章光纤与光学传感技术

光与现代科技讲座第三章光纤与光学传感技术2023/2/41光与现代科技讲座云南大学信息学院通信工程系

宗容zongrong@.c三章光纤与光学传感技术光与现代科技2023/2/42光与现代科技讲座第一章绪论

2第二章光源与激光器2第三章光纤与光学传感技术4第四章激光在现代医学中的应用4第五章激光在军事技术中的应用4第六章激光在现代工业和加工中的应用4第七章光与信息技术4第八章光通信技术与网络6第九章光学成像、全息与显示技术2第十章光电集成与纳米技术22023/2/43第三章光纤与光学传感技术§3.1光纤与传光原理3.1.1

光纤构造与分类3.1.2光纤传光原理3.1.3光纤传输特性3.1.4光缆§3.2

光纤传感器3.2.1光纤传感器基本工作原理及类型3.2.2光纤传感器的调制器原理3.2.3偏振调制调制型光纤传感器的应用举例——光纤电流传感器3.2.4光纤图像传感器§3.3

图像传感器3.3.1CCD图像传感器3.3.2CMOS图像传感器§3.4激光与红外传感器(探测器)3.4.1激光传感器3.4.2红外辐射传感器3.4.3红外探测器(传感器)

§3.5超声波传感器3.5.1

超声波的基本特性3.5.2

超声波传感器§3.6核辐射传感器3.6.1

核辐射源—放射性同位素3.6.2

核辐射传感器3.7辐射式传感器应用举例2023/2/44§3.1光纤与传光原理§3.1.1光纤的构造与分类§3.1.2光纤传光原理§3.1.3光纤的传输特性§3.1.4光缆2023/2/45§3.1.1光纤的构造与分类一、光纤的构造二、光纤的分类三、常用光纤四、光纤制作方法简介2023/2/46一、光纤的构造1、纤芯，光信号的传输2、包层，限制光信号溢出3、一次涂敷层（预涂层），保护光纤增加韧性4、缓冲层，减少对光纤的压力5、二次涂敷层（套塑层），加强光纤的机械强度2023/2/471、纤芯：位于光纤中心部位，主要成分是高纯度的SiO2,纯度可达99.99999%，其余成份为掺入极少量掺杂剂，如P2O5和GeO2，掺杂剂的作用是提高纤芯的折射率。纤芯直径一般为2a＝3～100μm2、包层：含有少量掺杂剂的高纯度SiO2,掺杂剂有氟或硼，其作用是降低包层折射率，包层直径2b＝125～140μm3、一次涂层：厚度5～40μm，材料一般为环氧树脂或硅橡胶，可承受7kg拉力4、缓冲层：厚度100μm5、二次涂敷层：原料大都采用尼龙或聚乙烯1层＋2层＝光纤3＋4＋5层＝护层5层大约0.9mm左右2023/2/482023/2/49二、光纤的分类－11、从原材料分：石英系光纤:这种材料的光损耗比较小，在波长λ＝1.2μm时、最低损耗约为0.47dB/km。多组份玻璃光纤:用常规玻璃制成，损耗也很低。如硼硅酸钠玻璃光纤，在波长λ＝0.84μm时，最低损耗为3.4dB/km。塑料光纤:用人工合成导光塑料制成，其损耗较大。当λ＝0.63μm时，损耗高达100～200dB/km；但重量轻，成本低，柔软性好，适用于短距离导光。氟化物光纤液芯光纤掺杂光纤，如掺铒光纤由于石英系光纤具有传输衰减小，通信频带宽，机械强度较高等特点，在通信系统中得到广泛应用。2023/2/410材料对性能的影响按原材料划分所用原材料举例可制成光纤按其它方法归类特点衰减强度可靠性价格石英光纤SiO2和掺杂剂阶跃单模(SM)阶跃多模(SI)梯度多模(GI)低高高高多成份玻璃光纤纳钙玻璃硼硅酸盐玻璃阶跃多模(SI)梯度多模(GI)较低较低存在问题较低塑包石英光纤纤芯：SiO2包层：塑料阶跃多模(SI)较低较高存在问题较低全塑光纤纤芯：聚甲基丙烯酸甲酯包层：氟代丙烯酸树酯SI高低有问题低2023/2/411光纤分类－22、按照光纤横截面上折射率分布特征n(r)分：阶跃型光纤，也称突变型光纤（常用SI表示—StepIndexfibber）

纤芯与包层的折射率均为一常数，其界面处呈阶跃式变化。渐变型光纤，也称梯度光纤或自聚焦光纤（常用GI表示—GradedIndexfibber

）纤芯折射率连续变化，包层的折射率则为一常数。W型光纤等2023/2/412ba0abba0abn(r)n(r)n1n1n2n2阶跃型光纤渐变型光纤

n1r≤an1[1-2Δ(r/a)

g]1/2

r≤an2a<r≤bn2[1-2Δ]1/2a<r≤bn(r)=n(r)=Δ—相对折射率差，Δ＝（n1-n2)/n12023/2/413a双包层b三角芯c椭圆芯典型特种单模光纤2023/2/414a—阶跃型光纤；b－渐变型光纤；c－单模光纤2023/2/415光纤分类－33、按光纤内的导模数分多模光纤(MM—MultiModefiber)

可传输多种模式，或允许多种场结构存在2a=50～75µm，2b=100-200µm（多模）这类光纤性能较差，带宽较窄；但由于芯子的截面积大，容易制造、连接耦合比较方便，也得到了广泛应用。单模光纤(SM—SingleModefiber)

只传输一种模式2a=4~10µm，2b=125µm(单模)这类光纤传输性能好、频带很宽，具有较好的线性度；但因内芯尺寸小，难以制造和耦合。2023/2/416光纤分类－44、按套塑的情况分松套紧套5、按工作波长分短波长光纤：0.8～0.9µm长波长光纤：1.0～1.7µm超长波长光纤：>2µm

短波长与长波长光纤为石英系光纤，而超长波长光纤为非石英系光纤，如重金属氧化物、硫硒碲化合物和卤化物光纤等2023/2/417光纤分类－56．按用途分类

(1)通信光纤。用于光通信系统，实际使用中大多使用光缆（多根光纤组成的线缆），是光通信的主要传光介质。

(2)非通信光纤。这类光纤有低双折射光纤、高双折射光纤、涂层光纤、液芯光纤和多模梯度光纤等几类。2023/2/418三、常用光纤1、阶跃多模光纤（SIF）2、梯度多模光纤（GIF）3、单模光纤（SMF）

