多传感器的光网络技术-

2.1概述

随着光传感和光网络技术的不断进步、智能结构及大型构建的出现，以及对工业生产的管理自动化和安全生产的要求不断提高，使得对多多参量大空间范围的传感网的需求日益迫切。将多个传感器构成一个光传感网络需要考虑以下几个主要问题复用的选择时分复用波分复用频分复用空分复用复用的串扰：涉及传感器输出信号的好坏复用的连接复用的优化2.2光纤网络的连接技术多传感器网络构成光网络所面临的首要问题是如何将多个传感器连接构成一个网络系统。它包括两种连接方式：固定熔接活动连接对熔接需注意熔接机的型号和质量连接段的封装熔接技术2.2.1网络的主要损耗弯曲引起的损耗光纤宏弯损耗光纤微弯损耗多模光纤的微弯损耗光纤的微弯空间频率，光纤的微弯损耗最大光纤的损耗谱在,处的主衰减峰两侧还有次极大出现光纤的微弯损耗与微弯振幅成正比。对微弯传感有利光纤的微弯损耗与微弯总长成正比单模光纤的微弯损耗：与模斑半径密切相关，模斑半径越小，微弯损耗越小2.光纤和光源的耦合损耗为获得最佳的耦合效率，主要应考虑：光纤和光源的相互匹配的问题对于光纤：光纤纤芯直径数值孔径截止波长（单模光纤）偏振特性对于光源：发光面积发光的角分布光谱特征（单色性）输出功率偏振特性1)半导体激光器和光纤的耦合损耗半导体激光器光强表达式：（垂直于光轴的平面内呈高斯分布）在x方向光束较集中，发散角5-6度在y方向发散角40-60度（1）直接耦合损耗影响耦合效率的因素：光源的发光面积与光纤纤芯总面积光源发散角与光纤数值孔径（2）用透镜耦合的损耗端面球透镜耦合（24%-60%）光纤端面加球透镜的效果是显著地增加光纤的孔径角，从而增加耦合效率。柱透镜耦合利用柱透镜可把半导体激光器发出的光进行单方向会聚，使光斑接近圆形以提高耦合效率。缺点是对激光器，柱透镜以及光纤的相对位置的准确性要求非常高凸透镜耦合一般用直径为3-5mm、焦距4-15mm的凸透镜优点：便于构成活动接头，或是中间插入分光片，偏振棱镜等圆锥形透镜耦合

2）半导体发光二极管和光纤的耦合损耗在空间一点P处，面积为dS内所得到的光功率为：最大耦合效率B光源亮度，AE发光面积，为光线与发光面法线夹角对于多模光纤，耦合效率为2%2.2.2光网络常用无源及有源光纤器件光无源器件：能量消耗型器件光连接器光耦合器光开关光衰减器光隔离器光滤波器波分复用/解复用器光纤耦合器1.熔锥型单模光纤光分/合路连接器2.磨抛型单模光纤定向耦合器3.光开关：切换光路机械光开关非机械光开关要求：串扰小、器件尺寸小、插入损耗小、驱动电压小、消光比大、与光纤耦合效率高、无极化依赖性、开关速度和频率带宽可按需要变1）机械式光开关微光机电系统光开关（MOEMS）金属薄膜光开关电光效应光开关4.掺杂光纤激光器与放大器1）光纤激光器与放大器的分类晶体光纤激光器与放大器非线性效应激光器与放大器掺杂光纤激光器与放大器2）光纤激光器和放大器的特点3）掺杂光激光器的原理（1）光纤环形谐振腔4）掺杂光纤激光介质产生激光和激光放大的原则是：在其吸收带对应的波长上提供必要的泵浦光，在其萤光带对应的波长上提供形成增益和振荡的条件。掺铷光纤可产生0.9

