光電子技術(shù)—光纖與光纖技術(shù)應(yīng)用

1、光纖與光纖技術(shù)簡介1 光纖簡介光纖簡介 主要光纖產(chǎn)品介紹主要光纖產(chǎn)品介紹 光纖拉錐及折射率傳感光纖拉錐及折射率傳感 全分布式光纖傳感技術(shù)全分布式光纖傳感技術(shù) 摻鉺光纖激光器摻鉺光纖激光器內(nèi)內(nèi) 容容21. 1. 光光 纖纖 簡簡 介介31. 光光 纖纖 簡簡 介介什么是光纖（什么是光纖（optical fiber)optical fiber)？ 光纖是光纖是光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維的簡稱。光纖是以的簡稱。光纖是以光脈沖光脈沖的的形式來傳輸信號(hào)，材質(zhì)以形式來傳輸信號(hào)，材質(zhì)以玻璃或有機(jī)玻璃玻璃或有機(jī)玻璃為主的為主的網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)。 電 信電 信號(hào)號(hào)光光 發(fā)發(fā)送送 機(jī)機(jī)光光 接接受受 機(jī)機(jī)電 信電

2、信號(hào)號(hào)光纖光纖4光纖結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu) 光纖由三部分組成：光纖由三部分組成：芯層（芯層（corecore）包層（包層（claddingcladding）涂覆層（涂覆層（coatingcoating） 內(nèi)層（內(nèi)層（buffer layer） 外層（外層（top layertop layer） 芯層芯層: SiO2+Ge+F : SiO2+Ge+F 包層包層: SiO2+F: SiO2+F內(nèi)涂覆層內(nèi)涂覆層: :丙烯酸樹脂丙烯酸樹脂 外涂敷層外涂敷層: :丙烯酸樹脂丙烯酸樹脂1. 光光 纖纖 簡簡 介介5光纖分類光纖分類光纖信號(hào)處理光纖信號(hào)處理光纖光纖通通 信用信用光纖光纖非非 通信通信用光纖用光纖單模光

3、纖（單模光纖（SM）多模光纖（多模光纖（MM）特種光纖特種光纖光纖傳感光纖傳感光纖測量光纖測量其它光學(xué)系統(tǒng)其它光學(xué)系統(tǒng)1. 光光 纖纖 簡簡 介介61. 光光 纖纖 簡簡 介介模式（模式（mode）概念）概念 模式是指光的在模式是指光的在光纖中光纖中的的傳輸方式傳輸方式（電磁場分（電磁場分布形式）。布形式）。 光纖中能夠傳導(dǎo)的模式是由光纖中能夠傳導(dǎo)的模式是由光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)所決所決定的。外界激勵(lì)只能激勵(lì)起光纖中定的。外界激勵(lì)只能激勵(lì)起光纖中允許存在的模式允許存在的模式而不會(huì)改變模式的固有性質(zhì)。而不會(huì)改變模式的固有性質(zhì)。 模式是光模式是光波動(dòng)方程的解波動(dòng)方程的解。它對應(yīng)于波動(dòng)方程某。它對

4、應(yīng)于波動(dòng)方程某一本征值并滿足全部邊界條件。每一個(gè)模式對應(yīng)于一本征值并滿足全部邊界條件。每一個(gè)模式對應(yīng)于沿光纖軸向傳播的一種電磁波。沿光纖軸向傳播的一種電磁波。7單模與多模光纖單模與多模光纖階躍型多模單模光纖1. 光光 纖纖 簡簡 介介8光纖幾何尺寸光纖幾何尺寸 芯徑芯徑 單模光纖：單模光纖： 10um;10um; 多模光纖：多模光纖： 50um/62.5um50um/62.5um包層直徑包層直徑 普通光纖：普通光纖： 125um涂覆層直徑涂覆層直徑 普通光纖普通光纖 內(nèi)層內(nèi)層 170200um 外層外層 245um1. 光光 纖纖 簡簡 介介125um245um9光纖工作原理光纖工作原理 光纖

5、利用光在光纖利用光在界面上的全反射原界面上的全反射原理進(jìn)行工作。理進(jìn)行工作。1. 光光 纖纖 簡簡 介介10多模多模芯層芯層包層包層芯層芯層包層包層G.652G.6551. 光光 纖纖 簡簡 介介11光纖通信原理光纖通信原理 光纖通信采用數(shù)字通信原理。光纖通信采用數(shù)字通信原理。 0 1 0 0 1 1 0 1 0 模擬信號(hào)模擬信號(hào) 數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào) 模擬信號(hào)模擬信號(hào)編編 碼碼解解 碼碼1. 光光 纖纖 簡簡 介介12單信道全光中繼數(shù)字通信單信道全光中繼數(shù)字通信光光-電電-光中繼的數(shù)字通信光中繼的數(shù)字通信1. 光光 纖纖 簡簡 介介13光纖通信特點(diǎn)光纖通信特點(diǎn)1. 光光 纖纖 簡簡 介介優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)

