光纤测量技术

6.1光纤概述6.2光纤用光源和传输连接器件6.3光纤传感原理6.4光纤光栅传感器6.5光纤传感器的应用第6章光纤测量技术6.1光纤测量技术以光波为载体，光纤为媒质来感知和传输外界被测信号纤芯、包层、涂敷层、护套主体----纤芯与包层特殊场合：没有涂敷层和护套---裸纤(1)光纤的基本结构涂敷层---材料：硅酮或丙烯酸盐---隔离杂光。纤芯---石英玻璃；直径：5~75μm；材料：二氧化硅（主体），掺杂其他微量元素---提高折射率包层---直径：100~200μm；材料：二氧化硅（主体）---折射率略低于纤芯。护套---材料:尼龙/其他有机材料---提高机械强度，保护光纤(2)光纤原理θ1θ2n2n1θc全反射：光密介质1→光疏介质2(n1n2)2211sinsinnn→θ1θ2θ1↑→θ2↑临界角：θ2=90º→θ1=θC→12/sinnnC→θ2=90º→θ290º→全反射光纤波导原理：光束：空气→纤芯n1→从一端到另一端空气→纤芯：1100sinsinnn纤芯→包层：90sin)90sin(211nn（全反射）NAnnn2221001sin01空气n0、纤芯n1、包层n2(n1n2n0)集光性能(3)光纤模式光波在光纤中的传播途径和方式，是离散的。①单模光纤：只传输主模（波长1310nm/1550nm）；传输频带宽，适于大容量，长距离通讯。优点：信号畸变小、信息容量大、线性好、灵敏度高缺点：纤芯较小，制造、连接、耦合困难。②多模光纤：在工作波长（850nm/1300nm）下多个模式在光纤中传输；频带较窄，适于小容量，短距离。优点：纤芯面积较大，制造、连接、耦合容易。缺点：性能较差。a)图6-4单模/多模光纤光线轨迹图b)(4)光纤分类1.按原材料：石英玻璃、多成分玻璃、塑料、复合材料（如塑料包层、液体纤芯等）、红外材料等。2.按传输模式：单模光纤、多模光纤。单模光纤只传输一种模式，多模光纤能传几百至几千种模式。3.按折射率分布：阶跃型、近阶跃型、渐变型、其它（如三角型、W型、凹陷型等）。4.按工作波长：紫外光纤、可观光纤、近红外光纤、红外光纤。短波长光纤为0.8～0.9μm的光纤；长波长光纤为1.0～1.7μm；超长波长光纤为2μm以上。5.按制造方法：汽相轴向沉积、化学汽相沉积，拉丝法等。(5)光纤特性1.物理特性：计算机网络用两根光纤组成传输系统。按波长分3种：0.85μm短波长区，多模光纤方式；1.3μm长波长区，多模和单模两种方式；1.55μm长波长区，单模光纤方式。2.传输特性：通过内部全反射传输光信号，传输率Gb/s级，信号损耗和衰减非常小，适合长距离传输。3.连通性：普遍用于点到点链路。功率损失和衰减小，带宽较大，支持比双绞线或同轴电缆多的分接头数。4.传输范围：6～8km距离内不用中继器传输，可在几个建筑物之间通过点到点的链路连接局域网络。5.抗干扰性：不受电磁干扰及噪声影响的独有特征，长距离保持高数据传输率，很好安全性。(6)光纤损耗与色散1．光纤的损耗——固有损耗和附加损耗固有损耗由光纤材料特性决定，包括散射损耗、吸收损耗和因光纤结构不完善引起的损耗。附加损耗由光纤铺设过程中人为造成的，包括微弯损耗、弯曲损耗和接续损耗，应尽量避免的。2．光纤的色散光脉冲传播时因各波长群速度不同产生的脉冲展宽现象，与波速、波长变化有关原因：光源发出的并不是单色光；调制信号有一定的带宽。分类：①模式色散：多模光纤中不同模式的光因传播速度不同而引起的色散。②色度色散：光源光谱中不同波长在光纤中的群延时差所引起的光脉冲展宽现象。③偏振模色散：当光纤存在双折射时，因单模光纤中存在偏振方向相互正交的两个基模的传输速度不同而引起的色散。（7）光纤的偏振与双折射1.单模光纤仅传播HE11一种模式。理想情况下HE11模为垂直于光纤轴线的线偏光，可以分解为彼此独立、互不影响的两个正交偏振分量HEX11和HEY11，它们的传播常数相等，即x=y，在传播过程中始终保持相位相同。