第五章光纤传感技术及其应用 12次课

第四章光纤通信技术光纤通信是一种“光通信”，以激光为信息载体，以光纤为传输介质的通信方式。光纤通信系统的组成和分类主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。其中电端机(收、发部分)为常规的电子通信设备。

光发送机的作用是将电信号转换为光信号，并将生成的光信号注入光纤。光发送机一般由驱动电路、光源和调制器构成光纤的作用是为光信号的传送提供传送媒介(信道)，将光信号由一处送到另一处中继器分为电中继器和光中继器(光放大器)两种，其主要作用就是延长光信号的传输距离。光源：目前，在光纤通信系统获得应用的光源器件有两种，即发光二极管LED和激光二极管LD光接收机光检测器的功能：光信号的解（O/E）光检测器的类型：PIN光电二极管、雪崩光电二极管（APD）光纤通信器件光纤连接器的结构有两部分组成：1、套管；2、插针一.光连接器---电接插件光纤连接器的三种端面接触形式：平面型接触（FC,FlatContact）PC型接触（PC,PhysicalContact）APC型接触（APC,AnglePhysicalContact）连接器的品种、型号1.FC系列连接器FC型连接器是一种罗纹连接，外部零件采用金属材料制作的连接器。2.SC系列连接器

即插拔式连接器，它的连接器方式是插拔耦合式.3.ST型连接器ST型连接器采用带键的卡口式锁紧机构。二.光耦合器---三通或多通耦合器的功能是把一个输入的光信号分配给多个输出，或把多个输入的光信号组合成一个输出。T形耦合器星形耦合器定向耦合器波分复用器WDM/解复用器耦合器类型耦合器基本结构的分类光纤型微器件型波导型波导型耦合器将是耦合器的发展的主要方向三.光隔离器---二级管偏振器隔离器的工作原理法拉弟旋转器偏振器反射光阻塞入射光SOP四.光衰减器---电阻1.耦合型光衰减器。它是通过输入、输出光束对准偏差的控制来改变光耦合量的大小，从而达到改变衰减量的目的。如在光纤对光纤的准直结构中，通过控制两根光纤间的距离来得到不同的衰减。2.反射型光衰减器。它是在玻璃基片上镀简述薄膜作为衰减片。由膜层厚度的不同来改变反射量的大小，从而达到改变衰减量的目的。3.吸收型光衰减器。它是采用光学吸收材料制成衰减片，对光的作用主要是吸收和透射，其反射量很小。因而光线可垂直入射到衰减片上，从而可简化结构和工艺，使器件体积和重量变得更小。这种器件具有长期的稳定性。五.光开关---开关光开关的种类1.机械式光开关机械式光开关是最传统的光开关。2.液晶光开关 液晶光开关是在硅衬底材料上制作出偏振光束分支波导，再把每个分支波导交叉点刻蚀成有一定角度的槽，槽内装上折射匹配的液晶，液晶槽下面是电热器。3.热光效应光开关热光效应光开关是利用加热光波导，改变光波导的折射率，引起主波导与需要的分支波导间的光耦合，从而实现光开/关的器件。六光滤波器---滤波器光滤波器（多层介质薄膜谐振腔）光滤波器（MZI型）光滤波器（阵列波导光栅AWG）可调谐光滤波器腔1腔3腔2反射介质λ1＋λ2λ1λ2C1C2输入波导输出波导阵列波导输入耦合器输出耦合器λ1λNλ1…λN第五章光纤传感技术及其应用光纤传感器(FOS)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。光纤传感技术是伴随着光通信技术的发展而逐步形成的。光纤传感器可以这样定义：一种用来检测光在光纤中传播时，因光纤的全部或部分环节所在环境(物理量或化学量或生物量等)的变化带来的光传输特性改变的装置。光纤传感器的发展与动态

