第七章 光纖測量技術(shù)

第六章光纖測量技術(shù)1、光纖技術(shù)的發(fā)展歷史3、光纖結(jié)構(gòu)和類型4、光纖的損耗6、光纖傳感器實例主要內(nèi)容2、光纖波導的原理

1966年，高錕發(fā)表了一篇題為《光頻率介質(zhì)纖維表面波導》的論文，開創(chuàng)性地提出光導纖維在通信上應用的基本原理，描述了長程及高信息量光通信所需絕緣性纖維的結(jié)構(gòu)和材料特性。簡單地說，只要解決好玻璃純度和成分等問題，就能夠利用玻璃制作光學纖維，從而高效傳輸信息。提出用纖維材料傳達光束訊號，以建置通信的第一人

高琨博士的照片

高琨博士被稱為“光纖之父”

2009年10月6日，瑞典皇家科學院向高錕頒授諾貝爾物理學獎。皇家科學院說，高錕在“有關(guān)光在纖維中的傳輸以用于光學通信方面”取得了突破性成就.1970年，光纖研制取得了重大突破。美國康寧(Corning)公司就研制成功損耗20dB/km的石英光纖。1972年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4dB/km。1973年，美國貝爾(Bell)實驗室取得了更大成績，光纖損耗降低到2.5dB/km。1974

年降低到1.1dB/km。1976

年，日本電報電話(NTT)公司等單位將光纖損耗降低到0.47dB/km(波長1.2μm)。1、光纖技術(shù)的發(fā)展歷史

1976年日本電報電話公司研制成功發(fā)射波長為1.3μm的銦鎵砷磷(InGaAsP)激光器，1979年美國電報電話(AT&T)公司和日本電報電話公司研制成功發(fā)射波長為1.55μm的連續(xù)振蕩半導體激光器。由于光纖和半導體激光器的技術(shù)進步，使1970

年成為光纖通信發(fā)展的一個重要里程碑。

國內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀光纖:多模單模，工作波長:0.85μm1.31μm和1.55μm，傳輸速率:幾十Mb/s幾十Gb/s。應用范圍:市話局間中繼長途干線用戶接入網(wǎng)數(shù)字電話有線電視(CATV)

單一類型信息的傳輸多種業(yè)務的傳輸。目前光纖已成為信息寬帶傳輸?shù)闹饕劫|(zhì)，光纖通信系統(tǒng)將成為未來國家信息基礎設施的支柱。光纖通信的優(yōu)點

通信手段傳輸容量(話路)/條中繼距離/km1000km內(nèi)中繼器個數(shù)微波無線電9605020小同軸9604250中同軸18006160光纜19203033光纜14000(1Gb/s)8411光纜6000(445MB/S)13471、容許頻帶很寬，傳輸容量很大2.損耗很小，中繼距離很長且誤碼率很小

石英光纖在1.31μm和1.55μm波長，傳輸損耗分別為0.50dB/km和0.20dB/km。因此，用光纖比用同軸電纜或波導管的中繼距離長得多，見。目前，采用外調(diào)制技術(shù)，波長為1.55μm的色散移位單模光纖通信系統(tǒng)，若其傳輸速率為2.5Gb/s，則中繼距離可達150km；若其傳輸速率為10Gb/s，則中繼距離可達100km。3.重量輕、體積小

光纖重量很輕，直徑很小。即使做成光纜，在芯數(shù)相同的條件下，其重量還是比電纜輕得多，體積也小得多。

4.抗電磁干擾性能好

光纖由電絕緣的石英材料制成，光纖通信線路不受各種電磁場的干擾和閃電雷擊的損壞。無金屬光纜非常適合于存在強電磁場干擾的高壓電力線路周圍和油田、煤礦等易燃易爆環(huán)境中使用。光纖(復合)架空地線(OpticalFiberOverheadGroundWire,OPGW)是光纖與電力輸送系統(tǒng)的地線組合而成的通信光纜，已在電力系統(tǒng)的通信中發(fā)揮重要作用。

