章光纖與光學(xué)傳感技術(shù)

光與現(xiàn)代科技講座第三章光纖與光學(xué)傳感技術(shù)2023/2/41光與現(xiàn)代科技講座云南大學(xué)信息學(xué)院通信工程系

宗容zongrong@.c三章光纖與光學(xué)傳感技術(shù)光與現(xiàn)代科技2023/2/42光與現(xiàn)代科技講座第一章緒論

2第二章光源與激光器2第三章光纖與光學(xué)傳感技術(shù)4第四章激光在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用4第五章激光在軍事技術(shù)中的應(yīng)用4第六章激光在現(xiàn)代工業(yè)和加工中的應(yīng)用4第七章光與信息技術(shù)4第八章光通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)6第九章光學(xué)成像、全息與顯示技術(shù)2第十章光電集成與納米技術(shù)22023/2/43第三章光纖與光學(xué)傳感技術(shù)§3.1光纖與傳光原理3.1.1

光纖構(gòu)造與分類3.1.2光纖傳光原理3.1.3光纖傳輸特性3.1.4光纜§3.2

光纖傳感器3.2.1光纖傳感器基本工作原理及類型3.2.2光纖傳感器的調(diào)制器原理3.2.3偏振調(diào)制調(diào)制型光纖傳感器的應(yīng)用舉例——光纖電流傳感器3.2.4光纖圖像傳感器§3.3

圖像傳感器3.3.1CCD圖像傳感器3.3.2CMOS圖像傳感器§3.4激光與紅外傳感器(探測器)3.4.1激光傳感器3.4.2紅外輻射傳感器3.4.3紅外探測器(傳感器)

§3.5超聲波傳感器3.5.1

超聲波的基本特性3.5.2

超聲波傳感器§3.6核輻射傳感器3.6.1

核輻射源—放射性同位素3.6.2

核輻射傳感器3.7輻射式傳感器應(yīng)用舉例2023/2/44§3.1光纖與傳光原理§3.1.1光纖的構(gòu)造與分類§3.1.2光纖傳光原理§3.1.3光纖的傳輸特性§3.1.4光纜2023/2/45§3.1.1光纖的構(gòu)造與分類一、光纖的構(gòu)造二、光纖的分類三、常用光纖四、光纖制作方法簡介2023/2/46一、光纖的構(gòu)造1、纖芯，光信號的傳輸2、包層，限制光信號溢出3、一次涂敷層（預(yù)涂層），保護(hù)光纖增加韌性4、緩沖層，減少對光纖的壓力5、二次涂敷層（套塑層），加強光纖的機械強度2023/2/471、纖芯：位于光纖中心部位，主要成分是高純度的SiO2,純度可達(dá)99.99999%，其余成份為摻入極少量摻雜劑，如P2O5和GeO2，摻雜劑的作用是提高纖芯的折射率。纖芯直徑一般為2a＝3～100μm2、包層：含有少量摻雜劑的高純度SiO2,摻雜劑有氟或硼，其作用是降低包層折射率，包層直徑2b＝125～140μm3、一次涂層：厚度5～40μm，材料一般為環(huán)氧樹脂或硅橡膠，可承受7kg拉力4、緩沖層：厚度100μm5、二次涂敷層：原料大都采用尼龍或聚乙烯1層＋2層＝光纖3＋4＋5層＝護(hù)層5層大約0.9mm左右2023/2/482023/2/49二、光纖的分類－11、從原材料分：石英系光纖:這種材料的光損耗比較小，在波長λ＝1.2μm時、最低損耗約為0.47dB/km。多組份玻璃光纖:用常規(guī)玻璃制成，損耗也很低。如硼硅酸鈉玻璃光纖，在波長λ＝0.84μm時，最低損耗為3.4dB/km。塑料光纖:用人工合成導(dǎo)光塑料制成，其損耗較大。當(dāng)λ＝0.63μm時，損耗高達(dá)100～200dB/km；但重量輕，成本低，柔軟性好，適用于短距離導(dǎo)光。氟化物光纖液芯光纖摻雜光纖，如摻鉺光纖由于石英系光纖具有傳輸衰減小，通信頻帶寬，機械強度較高等特點，在通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。2023/2/410材料對性能的影響按原材料劃分所用原材料舉例可制成光纖按其它方法歸類特點衰減強度可靠性價格石英光纖SiO2和摻雜劑階躍單模(SM)階躍多模(SI)梯度多模(GI)低高高高多成份玻璃光纖納鈣玻璃硼硅酸鹽玻璃階躍多模(SI)梯度多模(GI)較低較低存在問題較低塑包石英光纖纖芯：SiO2包層：塑料階躍多模(SI)較低較高存在問題較低全塑光纖纖芯：聚甲基丙烯酸甲酯包層：氟代丙烯酸樹酯SI高低有問題低2023/2/411光纖分類－22、按照光纖橫截面上折射率分布特征n(r)分：階躍型光纖，也稱突變型光纖（常用SI表示—StepIndexfibber）

纖芯與包層的折射率均為一常數(shù)，其界面處呈階躍式變化。漸變型光纖，也稱梯度光纖或自聚焦光纖（常用GI表示—GradedIndexfibber

）纖芯折射率連續(xù)變化，包層的折射率則為一常數(shù)。W型光纖等2023/2/412ba0abba0abn(r)n(r)n1n1n2n2階躍型光纖漸變型光纖

n1r≤an1[1-2Δ(r/a)

g]1/2

r≤an2a<r≤bn2[1-2Δ]1/2a<r≤bn(r)=n(r)=Δ—相對折射率差，Δ＝（n1-n2)/n12023/2/413a雙包層b三角芯c橢圓芯典型特種單模光纖2023/2/414a—階躍型光纖；b－漸變型光纖；c－單模光纖2023/2/415光纖分類－33、按光纖內(nèi)的導(dǎo)模數(shù)分多模光纖(MM—MultiModefiber)

可傳輸多種模式，或允許多種場結(jié)構(gòu)存在2a=50～75μm，2b=100-200μm（多模）這類光纖性能較差，帶寬較窄；但由于芯子的截面積大，容易制造、連接耦合比較方便，也得到了廣泛應(yīng)用。單模光纖(SM—SingleModefiber)

只傳輸一種模式2a=4~10μm，2b=125μm(單模)這類光纖傳輸性能好、頻帶很寬，具有較好的線性度；但因內(nèi)芯尺寸小，難以制造和耦合。2023/2/416光纖分類－44、按套塑的情況分松套緊套5、按工作波長分短波長光纖：0.8～0.9μm長波長光纖：1.0～1.7μm超長波長光纖：>2μm

短波長與長波長光纖為石英系光纖，而超長波長光纖為非石英系光纖，如重金屬氧化物、硫硒碲化合物和鹵化物光纖等2023/2/417光纖分類－56．按用途分類

(1)通信光纖。用于光通信系統(tǒng)，實際使用中大多使用光纜（多根光纖組成的線纜），是光通信的主要傳光介質(zhì)。

(2)非通信光纖。這類光纖有低雙折射光纖、高雙折射光纖、涂層光纖、液芯光纖和多模梯度光纖等幾類。2023/2/418三、常用光纖1、階躍多模光纖（SIF）2、梯度多模光纖（GIF）3、單模光纖（SMF）