目前常用单模光纤有：G.652、G.653、G.654、G.6552023/2/419按照零色散波长将单模光纤分为6种非色散位移光纤：G.652色散位移光纤：G.653截止波长位移光纤：G.654非零色散位移光纤：G.655色散平坦光纤色散补偿光纤2023/2/420不同结构单模光纤的色散特性2023/2/421G.651，多模渐变型（GIF）光纤（或称梯度光纤），它在光纤通信发展的初期广泛应用于中小容量，中短距离的通信系统；G.652常规单模光纤，或称非色散位移光纤，是第一代单模光纤，其特点是在波长1310nm色散为零，系统的传输距离只受损耗的限制，但1310nm处损耗不是最小值（0.4dB/km）。光纤工作在1550nm窗口衰减小，且具有EDFA供选用，但其在1550nm窗口色散大，不利于高速系统的长距离传输。2023/2/422G.653色散移位光纤，是第二代单模光纤，其特点是在波长1550nm色散为零，损耗又最小。适用于大容量长距离通信系统。但其在波分复用时会出现四波混频效应，故其被限用于单信道高速传输。G.654截止波长位移光纤，1550nm损耗最小单模光纤，其特点是在波长1310nm处色散为零，在1550nm处色散为17～20ps/(nm.km)，和常规单模光纤相同，但损耗更低，可达0.2dB/km以下。它主要是一种用于1550nm改进的常规单模光纤。目的是增加传输距离2023/2/423G.655非零色散位移光纤，是一种改进的色散移位光纤，在密集波分复用（WDM）系统中，当使用波长1550nm色散为零的色散移位光纤时，由于复用信道多，信道间隔小，出现了一种称为四波混频的非线性效应。这种效应是由两个或三个波长的传输光混合而产生的有害分量，它使信道间相互干扰。如果色散为零，四波混频的干扰十分严重，如果有微量色散，四波混频反而减小。为此，科学家研究了非零色散光纤。2023/2/424G.655光纤的特点是有效面积大，零色散波长不在1550nm，而在1525nm或1585nm。在1550nm有微量色散，其值大到足以抑制密集波分复用系统的四波混频效应，小到允许信道传输速率达到10Gb/s以上。它具有常规单模光纤和色散移位光纤的优点，是最新一代的单模光纤。光纤工作在1550nm窗口衰减小、色散低，大大减小四波混频效应，故其可用于远距离、波分复用、孤子传输高速系统中，实现超大容量超长距离的通信。康宁(Corning)公司开发的这种新型光纤称为长距离系统光纤(LongHaulSystemFiber)；AT&T(美国电报电话)公司开发的这种光纤称为真波光纤(TrueWaveFiber)2023/2/425色散补偿光纤，其特点是在波长1550nm具有大的负色散，这种光纤是针对波长为1310nm的常规单模光纤系统升级而设计的，因为当这种系统要使用掺铒光纤放大器（EDFA）以增加传输距离时，必须把工作波长从1310nm移到1550nm，。用色散补偿光纤在波长为1550nm的负色散和常规单模光纤在1550nm的正色散相互抵消，以获得线路总色散零而损耗又最小的效果。色散平坦光纤，其特点是色散值在一定范围内为常数，2023/2/426四、光纤制造方法改进的化学汽相沉积法(MCVD)

等离子体激活化学汽相沉积法(PCVD)管外化学汽相沉积法汽相轴向沉积法（VAD）

管外汽相沉积法（OVPD）多种组份玻璃制造法2023/2/427光纤制作简介光纤的制造工艺主要包括熔炼、拉丝和套塑三个主要过程。1、熔炼熔炼过程是把超纯的化学原料四氯化硅和氧气，经过高温化学反应合成低损耗的优质石英棒（称为光纤预制棒）。熔炼时。一般掺入少量杂质以控制折射率。如锗、磷、硼氟等。2023/2/428其化学反应如下：

SiCl4+O2

→SiO2+2Cl2↑GeCl4+O2

→GeO2+2Cl2↑其中，SiO2

是石英，这就是化学合成法。原料SiCl4可以是气化的液体，它比固体容易提纯，故制作超纯石英不宜把固体天然石英提纯而宁可采用化学合成法。熔炼工艺有很多种，这里仅以改良的化学气相沉积法(MCVD)来说明熔炼过程。2023/2/429

合成的SiO2以粉末状沉积在石英坯管内管壁上，遇到高温即融成一层很薄的透明含锗的优质石英。火焰来回移动，管子均匀旋转，一层层的优质石英均匀地沉积在管内。H2O2火焰移动SiCl4+O2GeCl+O2排气Cl2石英坯管HO焰1400～1500℃MCVD熔炼工艺示意图旋转2023/2/430

当沉积的石英层有足够的厚度后，把火焰温度升高到1700～2000℃，石英管被软化，由于它的表面张力，石英管自动收缩，而将管子的中心孔填没，成为一根实心用以制作光纤的石英棒，称为预制棒。预制棒的芯子是优质石英，用以导光，外表皮是一般石英，不作导光用，仅起保护作用。2、拉丝拉丝是把较粗的石英预制棒拉成细长的光纤。拉丝装置示意图如下。2023/2/431光纤坯棒测温仪炉温控制测径仪调速设备固化炉光纤涂覆器高温炉2000℃拉丝轮拉丝工艺装置示意图预制棒缓缓送入，高温下被软化，由拉丝轮拉成细丝。为保证光纤直径精度，采用激光测径仪，并按照偏差信号反馈控制炉温和拉丝温度等。为保护光纤表面不被外界污染而产生微裂纹，必须在光纤成形后马上涂覆一层保护涂料，并立即固化，最后卷绕在套筒上。2023/2/4323、套塑为进一步保护光纤，提高光纤的机械强度，一般把带有涂敷层的光纤再套上一层尼龙。光纤的套塑方式有两种：松套：光纤可在尼龙管内松动，其涂敷材料一般为环氧树脂，抗水性能不很好，常填充半流质的油膏(Jelly)。紧套：其涂敷材料一般是硅橡胶，外面紧密无间隙地套上一层尼龙，光纤在尼龙管内不能松动。2023/2/433紧套光纤结构简单，操作方便，而松套光纤防水性能和机械性能较好。由于石英光纤是用掺杂材料制成的，所以其物理性能比金属材料稳定得多，但光纤在套塑后，由于套塑原料的膨胀系数较石英大得多，所以在低温时塑料收缩，形成光纤的微弯曲而增加了衰减。故而适当注意套塑工艺可获得温度特性良好的光纤。2023/2/434§3.1.2

光纤的传光原理

分析光纤的传输原理有两种方法：几何光学法：将光看成一条条的几何射线来分析，也称射线理论

应用条件：光波的波长远小于光纤的几何尺寸，只适用于多模光纤波动光学法：光波按电磁场理论，用麦克斯韦方程组求解，也称模式理论。它既可用于多模光纤，也可用于单模光纤2023/2/435本节主要内容一、几何光学法——射线理论基础知识阶跃光纤中的光线轨迹和数值孔径渐变光纤中的光线轨迹和数值孔径光线模式的分立性二、光纤传输的波动理论模式的概念与线偏振模归一化频率模截止频率与导模的传输条件单模传输的条件单模光纤2023/2/436基础知识1、光谱、光速和媒质的折射率光在真空中的速度C=2.9979×108m/s，空气中为C0=2.997×108m/s，

在其它媒质中的速度ν=c/nn为折射率,如n水=1.33,n玻璃=1.5n大为光密媒质，n小为光疏媒质，且n还与光的波长有关，或者说，不同波长的光在同一媒质中传输速度有差异。如玻璃对红光（波长较大）的折射率比对紫光（波长较小）的折射率小。2023/2/4372、光的反射、折射和全反射光波属于电磁波范畴，在均匀介质中传播时，其轨迹是一条直线，可称为光射线。当光射线射到两介质（媒质）交界面时，将发生反射和折射。θiθrθtn1n2设入射角为θi，反射角为θr，折射角为θt则θi＝θr（反射定理)

n1Sinθi=n2Sinθt

（折射定理，即斯涅尔Snell定理）2023/2/438当光从光密媒质向光疏媒质入射，则θt>

θi当光从光疏媒质向光密媒质入射，则θt<θi2023/2/439反射系数R(即反射光功率与入射光功率之必)与入射角θi有关，θi在0～30°入射角范围内时，则折射到第二种介质中的光功率部分为，T=1-R例：一束自然光自空气垂直射向玻璃，若n波=1.5，入射功率为P0，试计算进入玻璃的功率。解：R=[(1.5-1)/(1.5+1)]2=0.04