5.泄漏小，保密性能好

在光纖中傳輸?shù)墓庑孤┓浅Ｎ⑷?，即使在彎曲地段也無法竊聽。沒有專用的特殊工具，光纖不能分接，因此信息在光纖中傳輸非常安全。

6.節(jié)約金屬材料，有利于資源合理使用制造同軸電纜和波導管的銅、鋁、鉛等金屬材料，在地球上的儲存量是有限的；而制造光纖的石英(SiO2)在地球上基本上是取之不盡的材料。制造8km管中同軸電纜，1km需要120kg銅和500kg鋁；而制造8km光纖只需320g石英。所以，推廣光纖通信，有利于地球資源的合理使用。

光纖拉絲裝置

在鼓上的光纖光纖有不同的結(jié)構(gòu)形式。目前，通信用的光纖絕大多數(shù)是用石英材料做成的橫截面很小的雙層同心玻璃體，外層玻璃的折射率比內(nèi)層稍低。折射率高的中心部分叫做纖芯，其折射率為，直徑為2a；折射率低的外圍部分稱為包層，其折射率為，直徑為2b。它的基本結(jié)構(gòu)形式如圖所示152、光纖波導原理特點：n1>n2?光在芯和包層之間的界面上反復進行全反射，并在光纖中傳遞下去。16纖芯的作用——約束光的傳輸。包層的作用——形成光波導效應。涂敷層的作用——保護光纖不受水汽的侵蝕和機械擦傷，同時增加光纖的柔韌性雖然光纖的基本結(jié)構(gòu)形式如上圖

所示，但是按照折射率分布、傳輸模式多少、材料成分等的不同，光纖可分為很多種類，下面將簡單介紹一下171.按照折射率分布來分一般可以分為階躍型光纖和漸變型光纖兩種

如果纖芯折射率沿半徑方向保持一定，包層折射率沿半徑方向也保持一定，而且纖芯和包層折射率在邊界處呈階梯型變化的光纖，稱為階躍型光纖，又可稱為均勻光纖。它的結(jié)構(gòu)如圖所示。階躍折射率光纖18圖5.1階躍折射率光纖(a)折射率剖面(b)端視圖(c)縱剖面圖纖芯包層階躍折射率光纖的臨界角sinθc=n2/n1引入纖芯和包層相對折射率差：Δ=(n1-n2)/n1這是一個恒定的參數(shù),因為全反射角存在的條件是n1大于n2,其典型值為0.0119常見的階躍折射率的光纖通常有三種結(jié)構(gòu)纖芯和包層都是使用玻璃纖芯使用石英玻璃而包層使用塑料塑料纖芯而包層使用另一種塑料全玻璃的纖芯和包層折射率差最小塑料包層石英光纖(PCS)稍大一些全塑料光纖最大(POF聚合物光纖)20數(shù)值孔徑（NumericalAperture,NA）NA---(P84)階躍光纖數(shù)值孔徑NA的物理意義是：能使光在光纖內(nèi)以全反射形式進行傳播的接收角θc之正弦值。

21需要注意的是，光纖的NA并非越大越好。NA越大，雖然光纖接收光的能力越強，但光纖的模式色散也越厲害。因為NA越大，則其相對折射率差Δ也就越大，Δ值較大的光纖的模式色散也越大，從而使光纖的傳輸容量變小。因此NA取值的大小要兼顧光纖接收光的能力和模式色散。CCITT建議光纖的NA=0.18～0.23。22和平板波導一樣,模式失真和數(shù)值孔徑隨著折射率差的增加而變大.模式脈沖展寬和數(shù)值孔徑由大到小全塑料光纖塑料包層石英光纖全玻璃光纖