目前常用單模光纖有：G.652、G.653、G.654、G.6552023/2/419按照零色散波長將單模光纖分為6種非色散位移光纖：G.652色散位移光纖：G.653截止波長位移光纖：G.654非零色散位移光纖：G.655色散平坦光纖色散補償光纖2023/2/420不同結(jié)構(gòu)單模光纖的色散特性2023/2/421G.651，多模漸變型（GIF）光纖（或稱梯度光纖），它在光纖通信發(fā)展的初期廣泛應(yīng)用于中小容量，中短距離的通信系統(tǒng)；G.652常規(guī)單模光纖，或稱非色散位移光纖，是第一代單模光纖，其特點是在波長1310nm色散為零，系統(tǒng)的傳輸距離只受損耗的限制，但1310nm處損耗不是最小值（0.4dB/km）。光纖工作在1550nm窗口衰減小，且具有EDFA供選用，但其在1550nm窗口色散大，不利于高速系統(tǒng)的長距離傳輸。2023/2/422G.653色散移位光纖，是第二代單模光纖，其特點是在波長1550nm色散為零，損耗又最小。適用于大容量長距離通信系統(tǒng)。但其在波分復(fù)用時會出現(xiàn)四波混頻效應(yīng)，故其被限用于單信道高速傳輸。G.654截止波長位移光纖，1550nm損耗最小單模光纖，其特點是在波長1310nm處色散為零，在1550nm處色散為17～20ps/(nm.km)，和常規(guī)單模光纖相同，但損耗更低，可達(dá)0.2dB/km以下。它主要是一種用于1550nm改進(jìn)的常規(guī)單模光纖。目的是增加傳輸距離2023/2/423G.655非零色散位移光纖，是一種改進(jìn)的色散移位光纖，在密集波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)中，當(dāng)使用波長1550nm色散為零的色散移位光纖時，由于復(fù)用信道多，信道間隔小，出現(xiàn)了一種稱為四波混頻的非線性效應(yīng)。這種效應(yīng)是由兩個或三個波長的傳輸光混合而產(chǎn)生的有害分量，它使信道間相互干擾。如果色散為零，四波混頻的干擾十分嚴(yán)重，如果有微量色散，四波混頻反而減小。為此，科學(xué)家研究了非零色散光纖。2023/2/424G.655光纖的特點是有效面積大，零色散波長不在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復(fù)用系統(tǒng)的四波混頻效應(yīng)，小到允許信道傳輸速率達(dá)到10Gb/s以上。它具有常規(guī)單模光纖和色散移位光纖的優(yōu)點，是最新一代的單模光纖。光纖工作在1550nm窗口衰減小、色散低，大大減小四波混頻效應(yīng)，故其可用于遠(yuǎn)距離、波分復(fù)用、孤子傳輸高速系統(tǒng)中，實現(xiàn)超大容量超長距離的通信?？祵?Corning)公司開發(fā)的這種新型光纖稱為長距離系統(tǒng)光纖(LongHaulSystemFiber)；AT&T(美國電報電話)公司開發(fā)的這種光纖稱為真波光纖(TrueWaveFiber)2023/2/425色散補償光纖，其特點是在波長1550nm具有大的負(fù)色散，這種光纖是針對波長為1310nm的常規(guī)單模光纖系統(tǒng)升級而設(shè)計的，因為當(dāng)這種系統(tǒng)要使用摻鉺光纖放大器（EDFA）以增加傳輸距離時，必須把工作波長從1310nm移到1550nm，。用色散補償光纖在波長為1550nm的負(fù)色散和常規(guī)單模光纖在1550nm的正色散相互抵消，以獲得線路總色散零而損耗又最小的效果。色散平坦光纖，其特點是色散值在一定范圍內(nèi)為常數(shù)，2023/2/426四、光纖制造方法改進(jìn)的化學(xué)汽相沉積法(MCVD)

等離子體激活化學(xué)汽相沉積法(PCVD)管外化學(xué)汽相沉積法汽相軸向沉積法（VAD）

管外汽相沉積法（OVPD）多種組份玻璃制造法2023/2/427光纖制作簡介光纖的制造工藝主要包括熔煉、拉絲和套塑三個主要過程。1、熔煉熔煉過程是把超純的化學(xué)原料四氯化硅和氧氣，經(jīng)過高溫化學(xué)反應(yīng)合成低損耗的優(yōu)質(zhì)石英棒（稱為光纖預(yù)制棒）。熔煉時。一般摻入少量雜質(zhì)以控制折射率。如鍺、磷、硼氟等。2023/2/428其化學(xué)反應(yīng)如下：

SiCl4+O2

→SiO2+2Cl2↑GeCl4+O2

→GeO2+2Cl2↑其中，SiO2

是石英，這就是化學(xué)合成法。原料SiCl4可以是氣化的液體，它比固體容易提純，故制作超純石英不宜把固體天然石英提純而寧可采用化學(xué)合成法。熔煉工藝有很多種，這里僅以改良的化學(xué)氣相沉積法(MCVD)來說明熔煉過程。2023/2/429

合成的SiO2以粉末狀沉積在石英坯管內(nèi)管壁上，遇到高溫即融成一層很薄的透明含鍺的優(yōu)質(zhì)石英。火焰來回移動，管子均勻旋轉(zhuǎn)，一層層的優(yōu)質(zhì)石英均勻地沉積在管內(nèi)。H2O2火焰移動SiCl4+O2GeCl+O2排氣Cl2石英坯管HO焰1400～1500℃MCVD熔煉工藝示意圖旋轉(zhuǎn)2023/2/430

當(dāng)沉積的石英層有足夠的厚度后，把火焰溫度升高到1700～2000℃，石英管被軟化，由于它的表面張力，石英管自動收縮，而將管子的中心孔填沒，成為一根實心用以制作光纖的石英棒，稱為預(yù)制棒。預(yù)制棒的芯子是優(yōu)質(zhì)石英，用以導(dǎo)光，外表皮是一般石英，不作導(dǎo)光用，僅起保護(hù)作用。2、拉絲拉絲是把較粗的石英預(yù)制棒拉成細(xì)長的光纖。拉絲裝置示意圖如下。2023/2/431光纖坯棒測溫儀爐溫控制測徑儀調(diào)速設(shè)備固化爐光纖涂覆器高溫爐2000℃拉絲輪拉絲工藝裝置示意圖預(yù)制棒緩緩送入，高溫下被軟化，由拉絲輪拉成細(xì)絲。為保證光纖直徑精度，采用激光測徑儀，并按照偏差信號反饋控制爐溫和拉絲溫度等。為保護(hù)光纖表面不被外界污染而產(chǎn)生微裂紋，必須在光纖成形后馬上涂覆一層保護(hù)涂料，并立即固化，最后卷繞在套筒上。2023/2/4323、套塑為進(jìn)一步保護(hù)光纖，提高光纖的機械強度，一般把帶有涂敷層的光纖再套上一層尼龍。光纖的套塑方式有兩種：松套：光纖可在尼龍管內(nèi)松動，其涂敷材料一般為環(huán)氧樹脂，抗水性能不很好，常填充半流質(zhì)的油膏(Jelly)。緊套：其涂敷材料一般是硅橡膠，外面緊密無間隙地套上一層尼龍，光纖在尼龍管內(nèi)不能松動。2023/2/433緊套光纖結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，而松套光纖防水性能和機械性能較好。由于石英光纖是用摻雜材料制成的，所以其物理性能比金屬材料穩(wěn)定得多，但光纖在套塑后，由于套塑原料的膨脹系數(shù)較石英大得多，所以在低溫時塑料收縮，形成光纖的微彎曲而增加了衰減。故而適當(dāng)注意套塑工藝可獲得溫度特性良好的光纖。2023/2/434§3.1.2

光纖的傳光原理

分析光纖的傳輸原理有兩種方法：幾何光學(xué)法：將光看成一條條的幾何射線來分析，也稱射線理論

應(yīng)用條件：光波的波長遠(yuǎn)小于光纖的幾何尺寸，只適用于多模光纖波動光學(xué)法：光波按電磁場理論，用麥克斯韋方程組求解，也稱模式理論。它既可用于多模光纖，也可用于單模光纖2023/2/435本節(jié)主要內(nèi)容一、幾何光學(xué)法——射線理論基礎(chǔ)知識階躍光纖中的光線軌跡和數(shù)值孔徑漸變光纖中的光線軌跡和數(shù)值孔徑光線模式的分立性二、光纖傳輸?shù)牟▌永碚撃Ｊ降母拍钆c線偏振模歸一化頻率模截止頻率與導(dǎo)模的傳輸條件單模傳輸?shù)臈l件單模光纖2023/2/436基礎(chǔ)知識1、光譜、光速和媒質(zhì)的折射率光在真空中的速度C=2.9979×108m/s，空氣中為C0=2.997×108m/s，

在其它媒質(zhì)中的速度ν=c/nn為折射率,如n水=1.33,n玻璃=1.5n大為光密媒質(zhì)，n小為光疏媒質(zhì)，且n還與光的波長有關(guān)，或者說，不同波長的光在同一媒質(zhì)中傳輸速度有差異。如玻璃對紅光（波長較大）的折射率比對紫光（波長較?。┑恼凵渎市?。2023/2/4372、光的反射、折射和全反射光波屬于電磁波范疇，在均勻介質(zhì)中傳播時，其軌跡是一條直線，可稱為光射線。當(dāng)光射線射到兩介質(zhì)（媒質(zhì)）交界面時，將發(fā)生反射和折射。θiθrθtn1n2設(shè)入射角為θi，反射角為θr，折射角為θt則θi＝θr（反射定理)

n1Sinθi=n2Sinθt

（折射定理，即斯涅爾Snell定理）2023/2/438當(dāng)光從光密媒質(zhì)向光疏媒質(zhì)入射，則θt>

θi當(dāng)光從光疏媒質(zhì)向光密媒質(zhì)入射，則θt<θi2023/2/439反射系數(shù)R(即反射光功率與入射光功率之必)與入射角θi有關(guān)，θi在0～30°入射角范圍內(nèi)時，則折射到第二種介質(zhì)中的光功率部分為，T=1-R例：一束自然光自空氣垂直射向玻璃，若n波=1.5，入射功率為P0，試計算進(jìn)入玻璃的功率。解：R=[(1.5-1)/(1.5+1)]2=0.04

則T=1-R=0.96，故進(jìn)入玻璃內(nèi)的功率為0.96P0.2023/2/440全反射的形成

當(dāng)光線由光密媒質(zhì)（如n1）射向光疏媒質(zhì)（如n2）時，由于n1>n2，則此時介質(zhì)Ⅱ中折射線將離開法線而折射，θr>

θt。當(dāng)入射角增加到某一值時，可使得折射角θt=90o,這時折射線將沿界面?zhèn)鬏?，此時的入射角稱為臨界角，用θc表示。根據(jù)折射定理n1Sinθi=n2Sinθt當(dāng)θi>θc時，折射角θt必大于90o，光射線不再進(jìn)入介質(zhì)Ⅱ，而由界面全部反射回介質(zhì)Ⅰ，這種現(xiàn)象稱為全反射。此時反向系數(shù)的模值等于1。2023/2/4411、階躍光纖中的光線軌跡和數(shù)值孔徑（1）光線軌跡2023/2/442光線1以θ角入射，折射角為θ1，若在包層—纖芯邊界滿足：90o－θ1>Ψc

