第七章 光纤测量技术

第六章光纤测量技术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2、光纤波导的原理

1966年，高锟发表了一篇题为《光频率介质纤维表面波导》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。提出用纤维材料传达光束讯号，以建置通信的第一人

高琨博士的照片

高琨博士被称为“光纤之父”

2009年10月6日，瑞典皇家科学院向高锟颁授诺贝尔物理学奖。皇家科学院说，高锟在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”取得了突破性成就.1970年，光纤研制取得了重大突破。美国康宁(Corning)公司就研制成功损耗20dB/km的石英光纤。1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4dB/km。1973年，美国贝尔(Bell)实验室取得了更大成绩，光纤损耗降低到2.5dB/km。1974

年降低到1.1dB/km。1976

年，日本电报电话(NTT)公司等单位将光纤损耗降低到0.47dB/km(波长1.2μm)。1、光纤技术的发展历史

1976年日本电报电话公司研制成功发射波长为1.3μm的铟镓砷磷(InGaAsP)激光器，1979年美国电报电话(AT&T)公司和日本电报电话公司研制成功发射波长为1.55μm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1970

年成为光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光纤:多模单模，工作波长:0.85μm1.31μm和1.55μm，传输速率:几十Mb/s几十Gb/s。应用范围:市话局间中继长途干线用户接入网数字电话有线电视(CATV)

单一类型信息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，光纤通信系统将成为未来国家信息基础设施的支柱。光纤通信的优点

通信手段传输容量(话路)/条中继距离/km1000km内中继器个数微波无线电9605020小同轴9604250中同轴18006160光缆19203033光缆14000(1Gb/s)8411光缆6000(445MB/S)13471、容许频带很宽，传输容量很大2.损耗很小，中继距离很长且误码率很小

石英光纤在1.31μm和1.55μm波长，传输损耗分别为0.50dB/km和0.20dB/km。因此，用光纤比用同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1.55μm的色散移位单模光纤通信系统，若其传输速率为2.5Gb/s，则中继距离可达150km；若其传输速率为10Gb/s，则中继距离可达100km。3.重量轻、体积小

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，体积也小得多。

4.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围和油田、煤矿等易燃易爆环境中使用。光纤(复合)架空地线(OpticalFiberOverheadGroundWire,OPGW)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。

5.泄漏小，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。

6.节约金属材料，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8km管中同轴电缆，1km需要120kg铜和500kg铝；而制造8km光纤只需320g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

在鼓上的光纤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，直径为2a；折射率低的外围部分称为包层，其折射率为，直径为2b。它的基本结构形式如图所示152、光纤波导原理特点：n1>n2⇒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。包层的作用——形成光波导效应。涂敷层的作用——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虽然光纤的基本结构形式如上图

所示，但是按照折射率分布、传输模式多少、材料成分等的不同，光纤可分为很多种类，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)纵剖面图纤芯包层阶跃折射率光纤的临界角sinθc=n2/n1引入纤芯和包层相对折射率差：Δ=(n1-n2)/n1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0.0119常见的阶跃折射率的光纤通常有三种结构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塑料包层石英光纤(PCS)稍大一些全塑料光纤最大(POF聚合物光纤)20数值孔径（NumericalAperture,NA）NA---(P84)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θc之正弦值。

21需要注意的是，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Δ也就越大，Δ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=0.18～0.23。22和平板波导一样,模式失真和数值孔径随着折射率差的增加而变大.模式脉冲展宽和数值孔径由大到小全塑料光纤塑料包层石英光纤全玻璃光纤

23脉冲展宽小可以使光纤实现长距离大容量传输,NA小会导致光源到光纤的耦合效率低下24全玻璃光纤具有最低的衰耗和最小的模式脉冲展宽,所以比较适合高信息速率和长距离传输系统25石英光纤由于PCS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。26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50微米包层直径为125微米的光纤。SI光纤的直径的典型值为50/125，100/140和200/2302829图5.2可被SI光纤捕获的光线形成的圆锥纤芯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。30前者的传输损耗小，能作远距离传输，称为传导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;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;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。多模光纤可以传播数百到上千个模式的光纤，称为多模(MM,Multimode)光纤。根据折射率在纤芯和包层的径向分布情况，又可分为阶跃多模光纤和渐变多模光纤。单模光纤---色散最小只能传播一个模式的光纤称为单模光纤标准单模(SM,SingleMode)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得多，模场直径只有（9~10）m光线沿轴线直线传播,色散使输出脉冲信号展宽最小。按材料分类：玻璃光纤：纤芯与包层都是玻璃，损耗小，传输距离长，成本高；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，成本较低；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。多用于家电、音响，以及短距的图像传输。按照光纤的模式分类单模（Single-Mode）多模（Multi-Mode）按折射率分类阶越光纤渐变折射率光纤