23脈沖展寬小可以使光纖實現(xiàn)長距離大容量傳輸,NA小會導致光源到光纖的耦合效率低下24全玻璃光纖具有最低的衰耗和最小的模式脈沖展寬,所以比較適合高信息速率和長距離傳輸系統(tǒng)25石英光纖由于PCS光纖的傳輸損耗和脈沖展寬比全玻璃纖維光纖要大，所以比較適合應用于短距離的傳輸系統(tǒng)。其數(shù)值孔徑比較大，使得光源到光纖的耦合效率比較高。26由于傳輸損耗很大，使全塑料光纖傳輸距離受到很大限制。傳輸距離通常只有數(shù)十米。其數(shù)值孔徑很大，使得光源到光纖的耦合效率很高，全塑料光纖也因此得到應用。27塑料光纖光纖的尺寸大小通常用纖芯直徑和包層直徑表示，都是以微米為單位，例如50/125光纖代表纖芯直徑為50微米包層直徑為125微米的光纖。SI光纖的直徑的典型值為50/125，100/140和200/2302829圖5.2可被SI光纖捕獲的光線形成的圓錐纖芯進入光纖的光在芯包交界面上的入射角大于臨界角時，就在光纖內(nèi)產(chǎn)生全反射；而入射角小于臨界角的光就有一部分進入包層，當包層外圍介質(zhì)的折射率比包層的折射率還有小時，光纖通過包層外邊界面的內(nèi)全反射也能夠被光纖捕獲。30前者的傳輸損耗小，能作遠距離傳輸，稱為傳導模后者的傳輸損耗大，稱為包層模3132圖5.3包層模的射線路經(jīng)。在纖芯和包層界面上的部分反射造成了多條傳輸路經(jīng)纖芯包層3、光纖結(jié)構(gòu)和類型光纖是一種纖芯折射率比包層折射率高的同軸圓柱形電介質(zhì)波導;根據(jù)光纖橫截面上折射率的徑向分布情況，光纖分為階躍型和漸變型兩種;作為信息傳輸波導，實用光纖有兩種基本類型，它們是多模光纖和單模光纖。多模光纖可以傳播數(shù)百到上千個模式的光纖，稱為多模(MM,Multimode)光纖。根據(jù)折射率在纖芯和包層的徑向分布情況，又可分為階躍多模光纖和漸變多模光纖。單模光纖---色散最小只能傳播一個模式的光纖稱為單模光纖標準單模(SM,SingleMode)光纖折射率分布和階躍型光纖相似，只是纖芯直徑比多模光纖小得多，模場直徑只有（9~10）m光線沿軸線直線傳播,色散使輸出脈沖信號展寬最小。按材料分類：玻璃光纖：纖芯與包層都是玻璃，損耗小，傳輸距離長，成本高；膠套硅光纖：纖芯是玻璃，包層為塑料，特性同玻璃光纖差不多，成本較低；塑料光纖：纖芯與包層都是塑料，損耗大，傳輸距離很短，價格很低。多用于家電、音響，以及短距的圖像傳輸。按照光纖的模式分類單模（Single-Mode）多模（Multi-Mode）按折射率分類階越光纖漸變折射率光纖

4、光纖的損耗1310nm:0.35~0.5dB/Km1550nm:0.2~0.3dB/Km850nm:2.3~3.4dB/Km光纖熔接點損耗：0.2dB/點光纖熔接點1點/2km

光纖傳感器(FOSFiberOpticalSensor)是20世紀70年代中期發(fā)展起來的一種基于光導纖維的新型傳感器。它是光纖和光通信技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物，它與以電為基礎的傳感器有本質(zhì)區(qū)別。光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)。因此，它同時具有光纖及光學測量的特點。

①電絕緣性能好。

②抗電磁干擾能力強。

③非侵入性。

④高靈敏度。

⑤容易實現(xiàn)對被測信號的遠距離監(jiān)控。光纖傳感器可測量位移、速度、加速度、液位、應變、壓力、流量、振動、溫度、電流、電壓、磁場等物理量5、光纖傳感器實例（1）根據(jù)光纖在傳感器中的作用光纖傳感器分為功能型、非功能型兩大類。

1）功能型（全光纖型）光纖傳感器利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖(或特殊光纖)作傳感元件，將“傳”和“感”合為一體的傳感器。光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素(彎曲、相變)的作用下，其光學特性(光強、相位、偏振態(tài)等)的變化來實現(xiàn)“傳”和“感”的功能。因此，傳感器中光纖是連續(xù)的。由于光纖連續(xù)，增加其長度，可提高靈敏度。信號處理光受信器光纖敏感元件光發(fā)送器