则T=1-R=0.96，故进入玻璃内的功率为0.96P0.2023/2/440全反射的形成

当光线由光密媒质（如n1）射向光疏媒质（如n2）时，由于n1>n2，则此时介质Ⅱ中折射线将离开法线而折射，θr>

θt。当入射角增加到某一值时，可使得折射角θt=90o,这时折射线将沿界面传输，此时的入射角称为临界角，用θc表示。根据折射定理n1Sinθi=n2Sinθt当θi>θc时，折射角θt必大于90o，光射线不再进入介质Ⅱ，而由界面全部反射回介质Ⅰ，这种现象称为全反射。此时反向系数的模值等于1。2023/2/4411、阶跃光纤中的光线轨迹和数值孔径（1）光线轨迹2023/2/442光线1以θ角入射，折射角为θ1，若在包层—纤芯边界满足：90o－θ1>Ψc

（全反射临界角)，则光线1以之字形折线在纤芯中传播，直至能量损失殆尽或从光纤中另一端射出。始终被束缚在芯区中的光线被称为“传导模”，或简称“导模”光线根据斯奈尔(Snell)定律,有n0Sinθ＝n1Sinθ1＝n1CosΨ12023/2/443光线2以θc角入射，折射线在包—芯边界恰好满足全反射（折射角为90o

），相应光线将以为Ψc

入射到交界面，并沿交界面向前传播。光线3的初始入射角较大，致使到达芯—包层界面时不满足该处全反射条件，此光线折射进入包层。这种光线的能量经过不长光纤的传输（约几百米）便损失掉了。这种光线被称为“包层模”或“辐射模”光线，它对光纤通信无效。2023/2/444（2）数值孔径由上述三种光线轨迹可知，只有在半锥角为θ≤θc的圆锥内的入射的光束才能在光纤中传播。根据这个传播条件，定义临界角θc的正弦为数值孔径（NumericalAperture,NA)。根据定义和斯奈尔定律NA=n0Sinθc=n1CosΨc，n1SinΨc＝n2Sin90o

解之有：式中，Δ＝(n1-n2)/n1——相对折射率差如Δ＝0.01，n1=1.5，则NA=0.21或θ＝12.2o2023/2/445数值孔径NA是光纤接受和传输光的能力，它取决于折射率nNA(或)θc越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。对于无损耗光纤，在θc内的入射光都能在光纤中传输。NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。但NA越大，经光纤传输后产生的信号崎变越大，色散带宽变差，限制了信息传输容量。ITU—T(CCITU)规定：NA＝0.15～0.24±0.002

我国规定：NA＝0.2±0.022023/2/446（3）子午光线、斜光线和螺旋光线子午光线：光线始终在经过轴线的某个平面内，该面为子午面。若入射光线原来就在子午面内，则射入光纤后仍为子午光线。斜光线：光纤入射方向与子午面有一夹角，则射入光纤后，将形成一条条空间折线，此折线在圆周方向的投影是一段段搭接在纤芯边界圆上的等长弦。一般它们不一定形成正多变形，而绕轴足够多圈后，不同方位的弦互相交叠，将充满以纤芯边界为外圆的环行区，环的内圆半径等于等长弦的弦心距。实际上，光纤中的斜光线是以此环形为底面的圆形管壁中曲折前进的。2023/2/447螺旋光线：当内圆柱面半径加大，最后与纤芯边界重合，此时的光线轨迹相当于沿着芯包边界的圆柱面螺旋前进，因而被称为螺旋光线。光纤端面上接受斜光线入射角的最大角θs与NA有：Sinθs•Cosγ=NA，

γ—相邻两段等长弦的夹角之半由此可以看出，在满足芯—包边界全反射的条件下，对斜光线的端面入射角度比对子午光线有所放松。那些在“放松”角度范围内入射的斜光线，有时被称为“隧道模”光线。它们虽然能在芯区正常传输，但因不易定量分析，常被暂时忽略，只在其影响正确测量时，才设法避免或修正。2023/2/4482、梯度光纤中的光线轨迹和局部数值孔径其光线轨迹可用射线方程来描述深入分析表明，抛物光纤中的光纤轨迹近似正弦线。2023/2/4492023/2/450自聚焦效应：渐变多模光纤具有自聚焦效应，不仅不同入射角相应当光线会聚焦在同一点上，而且这些光线的时间延迟也近似相等。这是因为光线传播速度v(r)=c/n(r)，入射角大的光线经历代路程较长，但大部分路程远离中心轴线，n(r)较小，传播速度较快，补偿了较长的路程。入射角小的光线情况正相反，其路程较短，但速度较慢，所以这些光线的时间延迟相等。2023/2/451二、光纤传输的波动理论电磁波在光纤中传播的基本方程直角坐标系下的麦克斯韦方程组柱坐标系下的波动方程阶跃光纤中的光场阶跃光纤的本征值方程与模式单模光纤2023/2/452光纤传输的波动理论的主要概念和结论模式的概念与线偏振模归一化频率模截止频率与导模的传输条件单模传输的条件单模光纤2023/2/4531、模式的概念与线偏振模波动方程的一个“特解”，表示电磁场的一种稳定存在形式，用电力线或磁力线将此形式描绘出来便是一种特定图案。这种电磁场分布的特定图案或称“场型”，被称为“模式”在均匀介质传播的光波可以认为是平面波，其电场和磁场的方向与光的传播方向垂直，而且是正交的两个分量，即横电磁波(TEM)。当光在由几种媒介组成的非均匀介质中传播时，据传播方向有无电磁场分量可分为：2023/2/454

横电磁波（TEM）—传播方向上无电场和磁场分量横电波(TE)—传播方向上无电场，有磁场分量横磁波(TM)—传播方向上有电场，无磁场分量混合波(EH、HE)—传播方向上既有电场也有磁场分量在这些电磁波中，有一部分的场型和传播速度是相同的，通常，我们把这些场型分布相同的模式称为简并模计算表明，能在光纤中存在的导模有TEon、TMon、HEmn、EHmn四种。(m表示在圆周方向上有m对最大；n表示在半径方向上有n个最大)2023/2/455下面是几个低阶模的场分布2023/2/456几个低次模的场型（实线为电力线，虚线为磁力线，λg=2π/β）2023/2/457(a)HE11模的场结构(b)HE11模的简化图2023/2/458(a)TE01模的场结构(b)TE01模的简化图2023/2/459几个低次模的场型（实线为电力线，虚线为磁力线，λg=2π/β）2023/2/460(a)TM01模的场结构(b)TM01模的简化图2023/2/461几个低次模的场型（实线为电力线，虚线为磁力线，λg=2π/β）2023/2/4622023/2/463§3.1.3光纤的传输特性传输性能损耗（衰减）色散串扰2023/2/464传输性能一、损耗（衰减）性能光纤是一种传输媒质，光波在其中传播单位距离就有相当一部份能量被吸收或散射。传播波的振幅衰减主要是由于过渡金属离子和以氢氧根形式出现的水吸收引起的。光纤衰减以衰减系数α来衡量，它是度量光能在光纤中传输损失的参数。2023/2/465光在光纤中传播时，平均光功率沿光纤长度按照指数规律减少。即

