检测与传感第八章.ppt

一般光纤所处环境为空气，则n0=1，这样上式可表示为若要使光在光纤内的全反射，光入射到光纤端面的入射角θi应满足即当入射角即可实现全反射，光在纤芯内全反射（无损耗）传输。第8页,共39页，星期六，2024年，5月三.光纤的基本特性1.数值孔径NA数值孔径是表征光纤集光（聚焦）本领的一个重要参数，即反映光纤接收光量的多少。无论光源发射功率有多大，只有入射角处于2θc的光椎角内，光纤才能导光。因此，由NA即可得知有效入射光椎角的范围。光纤的NA越大，表明它的集光能力越强。一般希望有大的数值孔径，这有利于提高耦合效率；但数值孔径过大，光信号畸变会增大。所以要适当选择数值孔径的数值，如石英光纤数值孔径一般为0.2~0.4。数值孔径（NA）定义为第9页,共39页，星期六，2024年，5月（1）按传输模式分：单模光纤、多模光纤2.光纤分类对于不同入射角度的光线，在界面反射的次数是不同的，传递的光波之间的干涉所产生的横向强度分布也是不同的，这就是传播模式不同。在光纤中传播模式太多会不利于光信号的传播，因为同一种光信号采取很多模式传播将使一部分光信号分为多个不同时间到达接收端的小信号，从而导致合成信号的畸变，因此希望光纤信号模式数量要少。光纤模式是指光波传播的途径和方式。第10页,共39页，星期六，2024年，5月只能传输一种模式称为单模光纤这类光纤的传输性能好，信号畸变小，信息容量大，线性好，灵敏度高，但由于纤芯尺寸小，制造、连接和耦合都比较困难。传输模式较多称为多模光纤这类光纤的性能较差，输出波形有较大的差异，但由于纤芯截面积大，故容易制造，连接和耦合比较方便。芯径大到50~100μm，多模芯径小到2~12μm，光纤只能传输一定波长光，单模第11页,共39页，星期六，2024年，5月第12页,共39页，星期六，2024年，5月（2）按折射率分布：阶跃型、渐变型第13页,共39页，星期六，2024年，5月总结上述两种分类形式，实用的石英光纤（SiO2）主要有三种基本类型：突变型多模光纤（Step-IndexFiber,SIF）渐变型多模光纤（Graded-IndexFiber,GIF）单模光纤（Single-ModeFiber,SMF）相对于单模光纤而言，突变型光纤和渐变型光纤的纤芯直径都很大，可以容纳数百个模式，所以称为多模光纤。第14页,共39页，星期六，2024年，5月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）单模光纤第15页,共39页，星期六，2024年，5月3.光纤传输损耗损耗的存在光信号幅度减小限制系统的传输距离一般情况下，在光纤内传输的光功率随距离变化。设长度为L(km)的光纤，输入光功率为Pi，输出光功率为P0，则损耗系数α（单位dB/km）为衡量光纤的损耗可用损耗系数α表示。第16页,共39页，星期六，2024年，5月材料密度及浓度不均匀（这种散射与波长的四次方成反比。因此散射随着波长的缩短而迅速增大。所以可见光波段并不是光纤传输的最佳波段，在近红外波段（1~1.7μm）有最小的传输损耗。）（1）散射损耗光纤拉制时粗细不均匀纤芯和包层界面的不光滑等瑞利散射损耗是光纤的固有损耗，它决定着光纤损耗的最低理论极限。结构缺陷（瑞利(Rayleigh)散射）光纤传输损耗主要来源于材料散射损耗、吸收损耗和光波导弯曲损耗。第17页,共39页，星期六，2024年，5月光波导弯曲会引起传输模式的转换，激发高阶模进入包层产生损耗。当弯曲半径大于10cm时，损耗可忽略不计。（3）光波导弯曲损耗目前常用的光纤材料有石英玻璃、多成分玻璃、复合材料等。在这些材料中，由于存在杂质离子、原子的缺陷等都会吸收光，从而造成材料的吸收损耗。（由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的）（2）吸收损耗第18页,共39页，星期六，2024年，5月单模光纤损耗谱，示出各种损耗机理第19页,共39页，星期六，2024年，5月因此，光纤总损耗α与波长λ的关系可以表示为：α=+B+CW(λ)+IR(λ)+UV(λ)式中