传感器第二章第1节 光纤学.ppt

第二章 光纤传感基础知识;一、 光纤的结构 ; 光纤的折射率分布 (a) 阶跃分布； (b) 高斯分布 ;　渐变光纤的折射率分布可以表示为 ;;;三、 光纤的制造 1. 预制棒的制造方法; 2. 拉丝工艺 ;四、光缆的结构 缆芯 加强元件 护套 ; 图 2.4 各类光缆的典型结构示意图 (a) 层绞式； (b) 骨架式； (c) 带状式； (d) 束管式; (a) 阶跃光纤中的光传输； (b) 渐变光纤中的光传输; 临界光锥与数值孔径 ; 从空气中入射到光纤纤芯端面上的光线被光纤捕获成为束缚光线的最大入射角θmax为临界光锥的半角为光纤的数值孔径， 记为NA。 对于阶跃光纤， NA为 ;光纤的模间时延差 ;　　　光纤纤芯和包层中的电场和磁场均满足波动方程， 但它们的解不是彼此独立的， 而是满足在纤芯和包层处电场和磁场的边界条件。 满足边界条件的电磁场波动方程的解， 即电磁场的稳态分布就是光纤的模。 这种空间分布在传播过程中只有相位的变化，没有形状的变化， 且始终满足边界条件， 每一种这样的分布对应一种模式。 ;;;;多模光纤中的模式 　 多模渐变光纤现已成为国际标准G.651光纤。 　　　;单模光纤的传播模 只能传播一种模式的光纤称为单模光纤。 为保证光纤中只存在一个模式， 可以证明应满足如下截止条件： ;八、光 纤 的 损 耗 ;;图2.13 光纤损耗与波长的关系 ;３、 光纤损耗的测试 截断法 插入法 后向散射法。 ;;; 瑞利散射光功率与传输光功率成比例。利用与传输光相反方向的瑞利散射光功率来确定光纤损耗系数的方法，称为后向散射法。 用后向散射法的原理设计的测量仪器称为光时域反射仪(OTDR)。这种仪器采用单端输入和输出，不破坏光纤， 使用非常方便。OTDR不仅可以测量光纤损耗系数和光纤长度，还可以测量连接器和接头的损耗，观察光纤沿线的均匀性和确定故障点的位置，确实是光纤通信系统工程现场测量不可缺少的工具。 ;３．后向散射法; 设在光纤中正向传输光功率为P，经过L1和L2点时分别为P1和P2，从这两点返回输入端(L=0)。 光检测器接收的后向散射光功率分别为Pｂ(L1)和Pｂ(L2)，正向和反向平均损耗系数 ;后向散射功率曲线; 九、光纤的色散 ;１、材料色散 材料色散是由于石英材料的折射率是波长的函数而引起的， 而实际的光源的谱是有一定宽度的， 因而不同的波长由于速度不同相互之间有延迟， 导致输入光纤的窄脉冲输出时变宽了。 ?对于普通的单模光纤， 材料色散在波长λ=1.27 μm左右时为零， λ1.27 μm时有正的色散， λ1.27 μm时有负的色散。 ２、波导色散 波导色散是由于光纤中模式的传播常数是频率的函数而引起的。 它不仅与光源的谱宽有关， 还与光纤的结构参数如V等有关。 波导色散为负色散。;３、色散与带宽 　 色散对光纤传输系统的影响，在时域和频域的表示方法不同。色散通常用3 dB光带宽f3dB、脉冲展宽Δτ表示。 用脉冲展宽表示时， 光纤色散可以写成 Δτ=(Δτ2n+Δτ2m+Δτ2w)1/2 Δτ: 高斯脉冲半高全宽(FWHM);4.单模光纤的分类 G.652常规型单模光纤 G.653色散位移型光纤(DSF) G.654光纤又称1550nm波长衰减最小光纤 G.655非零色散型光纤（NZDF）Non Zero Dispersion Fiber 色散平坦型光纤 ;十、单 模 光 纤 ;;（三）单模光纤的偏振模 光波的偏振 光在介质中传播时，对介质而言，电场和磁场分量的作用是同时存在，并有确定的相互关系的，因此在讨论光与物质相互作用时，可以只考虑电场分量的贡献。 偏振即极化的意思，是指场矢量的空间方位。一般选用电场强度E来定义偏振状态。 ; 单模光纤中的基模实际上是一简并模，它是两个相互正交的线性偏振模。 对于理想的圆柱对称光纤， 这两个模具有相同的传播常数， 不引起光脉冲的展宽。 实际上，光纤不可能保证圆柱对称性、光纤内部残余应力、光纤弯曲扭转等引起折射率各向异性，使基模兼并受到破坏，βx≠βy，这就是单模光纤的双折射，导致了光脉冲的展宽， 即偏振模色散PMD。 ;如果光纤中的光强足够强，在暗室内能用肉眼看到纤芯---包层的散射光，能观察到这种