P(L)=P(0)e(-αL/10)P(0)—L=0处注入光纤的光功率P(L)—传输到轴向距离L处的光功率α定义：单位长度光纤引起的光功率衰减。当长度为L时，Pin—输入光纤的光功率，Pout—输出光纤的光功率，L—被测光纤的长度，2023/2/466光通信工程中，长度为Li，衰减系数为αi的N段光纤相连接，则全长L为αs—平均每连接点的损耗，y—连接点数α的大小，不仅标志着光纤制作技术的水平，而且也决定了光纤通信中的距离的长短。2023/2/467光纤损耗产生的原因和分类损耗散射吸收材料固有吸收原子缺陷吸收杂质吸收氢氧根离子吸收过渡金属离子吸收紫外吸收红外吸收瑞利散射光纤结构不完善散射非线性效应散射弯曲损耗2023/2/468单模光纤损耗谱，示出各种损耗机理2023/2/4692023/2/4702023/2/471光纤损耗的谱特性及工作窗口三种实用光纤损耗谱2023/2/472优质单模光纤损耗谱2023/2/473减少光纤损耗的途径提高光纤材料的化学纯度，减少杂质吸收损耗，改进与提高光纤的制作工艺，减少材料中OH－根离子的吸收损耗和波导效应的散射损耗。弯曲损耗：光纤弯曲时，原先按全内反射规律沿光纤前进的光线，由于入射角不再小于临界角，部分光线将按照折射定律进入包层，不再返回。或导模的部分能量转化为辐射能而被消耗掉，致使到达光纤终端的能量受到削弱，通常称之为弯曲损耗。2023/2/474二、光纤的色散特性色散(Dispersion)指在光纤中传输的光信号由于不同成份的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。色散一般包括模式色散、材料色散、和波导色散。这在通信中将产生码间干扰，导致通信容量、通信速率、传输距离的降低。色散参数D的单位ps/(nm·km)，代表两个波长间隔为1nm的光波传输1km距离后到达时间的延迟。2023/2/475色散产生的原因及分类－1

模式色散—由传输模式引起的色散，只存在于多模光纤中。每一种传输模式到达光纤终端的时间先后不同，造成脉冲展宽，从而出现色散现象。对阶跃多模光纤，以不同的入射角θi进入光纤的光线，虽然在入射端同时入射，并以相同的速度传播，但到达光纤输出端的时间却不相同，出现了时间上的分散，导致脉冲展宽严重，即发生了多径色散。路径最短的光线，即θi＝0o的光线，正好等于光纤长度L，路径最长的为L/Sinφc。由于纤芯中光速为v=c/n1,则这两条光线到达输出端的时差Δ为：2023/2/476色散产生的原因及分类－2材料色散—由光纤材料引起的色散光在光纤中传播速度v=c/n1(λ)，n1(λ)是光波波长的函数，即同一材料对不同波长的折射率不一样。当含有不同波长的光脉冲（非单色光）通过光纤传输时，其传输速度不一致，这时，光脉冲被展宽出现色散。2023/2/477色散产生的原因及分类－3波导色散—又称结构色散，是由光纤的几何结构决定的色散，光纤的横截面尺寸起主要作用。当波导结构不完整，除产生模交换外，还可能引起部分光纤进入包层，而这些光线的传播速度大于纤芯中的光脉冲传播速度，这样光脉冲被展宽。色散除与上述三种有关外，还与光源的频谱宽度有关。2023/2/478不同结构单模光纤的色散特性2023/2/479各种光纤的ITU—T建议G.651：多模渐变型光纤G.652：常规单模光纤G.653：色散移位光纤G.654：1.55损耗最小的单模光纤G.655：非零色散光纤，改进的色散移位光纤色散补偿光纤色散平坦光纤