70年代末，美最先发表FOS文章1981年美召开光纤陀螺会议1981年英第一届国际FOS会议1984年西德第一届FOS会议1986年美第三届FOS会议1988年日本第四届FOS会议1989年美第五届FOS会议2000年意大利第十四届FOS会议光纤传感器的特点光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列独特的优点，如灵敏度高，抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好，防爆，光路有可挠曲性，便于与计算机联接，结构简单，体积小，重量轻，耗电少等。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、磁场等物理量光纤传感器技术是一门多学科性科学，它涉及知识面广泛，如纤维光学、光电技术、弹性力学、电磁学、电子技术和微型计算机应用等。光纤传感器的原理光纤的结构n1n2n2n1n2纤芯包层涂覆层护套开发某种目的新型光纤传惑器时，首先要掌握关于光纤本身的基础知识光纤传感器的原理光纤传光原理——全反射

n1>n2

入射角>θ法线n1n2θ光纤传感器的原理光纤传光与数值孔径n020

0

n2n1光纤的种类光纤按纤芯和包层材料性质非类，有玻璃光纤和塑料光纤两类；按折射率分有阶跃型和梯度型二种按光纤的传播模式来分，可分为多模光纤和单模光纤二类。光纤模式及其对光信号传输的影响n2n1多模阶跃光纤nr多模梯度光纤n2n1单模梯度光纤光纤的特性

信号通过光纤时的损耗和色散是光纤的主要特性。传输损耗，由材料吸收和杂质散射等因素引起。有三个低损耗窗口：（1）0.85μm附近，损耗2~4dB/km;（2）1.31μm附近，损耗约0.5dB/km;（3）1.55μm附近，损耗约0.2dB/km。色散（Dispersion）：一般包括材料色散、模式色散、波导色散等，引起接收的信号脉冲展宽，从而限制了信息传输速率。光导纤维的主要参数1.数值孔径（NA）2.光纤模式3.传播损耗上一页下一页返回上一页下一页返回1.数值孔径（NA）反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。意义：无论光源发射功率有多大，只有2θi张角之内的光功率能被光纤接受传播。 大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。 但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。2.光纤模式光波沿光导纤维传播的途径和方式 在光导纤维中传播模式很多对信息的传输是不利的，导致合成信号的畸变，因此我们希望模式数量越少越好。阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量表示为

希望V小：d不能太大，n2与n1之差很小3.传播损耗损耗原因：光纤纤芯材料的吸收、散射，光纤弯曲处的辐射损耗等的影响

传播损耗（单位为dB）式中,I——光纤长度；a——单位长度的衰减；I0——光导纤维输入端光强；I——光导纤维输出端光强。光纤传感器结构原理把被测量的状态转变为可测的光信号的装置光纤传感器的工作原理，可以归纳为这样一个过程：通过置于光路中的光调制器，将一个携带着待测信息(被测对象)的信号叠加到载波光波上，承载信息的调制光波在光纤中传输，最后由光探测系统解调，经信号处理后检测出所需要的待侧信号。光纤传感器结构原理及分类

1、光纤传感器结构原理以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接，见图(a)。信号处理电源信号接收敏感元件（a）传统传感器导线光纤信号处理光接收器敏感元件光发送器（b）光纤传感器光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，见图(b)。由光发送器发出的光经光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。光纤信号处理光接收器敏感元件光发送器（b）光纤传感器光是一种电磁波，其波长从极远红外的lmm到极远紫外线的10nm。它的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量E的振动，即A——电场E的振幅矢量；ω——光波的振动频率；φ——光相位；t——光的传播时间。可见，只要使光的强度、偏振态(矢量A的方向)、频率和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。

光纤传感器一般由光源、光纤、光电元件等组成。根据光纤传感器的用途和光纤的类型，对光源一般要提出功率和调制的要求。常用的光源有激光二极管和发光二极管。激光二极管具有亮度高，易调制，尺寸小等优点。而发光二极管具有结构简单和温度对发射功率影响小等优点。除此之外，还有采用白炽灯等作光源。光纤传感器与电类传感器对比电量电量检测电类传感器被测参量电缆电类传感器光源光量检测光纤传感器被测参量光纤光纤传感器以机—电测量为基础以光学测量为基础光纤传感器与电类传感器对比

分类内容光纤传感器电类传感器调制参量振幅：吸收、反射等相位：偏振…电阻、电容、电感等敏感材料温-光敏、力-光敏、磁-光敏…温-电敏、力-电敏、磁-电敏…传输信号光电传输介质光纤、光缆电线、电缆从对比可见光纤传感器与电类传感器是并行互补的一类新型传感器光纤传感器在易燃易爆场合的应用控制室光纤各类油罐参数检测压力容器参数检测核工业环境参数检测煤矿中CH4等参数检测光纤传感器在高电压、强电磁场干扰场合的应用控制室光纤高压变压器高压电动机强电磁干扰电气设备微波设备光纤传感器在实时－在线检测中的应用取样送检样品光谱仪被测物传统光谱仪物质成分检测光纤光纤光谱仪被测物光纤光谱仪物质成分检测光纤光谱仪在线检测CH4传统分布测量光纤传感技术在分布测量中的应用

