光纤传感总结

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1、1. 光纤（Optical fiber ）是传光的纤维波导或光导纤维的简称，它是通过 内 全反射原理或折射原理 传输光的玻璃状电介质细丝。直径：几微米-几百微米。2. 传感器：能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的 器件或装置。3光纤传感器：是用待测量对光纤内传输的光波参量进行调制得到调制信号，该信号经光纤传输至光探测器进行解调，从而获得待测量值的一种装置。4光纤传感技术：以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号 的新型传感技术。5光纤传感原理：光纤传感原理是以光纤的 导波现象为基础的，光从光纤射 出时，光的特性得到调制，通过对调制光的检测，便能感知外界的信息，实现

2、对 各种物理量的测量。E=EoCos t + ）6光纤传感系统的组成7光纤传感器的分类：1） .根据光纤在传感器中的作用功能型光纤传感器（Functional Fiber，简称FF型）（全光纤型、传感型）.非功能型光纤传感器（Non Fun ctio nal Fiber，简称NFF型（传光型）2） 根据光受被测对象的调制形式.强度调制型光纤传感器.波长调制型光纤传感器.相位调制型光纤传感器.频率调制型光纤传感器.偏振调制型光纤传感器3）按被测对象分 光纤温度、压力、位移、流量、磁场、电压、图像、医用、光谱、气 体、液体传感器，光纤陀螺仪8. 光纤传感的特点：1）灵敏度高；2）抗电磁干扰、电绝缘

3、、耐腐蚀、本质安全;3）重量轻、体积小、可绕曲；4）测量对象广泛，对被测介质影响小；5）便于复用，便于成网；9. 光纤的结构:1） 、纤芯：高纯度 SiO2，掺杂质：GeO2、P2O5 （提高折射率）；折射率n12） 、包层：SiO2，掺杂质：F、B （降低折射率）；折射率n2折射率n1n23）、一次涂敷层：环氧树脂、硅橡胶（加强机械强度）4）、套塑：尼龙、聚乙烯（加强机械强度）包层Coati ng涂敷层二氏嶽 010光纤的分类：1）按照传输的总模数来分模式（mode）:在光纤中具有确定 空间和时间 分布的电磁场分量称为光纤中的模。是电磁场的一种分布形式。 、单模光纤（Single-mode

4、fiber, SMF ）只传输主模，没有模式色散，适于大容量、长距离的光纤通信。纤芯直径：212 m;包层直径：125 m； 、多模光纤（Multimode fiber, MMF ）在一定的工作波长下，可以同时传输多种模式。纤芯直径：50500 i m;2）按照折射率（refractive index）分布分类 阶跃折射率光纤 （Step index fiber, SIF）:也叫突变型光纤或均匀光纤，纤芯折射率为n1保持不变，到包层突然变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a=5080 1 m,光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变大。 梯度折射率光纤（Graded index fib

5、er, GIF ）:也叫渐变型光纤或非均匀光纤，在纤芯中心折射率最大为 n 1,沿径向r向外围逐渐变小，直到包层变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a为50 1 m,光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变小。图三种基本类型的光纤（a）突变型多模光纤；（b）渐变型多模光纤；（c）单模光纤11.光纤的导光机理：射线法和波动法射线法(rays)1) .光射线： .子午线：过纤芯的轴线的平面称为子午面，子午面上和轴线相交的光射线称为子午射线，简称为子午线。 .斜射线：不在一个平面里，不经过光纤轴线的空间折线。2) .射线法：用光射线来研究光传输特性的方法，称为射线法。3) 阶跃型光纤中光射线

6、的分析主要特性参数的定义：相对折射率差厶纤芯折射率n1 ;包层折射率n2 ; n1n2 =(n 12-n22)/2 n12当n1与n2差别极小时，这种光纤称为弱导波光纤 (n1-n2)/n1SM: =0.00050.01;MM: =0.010.02znosing 1 =n1sinB 1 =n icosB数值孔径NA :光从空气中入射到光纤输入端面所允许最大光锥半角之正旋。NA表示光纤接收和传输光的能力NAsinP=阶跃型光纤的导光机理阶跃型光纤是靠全反射原理将光波限制在纤芯中向前传播。只有满足全反射条件的光射线才可在纤芯中形成导波。这些光射线射入光纤端面的角度必须是在最大入射角c以内渐变型光纤

7、中光射线的分析1、渐变型光纤折射率分布的普遍公式为22 r pn2(r)nj 12()par-纤芯半径；a-轴线到包层外边沿的半径p-决定折射率变化曲线的坡度渐变型光纤中，不同射线具有相同轴向速 度的这种现象，称为自聚焦现象，具有这种 自聚焦现象的光纤称为 自聚焦光纤。射入纤芯某点r处的光线的数值孔径，称为该点的 本地数值孔径NA(r)、n 2(r) n：光纤轴线处捕捉射线的能n (r) / , NA(r) /，该点光纤捕捉光射线的能力越强; 力最强。 传导模：只有满足全反射条件的那些模式才能在光纤中传播，称为传导模。 kon2 B koni 辐射模：那些不满足全反射条件的模式，其电磁场不限于