ITU-T:国际电信联盟—电信标准化机构；（CCITT-国际电报电话咨询委员会和IEC-国际电工委员会）2023/2/4801、定义如果存在两根平行放置的、结构相同的光纤，在其中传输的导模也完全相同，则沿光纤“1”传输的光波，由于某种原因进入光纤“2”并对沿光纤“2”传输的信号造成干扰的现象，称为光纤间出现了串扰。2、产生相互串扰的机理定向耦合效应由散射现象造成的串扰3、防护措施选择工作波长时，尽可能远离截至波长，让光波尽可能被束缚在纤芯之中；加大包层厚度，减小进入相邻光纤的光波的强度；在包层外覆一层吸收光能能力较强的护套；改进光纤的制造工艺，使诸如包层纤芯的界面粗糙、纤芯中含有杂质等造成结构不均匀的因素得到消除。三、传输特性——串扰2023/2/481§3.1.4光缆光缆的结构：缆芯、加强件、外护层光缆分类光缆制造简介特种光缆光缆发展趋势2023/2/482一、光缆结构光缆中要有加强件（抗张元件）加强件有三种置放方式中心式：置于缆芯正中心分布式：分散地置于缆芯内铠装式：置于缆皮内光缆中有防潮措施防潮方法有：气体充填、固体充填、石油膏充填光缆中有防止因温度变化而引起光缆传光特性变化的措施2023/2/483光纤使用寿命和应力比的关系2023/2/484二、光缆分类－11、按用途分GY—野外（室外）光缆GJ—局内（室内）光缆GR—软光缆GS—设备内光缆GH—海底光缆GT—特殊光缆2023/2/485光缆分类－22、按外护套特征分PE护套光缆：简易型聚乙烯护套LAP护套光缆：铝—聚乙烯粘接护套钢带铠装光缆钢丝铠装光缆2023/2/486光缆分类－33、按缆芯特征分层绞式束管式叠带式骨架式2023/2/487光缆分类－44、按敷设方式分管道式直埋式架空水底光缆局内光缆2023/2/488不同敷设条件的光缆机械特性敷设方式拉伸强度(N)抗测压强度(N/10cm)工作时敷设时工作时敷设时架空、管道60015008001000直埋10003000100030002023/2/489光缆分类－55、按结构设计原则分：紧结构光缆松结构光缆6、按缆芯芯数分单芯多芯：2、4、6、8、12、…2023/2/490二次被覆光纤（芯线）简图(a)紧套；(b)松套；(c)大套管；(d)带状线2023/2/491六芯紧套层绞式光缆（架空、直埋）2023/2/49212芯松套层绞式光缆（直埋防蚁）2023/2/49312芯骨架式光缆（直埋）2023/2/4946～48芯束管式光缆（直埋）2023/2/495108芯带状光缆2023/2/496LXE束管式光缆（架空、管道、直埋）2023/2/497浅海光缆2023/2/498架空地线复合光缆（OPGW）2023/2/499三、光缆制造简介生产过程：生产预制棒→拉丝→套塑→成缆→加外护套（含充填石油膏和加尺寸码带）→装铠主要环节进料、设备、制作、和验收、销售2023/2/4100四、特种光缆将特殊用途或特种结构的光缆称为特种光缆。水底光缆、光/电混和缆、无卤阻燃光缆、非金属光缆（全介质自承式光缆、缠绕式光缆）、复合地线光缆等。2023/2/41011.水底光缆由于敷设时短期拉力大，需要将光缆进行钢丝铠装，以提供足够的抗拉强度。水底光缆的抗拉、抗恻压力机械特性和密封性能是光缆设计要考虑的主要问题。水底光缆的密封有加金属管作密封层的，一般要求的水底光缆，最普遍的方法是在缆芯中填充阻水油膏，在缆芯外加金属护套密封。2023/2/41022.光电混合缆指将电话用铜线对或铜馈电线放入光缆缆芯中，做成光/电混合缆。除中心管式外，可将这种光/电混合缆，做成层绞式和骨架式。多用在既需要进行光信号传输，又要进行电信号监控的部门，如铁路沿线使用的光/电混合缆2023/2/41033.无卤阻燃光缆一般说，室内用的光缆和地铁用的光缆等都应该是阻燃的。阻燃层主要是加在光缆外护层。阻燃分为有卤阻燃和无卤阻燃常用的PVC(聚氯乙稀)属有卤阻燃料；阻燃聚烯烃属无卤阻燃料。其中有的阻燃剂为无金属水合物。如氢氧化铝，在高温火焰作用下，氢氧化铝气化放出水，水吸收热量，稀释氧气，从而达到阻燃目的。2023/2/41044.非金属光缆指整根均无金属部件非金属中心加强构件光缆不一定是非金属光缆，因为中心加强构件可以是非金属，而护套或外护层可以含有金属。有些多雷电地区就要求用这种中心加强件是非金属，而护套或外护层含有金属的光缆。一般非金属光缆是将层绞式光缆或骨架式光缆的中心加强构件选用非金属的玻璃纤维增强塑料（FRP）棒，护套或护层不用金属。因为玻璃钢的抗拉强度不大，所以这种非金属光缆一般要有钢丝（绳）吊挂，使用在避免强电感应当场所。如高压输电的调度室到高压输电线路铁塔。2023/2/4105非金属光缆-11、全介质自承式光缆当不用钢丝（绳）吊挂，而是自承式悬挂于铁塔之上时，非金属光缆只靠中心的加强构件玻璃纤维增强塑料(FRP)棒作抗拉构件是不够的，必须在其缆芯周围包一定数量的芳纶纤维(kevlar)。这种光缆专为自承式悬挂在高压输电线路铁塔上而设计的，称为全介质自承式光缆(AllDielectricSelfSupport-ADSS)。由于高压输电线路铁塔跨距较大，因此对ADSS的抗拉强度要求特别高。ADSS用于高压输电铁塔，当电压超过220kV时，光缆外护套PE料要用耐电晕老化的PE料,否则外护套会在高压电感应下发生电晕放电，导致老化电龟裂2023/2/4106非金属光缆-22、缠绕光缆缠绕光缆也是一种全介质光缆，它的敷设不像ADSS光缆那样靠自承悬挂在铁塔上，而是缠绕在高压输电线路的地线或相线导体上。其优点是光缆非常细（约10mm），缆内不需要特别强硬的加强构件，抗张强度也不需要特别大，因为它是靠地线或相线导体来支承。缠绕光缆有两点要注意：光缆用材必须选用具有耐高温特性的，因为地线或相线导体上都载有电流（地线上是感应电流或短路电流），光缆的热阻应经得住短期（如10分钟）120℃～150℃的热冲击和长期（如400小时）90℃的热老化。光缆外护套要满足抗鸟侵袭的能力光缆尺寸要小，重量要轻，因为缠绕式光缆每个盘能装的光缆长度受缠绕敷设设备条件的限制缠绕光缆与ADSS一样，都具有高电压感应产生电晕放电及电龟裂效应。不过，由于缠绕式光缆缠绕在金属导体上，其光缆外护套上感生的电荷有部分会通过金属导体放掉，所以该效应比ADSS弱2023/2/41075、复合地线光缆（OPGW）复合地线光缆（OpticalFiberCompositeGroundWire-OPGW）是集通信和接地功能于一体的结构。OPGW的关键技术在于两个问题：OPGW的抗拉强度及其中光纤的应变（在最大抗拉强度下OPGW中光纤应变应为零）；OPGW中UV固化光纤及光纤用油膏耐短期热冲击问题2023/2/4108架空地线复合光缆（OPGW）2023/2/4109五、光缆的发展趋势1、带状光纤缆一般用户接入网包括三部分线路，三者结构和特性应有区别馈线——纤芯数较多；配线——纤芯数相对较少；引入线——纤芯数更少对于芯数较多的光缆（如多于144芯），最好的结构是用带状光纤组成的带状光纤缆带状光纤缆有三种形式：中心管试带状光纤缆——工艺设备简单，相对外径较小，成本低，但芯数最多144芯松套层绞式带状光纤缆——缆大，成本相对较高，缆中纤芯数可达720芯左右骨架式带状光纤缆——生产工艺设备较复杂，要一条骨架生产线、成叠光纤带入骨架槽的成缆设备，设备费用较贵，但缆中纤芯数可做得较大，适合于720芯以上带状光纤缆2023/2/4110光缆的发展趋势-12、室内布线光缆特点：①室内布线光缆用于建筑物（或飞机和船舶）内，所以有防火阻燃要求；②室内布线光缆在布线时，拐弯的机会较多，所以光缆的外径不能过粗，且要有良好的柔弯特性③室内布线光缆用于室内，其温度不会很低，这有利于少有刚度较大的抗张构件；④室内布线光缆的机械抗拉、抗侧压强度可比室外光缆要求低些。一般最大抗拉强度≤400N，最大允许抗侧压强度≤2000N/10cm,最小弯曲半径（不加载荷时）约6cm，但不能急弯；2023/2/4111光缆的发展趋势-2⑤室内布线光缆，多数不希望光缆内填充具有流变性的防潮化合物。因此室内布线光缆中的光纤多为紧套结构。紧套结构有两种：用外径为250µm的紫外光固化一次涂覆光纤（UV光纤）直接紧套至900µm将外径为250µm的UV光纤再涂覆一层缓冲层（缓冲层外径为350-400µm）后再紧套至900µm。缓冲层一般是硅树脂。单模光纤两种结构均可，多模光纤用第一种可导致衰减增加较大。2023/2/4112光缆的发展趋势-33、研究重点与发展趋势重点：光缆的关键用材。有松套管材料、外护层材料、增强材料、光纤用油膏和缆芯用阻水防潮化合物等发展趋势：光缆原具有的优点是横截面小重量轻。由于光缆进入到用户接入网，光纤芯数越来越多，外径越来越大。使光缆芯数增多而横截面又不增加太多，是今后研究的一个课题。另外，紧结构成缆工艺有一定难度，应重视研究室内机房和机架内的光缆都希望用不充油膏的光缆，所以多根紧套光纤进行不充油膏松套后成缆，也值得研究。2023/2/4113§3.2光纤传感器光(导)纤(维)是20世纪70年代的重要发明之一，它与激光器、半导体探测器一起构成了新的光学技术，创造了光电子学的新天地(领域)。光纤的出现产生了光纤通信技术，特别是光纤在有线通信广的优势越来越突出，它为人类21世纪的通信基础一——信息高速公路奠定了基础，为多媒体(符号、数字、语音、图形和动态图像)通信提供了实现的必需条件。由于光纤具有许多新的特性，所以不仅在通信方面，而且在其他方面也提出了许多新的应用方法。例如，把待测量与光纤内的导光联系起来就形成光纤传感器。光纤传感器始于1977年，经过20余年的研究，光纤传感器取得了十分重要的进展，目前正进入研究和实用并存的阶段。它对军事、航天航空技术和生命科学等的发展起着十分重要的作用。随着新兴学科的交叉渗透，它将会出现更广阔的应用前景。2023/2/41143.2.1光纤传感器基本工作原理及类型1．光纤传感器基本工作原理将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与输入调制区的光相互作用后，导致光的某些特性(如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等)发生变化，成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调器解调后获得被测参数。2．光纤传感器的类型光纤传感器按其传感器原理分为两大类：传光型，也称为非功能型光纤传感器；常使用多模光纤传感型，或称为功能型光纤传感器。常使用单模光纤。2023/2/4115传光型光纤传感器在传光型光纤传感器中，光纤仅作为传播光的介质，仅起传光作用。对外界信息的“感觉”功能是依靠其它功能元件来完成的。2023/2/4116传感器中的光纤是不连续的，其间有中断，中断的部分要接上其他介质的敏感元件。调制器可能是光谱变化的敏感元件或其他敏感元件。传光型光纤传感器主要利用已有的其他敏感材料，作为其敏感元件，这样可以利用现有的优质敏感元件来提高光纤传感器的灵敏度。传光介质是光纤，所以采用通信光纤甚至普通的多模光纤就能满足要求。传光型光纤传感器占据了光纤传感器的绝大多数。2023/2/4117传感型光纤传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤(或特殊光纤)作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。在这类传感器中，光纤不仅起传光的作用，同时利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下，使其某些光学特性发生变化，对输入的光产生某种调制作用，使在光纤内传输的光的强度、相位、偏振态等特性发生变化，从而实现传和感的功能。因此，传感器中的光纤是连续的。2023/2/4118传感型光纤传感器在结构上比传光型光纤传感器简单，传感型光纤传感器的光纤是连续的，可以少用一些光耦合器件。但是，为了光纤能接受外界物理量的变化，往往需要采用特殊光纤来作探头，这样就增加了传感器制造的难度。随着对光纤传感器基本原理的深入研究和各种持殊光纤的大量问世，高灵敏度的功能型光纤传感器必将得到更广泛的应用。2023/2/41193．光纤传感器的特点光纤传感器有以下三大特点，因而得到广泛的应用。