（时域变换技术）检测仪表S1S2S3Sn电缆OTDR技术用于分布检测光纤传感技术在分布测量中的应用

（时域变换技术）光纤S1T1S2T2S3T3SnTn传感器光学现象被测量光纤分类干涉型相位调制光纤传感器干涉（磁致伸缩）干涉（电致伸缩）Sagnac效应光弹效应干涉电流、磁场电场、电压角速度振动、压力、加速度、位移温度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa

非

干

涉

型

强度调制光纤温度传感器遮光板遮断光路半导体透射率的变化荧光辐射、黑体辐射光纤微弯损耗振动膜或液晶的反射气体分子吸收光纤漏泄膜温度、振动、压力、加速度、位移温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、位移气体浓度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb偏振调制光纤温度传感器法拉第效应泡克尔斯效应双折射变化光弹效应电流、磁场电场、电压、温度振动、压力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb频率调制光纤温度传感器多普勒效应受激喇曼散射光致发光速度、流速、振动、加速度气体浓度温度MMMMMMcbb注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型光纤传感器的分类光纤传感器的组成与分类功能型（全光纤型）光纤传感器非功能型（或称传光型）光纤传感器拾光型光纤传感器

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3）拾光型光纤传感器用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。被测对象信号处理光受信器光发送器光纤耦合器光纤传感器的光源光纤传感器的光源的要求光纤传感器的光源的分类光纤传感器的光源的要求由于光纤传感器中光纤细而长，若使光波能在其中正常传播，并满足测量要求，则对光源的结构与性能有一定要求：(1)由于光纤传感器结构所限，要求光源的体积小，便于与光纤耦合；(2)光源要有足够的亮度，以提高传感器输出的光功率；(3)光源发出的光波长应适合，以减少光波在光纤中传闭时的能量损耗；(4)光源工作时稳定性好、噪声小，能在室温下连续长期工作；(5)光源要便于维护，使用方便。光纤传感器的光源的分类非相干光源包括白帜光源与发光二极管；相干光源包括各种激光器：半导体激光器、氦氖激光器、固体激光器在大多数光纤传感器中希望使用相干光源。光纤传感器用光探测器光纤传感器用光探测器的要求光纤传感器用光探测器的分类光纤传感器用光探测器的要求(1)线性好，按比例地将光信号转换为电信号；(2)灵敏度高，能敏感微小的输入光信号，并输出较大的电信号；(3)响应频带宽、响应运度快，动态特性好；(4)性能稳定，噪声小等。光纤传感器用光探测器的分类光电二极管光敏电阻光电池光调制技术按照调制方式分类，光调制可以分为强度调制、偏振调制、频率调制、相位调制和波长调制等。光的调制过程就是将一携带信息的信号叠加到载波光波上；完成这一过程的器件叫做调制器。在光纤传感器中，光的解调过程通常是将载波光携带的信号转换成光的强度变化，然后由光电探测器进行检测。1）强度调制型光纤传感器可以概括为：通过检测被测对象所引起的光强变化来实现对被测对象的监测和控制。主要分为光源、调制区、光探测器三大部分优点：结构简单、容易实现，成本低。缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大。传感过程实际上分为两个阶段使被测对象与光强度调制器发生相互作用；进而把信号传递给载波光波，并进行探测。强度调制型光纤传感器的特点是：技术上比较容易实现，所采用光纤多为光通信用多模光纤而相关的光纤接头和耦合器等部件国内已有产品供应。

2）偏振调制光纤传感器在许多光学系统中，尤其是包含有单模光纤的系统中，光波的偏振特性起着重要作用。理解光纤系统中的偏振现象是讨论光纤偏振元件和传感器的中心问题。许多物理效应都会影响或改变光的偏振状态。光纤传感器中的偏振调制器普通采用的物理效应有旋光效应、磁光效应、普克尔效应、克尔效应及光弹效应等偏振调制光纤传感器是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感器；利用光在电场中的压电晶体内传播的克尔效应做成的电场、电压传感器；利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器；利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。这类传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。3）频率调制光纤传感器是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化来进行监测的传感器。有利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；利用光致发光的温度传感器等。4）相位调制传感器相位调制是光纤传感中最重要的传感技术，其基本的传感机理是，在待测场能量的作用下，使光纤中传播的光波发生相位变化，再以干涉测量技术把相位变化变换为振幅变化，实现对待测物理量的捡测。通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用光纤赛格纳克（Sagnac）效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。这类传感器的灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。

