光纤传感技术与应用复习提纲66

第二章 多传感器的光网络技术 2．2．1 网络损耗的主要来源

1．弯曲引起的光纤损耗（弯曲损耗） 弯曲损耗： 宏弯损耗 微弯损耗 1）光纤的宏弯损耗:曲率半径在一个临界值

c R ，c R R >时附加损耗可以忽略不计；否则，

弯曲损耗指数增加。确定R 值是很重要的。多模光纤cm R 1≥时，附加损耗可以忽略不计。

2）光纤的微弯损耗（1）多模光纤的微弯损耗多模光纤在微弯时，主要是相邻模之间发生耦合 弯波矢量

c k k ='（微弯周期c l l =）时，损耗最大。

c l l =处的主衰减峰的谱宽为L l c /22，

主衰减峰两侧还有次极大出现。③损耗与微弯振幅2

d

A （平方）成正比（这一点可以加以利

用）。④损耗与微弯总长度L 成正比。

（2）单模光纤的微弯损耗 模斑半径越小，损耗越小。 2．光纤和光源的耦合损耗

1）半导体激光器和光纤的耦合损耗

半导体激光器发出的光不是圆的光班，其发散角在互为垂直的方向上也不一样大。

()()⎪⎭

⎪⎬⎫⎪⎩⎪

⎨⎧⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣

⎡⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫

⎝⎛

-=2

2

2exp ,,y

x y

x z A z y x I ωω 其中

x

z x 0πωλω=

，

y

z y 0πωλω=

（1）直接耦合的损耗

直接耦合：将光纤端面直接指向激光器发光面（点）。 举例：光纤NA=0.14，其孔径角

c θ2约为16°半导体激光管发散角//2θ（平行于PN 结）

仅为5°~6°，距离很近时，可以全部耦合；⊥θ2大于c θ2，不能保证全部的光都能进入光纤。 耦合效率的计算：

()()()

∞=⎪⎭

⎪⎬⎫⎪⎩

⎪

⎨⎧⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛+⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛-==⎰

⎰⎰⎰

∞

∞

∞

∞

Berf dxdy y x

s A dxdy

z y x I P y x 002

2

0002exp 2,,2ωω

()⎰∞⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=022exp 22dx x s A b x y ωωπ

()⎰

⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=A y dt t A erf 022exp 22ωπ 误差函数y

y

t ω2=

，

y

dy

dt ω=

在

s z =平面内，B 为常数。显然，包含在光纤孔径角//

2θ

内的光功率是

()⎰⎰

⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝

⎛

=⎪⎭

⎪

⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=πλθπωλθωπωω202

02

2tan 22exp tan 222exp 20

c oy c

oy x y y x berf dt t B dxdy

y x s A P 估算，光纤端面损5%，

则

()[]

[]%95/tan 2%950max

⨯∞=⨯=erf erf P P

c oy λθπωη

m oy μω05.0=，m μλ85.0=的激光和14.0=NA （︒=8c

θ）的直接耦合，max η约为

20%。

（2）透镜耦合的损耗

①光纤端面磨成球面的耦合 ②柱透镜耦合 ③凸透镜耦合（也可用自聚焦透镜代替） ④圆锥表透镜耦合

2）半导体发光二极管和光纤的耦合损耗

发光管不同于激光器，其发光相当于余弦发光体。后者相光强分布相当于高斯形。用朗伯发光面（见固体光电子学），半球空间发出的总功率为

⎰==20

02cos sin 22π

πθθθπE

E BA d BA P E A ——发光

面积，B ——光源亮度（单位面积向某方向单位立体角发出的光功率）； 通常，半导体二极管发光点的面积比光纤端面积小。

Ω=d BA dP E θcos

⎰==c

c

E E BA d BA P θθπθθθπ0

2sin 2cos sin 22 直接耦合时的最

大效率为

()2

20

m a x s i n NA P P c ==

θη

举例：当14.0=NA

时，效率为2%，功率为5mW 的发光二极管，耦合入光纤的功率仅为

几十微瓦。采用透镜耦合，与激光管类似。 3．光纤和光纤的直接耦合损耗

1）多模光纤和多模光纤的直接耦合损耗 （1）轴偏离对耦合损耗的影响 （2）两光纤端面之间的间隙对耦合损耗的影响 （3）两光纤轴之间的倾斜对耦合损耗的影响 （4）光纤端面的不完整性对耦合损耗的影响 ①端面倾斜 ②端面弯曲