(1)光纤传感器具有优良的传光性能，传光损耗小。

(2)光纤传感器频带宽，可进行超高速测量，灵敏度和线性度好。

(3)光纤传感器体积很小，重量轻，能在恶劣环境下进行非接触式、非破坏性以及远距离测量。2023/2/41203.2.2光纤传感器的调制器原理光纤传感器原理的核心是如何利用光纤的各种效应，实现对外界被测参数的“传”和“感”的功能。从光纤传感器的类型可知，其核心就是光被外界输入参数的调制。研究光纤传感器的调制器，就是研究光在调制区与外界被测参数的相互作用。外界信号可能引起光的某些特性(如强度、波长、频率、相位、偏振态等)变化，从而构成强度、波长、频率、相位和偏振态等调制。下面将分别介绍几种常用的调制原理：强度调制，频率调制，偏振调制2023/2/4121

1．强度调制利用被测量的作用改变光纤中光的强度，再通过光强的变化来测量被测量，称为强度调制。其原理如图所示。2023/2/4122强度调制当一恒定光源的光波IIN注入调制区，在外力场强Is的作用下，输出光波的强度被Is所调制，载有外力场信息的出射光IOUT

的包络线与Is形状相同，光（强度）探测器的输出电流ID(或电压)也反映出了作用力场。同理，可以利用其他各种对光强的调制方式，如光纤位移、光栅、反射式、微弯、模斑、斑图、辐射等来调制入射光，从而形成相应的调制器。强度调制是光纤传感器使用最早的调制方法，其特点是技术简单可靠、价格低廉。可采用多模光纤，光纤的连接器和耦合器均已商品化。光源可采用LED和白炽灯等非相干光源，探测器一般用光电二极管、三极管和光电池等。2023/2/4123(1)微小的线性位移和角位移调制方法这种调制方法使用两根光纤，一根为光的入射光纤，另一根为光被调制后的出射光纤，如下图所示。两根光纤的间距为2～3μm，端面为平面，两者对置。通常入射光纤固定，外界作用（如压力、张力等）使得出射光纤作横向或纵向位移或转动，于是出射光纤输出的光强被其位移所调制。2023/2/4124微小的线性位移和角位移调制方法若入射和出射光纤均采用相同性能的单模光纤，径向位移d与功率耦合系数T

之间存在下列关系：式中S0为光纤中的光斑尺寸；T和d的关系为高斯型曲线。这种调制方法可以测量10μm以内的位移量。2023/2/4125(2)微弯损耗光强调制根据模态理论，当光纤轴向受力而发生微小弯曲时，光纤中的部分光会折射到纤芯的包层中去，不产生全折射，这样将引起纤芯中的光强发生变化。因此可以通过对纤芯或包层中光的能量变化来测量外界作用，如应力、重量、加速度等物理量。2023/2/4126微弯损耗光强调制微弯光纤压力传感器由两块波形板或其他形状的变形器构成。其中一块活动，另一块固定。变形器一般采用有机合成材料（如尼龙、有机玻璃等）制成。一根光纤从一对变形器之间通过，当变形器的活动部分受到外力的作用时，光纤将发生周期性微弯曲，引起传播光的散射损耗，使光在芯模中重新分配一部分从纤芯耦合到包层，另一部分光反射回纤芯。当外界力增大时，泄漏到包层的散射光增大，光纤纤芯的输出光强度减小；当外界力减小时，光纤纤芯的输出光强度增强。它们之间呈线性关系，如图所示。由于光强度受到调制，通过检测泄漏包层的散射光强或光纤纤芯中透射光强度的变化即可测出压力或位移的变化。2023/2/4127(3)吸收特性的强度调制x、γ射线等辐射会引起光纤材料的吸收损耗增加，使光纤的输出功率降低，从而可以构成强度调制器，用来测量各种辐射量，其原理如图(a)所示。用不同材料制成的光纤对不同射线的敏感程度是不一样的，由此还可以鉴别不同的射线。例如铅玻璃光纤对x、γ射线和中子射线特别灵敏，并且这种材料的光纤在小剂量射线照射时，具有较好的线性，可以测量射线的辐射剂量。2023/2/4128利用外界作用改变光纤中光的波长或频率，通过检测光纤中光的波长或频率的变化来测量各种物理量,这两种调制方式分别称为波长调制和频率调制。波长调制技术比强度调制技术用得少，其原因是解调技术比较复杂。频率调制技术目前主要利用多普勒效应来实现。光纤常采用传光型光纤。光学多普勒效应告诉我们：当光源S发射出的光，经运动的物体散射后，观察者所见到的光波频率fl相对于原频率f0发生了变化，如图所示。S为光源，N为运动物体，M为观察者所处的位置，若物体N的运动速度为υ，其运动方向与NS和MN的夹角分别为φ1和φ2，则从S发出的光频率f0经运动物体N散射后，观察者在M处观察到的运动物体反射的频率为fl，根据多普勒效应，它们之问有如下关系：(式中c为光速）2．频率调制2023/2/4129证明：设在运动的物体N上观测到的光波频率为f/，则