５）波长分布(颜色调制)传感器光纤传感器中的颜色调制，主要是利用传感探头的光频谱特性随外界物理量变化的性质来实现的。可以作成各种光纤传感器来检测物质的种类、浓度等化学量。通常的测试方法为；通过测量物质在化学反应时放出的光，以及光入射到某种物质上时反射、折射光和透射光的强度随波长的变化情况，可以得到组成物质的原子、分子的固有结构图案，即物质的发光光谱、吸收光谱等。对光谱进行测量和分析，可以研究材料的化学性质，这种光谱分析是化学分析的重要内容之一．

传感信号光纤传输网络0～10mA0～5V光／电变换计算机电阻电容光纤传输网络光纤·传输量大·传输距离远·不怕电磁干扰·接口方式齐全电感电脉冲光参量光纤转速传感器非接触测量方式LEDPIN光纤光纤流量发讯器光纤负压报警器光纤液位变送器点式光纤液位传感器适用于高、低液位报警密封加油控制LEDPIN液体LEDPIN液体光纤液位传感器光纤温度传感器阻光型LEDPIN光纤砷化镓片光纤T1<T2<T3T2IT3T1LEDλ

光纤温度传感器折光型LEDPINn1n2n2'随温度变化n2'光纤高温温度传感器光谱型PIN1PIN2滤波器1智能仪表滤波器2光纤高温炉黑体辐射腔蓝宝石光纤光纤温度传感器示意框图光纤陀螺（FOG）的原理Sagnac效应

FOG工程测量

模拟实验装置光纤气体成分传感器R,θ光纤传感头参考频率LEDPIN锁相放大器混气室N2O2流量计光纤化学成分传感器R,θ光纤传感头参考频率LEDPIN锁相放大器tI光纤光谱传感器光源出口待测气体white室探测器信号处理光纤传感器的发展趋势光纤传感器具有很多的优点，是对以电为基础的传统传感器的革命性变革，发展前景是极其光明的。但是，目前光纤传感器的成本较高,在这方面仍面临着传统传感器的挑战，存在着与传统传感器和其它新型传感器的竞争问题。为此，有必要说明光纤传感器的可能发展趋势：①当前应以传统传感器无法解决的问题作为光纤传感器的主要研究对象。②集成化光纤传感器。③多功能全光纤控制系统。④充分发挥光纤的低传输损耗特性，发展远距离监测系统。⑤开辟新领域。光纤陀螺是一种惯导器件，它的应用非常广泛，各种工具的导航如宇宙飞船、飞机、导弹、舰船、各种车辆、机器人等，雷达的方位测量和控制，钻井的动态检测等，凡需精确确定角度坐标的情况都可以应用。光纤陀螺没有机械陀螺的高旋转部件,也没有激光陀螺的闭锁效应,它自上世纪七十年代出现以来,以其体积小、结构简单、灵敏度高、启动速度快等优点,受到各国科技界的普遍重视。随着保偏光纤、光源、集成光路多功能芯片的技术指标和信息处理技术的不断提高，又使光纤陀螺的性能提高到新的水平，更进一步证实了光纤陀螺的技术优势光纤陀螺光纤陀螺的主要类型光纤陀螺(FiberOpticGyroscope)是利用光学效应测量旋转角速度的一种光学传感器。根据它对光波进行相位或频率的调制，可分为干涉型（I-FOG）、谐振型（R-FOG）和布里渊散射型（B-FOG）。1.干涉型光纤陀螺（I-FOG）即第一代光纤陀螺，也是发展较为完善的一类，目前应用最广泛。干涉型光纤陀螺实质上是一个Sagnac干涉仪[2]，其工作原理示意图如图1.1所示。由光源发出的一束光经耦合器后分成两束光，分别由光纤环的两端输入，耦合进光纤环，并在光纤环内相向传播，由于光纤环围绕垂直于环面的轴线转动，引起在光纤环内相向传播的两束光之间相位差变化ΦS（称为Sagnac相移），因此，在光纤环内相向传播的这两光束，最后在耦合器（Y分支波导集成光学芯片）处会合，发生干涉。Sagnac相移ΦS和转动角速度Ω之间的关系由下式确定:式中，L为光纤环总长度，D为光纤环直径，为工作波长，C为真空中光速，Ω为角速度。2.谐振型光纤陀螺仪（R-FOG）谐振型光纤陀螺仪属于第二代光纤陀螺，它采用了高相干性光源，理论上的检测精度高于干涉型光纤陀螺，谐振型光纤陀螺的构成如图谐振型光纤陀螺的工作原理是：利用单模光纤构成环型谐振腔，当陀螺仪旋转时，谐振型光纤陀螺谐振器内的顺、逆时针方向传播光由于转动而产生谐振频率差别，利用该频差来检测旋转角速度。集成光学陀螺3.受激布里渊散射光纤陀螺仪（B-FOG）受激布里渊散射光纤陀螺属于第三代光纤陀螺，它是基于光学非线性效应的受激布里渊散射而提出的。受激布里渊散射是一种能在光纤内发生的非线性过程。受激布里渊散射光纤陀螺的构成如图所示：当光纤环中传输的光满足受激布里渊散射的阈值条件时，分别产生两束后向散射Stokes光，这两束以相反方向传播的Stokes散射光分别沿着与泵浦光相反的方向经过第二个耦合器后在第一个耦合器处相遇并进行拍频，记为，拍频由Sagnac效应决定，所以我们可以通过检测F来求得输入角速度，它们之间的关系式如下：p是光纤环的周长，