2）非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器光纖僅起導光作用，只“傳”不“感”，對外界信息的“感覺”功能依靠其他物理性質(zhì)的功能元件完成。光纖不連續(xù)。此類光纖傳感器無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實現(xiàn)，成本低。但靈敏度也較低，用于對靈敏度要求不太高的場合。信號處理光受信器敏感元件光發(fā)送器光纖光纖傳感器的應用光纖溫度開關(guān)1234圖9-9水銀柱式光纖溫度開關(guān)1浸液；2自聚焦透鏡；3光纖；4水銀熱雙金屬式光纖溫度開關(guān)1遮光板；2雙金屬片接收光源12遮光式光纖溫度計當溫度升高時，雙金屬片的變形量增大，帶動遮光板在垂直方向產(chǎn)生位移從而使輸出光強發(fā)生變化。膜片反射式光纖壓力傳感器光源接收Y形光纖束殼體P彈性膜片Y形光纖束的膜片反射型光纖壓力傳感器如圖。在Y形光纖束前端放置一感壓膜片，當膜片受壓變形時，使光纖束與膜片間的距離發(fā)生變化，從而使輸出光強受到調(diào)制。

光纖被夾在一對鋸齒板中間，當光纖不受力時，光線從光纖中穿過，沒有能量損失。當鋸齒板受外力作用而產(chǎn)生位移時，光纖則發(fā)生許多微彎，這時在纖芯中傳輸?shù)墓庠谖澨幱胁糠稚⑸涞桨鼘又?微彎光纖壓力傳感器微彎光纖壓力傳感器DSFF變形器光纖d原來光束以大于臨界角θC的角度θ1在纖芯內(nèi)傳輸為全反射；但在微彎處θ2<θ1，一部分光將逸出，散射入包層中。當受力增加時，光纖微彎的程度也增大，泄漏到包層的散射光隨之增加，纖芯輸出的光強度相應減小。因此，通過檢測纖芯或包層的光功率，就能測得引起微彎的壓力、或檢測由壓力引起的位移等物理量。θ1θn0n2n1θ2θ3光彈式光纖壓力傳感器圖9-17光彈性式光纖壓力傳感器1、7起偏器；2、81/4波長板；3、9光彈性元件；4、10檢偏器；5光纖；6自聚焦透鏡線偏振光光源1234P圓偏振光橢圓偏振光從光源發(fā)出的光經(jīng)起偏器后成為直線偏振光。當有與入射光偏振方向呈45o的壓力作用于晶體時，使晶體呈雙折射從而使出射光成為橢圓偏振光，由檢偏器檢測出與入射光偏振方向相垂直方向上的光強，即可測出壓力的變化。其中1/4波長板用于提供一偏置，使系統(tǒng)獲得最大靈敏度。P5678910(b)傳感器結(jié)構(gòu)球面光纖液位傳感器球面光纖液位傳感器(a)探頭結(jié)構(gòu)LEDPD12將光纖用高溫火焰燒軟后對折，并將端部燒結(jié)成球形。光由光纖的一端導入,在球狀對折端部一部分光透射出去,另一部分光反射回來,由光纖的另一端導向探測器。反射光強的大小取決于被測介質(zhì)的折射率。被測介質(zhì)的折射率與光纖折射率越接近,反射光強度越小。顯然,傳感器處于空氣中時比處于液體中時的反射光強要大。

(b))檢測原理空氣液體斜端面光纖液位傳感器斜面反射式光纖液位傳感器光纖(a)(b)光纖棱鏡當傳感器接觸液面時，將引起反射回另一根光纖的光強減小。單光纖液位傳感器單光纖液位傳感器結(jié)構(gòu)1光纖；2耦合器12當光纖處于空氣中時，入射光的大部分能在端部滿足全反射條件而返回光纖。當傳感器接觸液體時，由于液體的折射率比空氣大，使一部分光不能滿足全反射條件而折射入液體中，返回光纖的光強就減小。利用X形耦合器即可構(gòu)成具有兩個探頭的液位報警傳感器。若在不同的高度安