光纤传感系统课件
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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
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。
结构缺陷散射产生的损 耗与波长无关。
圆孔爱里
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。
圆孔爱里
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。
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；
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。
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：
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
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。
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。
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
式中： 为光纤损耗
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。
圆孔爱里
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Hale Waihona Puke Baidu耗。
圆孔爱里
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。
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
圆孔爱里
低阶模功率耦合到高阶模
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
圆孔爱里
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。
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
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。
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。
结构缺陷散射产生的损 耗与波长无关。
圆孔爱里
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。
圆孔爱里
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。
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；
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。
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：
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
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。
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。
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
式中： 为光纤损耗
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。
圆孔爱里
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Hale Waihona Puke Baidu耗。
圆孔爱里
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。
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
圆孔爱里
低阶模功率耦合到高阶模
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
圆孔爱里
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。
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
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。