干涉仪式光纤陀螺仪按光路组成可以分为：消偏型全光纤保偏型集成光学型光纤陀螺仪分类美国1976年美国犹他大学提出光纤陀螺的概念并首先研制出试验装置九十年代开始低、中精度的光纤陀螺开始应用于飞机航姿系统、导弹姿态与航向参考系统、战术导弹惯导系统和GPS/INS组合导航系统等。九十年代开始精度迅速提高，每五年提高一个数量级光纤陀螺仪发展状况日本1991年用于日产汽车作为速度传感器用于汽车组合导航俄罗斯全光纤型集成光学型

光纤陀螺的互易性光在线性介质中传播的互易性是光纤陀螺能实际应用的前提

1、装置的互易性同光路同模式同偏振态

干涉式光纤陀螺分类光纤陀螺按光路系统可分为全光纤陀螺和集成光学光纤陀螺

1．全光纤陀螺全光纤陀螺是指构成光纤陀螺光路的所有器件都由光纤构成，并串接在一根光纤上，即由光源到探测器组成一个光纤闭环光路。

干涉式光纤陀螺分类2．集成光学光纤陀螺集成光学光纤陀螺，利用集成光学波导技术，将光纤陀螺用的功能器件，包括分路器、偏振器和调制器都集成在一块铌酸锂波导芯片上，使光纤陀螺的光路系统简化成由光源、探测器、光纤圈及波导芯片构成。

光纤器件介绍光纤陀螺按光路系统可分为全光纤陀螺和集成光学光纤陀螺

1．光源半导体激光器（LD）发光二极管（LED）超辐射发光二极管（SLD）

掺铒光纤光源2．探测器PIN光电二极管作为光纤陀螺光路系统的接收器件光纤器件介绍光纤陀螺按光路系统可分为全光纤陀螺和集成光学光纤陀螺

3．光纤定向耦合器光纤器件介绍4．光纤偏振器光纤偏振器在光纤陀螺干涉光路中发挥起偏器和检偏器的作用可分为：（1）一种是利用光纤小直径弯曲时引起偏振分量损耗差制成的光纤圈型偏振器；（2）研磨光纤包层直至几乎将纤芯裸露，再将此研磨面镀以金属或双折射晶体，而制成的研磨型光纤偏振器。光纤器件介绍5．光纤消偏器消偏器是一种造成非偏振态光的光纤器件

光纤器件介绍6．光纤及光纤圈通常使用的光纤，要求损耗低并具有良好的物理性能和机械性能

光纤器件介绍7.集成光学芯片光纤陀螺用的多功能集成光学芯片（IOC）是利用钛扩散技术和质子交换技术，将偏振器、分束／合束器和相位调制器都集成在LiNbO3晶片上。基片的准备:27×6×1的铌酸锂基片。首先将基片按照下述过程进行清洗：甲苯浸泡→去离子水冲洗→丙酮超声→乙醇超声→去离子水冲洗→烘干基片表面。镀铝:使用磁控溅射机对进行过清洗和烘干的铌酸锂基片镀铝匀胶与曝光