um，1.06um，1.35

um的激光，掺铒光纤可产生波长为1.55

um的激光其中0.9um和1.55um为3能级结构，1.06

um和1.35um为四能级结构5）光纤激光器典型例子稀土掺杂的光纤激光器非线性效应光纤激光器光纤受激拉曼激光器光纤受激布里渊激光器光纤光栅激光器优点：腔长短，环境影响小缺点：效率低，谱线宽，泵浦的吸收效率低，斜率效率低自脉效应（模式跳变现象）DBR:DistributedBraggReflectionDFB:DistributedFeedback优点：只用一个光栅来实现反馈和波长选择，因而频率稳定性好，旁瓣抑制比高，还避免了掺铒光纤与光栅的熔接损耗。缺点：掺铒光纤中含Ge量少或没有，光栅写入差。效率低，谱线宽，泵浦的吸收效率低，斜率效率低，自脉效应（模式跳变现象）两对光纤光栅分别具有不同的波长，而每对光纤光栅波长相同WDM泵浦LD信号输入信号输出EDF2-2-41光纤放大器结构示意图5.光纤放大器与激光器的区别：无谐振腔，有信号光1)光纤放大器的结构WDM泵浦LD信号输入信号输出EDF2-2-42反向泵浦的光纤放大器结构图WDM泵浦LD信号输入信号输出EDFWDM泵浦LD2-2-43双向泵浦的光纤放大器结构图2）光纤放大器的特征参数增益饱和输出功率：信号增益比小信号增益下降3dB或10dB时的信号输出功率增益带宽：在最高增益以下3dB增益之内的信号带宽噪声系数：光纤放大器输出信噪比和输入信噪比之比目前商用技术指标：增益25-35dB;输出功率10-15dBm；噪声系数4.5-6dB光纤放大器的三种用途：功率放大，中继放大，前置放大3）典型光纤放大器掺铒光纤放大器工作波长1550nm,与光纤低损耗波段一致增益谱宽，30nm带宽利用可控

拉曼光纤放大器半导体光放大器拉曼光纤放大器拉曼过程能级图拉曼效应：入射光波的一个光子被一个分子散射成为另一个低频光子，同时分子完成其两个振动态之间的跃迁按量子理论分析，Raman散射是由分子与光子场相互作用产生的。光子场由入射光子与散射光子的场组成，分子处在不连续的分立能级的某一本征能级。设散射分子的两个最低能级分别为E1和E2，能量间隔为hν，在入射光作用下，原处于较低能级E1上的，图（a）分子在散射后先跃迁到一种状态之E3上，然后又跃迁返回至另外一个能级E2，分子内能增加，而散射光子的频率则向低频方向移动了?ν，这种过程产生的散射光称为Stokes光。与此类似，如图（b）所示产生的散射光称Anti_Stokes光。同时泵浦拉曼光纤放大器而获得波长位移几十到上百纳米的超宽带放大波段。如果泵浦光源的带宽过宽时，会出现泵浦光源间的感应拉曼散射效应，致使长波长泵浦光增益争夺短波长泵浦光增益，从而达不到预期的宽带平坦性。对拉曼光纤放大器和EDFA的泵浦加以优选，可获得互补。半导体光放大器半导体材料能级图2.3光网络技术多传感光网络系统主要由多个光电传感器和光纤网构成。光传感网和光通信网的主要差别是：光传感网络既有数字信号，又有模拟信号，并且通常以模拟信号居多；光通信网则主要是传输数字信号；光传感网主要是近距离的传输（几米几百米至几千米）；因此传输损耗有时可不考虑。2.3.1可用于构成光传感网的传感器光传感网主要用于智能结构、智能材料以及大范围多点、多参量的监测系统。因此用于组网的传感器应满足微型化、高可靠、可联网等要求，此外还应考虑其侧脸的灵敏度和动态范围、光纤和材料的匹配等因素。点式光纤传感器光纤在线Fabry-Perot传感器绝对测量光纤干涉仪（白光干涉仪1.3.6）光纤Bragg光栅传感器积分式光纤传感器光纤干涉仪Mach-Zehnder干涉仪Michelson干涉仪光纤偏振仪分布式光纤传感器积分式光纤传感器光纤偏振干涉仪：

利用高双折射光纤两正交模式之间的相位差随外界温度或压力而变化的关系，可构成积分式温度传感器以拉曼散射分布式光纤传感器为例在任何介质中，自发拉曼散射将一小部分入射光功率由一光束转移到另一频率下移的光束中。频率下移量由介质的振动模式决定，此过程称为拉曼散射分布式光纤传感器瑞利散射拉曼散射布里渊散射拉曼散射光强与温度的关系k=1.3806505(24)×10−23J/Kh=6.626196×10-34J·s2.3.2成网技术光纤传感器的成网技术中应考虑的重要问题是：光源的选择——针对复用何组网方式，选用不同光源调制和解调的方法——针对所选用的光传感器及其复用和组网方式，选择合适的调制和解调复用和组网的方式——针对使用场合、检测要求、成网工艺、施工条件以及成本等因素综合评价1.光时分复用网络1光时分复用网络2光时分复用网络32.光纤频分复用1）调制频域复用——三个LD用三个不同的频率分别调幅。每个LD发出的光分别输入三个光传感器，在用三个光探测器（D1，D2，D3）接收。缺点：仍要