（全反射臨界角)，則光線1以之字形折線在纖芯中傳播，直至能量損失殆盡或從光纖中另一端射出。始終被束縛在芯區(qū)中的光線被稱為“傳導(dǎo)模”，或簡稱“導(dǎo)模”光線根據(jù)斯奈爾(Snell)定律,有n0Sinθ＝n1Sinθ1＝n1CosΨ12023/2/443光線2以θc角入射，折射線在包—芯邊界恰好滿足全反射（折射角為90o

），相應(yīng)光線將以為Ψc

入射到交界面，并沿交界面向前傳播。光線3的初始入射角較大，致使到達(dá)芯—包層界面時不滿足該處全反射條件，此光線折射進(jìn)入包層。這種光線的能量經(jīng)過不長光纖的傳輸（約幾百米）便損失掉了。這種光線被稱為“包層?！被颉拜椛淠！惫饩€，它對光纖通信無效。2023/2/444（2）數(shù)值孔徑由上述三種光線軌跡可知，只有在半錐角為θ≤θc的圓錐內(nèi)的入射的光束才能在光纖中傳播。根據(jù)這個傳播條件，定義臨界角θc的正弦為數(shù)值孔徑（NumericalAperture,NA)。根據(jù)定義和斯奈爾定律NA=n0Sinθc=n1CosΨc，n1SinΨc＝n2Sin90o

解之有：式中，Δ＝(n1-n2)/n1——相對折射率差如Δ＝0.01，n1=1.5，則NA=0.21或θ＝12.2o2023/2/445數(shù)值孔徑NA是光纖接受和傳輸光的能力，它取決于折射率nNA(或)θc越大，光纖接收光的能力越強，從光源到光纖的耦合效率越高。對于無損耗光纖，在θc內(nèi)的入射光都能在光纖中傳輸。NA越大，纖芯對光能量的束縛越強，光纖抗彎曲性能越好。但NA越大，經(jīng)光纖傳輸后產(chǎn)生的信號崎變越大，色散帶寬變差，限制了信息傳輸容量。ITU—T(CCITU)規(guī)定：NA＝0.15～0.24±0.002

我國規(guī)定：NA＝0.2±0.022023/2/446（3）子午光線、斜光線和螺旋光線子午光線：光線始終在經(jīng)過軸線的某個平面內(nèi)，該面為子午面。若入射光線原來就在子午面內(nèi)，則射入光纖后仍為子午光線。斜光線：光纖入射方向與子午面有一夾角，則射入光纖后，將形成一條條空間折線，此折線在圓周方向的投影是一段段搭接在纖芯邊界圓上的等長弦。一般它們不一定形成正多變形，而繞軸足夠多圈后，不同方位的弦互相交疊，將充滿以纖芯邊界為外圓的環(huán)行區(qū)，環(huán)的內(nèi)圓半徑等于等長弦的弦心距。實際上，光纖中的斜光線是以此環(huán)形為底面的圓形管壁中曲折前進(jìn)的。2023/2/447螺旋光線：當(dāng)內(nèi)圓柱面半徑加大，最后與纖芯邊界重合，此時的光線軌跡相當(dāng)于沿著芯包邊界的圓柱面螺旋前進(jìn)，因而被稱為螺旋光線。光纖端面上接受斜光線入射角的最大角θs與NA有：Sinθs?Cosγ=NA，

γ—相鄰兩段等長弦的夾角之半由此可以看出，在滿足芯—包邊界全反射的條件下，對斜光線的端面入射角度比對子午光線有所放松。那些在“放松”角度范圍內(nèi)入射的斜光線，有時被稱為“隧道?！惫饩€。它們雖然能在芯區(qū)正常傳輸，但因不易定量分析，常被暫時忽略，只在其影響正確測量時，才設(shè)法避免或修正。2023/2/4482、梯度光纖中的光線軌跡和局部數(shù)值孔徑其光線軌跡可用射線方程來描述深入分析表明，拋物光纖中的光纖軌跡近似正弦線。2023/2/4492023/2/450自聚焦效應(yīng)：漸變多模光纖具有自聚焦效應(yīng)，不僅不同入射角相應(yīng)當(dāng)光線會聚焦在同一點上，而且這些光線的時間延遲也近似相等。這是因為光線傳播速度v(r)=c/n(r)，入射角大的光線經(jīng)歷代路程較長，但大部分路程遠(yuǎn)離中心軸線，n(r)較小，傳播速度較快，補償了較長的路程。入射角小的光線情況正相反，其路程較短，但速度較慢，所以這些光線的時間延遲相等。2023/2/451二、光纖傳輸?shù)牟▌永碚撾姶挪ㄔ诠饫w中傳播的基本方程直角坐標(biāo)系下的麥克斯韋方程組柱坐標(biāo)系下的波動方程階躍光纖中的光場階躍光纖的本征值方程與模式單模光纖2023/2/452光纖傳輸?shù)牟▌永碚摰闹饕拍詈徒Y(jié)論模式的概念與線偏振模歸一化頻率模截止頻率與導(dǎo)模的傳輸條件單模傳輸?shù)臈l件單模光纖2023/2/4531、模式的概念與線偏振模波動方程的一個“特解”，表示電磁場的一種穩(wěn)定存在形式，用電力線或磁力線將此形式描繪出來便是一種特定圖案。這種電磁場分布的特定圖案或稱“場型”，被稱為“模式”在均勻介質(zhì)傳播的光波可以認(rèn)為是平面波，其電場和磁場的方向與光的傳播方向垂直，而且是正交的兩個分量，即橫電磁波(TEM)。當(dāng)光在由幾種媒介組成的非均勻介質(zhì)中傳播時，據(jù)傳播方向有無電磁場分量可分為：2023/2/454

橫電磁波（TEM）—傳播方向上無電場和磁場分量橫電波(TE)—傳播方向上無電場，有磁場分量橫磁波(TM)—傳播方向上有電場，無磁場分量混合波(EH、HE)—傳播方向上既有電場也有磁場分量在這些電磁波中，有一部分的場型和傳播速度是相同的，通常，我們把這些場型分布相同的模式稱為簡并模計算表明，能在光纖中存在的導(dǎo)模有TEon、TMon、HEmn、EHmn四種。(m表示在圓周方向上有m對最大；n表示在半徑方向上有n個最大)2023/2/455下面是幾個低階模的場分布2023/2/456幾個低次模的場型（實線為電力線，虛線為磁力線，λg=2π/β）2023/2/457(a)HE11模的場結(jié)構(gòu)(b)HE11模的簡化圖2023/2/458(a)TE01模的場結(jié)構(gòu)(b)TE01模的簡化圖2023/2/459幾個低次模的場型（實線為電力線，虛線為磁力線，λg=2π/β）2023/2/460(a)TM01模的場結(jié)構(gòu)(b)TM01模的簡化圖2023/2/461幾個低次模的場型（實線為電力線，虛線為磁力線，λg=2π/β）2023/2/4622023/2/463§3.1.3光纖的傳輸特性傳輸性能損耗（衰減）色散串?dāng)_2023/2/464傳輸性能一、損耗（衰減）性能光纖是一種傳輸媒質(zhì)，光波在其中傳播單位距離就有相當(dāng)一部份能量被吸收或散射。傳播波的振幅衰減主要是由于過渡金屬離子和以氫氧根形式出現(xiàn)的水吸收引起的。光纖衰減以衰減系數(shù)α來衡量，它是度量光能在光纖中傳輸損失的參數(shù)。2023/2/465光在光纖中傳播時，平均光功率沿光纖長度按照指數(shù)規(guī)律減少。即

