比多模光纤小阶跃型光纤相似，只是纤芯直径比多模光纤小得多，模场直径只有（得多，模场直径只有（910） mn 光线沿轴线直线传播光线沿轴线直线传播, 色散使输出脉冲信号展色散使输出脉冲信号展宽最小。宽最小。n按材料分类：按材料分类：玻璃光纤：纤芯与包层都是玻璃，损玻璃光纤：纤芯与包层都是玻璃，损耗小，传输距离长，成本高；耗小，传输距离长，成本高；胶套硅光纤：纤芯是玻璃，包层为塑胶套硅光纤：纤芯是玻璃，包层为塑料，特性同玻璃光纤差不多，成本较料

21、，特性同玻璃光纤差不多，成本较低；低；塑料光纤：纤芯与包层都是塑料，损塑料光纤：纤芯与包层都是塑料，损耗大，传输距离很短，价格很低。多耗大，传输距离很短，价格很低。多用于家电、音响，以及短距的图像传用于家电、音响，以及短距的图像传输输。n按照光纤的模式分类按照光纤的模式分类 单模（单模（Single-Mode） 多模（多模（Multi-Mode）n按折射率分类按折射率分类 阶越光纤阶越光纤 渐变折射率光纤渐变折射率光纤 4 4、光纤的损耗、光纤的损耗1310 nm : 0.35 0.5 dB/Km1550 nm : 0.2 0.3dB/Km850 nm : 2.3 3.4 dB/Km光纤熔接点

22、损耗：0.2dB/点光纤熔接点 1点/2km 光纤传感器光纤传感器(FOS Fiber Optical Sensor)是是2020世纪世纪7070年年代中期发展起来的一种基于代中期发展起来的一种基于光导纤维光导纤维的新型传感器。它的新型传感器。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。光纤传感器用的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的光作为敏感信息的载体载体，用光纤作为，用光纤作为传递敏感信息的媒质传递敏感信息的媒质。因此，它同时。因此，它同时具有具有光纤光纤及及光学测量光学测量的特点。的特点。 电绝缘性能好

23、。电绝缘性能好。 抗电磁干扰能力强。抗电磁干扰能力强。 非侵入性。非侵入性。 高灵敏度。高灵敏度。 容易实现对被测信号的远距离监控。容易实现对被测信号的远距离监控。光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、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、磁场等物理量压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量5、光纤传感器实例、光纤传感器实例 （1 1）根据光纤在传感器中的作用）根据光纤在传感器中的作用光纤传感器分为功能型、非功能型两大类。光纤传感器分为功能型、非功能型两大类。 1 1）功能型（全光纤型）光纤传感器）功能型（全光纤型）光纤传感器利用

24、对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特或特殊光纤殊光纤)作传感元件，将作传感元件，将“传传”和和“感感”合为一体的传合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素素(弯曲、相变弯曲、相变)的作用下，其光学特性的作用下，其光学特性(光强、相位、偏光强、相位、偏振态等振态等)的变化来实现的变化来实现“传传”和和“感感”的功能。因此，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，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。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 2）非功能型（或称传光型）光纤传感器）非