（5）光纤种类不同对耦合损耗的影响 ①芯径不同 ②折射率不同：

2）单模光纤和单模光纤直接耦合的损耗 （1）离轴和轴倾斜引起的损耗 （2）两光纤端面间的间隙引起的耦合损耗 （3）不同种类光纤引起的耦合损耗 2．2．2 光网络常用无源及有源光纤器件

属于有损耗器件：光连接器、光耦合器、光开关、光衰减器、光隔离器、光滤波器、波分复

用/解复用器等。1．熔锥型单模光纤光分/合路连接器2．磨抛型单模光纤定向耦合 3．光开关 1）机械式光开关（1）微光机电系统光开关微光机电系统MEMOS （2）金属薄膜光开关 2）电光效应光开关

4．掺杂光纤激光器与放大器（略） 5．光纤放大器（略） 2．3 光网络技术 2．3．2 成网技术

复用技术：光波分复用（OWDM ）、光时分复用技术（OTDM ）、光码分复用技术（OCDMA ）、

光频分复用技术（OFDM ）、光空分复用技术）OSDM ）、光副载波复用技术（OSCM ）。名词的英文全称。1．光纤时分复用网络 时分复用（time domain multiplexing ）——依时间顺序依次访问一系列传感器。 2．光纤频分复用网络 频域复用:调制频域复用（modulation frequency domain multiplexing, MFDM ） 波分复用（wavelength division multiplexing, WDM ） 1）调制频域复用 2）波分复用 3．光纤空分复用网络 如同打电话方式，一对电缆只供一对电话使用。长距离上用一对电缆同时供许多人通话——复用。如10芯×组×10带光缆

=5120芯，每缆可传1000Tb/s

2．4 光传感网实例——光纤光栅在传感中的应用 光纤光栅在使用中的问题： ① 波长微小位移检测（设备昂贵） ②宽光谱、高功率光源（不易获得）③光检测器波长分辩率的提高（直接关系到光纤光栅灵敏度的发挥） ④交叉敏感的消除（被测量和非被测量之间的相互影响） ⑤光纤光栅的封装（写光栅时去除了保护层，机械强度变差）⑥光纤光栅的可靠性（机械和光学特性抗拉、抗弯、反射率、透射率规定时间内无变化） ⑦光纤光栅的寿命（光栅在高温下会发生退火）

2．4．2 光纤光栅的传感网络

1．光纤光栅的波分复用 2．光纤光栅的时分复用 3．光纤光栅的时分复用和空分复用（略） 4．光纤光栅的空分复用和波分复用（略） 5．光纤光栅的空分、波分和时分复用的组合布

局

第三章 光电传感器中的光纤技

3．4 光纤的损耗 3．5 光纤的色散 （1）多模色散（群速不同） （2）波导色散（模的群速随波长变化） （3）材料色散（材料本身的色散）4）偏振（模）色散（轴不对称HE11x 模与HE11y 正交，光纤的轴不对称，两模群延迟不同。 3．6 光纤的耦合技术（略） 3．7 光纤中光波的控制技术 3．7．1 光纤偏振器 1．光纤偏振控制器 光纤中可利用光弹效应改变偏振态。光纤弯曲时，由应力作用引起折射率的变化

2

133.0⎪

⎭

⎫

⎝⎛-=∆-∆=R a n n n y x δ 快轴——弯曲平面内 慢轴——垂直于弯曲平面。

当 m NR n λ

πδ=

2|| （ 、、、321=m ），为

m /λ波片。例：m μλ63.0=的红

光，

m a μ5.62=的光纤绕成mm R 6.20=的一个圈时，成为4/λ波片，两圈时，成为2/λ波片。

2．保偏光纤偏振器