光纤传感系统课件

场分布

Cladding Core c
消逝场
<
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
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低阶模功率耦合到高阶模
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
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
涂覆层 包层 纤芯
护套
n1 n2
n1
n1 n2
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：
式中： 为光纤损耗
Байду номын сангаас
dB km
L 为光纤长度
Pi、Po 分别为光纤输入输出功率
光纤的损耗限制了光信号的传播距离。光 纤的损耗主要取决于吸收损耗、散射损耗、弯 曲损耗三种损耗。
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吸收损耗是由制造光纤材料 本身以及其中的过渡金属离 子和氢氧根离子等杂质对光 的吸收而产生的损耗。
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散射损耗主要由材料微观 密度不均匀引起的瑞利散射 和由光纤结构缺陷(如气泡)引 起的散射产生的。
一部分能量则透过分界面，在另一介质内继续传播。
临界角 c n2 n1 当 1 c 时，全反射
※ 只有 n1 n2 时，才能发生全反射
条件实现
t c
1 c
不同入射角光纤在光纤中传输的比较
设与入射临界角c 相对应的光纤入射光的入射角 i 为max
当i max 时，入射光在光纤内全反射传输；
当i max 时，入射光在光纤内部分传输，大部分泄露出光纤.

称为孔径角，反映了光纤集光能力的大小
max
• 光纤传光与数值孔径 n0 n2
2max

n1
数值孔径： NA sinmax n12 n22
※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。
光纤传感系统主要包括光源、传感头（光纤或 非光纤）、传输光纤和光纤器件以及光电探测 器等。
当光电探测器完成了传感信号的光电转换后， 光信号的处理就变成了电信号的处理问题。
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。
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。
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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。
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光纤具有不同的类型，各种色散对各种光纤 的影响也不同。
一、单模光纤的色散
由于单模光纤只传输一种模式，因而它不存 在模间色散，只有模内色散，即材料色散和波导 色散。
通常，材料色散比波导色散大两个量级。但 是，在零色散区，材料色散与波导色散值大致相 当，只是两者符号相反。
对于石英光纤，其材料色散在 0 1.3m 近似为零
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
结构缺陷散射产生的损 耗与波长无关。
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光纤的弯曲有两种形式：
曲 率 半 径 比 光 纤 的 直 径 大 得多的弯曲，称为弯曲或宏 弯；
光 纤 轴线 产 生微米级的弯 曲，这种高频弯曲习惯称为 微弯。
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宏弯：在光缆的生产、接续和施工过程中， 不可避免地出现弯曲。光纤有一定曲率半 径的弯曲时就会产生辐射损耗。当曲率半 径减小时，损耗以指数形式增加。
仅发生于多模光纤
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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。
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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。
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）。
10 log Pi
L Po
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二、多模光纤的色散
对于多模光纤，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。
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
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 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