P(L)=P(0)e(-αL/10)P(0)—L=0處注入光纖的光功率P(L)—傳輸?shù)捷S向距離L處的光功率α定義：單位長度光纖引起的光功率衰減。當(dāng)長度為L時，Pin—輸入光纖的光功率，Pout—輸出光纖的光功率，L—被測光纖的長度，2023/2/466光通信工程中，長度為Li，衰減系數(shù)為αi的N段光纖相連接，則全長L為αs—平均每連接點的損耗，y—連接點數(shù)α的大小，不僅標(biāo)志著光纖制作技術(shù)的水平，而且也決定了光纖通信中的距離的長短。2023/2/467光纖損耗產(chǎn)生的原因和分類損耗散射吸收材料固有吸收原子缺陷吸收雜質(zhì)吸收氫氧根離子吸收過渡金屬離子吸收紫外吸收紅外吸收瑞利散射光纖結(jié)構(gòu)不完善散射非線性效應(yīng)散射彎曲損耗2023/2/468單模光纖損耗譜，示出各種損耗機理2023/2/4692023/2/4702023/2/471光纖損耗的譜特性及工作窗口三種實用光纖損耗譜2023/2/472優(yōu)質(zhì)單模光纖損耗譜2023/2/473減少光纖損耗的途徑提高光纖材料的化學(xué)純度，減少雜質(zhì)吸收損耗，改進(jìn)與提高光纖的制作工藝，減少材料中OH－根離子的吸收損耗和波導(dǎo)效應(yīng)的散射損耗。彎曲損耗：光纖彎曲時，原先按全內(nèi)反射規(guī)律沿光纖前進(jìn)的光線，由于入射角不再小于臨界角，部分光線將按照折射定律進(jìn)入包層，不再返回。或?qū)５牟糠帜芰哭D(zhuǎn)化為輻射能而被消耗掉，致使到達(dá)光纖終端的能量受到削弱，通常稱之為彎曲損耗。2023/2/474二、光纖的色散特性色散(Dispersion)指在光纖中傳輸?shù)墓庑盘栍捎诓煌煞莸墓獾臅r間延遲不同而產(chǎn)生的一種物理效應(yīng)。色散一般包括模式色散、材料色散、和波導(dǎo)色散。這在通信中將產(chǎn)生碼間干擾，導(dǎo)致通信容量、通信速率、傳輸距離的降低。色散參數(shù)D的單位ps/(nm·km)，代表兩個波長間隔為1nm的光波傳輸1km距離后到達(dá)時間的延遲。2023/2/475色散產(chǎn)生的原因及分類－1

模式色散—由傳輸模式引起的色散，只存在于多模光纖中。每一種傳輸模式到達(dá)光纖終端的時間先后不同，造成脈沖展寬，從而出現(xiàn)色散現(xiàn)象。對階躍多模光纖，以不同的入射角θi進(jìn)入光纖的光線，雖然在入射端同時入射，并以相同的速度傳播，但到達(dá)光纖輸出端的時間卻不相同，出現(xiàn)了時間上的分散，導(dǎo)致脈沖展寬嚴(yán)重，即發(fā)生了多徑色散。路徑最短的光線，即θi＝0o的光線，正好等于光纖長度L，路徑最長的為L/Sinφc。由于纖芯中光速為v=c/n1,則這兩條光線到達(dá)輸出端的時差Δ為：2023/2/476色散產(chǎn)生的原因及分類－2材料色散—由光纖材料引起的色散光在光纖中傳播速度v=c/n1(λ)，n1(λ)是光波波長的函數(shù)，即同一材料對不同波長的折射率不一樣。當(dāng)含有不同波長的光脈沖（非單色光）通過光纖傳輸時，其傳輸速度不一致，這時，光脈沖被展寬出現(xiàn)色散。2023/2/477色散產(chǎn)生的原因及分類－3波導(dǎo)色散—又稱結(jié)構(gòu)色散，是由光纖的幾何結(jié)構(gòu)決定的色散，光纖的橫截面尺寸起主要作用。當(dāng)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不完整，除產(chǎn)生模交換外，還可能引起部分光纖進(jìn)入包層，而這些光線的傳播速度大于纖芯中的光脈沖傳播速度，這樣光脈沖被展寬。色散除與上述三種有關(guān)外，還與光源的頻譜寬度有關(guān)。2023/2/478不同結(jié)構(gòu)單模光纖的色散特性2023/2/479各種光纖的ITU—T建議G.651：多模漸變型光纖G.652：常規(guī)單模光纖G.653：色散移位光纖G.654：1.55損耗最小的單模光纖G.655：非零色散光纖，改進(jìn)的色散移位光纖色散補償光纖色散平坦光纖

