3章光纤与光学传感技术详解

光与现代科技2020/3/291光与现代科技讲座第三章光纤与光学传感技术光与现代科技2020/3/293光与现代科技讲座第一章绪论2第二章光源与激光器2第三章光纤与光学传感技术4第四章激光在现代医学中的应用4第五章激光在军事技术中的应用4第六章激光在现代工业和加工中的应用4第七章光与信息技术4第八章光通信技术与网络6第九章光学成像、全息与显示技术2第十章光电集成与纳米技术2光与现代科技2020/3/294第三章光纤与光学传感技术§3.1光纤与传光原理3.1.1光纤构造与分类3.1.2光纤传光原理3.1.3光纤传输特性3.1.4光缆§3.2光纤传感器3.2.1光纤传感器基本工作原理及类型3.2.2光纤传感器的调制器原理3.2.3偏振调制调制型光纤传感器的应用举例——光纤电流传感器3.2.4光纤图像传感器§3.3图像传感器3.3.1CCD图像传感器3.3.2CMOS图像传感器§3.4激光与红外传感器(探测器)3.4.1激光传感器3.4.2红外辐射传感器3.4.3红外探测器(传感器)§3.5超声波传感器3.5.1超声波的基本特性3.5.2超声波传感器§3.6核辐射传感器3.6.1核辐射源—放射性同位素3.6.2核辐射传感器3.7辐射式传感器应用举例光与现代科技2020/3/295§3.1光纤与传光原理§3.1.1光纤的构造与分类§3.1.2光纤传光原理§3.1.3光纤的传输特性§3.1.4光缆光与现代科技2020/3/296§3.1.1光纤的构造与分类一、光纤的构造二、光纤的分类三、常用光纤四、光纤制作方法简介光与现代科技2020/3/297一、光纤的构造1、纤芯，光信号的传输2、包层，限制光信号溢出3、一次涂敷层（预涂层），保护光纤增加韧性4、缓冲层，减少对光纤的压力5、二次涂敷层（套塑层），加强光纤的机械强度光与现代科技2020/3/2981、纤芯：位于光纤中心部位，主要成分是高纯度的SiO2,纯度可达99.99999%，其余成份为掺入极少量掺杂剂，如P2O5和GeO2，掺杂剂的作用是提高纤芯的折射率。纤芯直径一般为2a＝3～100μm2、包层：含有少量掺杂剂的高纯度SiO2,掺杂剂有氟或硼，其作用是降低包层折射率，包层直径2b＝125～140μm3、一次涂层：厚度5～40μm，材料一般为环氧树脂或硅橡胶，可承受7kg拉力4、缓冲层：厚度100μm5、二次涂敷层：原料大都采用尼龙或聚乙烯1层＋2层＝光纤3＋4＋5层＝护层5层大约0.9mm左右光与现代科技2020/3/299光与现代科技2020/3/2910二、光纤的分类－11、从原材料分：石英系光纤:这种材料的光损耗比较小，在波长λ＝1.2μm时、最低损耗约为0.47dB/km。多组份玻璃光纤:用常规玻璃制成，损耗也很低。如硼硅酸钠玻璃光纤，在波长λ＝0.84μm时，最低损耗为3.4dB/km。塑料光纤:用人工合成导光塑料制成，其损耗较大。当λ＝0.63μm时，损耗高达100～200dB/km；但重量轻，成本低，柔软性好，适用于短距离导光。氟化物光纤液芯光纤掺杂光纤，如掺铒光纤由于石英系光纤具有传输衰减小，通信频带宽，机械强度较高等特点，在通信系统中得到广泛应用。光与现代科技2020/3/2911材料对性能的影响按原材料划分所用原材料举例可制成光纤按其它方法归类特点衰减强度可靠性价格石英光纤SiO2和掺杂剂阶跃单模(SM)阶跃多模(SI)梯度多模(GI)低高高高多成份玻璃光纤纳钙玻璃硼硅酸盐玻璃阶跃多模(SI)梯度多模(GI)较低较低存在问题较低塑包石英光纤纤芯：SiO2包层：塑料阶跃多模(SI)较低较高存在问题较低全塑光纤纤芯：聚甲基丙烯酸甲酯包层：氟代丙烯酸树酯SI高低有问题低光与现代科技2020/3/2912光纤分类－22、按照光纤横截面上折射率分布特征n(r)分：阶跃型光纤，也称突变型光纤（常用SI表示—StepIndexfibber）纤芯与包层的折射率均为一常数，其界面处呈阶跃式变化。