光纤传感技术与应用复习提纲66

第二章 多传感器的光网络技术 2．2．1 网络损耗的主要来源

1．弯曲引起的光纤损耗（弯曲损耗） 弯曲损耗： 宏弯损耗 微弯损耗 1）光纤的宏弯损耗:曲率半径在一个临界值

Rc，R?Rc时附加损耗可以忽略不计；否则，

弯曲损耗指数增加。确定R值是很重要的。多模光纤R?1cm时，附加损耗可以忽略不计。

2）光纤的微弯损耗（1）多模光纤的微弯损耗多模光纤在微弯时，主要是相邻模之间发生耦2合 弯波矢量

k'?kc（微弯周期l?lc）时，损耗最大。

l?lc处的主衰减峰的谱宽为2lc/L，

主衰减峰两侧还有次极大出现。③损耗与微弯振幅A2d（平方）成正比（这一点可以加以利

用）。④损耗与微弯总长度L成正比。

（2）单模光纤的微弯损耗 模斑半径越小，损耗越小。 2．光纤和光源的耦合损耗

1）半导体激光器和光纤的耦合损耗

半导体激光器发出的光不是圆的光班，其发散角在互为垂直的方向上也不一样大。

??I?x,y,z??A?z?exp???2???x?2????2z????y???????????x????y?????x???? 其中

???y??z0x，

??0y

（1）直接耦合的损耗

直接耦合：将光纤端面直接指向激光器发光面（点）。 举例：光纤NA=0.14，其孔径角

2?c约为16°半导体激光管发散角2?//（平行于PN结）

仅为5°~6°，距离很近时，可以全部耦合；2??大于2?c，不能保证全部的光都能进入光纤。 耦合效率的计算：

P0?2??0??0I?x,y,z?dxdy?????2????0?0A?s?exp???2??x2???????y?2????x?????????y????dxdy????Berf???

b???2?????x?2????2?y??A??s??0exp??2??????dxerf?A????2???A??t2????x???y??0exp??

?2????2??dt t?2ydt?dy误差函数?y，

?y

在

z?s平面内，B为常数。显然，包含在光纤孔径角2?//内的光功率是

?2P?2?x0?y0????2??x?2??y??????00A?s?exp????????x??????y????dxdy?????B???2?2??oy?t2??2??oytan?c??2??tan??c??0?exp?????2?dt?berf??????估算，光纤端面损5%，

??Perf??2??oytan?c?/??max则

P?95%?????95rf ?oy?0.05?m，??0.85?m的激光和NA?0.14（?c?8?）的直接耦合，?max约为

20%。

（2）透镜耦合的损耗

①光纤端面磨成球面的耦合 ②柱透镜耦合 ③凸透镜耦合（也可用自聚焦透镜代替） ④圆锥表透镜耦合

2）半导体发光二极管和光纤的耦合损耗

发光管不同于激光器，其发光相当于余弦发光体。后者相光强分布相当于高斯形。用朗伯发光面（见固体光电子学），半球空间发出的总功率为

?P0?2?202?BAEsin?cos?d??2?BAE AE——发光

面积，B——光源亮度（单位面积向某方向单位立体角发出的光功率）； 通常，半导体二极管发光点的面积比光纤端面积小。

dP?BA?cEcos?d?

P?2?02?BAEsin?cos?d??2?BA2Esin?c 直接耦合时的最

?Pmax?Psin2?2c??NA?大效率为

0

举例：当NA?0.14时，效率为2%，功率为5mW的发光二极管，耦合入光纤的功率仅为

几十微瓦。采用透镜耦合，与激光管类似。 3．光纤和光纤的直接耦合损耗

1）多模光纤和多模光纤的直接耦合损耗 （1）轴偏离对耦合损耗的影响 （2）两光纤端面之间的间隙对耦合损耗的影响 （3）两光纤轴之间的倾斜对耦合损耗的影响 （4）光纤端面的不完整性对耦合损耗的影响 ①端面倾斜 ②端面弯曲

（5）光纤种类不同对耦合损耗的影响 ①芯径不同 ②折射率不同：

2）单模光纤和单模光纤直接耦合的损耗 （1）离轴和轴倾斜引起的损耗 （2）两光纤端面间的间隙引起的耦合损耗 （3）不同种类光纤引起的耦合损耗 2．2．2 光网络常用无源及有源光纤器件

属于有损耗器件：光连接器、光耦合器、光开关、光衰减器、光隔离器、光滤波器、波分复

用/解复用器等。1．熔锥型单模光纤光分/合路连接器2．磨抛型单模光纤定向耦合 3．光开关 1）机械式光开关（1）微光机电系统光开关微光机电系统MEMOS（2）金属薄膜光开关 2）电光效应光开关