ITU-T:國際電信聯(lián)盟—電信標(biāo)準(zhǔn)化機構(gòu)；（CCITT-國際電報電話咨詢委員會和IEC-國際電工委員會）2023/2/4801、定義如果存在兩根平行放置的、結(jié)構(gòu)相同的光纖，在其中傳輸?shù)膶?dǎo)模也完全相同，則沿光纖“1”傳輸?shù)墓獠?，由于某種原因進(jìn)入光纖“2”并對沿光纖“2”傳輸?shù)男盘栐斐筛蓴_的現(xiàn)象，稱為光纖間出現(xiàn)了串?dāng)_。2、產(chǎn)生相互串?dāng)_的機理定向耦合效應(yīng)由散射現(xiàn)象造成的串?dāng)_3、防護(hù)措施選擇工作波長時，盡可能遠(yuǎn)離截至波長，讓光波盡可能被束縛在纖芯之中；加大包層厚度，減小進(jìn)入相鄰光纖的光波的強度；在包層外覆一層吸收光能能力較強的護(hù)套；改進(jìn)光纖的制造工藝，使諸如包層纖芯的界面粗糙、纖芯中含有雜質(zhì)等造成結(jié)構(gòu)不均勻的因素得到消除。三、傳輸特性——串?dāng)_2023/2/481§3.1.4光纜光纜的結(jié)構(gòu)：纜芯、加強件、外護(hù)層光纜分類光纜制造簡介特種光纜光纜發(fā)展趨勢2023/2/482一、光纜結(jié)構(gòu)光纜中要有加強件（抗張元件）加強件有三種置放方式中心式：置于纜芯正中心分布式：分散地置于纜芯內(nèi)鎧裝式：置于纜皮內(nèi)光纜中有防潮措施防潮方法有：氣體充填、固體充填、石油膏充填光纜中有防止因溫度變化而引起光纜傳光特性變化的措施2023/2/483光纖使用壽命和應(yīng)力比的關(guān)系2023/2/484二、光纜分類－11、按用途分GY—野外（室外）光纜GJ—局內(nèi)（室內(nèi)）光纜GR—軟光纜GS—設(shè)備內(nèi)光纜GH—海底光纜GT—特殊光纜2023/2/485光纜分類－22、按外護(hù)套特征分PE護(hù)套光纜：簡易型聚乙烯護(hù)套LAP護(hù)套光纜：鋁—聚乙烯粘接護(hù)套鋼帶鎧裝光纜鋼絲鎧裝光纜2023/2/486光纜分類－33、按纜芯特征分層絞式束管式疊帶式骨架式2023/2/487光纜分類－44、按敷設(shè)方式分管道式直埋式架空水底光纜局內(nèi)光纜2023/2/488不同敷設(shè)條件的光纜機械特性敷設(shè)方式拉伸強度(N)抗測壓強度(N/10cm)工作時敷設(shè)時工作時敷設(shè)時架空、管道60015008001000直埋10003000100030002023/2/489光纜分類－55、按結(jié)構(gòu)設(shè)計原則分：緊結(jié)構(gòu)光纜松結(jié)構(gòu)光纜6、按纜芯芯數(shù)分單芯多芯：2、4、6、8、12、…2023/2/490二次被覆光纖（芯線）簡圖(a)緊套；(b)松套；(c)大套管；(d)帶狀線2023/2/491六芯緊套層絞式光纜（架空、直埋）2023/2/49212芯松套層絞式光纜（直埋防蟻）2023/2/49312芯骨架式光纜（直埋）2023/2/4946～48芯束管式光纜（直埋）2023/2/495108芯帶狀光纜2023/2/496LXE束管式光纜（架空、管道、直埋）2023/2/497淺海光纜2023/2/498架空地線復(fù)合光纜（OPGW）2023/2/499三、光纜制造簡介生產(chǎn)過程：生產(chǎn)預(yù)制棒→拉絲→套塑→成纜→加外護(hù)套（含充填石油膏和加尺寸碼帶）→裝鎧主要環(huán)節(jié)進(jìn)料、設(shè)備、制作、和驗收、銷售2023/2/4100四、特種光纜將特殊用途或特種結(jié)構(gòu)的光纜稱為特種光纜。水底光纜、光/電混和纜、無鹵阻燃光纜、非金屬光纜（全介質(zhì)自承式光纜、纏繞式光纜）、復(fù)合地線光纜等。2023/2/41011.水底光纜由于敷設(shè)時短期拉力大，需要將光纜進(jìn)行鋼絲鎧裝，以提供足夠的抗拉強度。水底光纜的抗拉、抗惻壓力機械特性和密封性能是光纜設(shè)計要考慮的主要問題。水底光纜的密封有加金屬管作密封層的，一般要求的水底光纜，最普遍的方法是在纜芯中填充阻水油膏，在纜芯外加金屬護(hù)套密封。2023/2/41022.光電混合纜指將電話用銅線對或銅饋電線放入光纜纜芯中，做成光/電混合纜。除中心管式外，可將這種光/電混合纜，做成層絞式和骨架式。多用在既需要進(jìn)行光信號傳輸，又要進(jìn)行電信號監(jiān)控的部門，如鐵路沿線使用的光/電混合纜2023/2/41033.無鹵阻燃光纜一般說，室內(nèi)用的光纜和地鐵用的光纜等都應(yīng)該是阻燃的。阻燃層主要是加在光纜外護(hù)層。阻燃分為有鹵阻燃和無鹵阻燃常用的PVC(聚氯乙稀)屬有鹵阻燃料；阻燃聚烯烴屬無鹵阻燃料。其中有的阻燃劑為無金屬水合物。如氫氧化鋁，在高溫火焰作用下，氫氧化鋁氣化放出水，水吸收熱量，稀釋氧氣，從而達(dá)到阻燃目的。2023/2/41044.非金屬光纜指整根均無金屬部件非金屬中心加強構(gòu)件光纜不一定是非金屬光纜，因為中心加強構(gòu)件可以是非金屬，而護(hù)套或外護(hù)層可以含有金屬。有些多雷電地區(qū)就要求用這種中心加強件是非金屬，而護(hù)套或外護(hù)層含有金屬的光纜。一般非金屬光纜是將層絞式光纜或骨架式光纜的中心加強構(gòu)件選用非金屬的玻璃纖維增強塑料（FRP）棒，護(hù)套或護(hù)層不用金屬。因為玻璃鋼的抗拉強度不大，所以這種非金屬光纜一般要有鋼絲（繩）吊掛，使用在避免強電感應(yīng)當(dāng)場所。如高壓輸電的調(diào)度室到高壓輸電線路鐵塔。2023/2/4105非金屬光纜-11、全介質(zhì)自承式光纜當(dāng)不用鋼絲（繩）吊掛，而是自承式懸掛于鐵塔之上時，非金屬光纜只靠中心的加強構(gòu)件玻璃纖維增強塑料(FRP)棒作抗拉構(gòu)件是不夠的，必須在其纜芯周圍包一定數(shù)量的芳綸纖維(kevlar)。這種光纜專為自承式懸掛在高壓輸電線路鐵塔上而設(shè)計的，稱為全介質(zhì)自承式光纜(AllDielectricSelfSupport-ADSS)。由于高壓輸電線路鐵塔跨距較大，因此對ADSS的抗拉強度要求特別高。ADSS用于高壓輸電鐵塔，當(dāng)電壓超過220kV時，光纜外護(hù)套PE料要用耐電暈老化的PE料,否則外護(hù)套會在高壓電感應(yīng)下發(fā)生電暈放電，導(dǎo)致老化電龜裂2023/2/4106非金屬光纜-22、纏繞光纜纏繞光纜也是一種全介質(zhì)光纜，它的敷設(shè)不像ADSS光纜那樣靠自承懸掛在鐵塔上，而是纏繞在高壓輸電線路的地線或相線導(dǎo)體上。其優(yōu)點是光纜非常細(xì)（約10mm），纜內(nèi)不需要特別強硬的加強構(gòu)件，抗張強度也不需要特別大，因為它是靠地線或相線導(dǎo)體來支承。纏繞光纜有兩點要注意：光纜用材必須選用具有耐高溫特性的，因為地線或相線導(dǎo)體上都載有電流（地線上是感應(yīng)電流或短路電流），光纜的熱阻應(yīng)經(jīng)得住短期（如10分鐘）120℃～150℃的熱沖擊和長期（如400小時）90℃的熱老化。光纜外護(hù)套要滿足抗鳥侵襲的能力光纜尺寸要小，重量要輕，因為纏繞式光纜每個盤能裝的光纜長度受纏繞敷設(shè)設(shè)備條件的限制纏繞光纜與ADSS一樣，都具有高電壓感應(yīng)產(chǎn)生電暈放電及電龜裂效應(yīng)。不過，由于纏繞式光纜纏繞在金屬導(dǎo)體上，其光纜外護(hù)套上感生的電荷有部分會通過金屬導(dǎo)體放掉，所以該效應(yīng)比ADSS弱2023/2/41075、復(fù)合地線光纜（OPGW）復(fù)合地線光纜（OpticalFiberCompositeGroundWire-OPGW）是集通信和接地功能于一體的結(jié)構(gòu)。OPGW的關(guān)鍵技術(shù)在于兩個問題：OPGW的抗拉強度及其中光纖的應(yīng)變（在最大抗拉強度下OPGW中光纖應(yīng)變應(yīng)為零）；OPGW中UV固化光纖及光纖用油膏耐短期熱沖擊問題2023/2/4108架空地線復(fù)合光纜（OPGW）2023/2/4109五、光纜的發(fā)展趨勢1、帶狀光纖纜一般用戶接入網(wǎng)包括三部分線路，三者結(jié)構(gòu)和特性應(yīng)有區(qū)別饋線——纖芯數(shù)較多；配線——纖芯數(shù)相對較少；引入線——纖芯數(shù)更少對于芯數(shù)較多的光纜（如多于144芯），最好的結(jié)構(gòu)是用帶狀光纖組成的帶狀光纖纜帶狀光纖纜有三種形式：中心管試帶狀光纖纜——工藝設(shè)備簡單，相對外徑較小，成本低，但芯數(shù)最多144芯松套層絞式帶狀光纖纜——纜大，成本相對較高，纜中纖芯數(shù)可達(dá)720芯左右骨架式帶狀光纖纜——生產(chǎn)工藝設(shè)備較復(fù)雜，要一條骨架生產(chǎn)線、成疊光纖帶入骨架槽的成纜設(shè)備，設(shè)備費用較貴，但纜中纖芯數(shù)可做得較大，適合于720芯以上帶狀光纖纜2023/2/4110光纜的發(fā)展趨勢-12、室內(nèi)布線光纜特點：①室內(nèi)布線光纜用于建筑物（或飛機和船舶）內(nèi)，所以有防火阻燃要求；②室內(nèi)布線光纜在布線時，拐彎的機會較多，所以光纜的外徑不能過粗，且要有良好的柔彎特性③室內(nèi)布線光纜用于室內(nèi)，其溫度不會很低，這有利于少有剛度較大的抗張構(gòu)件；④室內(nèi)布線光纜的機械抗拉、抗側(cè)壓強度可比室外光纜要求低些。一般最大抗拉強度≤400N，最大允許抗側(cè)壓強度≤2000N/10cm,最小彎曲半徑（不加載荷時）約6cm，但不能急彎；2023/2/4111光纜的發(fā)展趨勢-2⑤室內(nèi)布線光纜，多數(shù)不希望光纜內(nèi)填充具有流變性的防潮化合物。因此室內(nèi)布線光纜中的光纖多為緊套結(jié)構(gòu)。緊套結(jié)構(gòu)有兩種：用外徑為250μm的紫外光固化一次涂覆光纖（UV光纖）直接緊套至900μm將外徑為250μm的UV光纖再涂覆一層緩沖層（緩沖層外徑為350-400μm）后再緊套至900μm。緩沖層一般是硅樹脂。單模光纖兩種結(jié)構(gòu)均可，多模光纖用第一種可導(dǎo)致衰減增加較大。2023/2/4112光纜的發(fā)展趨勢-33、研究重點與發(fā)展趨勢重點：光纜的關(guān)鍵用材。有松套管材料、外護(hù)層材料、增強材料、光纖用油膏和纜芯用阻水防潮化合物等發(fā)展趨勢：光纜原具有的優(yōu)點是橫截面小重量輕。由于光纜進(jìn)入到用戶接入網(wǎng)，光纖芯數(shù)越來越多，外徑越來越大。使光纜芯數(shù)增多而橫截面又不增加太多，是今后研究的一個課題。另外，緊結(jié)構(gòu)成纜工藝有一定難度，應(yīng)重視研究室內(nèi)機房和機架內(nèi)的光纜都希望用不充油膏的光纜，所以多根緊套光纖進(jìn)行不充油膏松套后成纜，也值得研究。2023/2/4113§3.2光纖傳感器光(導(dǎo))纖(維)是20世紀(jì)70年代的重要發(fā)明之一，它與激光器、半導(dǎo)體探測器一起構(gòu)成了新的光學(xué)技術(shù)，創(chuàng)造了光電子學(xué)的新天地(領(lǐng)域)。光纖的出現(xiàn)產(chǎn)生了光纖通信技術(shù)，特別是光纖在有線通信廣的優(yōu)勢越來越突出，它為人類21世紀(jì)的通信基礎(chǔ)一——信息高速公路奠定了基礎(chǔ)，為多媒體(符號、數(shù)字、語音、圖形和動態(tài)圖像)通信提供了實現(xiàn)的必需條件。由于光纖具有許多新的特性，所以不僅在通信方面，而且在其他方面也提出了許多新的應(yīng)用方法。例如，把待測量與光纖內(nèi)的導(dǎo)光聯(lián)系起來就形成光纖傳感器。光纖傳感器始于1977年，經(jīng)過20余年的研究，光纖傳感器取得了十分重要的進(jìn)展，目前正進(jìn)入研究和實用并存的階段。它對軍事、航天航空技術(shù)和生命科學(xué)等的發(fā)展起著十分重要的作用。隨著新興學(xué)科的交叉滲透，它將會出現(xiàn)更廣闊的應(yīng)用前景。2023/2/41143.2.1光纖傳感器基本工作原理及類型1．光纖傳感器基本工作原理將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測參數(shù)與輸入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的某些特性(如光的強度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等)發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號光，再經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)器解調(diào)后獲得被測參數(shù)。2．光纖傳感器的類型光纖傳感器按其傳感器原理分為兩大類：傳光型，也稱為非功能型光纖傳感器；常使用多模光纖傳感型，或稱為功能型光纖傳感器。常使用單模光纖。2023/2/4115傳光型光纖傳感器在傳光型光纖傳感器中，光纖僅作為傳播光的介質(zhì)，僅起傳光作用。對外界信息的“感覺”功能是依靠其它功能元件來完成的。2023/2/4116傳感器中的光纖是不連續(xù)的，其間有中斷，中斷的部分要接上其他介質(zhì)的敏感元件。調(diào)制器可能是光譜變化的敏感元件或其他敏感元件。傳光型光纖傳感器主要利用已有的其他敏感材料，作為其敏感元件，這樣可以利用現(xiàn)有的優(yōu)質(zhì)敏感元件來提高光纖傳感器的靈敏度。傳光介質(zhì)是光纖，所以采用通信光纖甚至普通的多模光纖就能滿足要求。傳光型光纖傳感器占據(jù)了光纖傳感器的絕大多數(shù)。2023/2/4117傳感型光纖傳感器利用對外界信息具有敏感能力和檢測功能的光纖(或特殊光纖)作傳感元件，將“傳”和“感”合為一體的傳感器。在這類傳感器中，光纖不僅起傳光的作用，同時利用光纖在外界因素(彎曲、相變)的作用下，使其某些光學(xué)特性發(fā)生變化，對輸入的光產(chǎn)生某種調(diào)制作用，使在光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獾膹姸?、相位、偏振態(tài)等特性發(fā)生變化，從而實現(xiàn)傳和感的功能。因此，傳感器中的光纖是連續(xù)的。2023/2/4118傳感型光纖傳感器在結(jié)構(gòu)上比傳光型光纖傳感器簡單，傳感型光纖傳感器的光纖是連續(xù)的，可以少用一些光耦合器件。但是，為了光纖能接受外界物理量的變化，往往需要采用特殊光纖來作探頭，這樣就增加了傳感器制造的難度。隨著對光纖傳感器基本原理的深入研究和各種持殊光纖的大量問世，高靈敏度的功能型光纖傳感器必將得到更廣泛的應(yīng)用。2023/2/41193．光纖傳感器的特點光纖傳感器有以下三大特點，因而得到廣泛的應(yīng)用。