显影与腐蚀

质子交换与退火:设备为扩散炉端面研磨与剖光:用280#金刚砂进行粗磨，直至陪片和波导片的端面都已磨到，三个片子的端面都在同一平面上→用302#金刚砂研磨至少1个小时→用304#金刚砂研磨至少1个小时→用5μ研磨膏抛光约30分钟→用3μ研磨膏抛光约30分钟→用1.5μ研磨膏抛光约30分钟→用0.5μ研磨膏抛光约30分钟。通光测试:由于波长1.3μ的红外光肉眼是无法观察到的，为了方便光路的调整，本文首先采用了波长632.8nm的氦氖激光器做为光源进行通光测试。下图为通光测试的原理图。首先将氦氖激光器出射的光用透镜耦合法耦合至光纤中，然后将光纤和波导安装在精密对准仪上，利用水平和垂直两个CCD摄像头通过显示器观察光纤与片子上条波导的相对位置，通过仔细调整进行对准，将光纤出射的光耦合至波导中，经过波导传输后，在接收屏上可以观察到光斑。通光实验时所使用的光纤必须保证端面整齐、干净。将波长632.8nm的氦氖激光器更换为波长1.3μm的LD激光器，在波导的出射端用红外接收靶进行接收，仔细调整红外接收靶的位置，观察到的近场光斑如图集成光学陀螺集成光学陀螺是光纤陀螺和激光陀螺的进一步小型化，微型化。与光纤陀螺和激光陀螺相比，集成光学陀螺用集成在芯片上的环形波导取代光纤陀螺的光纤环和由分立元件组成的环型激光谐振腔，因而具有体积小、重量轻的特点。与传统的机械陀螺相比，集成光学陀螺大大减少了活动部件，因此，它可以承受更大的冲击力，能够抗更大的振动，具有高可靠性。集成光学陀螺

LaserC1C3C4C2CWCCWAO2AO1PRRD2D1集成光学陀螺是在光波导基片上，实现包括窄带线宽激光器、3dB分束器、声表面波声光移频器,低损耗环形谐振器在内的功能元件的集成化，用声表面波声光移频技术对Sagnac相移(频差)，进行跟踪与测量，实现IOG闭环检测.环形谐振器是集成光学陀螺的核心敏感部件，其性能直接影响光学陀螺系统的性能，是此种陀螺设计与制造的关键技术。环形谐振器C为定向耦合器，如果光从P1输入，则被耦合进P4。环绕一周后经P2一部分光将被耦合进P3，另一部分进入P4，从而形成光的闭合回路。在稳定状态下，从P1-P3和P2-P4光将会达到一个动态的稳定状态，即谐振状态。当环中的谐振建立起来时,定向耦合器的作用就是补偿由于耦合器的插入损耗,波导损耗造成的能量损失。

环形谐振器设计考虑谐振型光学陀螺中，由光探测器散粒噪声决定的极限灵敏度[]满足下式：对谐振器我们只能对谐振器性能参数精细度F与谐振器面积进行设计。为了追求高极限灵敏度，要求腔面积和谐振腔精细度F要尽可能大，但为了集成化和微型化的要求，腔面积不宜过大，要适当选取，所以为提高限灵敏度我们要提高精细度F值

由上式可知在n确定后FSR只由来确定，F由和k来确定，F与k为反比关系，同时k通过硅基PLC技术可精确控制，即腔性能很大的依赖于谐振环总传输损耗，而谐振环总传输损耗由直波导的传输损耗，圆弧波导损耗和定向耦合器的损耗构成关于可用于集成光学陀螺的波导谐振器，已经有广泛的研究。早期的研究主要是聚合物环形波导和玻璃基离子交换环形波导谐振器，最近见诸报道的有聚合物环形波导和硅基环形光波导谐振器。其中聚合物基波导和玻璃基离子交换波导的传播损耗目前已经分别达到0．05dB／cm和0．1dB／cm的水平，而近年来化学气相沉积工艺的进步使硅基光波导的传播损耗大大降低，再者由于其工艺成熟和便于集成，因而硅基光波导被认为是集成光学陀螺的首选材料。目前硅基光波导的传播损耗已经降到0．024dB／cm的水平,1991年，J．Bismuth等人报道他们用PECVD法制作的硅基波导谐振器，波导谐振器在扣除测试光源的谱宽影响后，精细度达到100左右，这是见诸报道的波导谐振器精细度的最高水平。这样精细度的谐振器，已经基本满足谐振式集成光学陀螺的要求。为进一步提高陀螺的分辨率，还需要进一步降低损耗，提高精细度.环形谐振器材料考虑国外发展概况

