第三章 光纤传感系统

于多模光纤，模间色散通常占主导地 位。如果把模间色散平衡掉，则剩下的是材 料色散和波导色散。此时，情况与单模传输 类似，不同的是这里的波导色散是多模波导 色散。在多模光纤中，波导色散与材料色散 相比，常常可以忽略。
1.根据光纤能传输的模式数目，可将其分为 单模光纤和多模光纤。
场分布
Cladding

消逝场
Core
< c
R
高阶模比低阶模容易发生宏弯损耗， 可用弯曲的办法滤掉高阶模
圆孔爱里
微弯损耗
微弯的原因
光纤受到侧压力和套塑光纤遇 到温度变化时，光纤的纤芯、包 层和套塑的热膨胀系数不一致
导致的后果
造成能量辐射损耗
圆孔爱里
低阶模功率耦合到高阶模
Long-Term Bend Radius ≥12 mm (or 38 mm for 25 Year Life) ≥13 mm
Attenuation (Max) ≤3 dB/km ≤2.1 dB/km @ 980 nm ≤1.5 dB/km @ 1060 nm
NA 0.17 0.19 0.14
多模光纤(Multi
光纤结构示意
n2 多模 阶跃光纤 n1
多模 梯度光纤
nr
单模 阶跃光纤
n2
n1
4.根据制造材料，可分为石英光纤、多组分 玻璃纤维、塑料光纤、红外光纤、液芯光 纤、光子晶体光纤等
A 石英光纤
光传输损耗低。一般低于1dB/km，目前已研制出在 2.25μm 波长处损耗低达0.16dB/km 的单模光纤
Mode Fiber ，MMF)
波段：250-1200纳米
Item # SFS50/125Y SFS105/125Y SFS200/220Y Core Diamerter 50 μm ± 2% 105 μm ± 2 % 200 μm ± 2 % Clad Diameter 125 +1 / -3 µ m 125 +1 / -3 µ m 220 ± 2% Coating Diameter 250 μm ± 5 % 250 μm ± 5% 320 μm ± 5% Coating Material Acrylate Acrylate Acrylate NA 0.22 ± 0.02 0.22 ± 0.02 0.22 ± 0.02 Attenuation 800 dB/km b 3.5 dB/km 800 dB/km b 3.5 dB/km 800 dB/km b 3.5 dB/km
两个同轴区，折射率较高的内区称为纤芯， 折射率较低的外区称为包层。通常，在包层外 面还有一层起支撑保护作用的套层。
n2 n1
涂覆层 包层 纤芯 护套
n2
n1
n1 n2
发光 二极管产生 多种颜色的 光线，通过 光导纤维传 导到东方明 珠球体的表 面。在计算 机控制下， 可产生动态 图案。
上海东方明珠
本章内容
3.1 光纤传感系统的组成
3.2 光纤 3.3 光源 3.4 光电探测器
光纤是光导纤维的简写，是一种利用光 在玻璃或塑料等制成的纤维中的全反射原理 而实现光传导的工具。 材料:
通常以高纯度的石英玻璃为主,掺少量杂质锗、硼、磷等。
形状：
细长的圆柱形，细如发丝(通常直径为几微米到几百微米)
结构
a
Bandwidth 15 MHz•km 15 MHz•km 15 MHz•km
a
a
a) 对于210纳米波长. b) 对于800纳米波长.
2.根据传输的偏振态分布，单模光纤可分为 非保偏光纤和保偏光纤。差别是前者不能 传输偏振光，后者能。
保偏光纤又可以分为单偏振光纤、高双折射光纤、 低双折射光纤和圆偏光纤。
A 传输的模式数（定义）
单模：只能传输一种模式的光纤
多模：能同时传输多种模式的光纤
B 纤芯尺寸
单模：纤芯直径小（2~12μm）
多模：纤芯直径大（50~500μm）
C 纤芯-包层折射率差值 单模：折射率差小 n1 n2 n1 0.0005 ~ 0.001 多模：折射率差大 n1 n2 n1 0.01~ 0.02 D 适用范围 单模：不存在模间色散，具有比多模光纤大得 多的带宽 ，适于长距离传输，用于相位 调制型或偏振态调制型光纤传感器； 多模：存在模间色散，只能用于短距离传输， 常用于强度调制型或传光型光纤传感器
• 光纤传光与数值孔径
2max
n0 n2 n1
数值孔径：
NA sin max
2 n12 n2
※NA表示光纤接收和传输光的能力。NA越大，光纤 接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高； 但NA越大经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限 制了信息传输容量。应适当选择NA。 ※光纤的数值孔径取决于光纤的折射率，而与光纤的 几何尺寸无关。
模场直径:
指描述单模光纤中光能集中程度的参量。
※模场直径越小，通过光纤横截面的能量密度 就越大。当通过光纤的能量密度过大时，会引起光 纤的非线性效应，造成光纤系统的光信噪比降低， 影响系统性能。 因此，对于传输光纤而言，模场直径越大越好.