(1)光纖傳感器具有優(yōu)良的傳光性能，傳光損耗小。

(2)光纖傳感器頻帶寬，可進(jìn)行超高速測量，靈敏度和線性度好。

(3)光纖傳感器體積很小，重量輕，能在惡劣環(huán)境下進(jìn)行非接觸式、非破壞性以及遠(yuǎn)距離測量。2023/2/41203.2.2光纖傳感器的調(diào)制器原理光纖傳感器原理的核心是如何利用光纖的各種效應(yīng)，實現(xiàn)對外界被測參數(shù)的“傳”和“感”的功能。從光纖傳感器的類型可知，其核心就是光被外界輸入?yún)?shù)的調(diào)制。研究光纖傳感器的調(diào)制器，就是研究光在調(diào)制區(qū)與外界被測參數(shù)的相互作用。外界信號可能引起光的某些特性(如強度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等)變化，從而構(gòu)成強度、波長、頻率、相位和偏振態(tài)等調(diào)制。下面將分別介紹幾種常用的調(diào)制原理：強度調(diào)制，頻率調(diào)制，偏振調(diào)制2023/2/4121

1．強度調(diào)制利用被測量的作用改變光纖中光的強度，再通過光強的變化來測量被測量，稱為強度調(diào)制。其原理如圖所示。2023/2/4122強度調(diào)制當(dāng)一恒定光源的光波IIN注入調(diào)制區(qū)，在外力場強Is的作用下，輸出光波的強度被Is所調(diào)制，載有外力場信息的出射光IOUT

的包絡(luò)線與Is形狀相同，光（強度）探測器的輸出電流ID(或電壓)也反映出了作用力場。同理，可以利用其他各種對光強的調(diào)制方式，如光纖位移、光柵、反射式、微彎、模斑、斑圖、輻射等來調(diào)制入射光，從而形成相應(yīng)的調(diào)制器。強度調(diào)制是光纖傳感器使用最早的調(diào)制方法，其特點是技術(shù)簡單可靠、價格低廉?？刹捎枚嗄９饫w，光纖的連接器和耦合器均已商品化。光源可采用LED和白熾燈等非相干光源，探測器一般用光電二極管、三極管和光電池等。2023/2/4123(1)微小的線性位移和角位移調(diào)制方法這種調(diào)制方法使用兩根光纖，一根為光的入射光纖，另一根為光被調(diào)制后的出射光纖，如下圖所示。兩根光纖的間距為2～3μm，端面為平面，兩者對置。通常入射光纖固定，外界作用（如壓力、張力等）使得出射光纖作橫向或縱向位移或轉(zhuǎn)動，于是出射光纖輸出的光強被其位移所調(diào)制。2023/2/4124微小的線性位移和角位移調(diào)制方法若入射和出射光纖均采用相同性能的單模光纖，徑向位移d與功率耦合系數(shù)T

之間存在下列關(guān)系：式中S0為光纖中的光斑尺寸；T和d的關(guān)系為高斯型曲線。這種調(diào)制方法可以測量10μm以內(nèi)的位移量。2023/2/4125(2)微彎損耗光強調(diào)制根據(jù)模態(tài)理論，當(dāng)光纖軸向受力而發(fā)生微小彎曲時，光纖中的部分光會折射到纖芯的包層中去，不產(chǎn)生全折射，這樣將引起纖芯中的光強發(fā)生變化。因此可以通過對纖芯或包層中光的能量變化來測量外界作用，如應(yīng)力、重量、加速度等物理量。2023/2/4126微彎損耗光強調(diào)制微彎光纖壓力傳感器由兩塊波形板或其他形狀的變形器構(gòu)成。其中一塊活動，另一塊固定。變形器一般采用有機合成材料（如尼龍、有機玻璃等）制成。一根光纖從一對變形器之間通過，當(dāng)變形器的活動部分受到外力的作用時，光纖將發(fā)生周期性微彎曲，引起傳播光的散射損耗，使光在芯模中重新分配一部分從纖芯耦合到包層，另一部分光反射回纖芯。當(dāng)外界力增大時，泄漏到包層的散射光增大，光纖纖芯的輸出光強度減小；當(dāng)外界力減小時，光纖纖芯的輸出光強度增強。它們之間呈線性關(guān)系，如圖所示。由于光強度受到調(diào)制，通過檢測泄漏包層的散射光強或光纖纖芯中透射光強度的變化即可測出壓力或位移的變化。2023/2/4127(3)吸收特性的強度調(diào)制x、γ射線等輻射會引起光纖材料的吸收損耗增加，使光纖的輸出功率降低，從而可以構(gòu)成強度調(diào)制器，用來測量各種輻射量，其原理如圖(a)所示。用不同材料制成的光纖對不同射線的敏感程度是不一樣的，由此還可以鑒別不同的射線。例如鉛玻璃光纖對x、γ射線和中子射線特別靈敏，并且這種材料的光纖在小劑量射線照射時，具有較好的線性，可以測量射線的輻射劑量。2023/2/4128利用外界作用改變光纖中光的波長或頻率，通過檢測光纖中光的波長或頻率的變化來測量各種物理量,這兩種調(diào)制方式分別稱為波長調(diào)制和頻率調(diào)制。波長調(diào)制技術(shù)比強度調(diào)制技術(shù)用得少，其原因是解調(diào)技術(shù)比較復(fù)雜。頻率調(diào)制技術(shù)目前主要利用多普勒效應(yīng)來實現(xiàn)。光纖常采用傳光型光纖。光學(xué)多普勒效應(yīng)告訴我們：當(dāng)光源S發(fā)射出的光，經(jīng)運動的物體散射后，觀察者所見到的光波頻率fl相對于原頻率f0發(fā)生了變化，如圖所示。S為光源，N為運動物體，M為觀察者所處的位置，若物體N的運動速度為υ，其運動方向與NS和MN的夾角分別為φ1和φ2，則從S發(fā)出的光頻率f0經(jīng)運動物體N散射后，觀察者在M處觀察到的運動物體反射的頻率為fl，根據(jù)多普勒效應(yīng)，它們之問有如下關(guān)系：(式中c為光速）2．頻率調(diào)制2023/2/4129證明：設(shè)在運動的物體N上觀測到的光波頻率為f/，則

M點觀測到從運動物體N上發(fā)出的光波頻率：

由于c>>υ，所以可以忽略式中的平方項。

與機械波不同，光波（電磁波）存在橫向多普勒效應(yīng)。2023/2/4130根據(jù)上述的近似公式，可以設(shè)計出激光多普勒光纖流速測量系統(tǒng)，如圖所示。設(shè)激光光源頻率為f0，經(jīng)半反射鏡和聚焦透鏡進(jìn)入光纖射入到被測物流體，當(dāng)流體以速度υ運動時，根據(jù)多普勒效應(yīng)，其向后散射光的頻率為f0+Δf或f0-Δf（視流向而定），向后散射光與光纖端面反射光（參考光）經(jīng)聚焦透鏡和半反射鏡，由檢偏器檢出相同振動方向的光，探測器檢測出端面反射光f0與向后散射光f0+Δf或f0-Δf的差拍的拍頻Δf，由此可知流體的的流速。

