09 光导纤维式传感器.ppt

第九章 光导纤维式传感器 光纤传感器是光纤和光通信技术发展的产物；用光而不是用电来作为敏感信息的载体，用光纤而不是用导线来作为传递敏感信息的媒质。因此具有一些很重要的特点： 1966年，英籍华人高锟 (C·K·Kao)预见利用玻璃可以制成衰减为20dB／km的通信光导纤维(简称光纤)。当时，世界上最优秀的光学玻璃衰减达l000dB／km左右。 1970年，美国康宁公司首先研制成衰减为20dB／km 的光纤。从此，光纤就进入了实用化的发展阶段，世界各国纷纷开展光纤通信的研究。 光纤的主要作用是引导光在光纤内沿直线或弯曲的途径传播。为了实现长距离的光纤通信，必须减小光纤的衰减。 玻璃内的过度金属杂质离子是降低光纤衰减的主要因素。另一方面，玻璃内的OH离子对衰减也有严重的影响。 1976年，人们设法降低OH含量后发现低衰减的长波长窗口有：1.31μm、1.55μm。 1976年，美国西屋电气公司在亚特兰大成功地进行了世界上第一个 44.736Mbit／s 且传输110km 的光纤通信系统的现场实验，使光纤通信向实用化迈出了第一步。 1981年以后，用光纤通信技术大规模地制成商品并推向市场。历经近20年突飞猛进的发展，光纤通信速率由1978年的45Mbit／s 提高到目前的40Gbit／s 。 光纤通信使用波段 目前光纤通信所用光波的波长范围为?=0.8～2.0um，属于电磁波谱中的近红外区。其中0.8～1.0um称为短波长段，1.0～2.0um称为长波长段。 目前光纤通信使用的波长有三个：0.85、1.31、1.55um。下图为光纤损耗与波长的关系，从图中可以看到从0.8～2.0um为光纤的低损耗区域，或称为低损耗窗口。 光纤通信相应的频率范围为 Hz。 可见光纤通信所用光波的频率是非常高的。正因为如此，光纤通信具有其他通信无法比拟的巨大的通信容量。 第一节 光纤的结构和分类 一、光纤的概念 光纤是“光导纤维”的简称,是一种介质圆柱光波导。 光波导：能够约束并导引光波在其内部或表面附近沿轴线方向传播的传输介质。 按其截面形状可分为： 平板波导、矩形波导、圆柱波导。 二、光纤的结构与分类 1．光纤的结构 光纤是以各种导光材料制成的纤维丝，其基本结构包括：纤芯、包层、涂敷层。 纤芯：由高度透明的材料制成，高折射率，光波的传输介质 包层：较低折射率，与纤芯共同组成光波导，形成对传输光波的约束作用。 涂敷层：一般包括一次涂敷、缓冲层和二次涂敷，起保护光纤不收水汽的侵蚀和机械的擦伤，同时增加光纤的柔韧性，延长光纤寿命。 2．光纤的分类 按结构可分为：阶跃光纤和渐变光纤 按传输光场的模式不同可分为:多模光纤和单模光纤 按制造光纤所使用的材料分 ：石英系列、塑料包层石英纤芯、多组分玻璃纤维、全塑光纤等四种 按工作波长来分 ：短波长光纤和长波长光纤 多模光纤可以采用阶跃折射率分布，也可以采用渐变折射率分布； 单模光纤多采用阶跃折射率分布。 因此，石英光纤大体可以分为多模阶跃折射率光纤、多模渐变折射率光纤和单模阶跃折射率光纤等几种。 它们的结构、 尺寸、 折射率分布及光传输的示意图如下页 第二节 光纤传输原理与基本特性 光波长很短，而相对的光纤的几何尺寸要大得多，因此从射线光学理论的观点出发，研究光纤中的光射线，可以直观认识光在光纤中的传播机理和一些必要的概念。 本节用射线光学理论对阶跃型及渐变型多模光纤的传输特性进行分析。 一、斯乃尔定理（Snell’s Law） 射线光学的基本关系式是有关其 反射和折射的斯乃尔定理（Snell’s Law） 光在分层介质中的传播 介质1的折射率为n1,介质2的折射率为n2，设 n1n2。 设一束光线从介质1射向介质2，如下图： 折射定律 在n1n2时，逐渐增大 ，进入介质2的折射光线进一步趋向界面，直到 趋于 。此时，进入介质2的光强显著减小并趋于零，而反射光强接近于入射光强。当 极限值时，相应的 角定义为临界角 。由于 ,所以临界角 。 当 时，入射光线将产生全反射。应当注意，只有当光线从折射率大的介质进入折射率小的介质，即 时，在界面上才能产生全反射 全反射示意图 二、阶跃型光纤中的射线光学分析 全反射现象是光纤传输的基础。 光纤的导光特性基于光射线在纤芯和包层界面上的全反射，使光线限制在纤芯中传输。 光纤中有两种光线，即子午光线和斜射光线。 子午光线是位于子午面（过光纤轴线的平面）上的光线，而斜射光线是不经过光纤轴线传输的光线。 如下图所示的阶