渐变型光纤，也称梯度光纤或自聚焦光纤（常用GI表示—GradedIndexfibber）纤芯折射率连续变化，包层的折射率则为一常数。W型光纤等光与现代科技2020/3/2913ba0abba0abn(r)n(r)n1n1n2n2阶跃型光纤渐变型光纤n1r≤an1[1-2Δ(r/a)g]1/2r≤an2ar≤bn2[1-2Δ]1/2ar≤bn(r)=n(r)=Δ—相对折射率差，Δ＝（n1-n2)/n1光与现代科技2020/3/2914a双包层b三角芯c椭圆芯典型特种单模光纤光与现代科技2020/3/2915a—阶跃型光纤；b－渐变型光纤；c－单模光纤光与现代科技2020/3/2916光纤分类－33、按光纤内的导模数分多模光纤(MM—MultiModefiber)可传输多种模式，或允许多种场结构存在2a=50～75µm，2b=100-200µm（多模）这类光纤性能较差，带宽较窄；但由于芯子的截面积大，容易制造、连接耦合比较方便，也得到了广泛应用。单模光纤(SM—SingleModefiber)只传输一种模式2a=4~10µm，2b=125µm(单模)这类光纤传输性能好、频带很宽，具有较好的线性度；但因内芯尺寸小，难以制造和耦合。光与现代科技2020/3/2917光纤分类－44、按套塑的情况分松套紧套5、按工作波长分短波长光纤：0.8～0.9µm长波长光纤：1.0～1.7µm超长波长光纤：2µm短波长与长波长光纤为石英系光纤，而超长波长光纤为非石英系光纤，如重金属氧化物、硫硒碲化合物和卤化物光纤等光与现代科技2020/3/2918光纤分类－56．按用途分类(1)通信光纤。用于光通信系统，实际使用中大多使用光缆（多根光纤组成的线缆），是光通信的主要传光介质。(2)非通信光纤。这类光纤有低双折射光纤、高双折射光纤、涂层光纤、液芯光纤和多模梯度光纤等几类。光与现代科技2020/3/2919三、常用光纤1、阶跃多模光纤（SIF）2、梯度多模光纤（GIF）3、单模光纤（SMF）目前常用单模光纤有：G.652、G.653、G.654、G.655光与现代科技2020/3/2920按照零色散波长将单模光纤分为6种非色散位移光纤：G.652色散位移光纤：G.653截止波长位移光纤：G.654非零色散位移光纤：G.655色散平坦光纤色散补偿光纤光与现代科技2020/3/2921不同结构单模光纤的色散特性光与现代科技2020/3/2922G.651，多模渐变型（GIF）光纤（或称梯度光纤），它在光纤通信发展的初期广泛应用于中小容量，中短距离的通信系统；G.652常规单模光纤，或称非色散位移光纤，是第一代单模光纤，其特点是在波长1310nm色散为零，系统的传输距离只受损耗的限制，但1310nm处损耗不是最小值（0.4dB/km）。光纤工作在1550nm窗口衰减小，且具有EDFA供选用，但其在1550nm窗口色散大，不利于高速系统的长距离传输。光与现代科技2020/3/2923G.653色散移位光纤，是第二代单模光纤，其特点是在波长1550nm色散为零，损耗又最小。适用于大容量长距离通信系统。但其在波分复用时会出现四波混频效应，故其被限用于单信道高速传输。G.654截止波长位移光纤，1550nm损耗最小单模光纤，其特点是在波长1310nm处色散为零，在1550nm处色散为17～20ps/(nm.km)，和常规单模光纤相同，但损耗更低，可达0.2dB/km以下。它主要是一种用于1550nm改进的常规单模光纤。目的是增加传输距离光与现代科技2020/3/2924G.655非零色散位移光纤，是一种改进的色散移位光纤，在密集波分复用（WDM）系统中，当使用波长1550nm色散为零的色散移位光纤时，由于复用信道多，信道间隔小，出现了一种称为四波混频的非线性效应。