国外从20世纪80年代就已经开始了集成光学环形波导的研究，并预言其在陀螺上的应用。早在1983年，美国Northrop公司的A．Lawrence提出微光陀螺的概念并于1988年获得微光陀螺的专利。1990年美国导航学会的技术会议，Northrop公司报道了他们的微光陀螺样机在Northrop之后，一些研究机构陆续提出基于环形波导的无源谐振式集成光学陀螺的实现方案。这些研究机构包括：Honeywell与Minnesota大学，RiceSystem与Lacent，Intellisense，美国Sandia国家实验室，以及日本的NIT公司和东京大学。他们研制出微型集成光学陀螺样机，并验证了系统方案，并逐渐形成产品。2000年，日本提出硅基的单片集成微光陀螺。目前见诸报道的，接近工程化和产品化的微型集成光学陀螺方案是InteUisense公司的小型的低成本的抗振动集成光学陀螺(VlGOR)。1990年Northrop微光陀螺样机它在玻璃衬底上，采用离子交换技术形成环形波导谐振腔，窄带激光光源通过耦合器在谐振器中产生正反时针方向(CW、CCW)的两束激光。衬底上部分沉积一层ZnO介质，集成两个表面声波移频器，以将转动角速度转换成频率差而实现闭环输出。2000年日本提出硅基的单片集成微光陀螺在si基衬底除集成环形波导谐振腔和定向耦合器，研究者们已进行陀螺的开环演示实验并给出试验结果。Intellisense公司的VlGOR样机加工工艺的选取

为了防止芯层中的导波光信号泄漏到高折射率的硅衬底中，要求包层厚度在10到15µm之间，由于Si的热膨胀系数(2.5×10-6/0C)与SiO2的热膨胀系数(3.5×10-7/0C)相差很大,在硅片上沉积厚纯SiO2时很容易产生龟裂。因此,龟裂和析晶等问题是目前硅基片上生长厚SiO2的主要难点。

SiO2光波导的制作工艺主要有两种：一是与光纤制作技术相类似的火焰水解沉积法(FHD)，二是半导体工艺中的等离子体增强化学气相沉积（PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition，PECVD）法，由于FHD设备和技术本身的复杂性以及PECVD工艺的成熟性，综合调研结果我们采用了专用PECVD设备制作波导层。工艺流程:（1)采用热氧化法制备二氧化硅下包层。（2)用PECVD沉积芯层：在PECVD生长室进行SiO2薄膜Ge掺杂，（3)制作掩模。（4)光刻。（5)RIE刻蚀。(6)用PECVD沉积上包层。(7）退火工艺。谢谢！光纤传感器的应用

（一）温度的检测光纤温度传感器有功能型和传光型两种。1、遮光式光纤温度计下图为一种简单的利用水银柱升降温度的光纤温度开关。可用于对设定温度的控制，温度设定值灵活可变

1234水银柱式光纤温度开关1浸液2自聚焦透镜3光纤4水银下图为利用双金属热变形的遮光式光纤温度计。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。这种形式的光纤温度计能测量10℃～50℃的温度。检测精度约为0.5℃。它的缺点是输出光强受壳体振动的影响，且响应时间较长，一般需几分钟。

光源接收热双金属式光纤温度开关121遮光板2双金属片2、透射型半导体光纤温度传感器当一束白光经过半导体晶体片时，低于某个特定波长λg的光将被半导体吸收,而高于该波长的光将透过半导体。这是由于半导体的本征吸收引起的,λg称为半导体的本征吸收波长。电子从价带激发到导带引起的吸收称为本征吸收。当一定波长的光照射到半导体上时,电子吸收光能从价带跃迁入导带,显然,要发生本征吸收,光子能量必须大于半导体的禁带宽度Eg，即因λ＝c/v，则产生本征吸收条件h——普朗克常数；v——光频率因此，对于波长大于λg的光，能透过半导体，而波长小于λg的光将被半导体