光纖多普勒流速測量系統(tǒng)2023/2/41313．偏振調(diào)制根據(jù)電磁場理論，光波是一種橫波；光振動的電場矢量E和磁場矢量H始終與傳播方向垂直。如果光波的電場矢量E和磁場矢量H方向（與E垂直）在傳播過程中保持不變，這種光稱為線偏振光。線偏振光電場矢量（E）方向與傳播方向組成的面稱為線偏振光的振動面。包含波的射線并與振動面方向垂直的面稱為偏振面。光在傳播中，E、H的大小不變，而振動方向繞傳播軸均勻地轉(zhuǎn)動，矢量端點軌跡為圓，這種光稱為圓偏振光；如果矢量軌跡為一個橢圓，這種光稱為橢圓偏振光。如果自然光在傳播過程中，受到外界的作用而使各個振動方向上強度不等，使某一方向的振動比其他方向占優(yōu)勢，這種光稱為部分偏振光。如果外界作用使自然光的振動方向只有一個，這種現(xiàn)象稱為起偏（形成完全偏振光）。利用光波的這些偏振性質(zhì)，可以制成光纖的偏振調(diào)制傳感器。光纖傳感器中的偏振調(diào)制器常用電光、磁光、光彈等物理效應(yīng)進(jìn)行調(diào)制。（注意，關(guān)于光的振動方向通常是指電場矢量E的方向）2023/2/4132

某些物質(zhì)在磁場作用下，線偏振光通過時其振動面會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為法拉第效應(yīng)。光的電矢量E旋轉(zhuǎn)角θ與光在物質(zhì)中通過的距離L和磁場強度H成正比，即利用法拉第效應(yīng)可以測量磁場。其測量原理如右圖所示。式中V—物質(zhì)的弗爾德常數(shù)。⑴法拉第效應(yīng)（磁光效應(yīng)）2023/2/4133

當(dāng)壓電晶體受光照射，并在與光照正交的方向上加以高壓電場時，晶體將呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為Pockels效應(yīng)，如下圖所示。并且，這種雙折射正比于所加電場的一次方，所以普克爾效應(yīng)又稱為線性電光效應(yīng)。在晶體中，兩正交的偏振光的相位變化為

式中：n0—正常折射率；de—電光系數(shù)；U

—加在晶體片上的電壓；λ—光波長；L

—晶體長度；d

—場方向晶體厚度。

⑵普克爾效應(yīng)（一次電光效應(yīng)）2023/2/4134在垂直于光波傳播方向上施加應(yīng)力，被施加應(yīng)力的材料將會使光產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，其折射率的變化與應(yīng)力材關(guān)，這種現(xiàn)象稱為光彈效應(yīng)。由光彈效應(yīng)產(chǎn)生的偏振光的相位變化為：式中：K—物質(zhì)光彈性常數(shù)；

P—施加在物體上的壓強；

L

—光波通過材料的長度。此時出射光強為：利用物質(zhì)的光彈效應(yīng)可以構(gòu)成壓力、振動、位移等光纖傳感器。

⑶光彈效應(yīng)2023/2/4135

※關(guān)于雙折射現(xiàn)象的說明

一束光在各向同性介質(zhì)（如玻璃）的表面所產(chǎn)生的折射光只有一束，這是一般的常識。然而，對于光學(xué)性質(zhì)隨方向而異的一些晶體（各向異性介質(zhì)），一束入射光常有被分解為兩束的現(xiàn)象，這就是雙折射現(xiàn)象。請注意，這種現(xiàn)象不是因為不同頻率的光在介質(zhì)中的折射率不同而產(chǎn)生的，而是由于各向異性介質(zhì)的折射率對不同入射角的光不是常數(shù)而產(chǎn)生的。通過各向異性介質(zhì)折射的光，若對于任意的入射角，其入射角o光和e光示意圖角的不同而變化時，這種光稱為非尋常光，簡稱為e光。o光和e光都是線偏振光，但是，光矢量（電矢量）等振動方向不同。o光的電矢量垂直于自己的主平面，而e光的電矢量則在自己的主平面內(nèi)振動，如上圖所示。在光彈效應(yīng)和普克爾效應(yīng)中所說的相位變化，實際上是指這兩種光的相位差。的正弦與折射角的正弦值比為一常數(shù)（即通常所說的折射率）時，這種光稱為尋常光，簡稱為o光；若其入射角的正弦與折射角的正弦值比隨入射2023/2/41363.2.3偏振調(diào)制調(diào)制型光纖傳感器的應(yīng)用舉例——光纖電流傳感器偏振調(diào)制調(diào)制型光纖傳感器中最典型的例子是高壓傳輸線用光纖電流傳感器，其基本原理是前述介紹的法拉第效應(yīng)（磁光效應(yīng)）。當(dāng)平面偏振光在強度為H的磁場作用下，線偏振光在物質(zhì)中通過的距離L時電矢量E旋轉(zhuǎn)角θ為：。如果這個磁場是由長直載流導(dǎo)線產(chǎn)生的，根據(jù)安培環(huán)路定律：式中：I—載流導(dǎo)線中的電流強度；r—導(dǎo)線外任一觀測點到導(dǎo)線的垂直距離。由此可見，只要根據(jù)磁光效應(yīng)，利用光纖傳感器測量出導(dǎo)線外任一點r的磁場強度H，即可得到導(dǎo)線中的電流I。2023/2/4137為了利用光纖測量導(dǎo)線中的電流，可以將單模光纖繞在載流導(dǎo)線上，形成一個半徑為r的螺線管，光纖螺線管的光纖長度為L。在強度為H的磁場作用下，通過光纖的線偏振光的振動面將會產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)，只要檢測出這個偏轉(zhuǎn)角即可知道導(dǎo)線中電流I的大小。光纖電流傳感器原理示意圖2023/2/4138然而，目前直接測量偏振光振動面的偏轉(zhuǎn)角需要借助成套的機電伺服系統(tǒng)，不僅系統(tǒng)繁雜，測量精度也不太高，所以常常采用將偏振光振動面偏轉(zhuǎn)角的信息變換成光的強度后再進(jìn)行測量。當(dāng)光纖材料和光纖螺線管確定之后，由激光器出射后經(jīng)起偏器所形成的線偏振光，經(jīng)顯微目鏡耦合通過光纖到達(dá)檢偏器時的振動面偏轉(zhuǎn)角僅與電流I有關(guān)（實際上是與電流在半徑r處所產(chǎn)生的磁場H有關(guān)）：設(shè)載流導(dǎo)線中的電流I為零時，線偏振光振動方向在檢偏器處的與Y軸平行，檢偏器P（普通檢偏器）的方位為φ；I≠0時的方位為θ，在P上的投影（即光探測器的輸出信號強度）為J，則檢偏器方向設(shè)置在θ=0附近，φ=±45°時檢測的靈敏度最高。也就是說，為了獲得較高的靈敏度，檢偏器的方位應(yīng)與I=0時到達(dá)線偏器的線偏振光的振動方向成45°角。此時：通常θ很小，所以，。由此可見，J與I成線性關(guān)系。2023/2/41393.2.4光纖圖像傳感器光纖圖像傳感器是靠光纖傳像束實現(xiàn)圖像傳輸?shù)?。傳像束由光纖按陣列排列而成，一根傳像束一般由數(shù)萬到幾十萬條直徑為l0～20μm的光纖組成，每條光纖傳送一個像素信息。用傳像束可以對圖像進(jìn)行傳遞、分解、合成和修正。傳像束式的光纖圖像傳感器在醫(yī)療、工業(yè)、軍事部門有著廣泛的應(yīng)用。2023/2/4140⑴工業(yè)用內(nèi)窺鏡在工業(yè)生產(chǎn)的某些過程中，經(jīng)常需要檢查某些系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀況，而這些系統(tǒng)由于種種原因不能打開或靠近觀察，采用光纖圖像傳感器可解決這一難題。將探頭事先放入系統(tǒng)內(nèi)部，通過光纖傳像束的傳輸可以在系統(tǒng)外部觀察、監(jiān)視系統(tǒng)內(nèi)部情況，其工作原理如圖所示。該傳感器主要由物鏡、傳像束、傳光束、目鏡或圖像顯示器組成。光源發(fā)出的光通過傳光束照射到待觀測物體上，再由物鏡對待觀測物體成像，經(jīng)傳像束把待觀測物體的各個像素傳送到目鏡或圖像顯示設(shè)備上，觀察者便可對該圖像進(jìn)行分析處理。2023/2/4141另一種結(jié)構(gòu)形式如下圖所示。內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖像通過傳像束送到CCD器件上，可以把光的圖像信息轉(zhuǎn)換成電信號送入微機進(jìn)行相應(yīng)的處理，微機的輸出可以通過伺服裝置，實現(xiàn)跟蹤、控制等2023/2/4142醫(yī)用內(nèi)窺鏡的示意圖如左下圖所示。它由末端的物鏡、光纖圖像導(dǎo)管（傳像束）、頂端的目鏡和控制手柄組成。照明光是通過圖像導(dǎo)管外層光纖照射到被觀察物體上，反射光通過傳像束輸出。