4．掺杂光纤激光器与放大器（略） 5．光纤放大器（略） 2．3 光网络技术 2．3．2 成网技术

复用技术：光波分复用（OWDM）、光时分复用技术（OTDM）、光码分复用技术（OCDMA）、

光频分复用技术（OFDM）、光空分复用技术）OSDM）、光副载波复用技术（OSCM）。名词的英文全称。1．光纤时分复用网络 时分复用（time domain multiplexing）——依时间顺序依次访问一系列传感器。 2．光纤频分复用网络 频域复用:调制频域复用（modulation frequency domain multiplexing, MFDM） 波分复用（wavelength division multiplexing, WDM） 1）调制频域复用 2）波分复用 3．光纤空分复用网络 如同打电话方式，一对电缆只供一对电话使用。长距离上用一对电缆同时供许多人通话——复用。如10芯×组×10带光缆

=5120芯，每缆可传1000Tb/s

2．4 光传感网实例——光纤光栅在传感中的应用 光纤光栅在使用中的问题： ① 波长微小位移检测（设备昂贵） ②宽光谱、高功率光源（不易获得）③光检测器波长分辩率的提高（直接关系到光纤光栅灵敏度的发挥） ④交叉敏感的消除（被测量和非被测量之间的相互影响） ⑤光纤光栅的封装（写光栅时去除了保护层，机械强度变差）⑥光纤光栅的可靠性（机械和光学特性抗拉、抗弯、反射率、透射率规定时间内无变化） ⑦光纤光栅的寿命（光栅在高温下会发生退火）

2．4．2 光纤光栅的传感网络

1

．光纤光栅的波分复用 2．光纤光栅的时分复用 3．光纤光栅的时分复用和空分复用（略） 4．光纤光栅的空分复用和波分复用（略） 5．光纤光栅的空分、波分和时分复用的组合布

局

第三章 光电传感器中的光纤技

3．4 光纤的损耗 3．5 光纤的色散 （1）多模色散（群速不同） （2）波导色散（模的群速随波长变化） （3）材料色散（材料本身的色散）4）偏振（模）色散（轴不对称HE11x模与HE11y正交，光纤的轴不对称，两模群延迟不同。 3．6 光纤的耦合技术（略） 3．7 光纤中光波的控制技术 3．7．1 光纤偏振器 1．光纤偏振控制器 光纤中可利用光弹效应改变偏振态。光纤弯曲时，由应力作用引起折射率的变化 2?n??n?a?x??ny??0.133??R?? 快轴——弯曲平面内 慢轴——垂直于弯曲平面。

|?n|2?NR??当 m （m?1、2、3、?），为

?/m波片。例：??0.63?m的红

光，

a?62.5?m的光纤绕成R?20.6mm的一个圈时，成为?/4波片，两圈时，成为?/2波片。

2．保偏光纤偏振器

高双折射光纤——利用包层中的渐逝场，将两偏振之一泄漏出去。镀金属膜的光纤偏振器示意图 TM模经过金属薄膜处，发生耦合，进入波导，而TE模不变，获得TE波偏振。 3．7．2 光纤滤波器

原理：利用耦合器和干涉仪选频（M-Z光纤滤波器、F-P光纤滤波器、光栅光纤滤波器）。 1．Mach-Zehnder光纤滤波器

?LT??????11?3?cos2?T2?1?4?sin????2??Lnf两臂相差

L?（用PZT调整）?2?；?2?；

c fs?c2n?L 若以两频率f1、f2从1入射，且满足

???1?2?n?Lf1?2?m m?1,2,3,??T1?3?1, T 1 ?4?0, f ?f1??1???2?2?n?Lf2?2???m?2?? m?1,2,3,?

T1?3?1, T 1 ?4?1, f ?f2

fcc?fs?2n?L????1?2频率不同的光被分开 或

2n?L时，都能被分开。只要是fc的整数倍。

滤波器个数是频率个数的2n?1倍。

2．Fabry-Perot光纤滤波器

结构 光纤波导腔FFPF——直接镀高反膜（a），自由谱区小空气隙腔FFPF——空气隙（b），损耗大改进型波导腔FFPF——有小间波导（c），损耗小，谱区可调、大。 3.7.3 光纤光栅