4、光纤的损耗1310nm:0.35~0.5dB/Km1550nm:0.2~0.3dB/Km850nm:2.3~3.4dB/Km光纤熔接点损耗：0.2dB/点光纤熔接点1点/2km

光纤传感器(FOSFiberOpticalSensor)是20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。

①电绝缘性能好。

②抗电磁干扰能力强。

③非侵入性。

④高灵敏度。

⑤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、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（1）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。

1）功能型（全光纤型）光纤传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤)作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下，其光学特性(光强、相位、偏振态等)的变化来实现“传”和“感”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，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）非功能型（或称传光型）光纤传感器光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。信号处理光受信器敏感元件光发送器光纤光纤传感器的应用光纤温度开关1234图9-9水银柱式光纤温度开关1浸液；2自聚焦透镜；3光纤；4水银热双金属式光纤温度开关1遮光板；2双金属片接收光源12遮光式光纤温度计当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化。膜片反射式光纤压力传感器光源接收Y形光纤束壳体P弹性膜片Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如图。在Y形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。

光纤被夹在一对锯齿板中间，当光纤不受力时，光线从光纤中穿过，没有能量损失。当锯齿板受外力作用而产生位移时，光纤则发生许多微弯，这时在纤芯中传输的光在微弯处有部分散射到包层中.微弯光纤压力传感器微弯光纤压力传感器DSFF变形器光纤d原来光束以大于临界角θC的角度θ1在纤芯内传输为全反射；但在微弯处θ2<θ1，一部分光将逸出，散射入包层中。当受力增加时，光纤微弯的程度也增大，泄漏到包层的散射光随之增加，纤芯输出的光强度相应减小。因此，通过检测纤芯或包层的光功率，就能测得引起微弯的压力、或检测由压力引起的位移等物理量。θ1θn0n2n1θ2θ3光弹式光纤压力传感器图9-17光弹性式光纤压力传感器1、7起偏器；2、81/4波长板；3、9光弹性元件；4、10检偏器；5光纤；6自聚焦透镜线偏振光光源1234P圆偏振光椭圆偏振光从光源发出的光经起偏器后成为直线偏振光。当有与入射光偏振方向呈45º的压力作用于晶体时，使晶体呈双折射从而使出射光成为椭圆偏振光，由检偏器检测出与入射光偏振方向相垂直方向上的光强，即可测出压力的变化。其中1/4波长板用于提供一偏置，使系统获得最大灵敏度。P5678910(b)传感器结构球面光纤液位传感器球面光纤液位传感器(a)探头结构LEDPD12将光纤用高温火焰烧软后对折，并将端部烧结成球形。光由光纤的一端导入,在球状对折端部一部分光透射出去,另一部分光反射回来,由光纤的另一端导向探测器。反射光强的大小取决于被测介质的折射率。被测介质的折射率与光纤折射率越接近,反射光强度越小。显然,传感器处于空气中时比处于液体中时的反射光强要大。

(b))检测原理空气液体斜端面光纤液位传感器斜面反射式光纤液位传感器光纤(a)(b)光纤棱镜当传感器接触液面时，将引起反射回另一根光纤的光强减小。单光纤液位传感器单光纤液位传感器结构1光纤；2耦合器12当光纤处于空气中时，入射光的大部分能在端部满足全反射条件而返回光纤。当传感器接触液体时，由于液体的折射率比空气大，使一部分光不能满足全反射条件而折射入液体中，返回光纤的光强就减小。利用X形耦合器即可构成具有两个探头的液位报警传感器。若在不同的高度安