传感器原理与技术课件：什么是光导纤维（光纤）.pptx

Themeasuringcircuitofaninductivesensor;光纤的结构如图4-4-1所示。中心圆柱体，称为纤芯，由某种类型的玻璃或塑料制成。环绕纤芯的是一层圆柱形套层，称为包层，由特性与纤芯略有不同的玻璃或塑料制成。纤芯的折射率略大于包层的折射率。最外面通常由一层护套包覆。;光纤的导光能力取决于纤芯和包层的光学性能，而纤芯的强度则由护套来维持。护套通常由塑料制成。;光在光纤中传播的基本原理可以用光线或光波的概念来描述。;;必须借助波动理论。即要考虑到光是电磁波动现象以及光纤是圆柱形介质波导等，;下面，先从光线在层状介质中的传播，来讨论光在光纤中传播的基本原理。;如图4-4-2所示。;;光线由光的密媒质（折射率大）的介质向光的疏媒质（折射率小）的介质传播时将发生全内反射，即反射光将不再离开介质1。;图中所示的两根光线，其中一根代表掠射角（入射角的余角）θθc（临界角）的一些光线。这些光线由于从纤芯折射到包层中，不能传播很远。;另外一根代表掠射角θ＜θc（临界角）的一些光线。这些光线每当光入射到纤芯一包层分界面时，都发生全反射，;所以这些光线一直被截留在光纤中，在界面上产生多次的全内反射，以锯齿形的路线在纤芯中传播。;接下来，我们来学习光纤的传输特性。;光纤的传输特性在光纤通信系统中是一个非常重要的问题，它直接影响到传输系统的最大传输距离。;光波在光纤中传输时，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。光纤每单位长度的损耗，直接关系到光纤通信系统传输距离的长短。;形成光纤损耗的原因很多，有来自光纤本身的损耗，也有光纤与光源的耦合损耗以及光纤之间的连接损耗。这里只对光纤本身的损耗进行简单分析。;;下面主要介绍本征吸收和杂质吸收。;吸收损耗的大小与波长有关，对于SiO2石英系光纤，本征吸收有两个吸收带，一个是紫外吸收带，一个是红外吸收带。;紫外区的波长范围是6×10-3～0.39μm，它吸收的峰值在0.16μm附近，是在现用的光通信频段之外（目前光纤通信使用的波长范围是0.8～1.8μm）。;;但此吸收带的尾部可拖到1μm左右，将影响到0.7～1μm的???段范围，随着波长增加，吸收的能量按指数规律下降。;红外区的波长范围是0.76～300μm，对于纯SiO2的吸收峰值在9.1μm、12.5μm和21μm处。吸收带的尾部可延伸到1.5～1.7μm，已影响到目前使用的石英系光纤工作波长的上限，这也是使得波段扩展困难的原因之一。;除本征吸收以外，还有杂质吸收，它是由材料的不纯净和工艺不完善而造成的附加吸收损耗。影响最严重的是过渡金属离子吸收和水的氢氧根离子吸收。;除本征吸收以外，还有杂质吸收，它是由材料的不纯净和工艺不完善而造成的附加吸收损耗。影响最严重的是过渡金属离子吸收和水的氢氧根离子吸收。;过渡金属离子主要包括铁、铬、钴、铜等，它们在光纤工作波段都有自己的吸收峰，如铁离子的吸收峰在1.1μm处，铜离子的吸收峰在0.8μm处。杂质含量越高，损耗就越严重。为了降低损耗，需要严格控制这些金属离子的含量。;熔融的石英玻璃中含水时，由水分子中的氢氧根离子(OH―）振动而造成的吸收为氢氧根离子吸收。它的吸收峰在2.7μm附近，振动损耗的二次谐波在0.9μm处，三次谐波在0.72μm处。近年来在生产工艺上使用了许多方法降低OH―的含量，目前在1.39μm处氢氧根离子的损耗已低于0.5dB/km。;(2)散射损耗由于光纤的材料、形状及折射指数分布等的缺陷或不均匀，光纤中传导的光散射而产生的损耗称为散射损耗。;;①瑞利散射损耗。瑞利散射损耗也是光纤的本征散射损耗。这种散射是由光纤材料的折射率随机性变化而引起的。;当折射率变化很小时，引起的瑞利散射是光纤散射损耗的最低限度，这种瑞利散射是固有的，不能消除。;②材料不均匀所引起的散射损耗。结构的不均匀性以及在制作光纤的过程中产生的缺陷也可能使光线产生散射。;它与瑞利散射不同，这种不均匀性较大，尺寸大于波长，散射损耗与波长无关。;2.光纤的色散特性;光纤色散是光纤通信的另一个重要特性。;因此，制造优质的、色散小的光纤，对增加通信系统的通信容量和加大传输距离是非常重要的。;由于实际光源发出的不是单色光（或单频的)，而是具有一定波长范围的，;这个范围就称为光源的谱线宽度，如图4-4-4所示。;一般将光功率降到峰值一半时所对应的波长范围称为光源的谱线宽度，用Δλ表示。;Δλ越大，则表示光信号中包含的频率成分越多；;Δλ越小，则光源的相干性就越强。;一个理想的光源发出的应是单色光，即谱线宽度应为零。;另外，光纤中传输的光信号是经过调制以后的信号，而调制信号又具有一定的带宽，因此，送到光纤中的信号