M点观测到从运动物体N上发出的光波频率：

由于c>>υ，所以可以忽略式中的平方项。

与机械波不同，光波（电磁波）存在横向多普勒效应。2023/2/4130根据上述的近似公式，可以设计出激光多普勒光纤流速测量系统，如图所示。设激光光源频率为f0，经半反射镜和聚焦透镜进入光纤射入到被测物流体，当流体以速度υ运动时，根据多普勒效应，其向后散射光的频率为f0+Δf或f0-Δf（视流向而定），向后散射光与光纤端面反射光（参考光）经聚焦透镜和半反射镜，由检偏器检出相同振动方向的光，探测器检测出端面反射光f0与向后散射光f0+Δf或f0-Δf的差拍的拍频Δf，由此可知流体的的流速。

光纤多普勒流速测量系统2023/2/41313．偏振调制根据电磁场理论，光波是一种横波；光振动的电场矢量E和磁场矢量H始终与传播方向垂直。如果光波的电场矢量E和磁场矢量H方向（与E垂直）在传播过程中保持不变，这种光称为线偏振光。线偏振光电场矢量（E）方向与传播方向组成的面称为线偏振光的振动面。包含波的射线并与振动面方向垂直的面称为偏振面。光在传播中，E、H的大小不变，而振动方向绕传播轴均匀地转动，矢量端点轨迹为圆，这种光称为圆偏振光；如果矢量轨迹为一个椭圆，这种光称为椭圆偏振光。如果自然光在传播过程中，受到外界的作用而使各个振动方向上强度不等，使某一方向的振动比其他方向占优势，这种光称为部分偏振光。如果外界作用使自然光的振动方向只有一个，这种现象称为起偏（形成完全偏振光）。利用光波的这些偏振性质，可以制成光纤的偏振调制传感器。光纤传感器中的偏振调制器常用电光、磁光、光弹等物理效应进行调制。（注意，关于光的振动方向通常是指电场矢量E的方向）2023/2/4132

某些物质在磁场作用下，线偏振光通过时其振动面会发生旋转，这种现象称为法拉第效应。光的电矢量E旋转角θ与光在物质中通过的距离L和磁场强度H成正比，即利用法拉第效应可以测量磁场。其测量原理如右图所示。式中V—物质的弗尔德常数。⑴法拉第效应（磁光效应）2023/2/4133

当压电晶体受光照射，并在与光照正交的方向上加以高压电场时，晶体将呈现双折射现象，这种现象被称为Pockels效应，如下图所示。并且，这种双折射正比于所加电场的一次方，所以普克尔效应又称为线性电光效应。在晶体中，两正交的偏振光的相位变化为

式中：n0—正常折射率；de—电光系数；U

—加在晶体片上的电压；λ—光波长；L

—晶体长度；d

—场方向晶体厚度。

⑵普克尔效应（一次电光效应）2023/2/4134在垂直于光波传播方向上施加应力，被施加应力的材料将会使光产生双折射现象，其折射率的变化与应力材关，这种现象称为光弹效应。由光弹效应产生的偏振光的相位变化为：式中：K—物质光弹性常数；

P—施加在物体上的压强；

L

—光波通过材料的长度。此时出射光强为：利用物质的光弹效应可以构成压力、振动、位移等光纤传感器。

⑶光弹效应2023/2/4135

※关于双折射现象的说明

一束光在各向同性介质（如玻璃）的表面所产生的折射光只有一束，这是一般的常识。然而，对于光学性质随方向而异的一些晶体（各向异性介质），一束入射光常有被分解为两束的现象，这就是双折射现象。请注意，这种现象不是因为不同频率的光在介质中的折射率不同而产生的，而是由于各向异性介质的折射率对不同入射角的光不是常数而产生的。通过各向异性介质折射的光，若对于任意的入射角，其入射角o光和e光示意图角的不同而变化时，这种光称为非寻常光，简称为e光。o光和e光都是线偏振光，但是，光矢量（电矢量）等振动方向不同。o光的电矢量垂直于自己的主平面，而e光的电矢量则在自己的主平面内振动，如上图所示。在光弹效应和普克尔效应中所说的相位变化，实际上是指这两种光的相位差。的正弦与折射角的正弦值比为一常数（即通常所说的折射率）时，这种光称为寻常光，简称为o光；若其入射角的正弦与折射角的正弦值比随入射2023/2/41363.2.3偏振调制调制型光纤传感器的应用举例——光纤电流传感器偏振调制调制型光纤传感器中最典型的例子是高压传输线用光纤电流传感器，其基本原理是前述介绍的法拉第效应（磁光效应）。当平面偏振光在强度为H的磁场作用下，线偏振光在物质中通过的距离L时电矢量E旋转角θ为：。如果这个磁场是由长直载流导线产生的，根据安培环路定律：式中：I—载流导线中的电流强度；r—导线外任一观测点到导线的垂直距离。由此可见，只要根据磁光效应，利用光纤传感器测量出导线外任一点r的磁场强度H，即可得到导线中的电流I。2023/2/4137为了利用光纤测量导线中的电流，可以将单模光纤绕在载流导线上，形成一个半径为r的螺线管，光纤螺线管的光纤长度为L。在强度为H的磁场作用下，通过光纤的线偏振光的振动面将会产生的偏转，只要检测出这个偏转角即可知道导线中电流I的大小。光纤电流传感器原理示意图2023/2/4138然而，目前直接测量偏振光振动面的偏转角需要借助成套的机电伺服系统，不仅系统繁杂，测量精度也不太高，所以常常采用将偏振光振动面偏转角的信息变换成光的强度后再进行测量。当光纤材料和光纤螺线管确定之后，由激光器出射后经起偏器所形成的线偏振光，经显微目镜耦合通过光纤到达检偏器时的振动面偏转角仅与电流I有关（实际上是与电流在半径r处所产生的磁场H有关）：设载流导线中的电流I为零时，线偏振光振动方向在检偏器处的与Y轴平行，检偏器P（普通检偏器）的方位为φ；I≠0时的方位为θ，在P上的投影（即光探测器的输出信号强度）为J，则检偏器方向设置在θ=0附近，φ=±45°时检测的灵敏度最高。也就是说，为了获得较高的灵敏度，检偏器的方位应与I=0时到达线偏器的线偏振光的振动方向成45°角。此时：通常θ很小，所以，。由此可见，J与I成线性关系。2023/2/41393.2.4光纤图像传感器光纤图像传感器是靠光纤传像束实现图像传输的。传像束由光纤按阵列排列而成，一根传像束一般由数万到几十万条直径为l0～20μm的光纤组成，每条光纤传送一个像素信息。用传像束可以对图像进行传递、分解、合成和修正。传像束式的光纤图像传感器在医疗、工业、军事部门有着广泛的应用。2023/2/4140⑴工业用内窥镜在工业生产的某些过程中，经常需要检查某些系统内部结构状况，而这些系统由于种种原因不能打开或靠近观察，采用光纤图像传感器可解决这一难题。将探头事先放入系统内部，通过光纤传像束的传输可以在系统外部观察、监视系统内部情况，其工作原理如图所示。该传感器主要由物镜、传像束、传光束、目镜或图像显示器组成。光源发出的光通过传光束照射到待观测物体上，再由物镜对待观测物体成像，经传像束把待观测物体的各个像素传送到目镜或图像显示设备上，观察者便可对该图像进行分析处理。2023/2/4141另一种结构形式如下图所示。内部结构的图像通过传像束送到CCD器件上，可以把光的图像信息转换成电信号送入微机进行相应的处理，微机的输出可以通过伺服装置，实现跟踪、控制等2023/2/4142医用内窥镜的示意图如左下图所示。它由末端的物镜、光纤图像导管（传像束）、顶端的目镜和控制手柄组成。照明光是通过图像导管外层光纤照射到被观察物体上，反射光通过传像束输出。