这种效应是由两个或三个波长的传输光混合而产生的有害分量，它使信道间相互干扰。如果色散为零，四波混频的干扰十分严重，如果有微量色散，四波混频反而减小。为此，科学家研究了非零色散光纤。光与现代科技2020/3/2925G.655光纤的特点是有效面积大，零色散波长不在1550nm，而在1525nm或1585nm。在1550nm有微量色散，其值大到足以抑制密集波分复用系统的四波混频效应，小到允许信道传输速率达到10Gb/s以上。它具有常规单模光纤和色散移位光纤的优点，是最新一代的单模光纤。光纤工作在1550nm窗口衰减小、色散低，大大减小四波混频效应，故其可用于远距离、波分复用、孤子传输高速系统中，实现超大容量超长距离的通信。康宁(Corning)公司开发的这种新型光纤称为长距离系统光纤(LongHaulSystemFiber)；AT&T(美国电报电话)公司开发的这种光纤称为真波光纤(TrueWaveFiber)光与现代科技2020/3/2926色散补偿光纤，其特点是在波长1550nm具有大的负色散，这种光纤是针对波长为1310nm的常规单模光纤系统升级而设计的，因为当这种系统要使用掺铒光纤放大器（EDFA）以增加传输距离时，必须把工作波长从1310nm移到1550nm，。用色散补偿光纤在波长为1550nm的负色散和常规单模光纤在1550nm的正色散相互抵消，以获得线路总色散零而损耗又最小的效果。色散平坦光纤，其特点是色散值在一定范围内为常数，光与现代科技2020/3/2927四、光纤制造方法改进的化学汽相沉积法(MCVD)等离子体激活化学汽相沉积法(PCVD)管外化学汽相沉积法汽相轴向沉积法（VAD）管外汽相沉积法（OVPD）多种组份玻璃制造法光与现代科技2020/3/2928光纤制作简介光纤的制造工艺主要包括熔炼、拉丝和套塑三个主要过程。1、熔炼熔炼过程是把超纯的化学原料四氯化硅和氧气，经过高温化学反应合成低损耗的优质石英棒（称为光纤预制棒）。熔炼时。一般掺入少量杂质以控制折射率。如锗、磷、硼氟等。光与现代科技2020/3/2929其化学反应如下：SiCl4+O2→SiO2+2Cl2↑GeCl4+O2→GeO2+2Cl2↑其中，SiO2是石英，这就是化学合成法。原料SiCl4可以是气化的液体，它比固体容易提纯，故制作超纯石英不宜把固体天然石英提纯而宁可采用化学合成法。熔炼工艺有很多种，这里仅以改良的化学气相沉积法(MCVD)来说明熔炼过程。光与现代科技2020/3/2930合成的SiO2以粉末状沉积在石英坯管内管壁上，遇到高温即融成一层很薄的透明含锗的优质石英。火焰来回移动，管子均匀旋转，一层层的优质石英均匀地沉积在管内。H2O2火焰移动SiCl4+O2GeCl+O2排气Cl2石英坯管HO焰1400～1500℃MCVD熔炼工艺示意图旋转光与现代科技2020/3/2931当沉积的石英层有足够的厚度后，把火焰温度升高到1700～2000℃，石英管被软化，由于它的表面张力，石英管自动收缩，而将管子的中心孔填没，成为一根实心用以制作光纤的石英棒，称为预制棒。预制棒的芯子是优质石英，用以导光，外表皮是一般石英，不作导光用，仅起保护作用。2、拉丝拉丝是把较粗的石英预制棒拉成细长的光纤。拉丝装置示意图如下。光与现代科技2020/3/2932光纤坯棒测温仪炉温控制测径仪调速设备固化炉光纤涂覆器高温炉2000℃拉丝轮拉丝工艺装置示意图预制棒缓缓送入，高温下被软化，由拉丝轮拉成细丝。为保证光纤直径精度，采用激光测径仪，并按照偏差信号反馈控制炉温和拉丝温度等。为保护光纤表面不被外界污染而产生微裂纹，必须在光纤成形后马上涂覆一层保护涂料，并立即固化，最后卷绕在套筒上。光与现代科技2020/3/29333、套塑为进一步保护光纤，提高光纤的机械强度，一般把带有涂敷层的光纤再套上一层尼龙。光纤的套塑方式有两种：松套：光纤可在尼龙管内松动，其涂敷材料一般为环氧树脂，抗水性能不很好，常