第三章 光纤传感系统

F 光子晶体光纤
按导光机理来说，PCF可以分为两类： 折射率导光机理 光子能隙导光机理
折射率导光机理
周期性缺陷的纤芯折射率（石英玻璃）和周期性 包层折射率（空气）之间有一定差别，从而使光 能够在纤芯中传播，这种结构的PCF导光机理依 然是全内反射。但与常规G.652光纤有所不同，由 于包层包含空气，使得空芯PCF中的小孔尺寸比 传导光的波长还小，所以这种机理称为改进的全 内反射（Modified Total Internal Reflection）。
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
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。
光子能隙导光机理
传输机理具体解释：
在空心PCF中形成周期性的缺陷是空气， 传输机理是利用包层光子晶体对一定波长的光形 成光子能隙，光波只能在空气芯形成的缺陷中存 在和传播（光子带隙效应（Photonic Bandgap Effect））。
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。
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
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。
第一节
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。
D 红外光纤
可透过近红外（1~5um）和中红外（~10um）的光波， 在红外探测与传输方面具有石英光纤无法替代的作用； 极低的理论损耗极限(10-3dB/km)，因此在长距离光纤通 信，尤其是跨洋通信中具有极其诱人的前景。
E 液芯光纤
采用液体材料作为芯料、聚合物材料作为皮层管，具有 大芯径，大数值孔径、光谱传输范围广、传光效率高等特点， 尤其是在紫外光波段比普通的石英传光束具有优越的传光效 率，已广泛应用于传感测量（温度、电压、折射率等）、紫 外固化、荧光检测、刑侦取证、光谱治疗等。
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F 光子晶体光纤定义
光子晶体光纤（photonic crystal fiber，PCF）， 又称多孔光纤或微结构光纤，是由在纤芯周围沿 着轴向规则排列微小空气孔构成，通过这些微小 空气孔对光的约束，实现光的传导。独特的波导 结构，灵活的制作方法，使得PCF与常规光纤相 比具有许多奇异的特性，有效地扩展和增加了光 纤的应用领域。
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 n1
涂覆层 包层 纤芯 护套
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：
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。
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
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 一部分能量则透过分界面，在另一介质内继续传播。
C 塑料光纤
ห้องสมุดไป่ตู้缺点：
损耗大，一般在几十到几百分贝每公里，但在0.65 ~ 0.68μm，波段得到了损耗为20dB／km 的塑料光纤
耐热性差。一般只能在-40℃~80℃的温度范围内使用， 只有少数塑料光纤可以在200℃附近工作。当温度低于40℃时，塑料光纤将变硬、变脆。由于塑料熔点低，比 玻璃易老化。
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。
临界角 当
c n2 n1
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
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
F 光子晶体光纤
就结构而言，PCF可分为实心光纤和空心光纤
实心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列 在石英玻璃棒周围的光纤； 空心光纤是将石英玻璃毛细管以周期性规律排列 在石英玻璃管周围的光纤。
光子晶体光纤技术中最具革命性创新，通过在光纤包 层中产生光子带隙将光限制在中央的空心核中传播
• 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。
式中：
dB km
为光纤损耗
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 的吸收而产生的损耗。
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。 结构缺陷散射产生的损 耗与波长无关。
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
在光纤中允许存在的模式数目
2 g M V 2 g 2
其中，g为光纤断面折射率分布指数，决定光纤 折射率沿径向分布的规律；V 称为光纤的归一化频 率，是一个反映光纤结构特征的重要参数，
V krNA
k 2 为波数，r为纤芯半径，NA为光纤数值孔径
单模光纤确切的判据是：V<2.405 ※是否单模传输，与 (1) 光纤自身的结构参数 和 (2) 光纤中传输的光波长有关。
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。
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；
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
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:
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.
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。
抗化学腐蚀和表面磨损性能比玻璃差。在丙酮、醋酸乙 腊或苯的作用下，光学性能会受到很大影响，表面易被 划伤，影响光学质量。
C 塑料光纤
塑料光纤主要用作短距离照明或在监控方面作 传光媒质、内窥镜等，在这方面，塑料光纤可以与 玻璃光纤竞争，甚至可以部分地代替玻璃光纤。
塑料光纤与发光二极管和光探测器的耦合简 单而且效率高，虽然它的损耗还大于石英光纤， 但在120 米以内作传输媒质使用，塑料光纤还比 石英光纤优越。