由于光纤柔软，自由度大、末端通过手柄控制能偏转，传输图像失真小，因此，它是检查和诊断人体内各部位疾病和进行某些外科手术的重要仪器。⑵医用内窥镜2023/2/4143§3.3图像传感器现代人类生活中，人们迫切需要获取信息，而人类获取的总信息量的80％以上是通过视觉器官得到的。所以图像传感器(ImagingSensor,缩写为IS，又称成像器件、摄像器件)作为现代视觉信息获取的一种基础器件，因其能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展(光谱拓宽、灵敏度范围扩大)，能给出直观、真实、层次最多、内容最丰富的可视图像信息，所以在现代社会中得到了越来越广泛的应用。

图像传感器的功能是把光学图像转换为电信号，即把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息(可见光和非可见光)、转换为按时序串行输出的电信号——视频信号，而视频信号能再现入射的光辐射图像。把空间图像转换为按时序变化的电信号的过程称为扫描。

光辐射图像

I

S

视频信号

图像处理

2023/2/4144图像传感发展及分类发展：50年代前，摄像的任务主要都是用各种电子束摄像管(如光导摄像管、飞点扫描管等)来完成。60年代后期，随着半导体集成电路技术，特别是MOS集成电路工艺的成熟，各种固体图像传感器得到迅速发展；到70年代末期，已有一系列产品在军事、民用各方面得到广泛应用。分类：固体图象传感器(SolidStateImagingSensor——缩写为SSIS)主要有三大类型、一种是电荷耦合器件(ChargeCoupledDevice简称CCD)，第二种是MOS图象传感器，又称自扫描光电二极管列阵(SelfScannedPhotodiodeArray，简称SSPA)，第三种是电荷注入器件(ChargeInjectionDevice，简称CID)。目前，前两种用得比较多。2023/2/4145线阵固体图像感器的发展曲线

（CCPD:电荷耦合光电二极管列阵）2023/2/4146固体图象传感器优点：同电子束摄像管相比，固体图象传感器有以下显著优点：

(1)全固体化，体积很小，重量轻，工作电压和功耗都很低；耐冲击性好．可靠性高，寿命长。

(2)基本上不保留残象(电子束摄象管有15~20％的残象)，无象元烧伤、扭曲，不受电磁干扰。

(3)红外敏感性。硅的SSPA光谱响应：0.20~1.0；CCD可作成红外敏感型；CID主要用于光谱响应大于3~5的红外敏感器件。

(4)象元尺寸的几何位置精度高(优于1)，因而可用于不接触精密尺寸测量系统。

(5)视频信号与微机接口容易2023/2/4147主要应用领域：①小型化黑白/彩色TV摄象机；②传真通讯系统；③光学字符识别（OCR:OpticalCharacterRecognition）；④工业检测与自动控制；⑤医疗仪器；⑥多光谱机载和星载遥感；⑦天文应用；⑧军事应用。2023/2/4148一、CCD器件的结构

CCD摄像器件由光敏（光积分）单元和电荷转移单元（读出移位寄存器）组成，每个光敏单元对应一个象素如下图所示。各单元的基本结构如右图所示，由金属、绝缘层、半导体构成。VG加正向偏压后在半导体内形成“电子势阱（耗尽区）”，势阱的深度由VG的大小来控制。电子势阱可以用来存放电子，这些电子的注入方式既可用“光注入”（光敏单元采用光注入），也可以用“电注入”（转移电荷时采用电注入）。3.3.1CCD图像传感器2023/2/4149对于光敏单元，当受到光线照射时，在光子的作用下，半导体内产生电子空穴对，空穴被排斥，电子被电子势阱俘获。这种光生电子作为反映光强的载体——电荷包被收集，成为光电荷注入，这就是CCD摄像器件的光电变换过程。势阱内电荷包的大小与光照强度和光照时间成正比。光敏单元电子势阱的电荷包可以通过转移栅的作用并行地转移到读出移位寄存器（电荷转移单元）中，读出移位寄存器在读出脉冲（三相或四相脉冲）的作用下把各个来自光敏单元的电荷包读出，从而获得各个像素的亮度值。光线读出移位寄存器的工作原理是依靠MOS电容与其电子势阱的存储电荷作用，以及改变栅压高低可以使势阱内电荷包逐个势阱转移的效应。当MOS电容栅压VG增高时，在半导体内部被排斥的电荷数也增加，耗尽层厚度增加，半导体内电势越低，电子则向耗尽层移动、存储象对电子的陷阱一样，称为电子势阱。电子势阱可以用来存放电子。其特点是：当VG增加，势阱变深；当VG减小，势阱变浅，电子向势阱深处移动。2023/2/4150对于二维CDD（面列阵）电荷的转移方式主要有2种：“帧间转移式(FT)”；“帧行间转移式(FIT)”。

2023/2/4151CMOS图像传感器从原理可分为无源像素传感器PPS(Passive-PixelSensor)和有源像素传感器APS(Active-PixelSensor)两大类。从结构上讲，主要包括光敏二极管型无源、有源像素图像传感器和光电栅型有源像素图像传感器。

3.3.2CMOS图像传感器2023/2/4152一、光敏二极管型CMOS图像传感器结构下图简单的说明了光敏二极管型无源图像传感器和光敏二极管型有源图像传感器感光单元的结构。2023/2/4153在光敏二极管型无源图像传感器中，光敏二极管受光照将光子变成电子，通过行选择开关将电荷读到列输出线上；在光敏二极管型有源CMOS图像传感器中，则通过复位开关和行选择开关将放大后的光生的电荷读到感光阵列外部的信号放大电路。无源像素图像传感器仅仅是一种具有行选择开关的光电二极管，通过控制行选择开关把光生的电荷信号传送到像素阵列外的放大器；有源像素图像传感器的每个像元内部都包含一个有源单元，即包含由一个或多个晶体管组成的放大电路在像元内部先进行电荷放大再被读出到外部电路。2023/2/4154二、光电栅型有源像素图像CMOS传感器光电栅型APSCMOS像素单元框图如图所示。像素单元包括光电栅PG（Photogate）、浮置扩输出FD(FlcatingDiffusion)、传输电栅TX(TransferGate)、复位晶体管MR(ResetTransistor)、作为源极跟随器的输入晶体管MIN、以及行晶体管MX，实际上，每个像元内部就是一个小小的表面沟道CCD。每列单元共用一个读出电路，它包括第一源极跟随器的负载晶体管MLN以及两个用于存储信号电平和复位电平的双采样和保持电路。这种对复位和信号电平同时采样的相关双采样电路CDS能抑制来自像元浮置节点的复位噪声。2023/2/4155CCD和CMOS区别CCD和CMOS使用相同的光敏材料，因而受光后产生电子的原理相同,并且具有相同的灵敏度和光谱特性，但是读取过程不同：CCD是在同步信号和时钟信号的配合下以帧或行的方式转移，整个电路非常复杂；CMOS则以类似DRAM的方式读出信号，电路简单。CCD的时钟驱动