实际的光纤总含有一些非对称因素，使两个本来简并的模式HEX11和HEY11的传播常数出现异常，即x-y≠0。线偏态沿光纤不再保持不变而发生连续变化，这种现象称为光纤的双折射效应。可用归一化双折射系数B或拍长来表示。xyavavnnBn22avBnav——单模光纤的平均折射率；av——单模光纤的平均传播常数。通常在10cm～2m之间2.保偏/高双折射率光纤，B值达10-4～10-3量级，相当于在毫米量级，结构如下所示。椭圆芯椭圆包层熊猫型领结型图6-5保偏光纤横截面结构3.低双折射率光纤，B为10-7量级以下，达100m以上的单模光纤。按其生产工艺的特性命名的。结论：上述单模光纤实际存在着两个彼此独立的正交模态，为双模态工作。若在制造光纤时，使单模光纤的两个模态具有不同的衰减率，二者的消光比达到50dB以上，则其中的高损耗模态实际上已经截止，光纤中只剩下一个偏振模传输，此时才是真正纯粹的单模光纤。纯单模光纤时输入任何偏振态的光都只有线偏光输出，因此也称起偏光纤。6.2光纤用光源和传输连接器件（1）光纤用光源要求体积小、便于耦合，频谱特性与光纤波导的传输频响特性匹配，在工作波长下输出光通量应最大，特定条件下要求光源的相干性好。同时要求稳定性好、室温下能够连续长期工作，信噪比高、使用方便。非相干光源a.热光源，由于稳定性和调制速率的限制，一般不提倡选用。b.气体放电光源，高强度和短波长，如通过高强度短波长的光激发待测物质，使其发射荧光，可用来检测物质的温度、含量等。c.发光二极管，可靠性较高，光功率好等，常用在一些简易的光纤传感器中。分类：相干光源——主要是各种类型的激光器a.固体激光器：激光物质为固体，输出能量大、峰值功率高、便于光纤耦合、使用寿命长、价格适中，有一定应用，可用于测量吸收光谱。b.液体激光器：激光物质是液体，很少使用。c.气体激光器：激光物质是气体或金属蒸气。有很高的连续功率，非常适合光纤传感。分布式光纤传感器系统中，一般选用气体特别是氩离子激光器。d.半导体激光二极管：效率高、体积小，波长范围较宽，价格低，光纤混合传感器中应用非常广泛。但工作一定时间后性能将退化或变质，不适于在一些须长期使用、不便更换的光纤传感器中。f.光纤激光器：激光物质为稀土离子掺杂光纤。有掺稀土光纤激光器、光纤光栅激光器、非线性效应光纤激光器、单晶光纤激光器等。具有易使低泵浦连续工作；阈值低，增益高，热效应低；可制成窄线宽、可调谐激光器；能很好与光纤耦合，进行全光纤测试，可传输系统光源等优点。在下一代光纤传感器中有非常好的应用前景。e.面发射激光器：光从垂直于半导体衬底表面的方向射出的半导体激光器。光纤结合容易、可做成密集排列的二维激光阵列，使光纤传感进行小面积内同时多点测量及庞大的传感器系统微小化得以实现。g.ASE光源：最常用的一种高稳定、高功率输出的宽带光源。广泛用于光纤无源器件的生产与测试，功效高，操作简单、测试精度高。广泛用于其它光纤器件如耦合器、隔离器、环形器等的光谱特性测量，是理想光源。（2）光纤无源器件为光纤传输系统提供媒介、连接及固定，包括光纤适配器、光纤活动连接器、光纤配线架、光纤衰减器、光分路器、光波分复用器、光纤光缆等。1.光纤连接器用于连接两根光纤或光缆形成连续光通路，目前使用最多。由两个配合插头和一个耦合管组成。性能要求：①光学性能：要求插入损耗0.5dB，回波损耗25dB。②互换性、重复性③抗拉强度：90N。④温度：-40℃~+70℃能够正常使用。⑤插拔次数：可插拔l000次以上。图6-6光纤连接器2.光纤耦合器将光讯号从一条光纤中分至多条光纤中。传送和分配光信号的无源器件。图6-7定向耦合器工作原理分类：依据耦合器传送信号的方式a.透射型MN耦合器b.反射型IN耦合器c.透反型MN耦合器图6-8光纤耦合器类型（a）88透射型耦合器（b）18反射型耦合器（c）28透反型耦合器3.光开关用于切换光路，主要考虑开关速度、开关矩阵规模、损耗、串扰、偏振敏感性、可靠性以及可扩展性等。