1．光纤布拉格光栅的理论模型

?n1?1?F?r,?,z?? |r|?a1n?r,?,z????n2 a1?|r|?a?2?n3 |r|?a2

F?r,?,z???n?r,?,z?光致折射率变化函数n1

2．均匀周期正弦型光纤光栅（略） 3．7．4 光隔离器 法拉弟效应

??VHL

入光→P1→a（O光，垂直）→F（+45度）→R（+45度）→a（e光，水平）→与b合路 →b（e光，水平）→F（+45度）→R（+45度）→b（O光，水平）→P2→

更分开←P1←a（e光，水平）←F（+45度）←R（-45度）←a（e光，水平）←P2← ←P1←b（O光，垂直）←F（+45度）←R（-45度）←b（O光，垂直）←P2←反光 3．7．5 光调制器 1．电光效应光调制器 2．强度调制器 3．磁光效应光调制器 4．光调制器的主要参数

?0 I0?Im1???|I?I0|/I（1）调制深度（?1）

?|I?I0|/Im Im?I0 （2）调制指数（??）电光波导

?2???N的相位调制指数

??effL

（3）半波电压（V?） （4）调制带宽 定义

?f1m??RC

f?fcm?（5）最大调制频率

?m?max?c4nLmax?光波导行波调制器

4LnL?1?nm/nL?

（6）单位带宽驱动功率

P1/?f mW/MHz·rad2

?Iop?Io（7）RF

增益 （8）消光比（rsrs）

Iop（9）插入损耗（

Ls）

L??|I?Im|/Iin Im ?I0s??|I?Io|/Iin Im ?I0

第四章 光传感信号处理技术 4．1 概述

光传感器直接测量的是光的强度，引起强度变化的原因可以是振幅、相位。要根据引起光强变化的原理，减少误差获得高精度的测量结果。

1．强度调制型光传感器 光源、光探测器、光传输（光纤、耦合器、光开关）都会引起光强变化。 补偿方法：双光路补偿、双波长补偿、四端光网络等。

2．相位调制型光传感器 温度、压力可引起相位的变化。相位变化只能通过干涉来测量。信号处理较为复杂。

3．偏振调制型光传感器 检测光波通过偏振器件后光强的变化。同“强度调制型”，采用四端网络较好。

4．波长调制型光传感器 检测波长的微小位移，关键是波长位移检测元件。

4．2 相位调制型光传感器的信号解调技术

相位检测灵敏度为10-6rad，极易受外界因素干扰（温度、压力、震动），基本采用干涉仪结构（M-Z，Michelson，Sagnac，F-P）。下面内容以M-Z为例。

W?14．2W??l????2．1 双光束干涉理论 干涉仪输出1的光强

out010?1?Vcos?0??

?0初始相位，与干涉仪光程差，环境噪声（温度、振动）有关。

（1）干涉仪的灵敏度：与

?0有关，?0?0时最小，?0??/2时最大。此点为正交工作点。

（2）??的变化范围：不要超过

?，这是由于干涉强度的周期变化。 注：……以下书中

与贝塞尔函数有关的内容略。

4．6 干涉型光纤传感器复用解复用方法 复用技术——空分复用SDM（效率低）、相干复用CDM（复用能力弱）、频分复用FDM、时分复用TDM、波分复用WDM。

4．6．2 波分复用 频分复用——利用不同频率的载波信号对光源进行调制，使传感探头从频率上被分隔识别的方法。

4．6．3 时分复用 1．时分复用的类型 时分复用——通过在传感阵列中引入时延，将不同的信道在时间上进行分隔的复用方法。

干涉仪结构：非平衡干涉仪（a）~（c）、平衡干涉仪（d）~（g）。 阵列结构：反射型（b）（c）（e）（f）（g）、透射型（a）（d）。

（a）MZI 非平衡M-Z interferometer，两臂不等长，满足PGC载波要求，时间延迟为

?t?Lc

（b）非平衡反射型Michelson干涉仪阵列（c）非平衡反射型单纤匹配 Michelson干涉仪阵列（在线Mcihelson干涉仪结构） 由延迟线和声光移频器产生两个不同频率不同延迟的光脉冲。 （d）平衡透射型MZI匹配阵列每个传感器接收到3个脉冲。 （e）平衡么射型光纤MZI匹配光纤Michelson干涉仪阵列。 （f）平稀反射型光纤Michelson干涉仪匹配的光纤Michelson干涉仪阵列。（g）平衡反射型光纤光纤MZI匹配的单纤匹配Mchelson干涉仪阵列。

4．6．4 时分-波分复用

波分复用——通过使用不同波长的光源，利用ODM（Optical Division Multiplexer）和O（Optical Add-Drop Multiplexer光插分复用器）使不同的传感器实现复用的方法。最大报道

96单元阵列。

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