8、光纤芯区而可径 向辐射至无穷远，称为辐射模。 泄漏模：有一些不处于子午面的斜射线，由于它们部分满足全反射条件， 于是沿传播方向有衰减的泄漏模。2、截止：指光纤中的导波截止。当光纤中出现辐射模时，即认为导波截止。 w截止条件为：w w临界条件为：w= w5、主模(基模)：人们把光纤中的最低工作模式称为主模。主模的归一化截 止频率最低：w =0,没有截止现象，在任何频率下都可以传输。6、高次模：光纤中除主模之外，其它所有模式统称为高次模。第一高次模截止时(g 2.405)，其它所有高次模均截止，这时光纤中只 传输主模。所以单模光纤的单模传输条件是：0 w10)2.3光纤的传输特性2.3.1 光纤的

9、损耗(Attenuation)光纤的损耗：光波在光纤中传输，随着传输距离的增加而光功率逐渐下降， 这就是光纤的传输损耗。引起损耗的原因：光纤本身损耗(吸收损耗、散射损耗)外因：光纤弯曲、光纤与光源的耦合、光纤之间的连一、吸收损耗(Absorption)吸收损耗：光波通过光纤材料时，有一部分光能变成热能，造成光功率 的损失。1、本征吸收：是由SiO2材料引起的固有吸收，它基本上确定了某一材料吸收损 耗的下限，它与波长有关。 紫外(UV: ultraviolet)吸收(0.006 卩 m 入 0.4 卩 m) 红外(IR: infrared)吸收(0.76 卩 m 入 300 卩 m)2、杂质吸收

10、：由光纤材料的不纯净而造成的附加吸收损耗。二、 散射损耗(Scatteri ng Losses)散射损耗是由于光纤的材料、形状、折射率分布等的缺陷或不均匀使光 纤中传导的光发生散射产生的损耗。1、瑞利(Rayleigh)散射：a R=A/ 入 42、结构缺陷散射：3、非线性散射：受激拉曼散射(SRS)受激布里渊散射(SBS)2.3.2 光纤的色散(Chromatic Dispersion )1、光纤的色散：光信号通过光纤传播期间，波形在时间上发生展宽的现象。2、光纤的色散产生原因：一是光源发出的并不是单色光；二是调制信号有一定的带宽。3、色散的分类模式色散( Intermodal disper

11、sion) 由于不同模式的时间延迟不同而产生的。材料色散( Material dispersion) 由于光纤的折射率随波长而改变， 模式内部不同波长成分的光， 其时间延 迟不同而产生的。波导色散( Waveguide dispersion) 由于波导结构参数与波长有关而产生的，也叫结构色散。偏振模色散( Polarization dispersion ) 由于实际的单模光纤两正交模有不同的群延迟产生的。时延：某一条子午射线在纤芯中传输一定长度所需要的时间。用T 表示。时延差： 两条以不同角度入射的子午线，在光纤中传输同一空间长度 L 时，所 用时间的差别。用At 表示。最大时延差： 在空间长

12、度为 L 的光纤中，走得最快的射线与走得最慢的射线在 时间上的差别。用At max表示。5、色散补偿零色散波长光纤色散位移光纤( DSF-Dispersion-Shifted Fiber )色散平坦光纤( DFF-Dispersion-Flat Fiber)色散补偿光纤 (DCF-Dispersion Compensating Fiber) 色散补偿器光纤的制作技术1、光纤预制棒的制备2、光纤拉丝及一次涂覆3、光纤的涂覆和套塑工艺2.4 光纤标准1、G.651 多模渐变型 (GIF) 光纤，这种光纤在光纤通信发展初期广泛应用于中小 容量、中短距离的通信系统。2、G.652 常规单模光纤 :(1

13、)波长 1310 nm 为色散零点； (2)波长 1550 nm 处衰减最小，约为0.22 dB/km,色散系数的最大值为17ps/(nm.km)；工作波长可以在1310 nm或1550 nm。它广泛用于数据通信。缺点：波长1550 nm色散大，阻 碍了高速率、远距离的应用。3、 G.653色散位移光纤：使光纤色散系数零点从1310 nm移到1550 nm,实现 了 155 Onm处最低衰减与零色散一致。适用于长距离、大容量通信系统中，如20 Gb/s系统中。由于1550 nm的零色散，四波混频等非线性效应严重，不适合 用于波分复用系统。4、G.654 1.55卩m损耗最小的单模光纤：在波长1

14、.31卩m色散为零，在1.55卩m 色散为17-20 ps/(nm km)，和常规单模光纤相同，但损耗更低，可达0.20 dB/km 以下.主要用于长距离，不能插入有源器件的无中断海底光纤通信系统中。5、G.655非零色散光纤：可以抑制四波混频和交叉相位调制等非线性光学效应， 以满足密集波分复用系统的要求。这种光纤在密集波分复用和孤子传输系统中使 用，实现了超大容量超长距离的通信。& G. 656宽带全波光纤：在光纤的整个波段，从1280nm开始到1675nm终止， 都可以用来通信，与常规光纤相比，全波光纤应用于 DWDM，可使信道数增加 50%。7、G.657接入网用光纤：结构简单、敷设方便和价格便宜光缆结构和类型一、结构1、缆芯：由光纤芯线组成，是光缆的核心，决定着光缆的传输特性。2、加强元件：起着承受光缆拉力的作用，通常处在缆芯中心，有时配置在护套中。加强件通常用杨氏模量大的钢丝或非金属材料例如增强塑料(FRPX故成。3、护套：起着对缆芯的机械保护和环境保护作用，要求具有良好的抗侧压力性能及密封防潮和耐腐蚀的能力。护套通常由聚乙烯或聚