4.波分复用器（WDM）光纤通信特有的传输技术，利用一根光纤可以同时传输多个不同波长的光载波，将光纤低损耗窗口划分成若干个波段独立用作一个通道传输一种预定波长的光信号。工作原理如图。主要有棱镜型、干涉模型和衍射光栅型三种，要求插入损耗在1-5dB左右；串音损耗越大越好，应大于20dB。图6-9波分复用技术原理6.3光纤传感原理光纤中传输的光受被测量影响，导致光强度、相位、频率、等发生变化。通过监测光的这些变化量获得被测量，有强度调制、相位调制、频率调制、波长调制等不同的工作原理。1.光纤传感器的分类(1)功能型光纤传感器，光纤是连续的，不仅起传光作用，还利用光纤在外界因素作用下，其光学特性变化实现“传”和“感”的功能。(2)非功能型（或传光型）光纤传感器光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，光纤不连续。较容易实现，成本低，但灵敏度也较低。(3)拾光型光纤传感器光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。图6-10光纤传感器原理优点：灵敏度高、耐腐蚀、电绝缘好、防爆性、光路可弯曲、宽频带、结构简单、体积小、重量轻、抗电磁干扰、可工作于恶劣环境、传输距离远、便于复用、成网。2光纤中的光波调制技术——强度调制型、偏振调制、频率调制、相位调制。a.强度调制，最常用的调制方法，结构简单、容易实现，但受光源强度的波动和连接器损耗变化的影响大。图6-11强度调制原理b.相位调制，光纤中光相位发生变化图6-13相位检测原理图6-14光纤多普勒探头c.频率调制通过传感元件，光纤中光频率发生相应变化。如利用多普勒效应的光纤速度、流速计等；利用喇曼散射构成的气体传感器；利用光致发光的温度传感器等。图6-15波长调制原理d.波长调制，利用被测量改变光纤中光波长，检测光波长变化得出各被测量。光强与温度的关系如右下图，波长为650nm时，光强随温度变化最灵敏，800nm时，光强与温度无关，因此用这两个波长进行检测就能确定温度。图6-16光强与温度关系曲线优缺点：对光纤或连接器的稳定性不敏感，被广泛应用于液体浓度的化学分析、磷光和荧光现象分析、黑体辐射分析等。但是解调技术较复杂，可采用光学滤波或双波长检测技术，简化解调技术。e.时分调制外界物理量通过不同传感元件，使光纤中光的基带频谱延迟时间及幅度发生相应变化的过程。不仅能测量外界物理量随时间的变化，同时也能测量其的空间分布，是分布式传感器基础。图6-17时分调制原理f.偏振态调制,利用光偏振态变化，如法拉第效应做成的电流传感器；泡尔效应做成的电压传感器；光弹效应构成的压力、振动或声传感器；及光纤双折射性构成温度、压力、振动等传感器。可避免光源强度变化的影啊，灵敏度高。图6-18偏振态检测系统6.4光纤光栅传感器利用光纤材料的光敏性，在单模光纤的纤芯内形成空间相位光栅。体积小、波长选择性好、不受非线性效应影响、可与其他光纤器件融成一体，制作工艺成熟，易于形成规模生产，可组成多种新型光电子器件，具有广阔的应用前景。1.1光纤光栅的分类按其空间周期和折射率系数分布特性可分为：①均匀周期光纤布喇格光栅。最早也是应用最广的一种光栅，在光纤激光器、光纤传感器、光纤波分复用/解复用等领域有重要应用价值。②啁啾光栅。栅格间距不等，做色散补偿和光纤放大器的增益平坦。③长周期光栅。栅格周期远大于一般的光纤光栅，EDFA的增益平坦和光纤传感。④闪耀光栅。当折射率的空间分布与光纤轴有一个小角度，形成闪耀光栅。⑤相移光栅。是两个光栅的不连续连接，能够在周期性光栅光谱阻带内打开一个透射窗口，使得光栅对某一波长有更高的选择度。目前光纤光栅的应用主要集中在光纤通信领域和光纤传感器领域。1.2光纤光栅的光学特性光纤光栅纵向折射率的变化将引起不同光波模式间的耦合，在一根单模光纤中，纤芯中的入射基模