由于光纖柔軟，自由度大、末端通過手柄控制能偏轉(zhuǎn)，傳輸圖像失真小，因此，它是檢查和診斷人體內(nèi)各部位疾病和進(jìn)行某些外科手術(shù)的重要儀器。⑵醫(yī)用內(nèi)窺鏡2023/2/4143§3.3圖像傳感器現(xiàn)代人類生活中，人們迫切需要獲取信息，而人類獲取的總信息量的80％以上是通過視覺器官得到的。所以圖像傳感器(ImagingSensor,縮寫為IS，又稱成像器件、攝像器件)作為現(xiàn)代視覺信息獲取的一種基礎(chǔ)器件，因其能實現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換和視覺功能的擴(kuò)展(光譜拓寬、靈敏度范圍擴(kuò)大)，能給出直觀、真實、層次最多、內(nèi)容最豐富的可視圖像信息，所以在現(xiàn)代社會中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

圖像傳感器的功能是把光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號，即把入射到傳感器光敏面上按空間分布的光強信息(可見光和非可見光)、轉(zhuǎn)換為按時序串行輸出的電信號——視頻信號，而視頻信號能再現(xiàn)入射的光輻射圖像。把空間圖像轉(zhuǎn)換為按時序變化的電信號的過程稱為掃描。

光輻射圖像

I

S

視頻信號

圖像處理

2023/2/4144圖像傳感發(fā)展及分類發(fā)展：50年代前，攝像的任務(wù)主要都是用各種電子束攝像管(如光導(dǎo)攝像管、飛點掃描管等)來完成。60年代后期，隨著半導(dǎo)體集成電路技術(shù)，特別是MOS集成電路工藝的成熟，各種固體圖像傳感器得到迅速發(fā)展；到70年代末期，已有一系列產(chǎn)品在軍事、民用各方面得到廣泛應(yīng)用。分類：固體圖象傳感器(SolidStateImagingSensor——縮寫為SSIS)主要有三大類型、一種是電荷耦合器件(ChargeCoupledDevice簡稱CCD)，第二種是MOS圖象傳感器，又稱自掃描光電二極管列陣(SelfScannedPhotodiodeArray，簡稱SSPA)，第三種是電荷注入器件(ChargeInjectionDevice，簡稱CID)。目前，前兩種用得比較多。2023/2/4145線陣固體圖像感器的發(fā)展曲線

（CCPD:電荷耦合光電二極管列陣）2023/2/4146固體圖象傳感器優(yōu)點：同電子束攝像管相比，固體圖象傳感器有以下顯著優(yōu)點：

(1)全固體化，體積很小，重量輕，工作電壓和功耗都很低；耐沖擊性好．可靠性高，壽命長。

(2)基本上不保留殘象(電子束攝象管有15~20％的殘象)，無象元燒傷、扭曲，不受電磁干擾。

(3)紅外敏感性。硅的SSPA光譜響應(yīng)：0.20~1.0；CCD可作成紅外敏感型；CID主要用于光譜響應(yīng)大于3~5的紅外敏感器件。

(4)象元尺寸的幾何位置精度高(優(yōu)于1)，因而可用于不接觸精密尺寸測量系統(tǒng)。

(5)視頻信號與微機接口容易2023/2/4147主要應(yīng)用領(lǐng)域：①小型化黑白/彩色TV攝象機；②傳真通訊系統(tǒng)；③光學(xué)字符識別（OCR:OpticalCharacterRecognition）；④工業(yè)檢測與自動控制；⑤醫(yī)療儀器；⑥多光譜機載和星載遙感；⑦天文應(yīng)用；⑧軍事應(yīng)用。2023/2/4148一、CCD器件的結(jié)構(gòu)

CCD攝像器件由光敏（光積分）單元和電荷轉(zhuǎn)移單元（讀出移位寄存器）組成，每個光敏單元對應(yīng)一個象素如下圖所示。各單元的基本結(jié)構(gòu)如右圖所示，由金屬、絕緣層、半導(dǎo)體構(gòu)成。VG加正向偏壓后在半導(dǎo)體內(nèi)形成“電子勢阱（耗盡區(qū)）”，勢阱的深度由VG的大小來控制。電子勢阱可以用來存放電子，這些電子的注入方式既可用“光注入”（光敏單元采用光注入），也可以用“電注入”（轉(zhuǎn)移電荷時采用電注入）。3.3.1CCD圖像傳感器2023/2/4149對于光敏單元，當(dāng)受到光線照射時，在光子的作用下，半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對，空穴被排斥，電子被電子勢阱俘獲。這種光生電子作為反映光強的載體——電荷包被收集，成為光電荷注入，這就是CCD攝像器件的光電變換過程。勢阱內(nèi)電荷包的大小與光照強度和光照時間成正比。光敏單元電子勢阱的電荷包可以通過轉(zhuǎn)移柵的作用并行地轉(zhuǎn)移到讀出移位寄存器（電荷轉(zhuǎn)移單元）中，讀出移位寄存器在讀出脈沖（三相或四相脈沖）的作用下把各個來自光敏單元的電荷包讀出，從而獲得各個像素的亮度值。光線讀出移位寄存器的工作原理是依靠MOS電容與其電子勢阱的存儲電荷作用，以及改變柵壓高低可以使勢阱內(nèi)電荷包逐個勢阱轉(zhuǎn)移的效應(yīng)。當(dāng)MOS電容柵壓VG增高時，在半導(dǎo)體內(nèi)部被排斥的電荷數(shù)也增加，耗盡層厚度增加，半導(dǎo)體內(nèi)電勢越低，電子則向耗盡層移動、存儲象對電子的陷阱一樣，稱為電子勢阱。電子勢阱可以用來存放電子。其特點是：當(dāng)VG增加，勢阱變深；當(dāng)VG減小，勢阱變淺，電子向勢阱深處移動。2023/2/4150對于二維CDD（面列陣）電荷的轉(zhuǎn)移方式主要有2種：“幀間轉(zhuǎn)移式(FT)”；“幀行間轉(zhuǎn)移式(FIT)”。

2023/2/4151CMOS圖像傳感器從原理可分為無源像素傳感器PPS(Passive-PixelSensor)和有源像素傳感器APS(Active-PixelSensor)兩大類。從結(jié)構(gòu)上講，主要包括光敏二極管型無源、有源像素圖像傳感器和光電柵型有源像素圖像傳感器。

3.3.2CMOS圖像傳感器2023/2/4152一、光敏二極管型CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)下圖簡單的說明了光敏二極管型無源圖像傳感器和光敏二極管型有源圖像傳感器感光單元的結(jié)構(gòu)。2023/2/4153在光敏二極管型無源圖像傳感器中，光敏二極管受光照將光子變成電子，通過行選擇開關(guān)將電荷讀到列輸出線上；在光敏二極管型有源CMOS圖像傳感器中，則通過復(fù)位開關(guān)和行選擇開關(guān)將放大后的光生的電荷讀到感光陣列外部的信號放大電路。無源像素圖像傳感器僅僅是一種具有行選擇開關(guān)的光電二極管，通過控制行選擇開關(guān)把光生的電荷信號傳送到像素陣列外的放大器；有源像素圖像傳感器的每個像元內(nèi)部都包含一個有源單元，即包含由一個或多個晶體管組成的放大電路在像元內(nèi)部先進(jìn)行電荷放大再被讀出到外部電路。2023/2/4154二、光電柵型有源像素圖像CMOS傳感器光電柵型APSCMOS像素單元框圖如圖所示。像素單元包括光電柵PG（Photogate）、浮置擴(kuò)輸出FD(FlcatingDiffusion)、傳輸電柵TX(TransferGate)、復(fù)位晶體管MR(ResetTransistor)、作為源極跟隨器的輸入晶體管MIN、以及行晶體管MX，實際上，每個像元內(nèi)部就是一個小小的表面溝道CCD。每列單元共用一個讀出電路，它包括第一源極跟隨器的負(fù)載晶體管MLN以及兩個用于存儲信號電平和復(fù)位電平的雙采樣和保持電路。這種對復(fù)位和信號電平同時采樣的相關(guān)雙采樣電路CDS能抑制來自像元浮置節(jié)點的復(fù)位噪聲。2023/2/4155CCD和CMOS區(qū)別CCD和CMOS使用相同的光敏材料，因而受光后產(chǎn)生電子的原理相同,并且具有相同的靈敏度和光譜特性，但是讀取過程不同：CCD是在同步信號和時鐘信號的配合下以幀或行的方式轉(zhuǎn)移，整個電路非常復(fù)雜；CMOS則以類似DRAM的方式讀出信號，電路簡單。CCD的時鐘驅(qū)動