单模光纤(Single Mode Fiber ，SMF)
Item # SM980G80 1060XP Operating Wavelength 980 - 1650 nm 980 - 1600 nm Mode Field Diameter Cladding 80 ± 1 µ m 125 ± 0.5 µ m Coating 175 µ m ± 5% 245 ± 10 µ m Cutoff Wavelength 870 - 970 nm 920 ± 30 nm
基本光学定义和定律
光在均匀介质中是沿直线传播的，其传播速度为：
v=c/n
式中： c ＝ 2.997×105km/s ，是光在真空中的传播 速度；n是介质的折射率。 常见物质的折射率： 空气 1.00027；水 1.33；玻璃 (SiO2) 1.47
折射率大的媒介称为光密介质，反之称为光疏介质
只能传输一种偏振模式的光纤为单偏光纤； 只能传输两正交偏振模式、且传播速度相差很大的光 纤为高双折射光纤，而传播速度近于相等的光纤为低 双折射光纤；
能传输圆偏振光的光纤为圆偏振光纤。
3.根据纤芯折射率分布，可分为阶跃型折射 率光纤和梯度（渐变）折射率光纤。
A 阶跃型 纤芯折射率是均匀的，在纤芯和包层的分界 处，折射率发生突变 B 梯度折射率型 折射率是按一定的函数关系随光纤中心径向距 离变化而变化，至纤芯区的边沿时，降低到与 包层区一样。
高阶模功率损耗 抑制：在光纤外面一层弹性保护套
利用：微弯调制型光纤传感器
色散(Dispersion)是在光纤中传输的光信
号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生
的一种物理效应。色散一般包括模间色散、材
料色散和波导色散。
圆孔爱里
模间色散是指多模传输 时同一波长分量的各传导模 的群速度不同而引起到达终 端的光脉冲展宽的现象。
4.5 µ m @ 980 nm 7.5 µ m @ 1550 nm
5.9 ± 0.5 µ m @ 980 nm 6.2 ± 0.5 µ m @ 1060 nm 9.5 ± 0.5 µ m @ 1550 nm
Item # SM980G80 1060XP
Short-Term Bend Radius
≥5 mm ≥6 mm
截止波长
理论上的截止波长是单模光纤中光信号能以单模
方式传播的最小波长。
截止波长条件可以保证在最短光缆长度上单模传
输，并且可以抑制高次模的产生或可以将产生的高次
模噪声功率代价减小到完全可以忽略的地步。
模场直径:
光功率为e-2E0时的光场半径宽度(E0为轴心的光功 率)，即光纤截面的光斑尺寸。
模场直径示意图
光在不同的介质中传输速度不同
当一束光线以一定的入射角θ1从光密介质1射到光 疏介质2的分界面上时，一部分能量反射回原介质；另 一部分能量则透过分界面，在另一介质内继续传播。
临界角
全反射啦！
c n2 n1
当
1 c 时，全反射
※ 只有 n1 n2 时，才能发生全反射
即使是最好的光纤，光从它的一端 传到另一端，强度也会有所减弱。光 纤中的信号劣化与光纤的传输特性有 关。光纤的传输特性主要是指光纤的 损耗特性和色散特性。
光波在光纤中传输，随着传输距离的增加， 而光功率强度逐渐减弱，光纤对光波产生衰减 作用，称为光纤的损耗（或衰减）。
Pi 10 log L Po
仅发生于多模光纤
圆孔爱里
材料色散是由于光纤的 折射率随波长而改变，以及 模式内部不同波长成分的光 (实际光源不是纯单色光)，其 时间延迟不同而产生的。 这种色散取决于光纤材 料折射率的波长特性和光源 的谱线宽度。
圆孔爱里
波导色散是由于波导结构参数 与波长有关而产生的， 它取决于波 导尺寸和纤芯与包层的相对折射率 差。
B 多组分玻璃纤维
纤芯-包层折射率可在较大范围内变化，有利于大NA光 纤制作，但材料损耗大，在可见光波段一般为1dB/m。
C 塑料光纤
优点：
重量轻，为石英光纤的1/3~1/2 。这在导弹、人造卫星、 宇宙航行中有重要的应用。 韧性好。直径为2mm 仍可自由弯曲而不断裂，而玻璃 光纤直径大于500μm 就不能弯曲。 对不可见光透过性能好。光学塑料在可见光和近红外波 段的透过性能接近光学玻璃，在远红外和紫外波段，透 过率可以大于50%，比光学玻璃好。 成本低，工艺简便。塑料的原材料比玻璃便宜，而且操 作温度通常在300℃以下，而玻璃光纤的制作则需要 1000℃以上的高温，工艺比玻璃光纤简单。
圆孔爱里
光纤具有不同的类型，各种色散对各种光纤 的影响也不同。