6、點(diǎn)： 信號(hào)損耗小，中繼距離長；信號(hào)損耗小，中繼距離長； 光纖為絕緣體不受電磁干擾；光纖為絕緣體不受電磁干擾； 玻璃光纖不產(chǎn)生電磁場，保密性高；玻璃光纖不產(chǎn)生電磁場，保密性高； 重量輕，易于施工和運(yùn)輸；重量輕，易于施工和運(yùn)輸；缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 光纖制造工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高；光纖制造工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高； 光纖連接復(fù)雜；光纖連接復(fù)雜； 配套光器件價(jià)格較高配套光器件價(jià)格較高142. 主要光纖產(chǎn)品主要光纖產(chǎn)品152. 主要光纖產(chǎn)品主要光纖產(chǎn)品DCF光纖光纖光纖光纖 普普 通通 光光 纖纖 特特 種種 光光 纖纖單模光纖單模光纖多模光纖多模光纖保偏光纖保偏光纖大芯徑光纖大芯徑光纖光子晶體光纖光子晶體光纖

7、產(chǎn)品分類產(chǎn)品分類162. 主要光纖產(chǎn)品主要光纖產(chǎn)品普通單模光纖普通單模光纖(G652A/B)特點(diǎn)：特點(diǎn)：q 光纖中只傳導(dǎo)基模光纖中只傳導(dǎo)基模 ；q 芯徑小，傳輸帶寬高；芯徑小，傳輸帶寬高；q 熔接和耦合困難，對光源要求高；熔接和耦合困難，對光源要求高；q 制造工藝簡單。制造工藝簡單。單模光纖單模光纖LP00CladdingCore172. 主要光纖產(chǎn)品主要光纖產(chǎn)品多模光纖多模光纖(GIMM)的折射率分布（的折射率分布（G651)折射率分布公式折射率分布公式n2(r)=n21-2(r/a)gg1 三角形分布；三角形分布；g2 拋物線型分布；拋物線型分布；g 階躍型分布階躍型分布corecladd

8、ing18多模光纖多模光纖12CladdingCore2. 主要光纖產(chǎn)品主要光纖產(chǎn)品漸變型多模光纖（漸變型多模光纖（GIMMGIMM）特點(diǎn)：特點(diǎn)：q 光纖中傳導(dǎo)多個(gè)模式光纖中傳導(dǎo)多個(gè)模式 ；q 芯徑大，模間色散大；芯徑大，模間色散大；q 易于耦合，對光源要求低；易于耦合，對光源要求低；q 制造工藝復(fù)雜。制造工藝復(fù)雜。19精確的折射率剖面精確的折射率剖面控制控制消除中心凹陷消除中心凹陷消除芯層消除芯層/ /包層界面包層界面缺陷缺陷2. 主要光纖產(chǎn)品主要光纖產(chǎn)品PCVDPCVD工藝在制造多模光纖中的優(yōu)勢工藝在制造多模光纖中的優(yōu)勢PCVDNONPCVD202. 主要光纖產(chǎn)品主要光纖產(chǎn)品各種光纖的用途

9、各種光纖的用途單模光纖：單模光纖：q普通單模：高速率、長距離傳輸通信主干網(wǎng)。普通單模：高速率、長距離傳輸通信主干網(wǎng)。多模光纖：多模光纖：q50um50um多模：局域網(wǎng)通信、音多模：局域網(wǎng)通信、音/ /視頻信號(hào)傳輸和數(shù)據(jù)傳輸。視頻信號(hào)傳輸和數(shù)據(jù)傳輸。q62.5um62.5um多模：多模：局域網(wǎng)通信（北美地區(qū)使用較多）。局域網(wǎng)通信（北美地區(qū)使用較多）。212. 主要光纖產(chǎn)品主要光纖產(chǎn)品特種光纖簡介特種光纖簡介保偏光纖特點(diǎn)：保偏光纖特點(diǎn)：q 雙折射率高，保雙折射率高，保偏性能好偏性能好 ；q 衰耗低；衰耗低；q 彎曲穩(wěn)定性好；彎曲穩(wěn)定性好；保偏光纖應(yīng)用：保偏光纖應(yīng)用：q 光纖陀螺光纖陀螺 ；q 偏振

10、敏感器件；偏振敏感器件；q 偏振傳感器；偏振傳感器；熊貓型保偏光纖熊貓型保偏光纖222. 主要光纖產(chǎn)品主要光纖產(chǎn)品特種光纖簡介特種光纖簡介DCFDCF光纖特點(diǎn)：光纖特點(diǎn)：q 負(fù)色散值（反色負(fù)色散值（反色散光纖）散光纖） ；q 高色散斜率；高色散斜率；q 芯徑小，相對折芯徑小，相對折射率高；射率高；17DispersionWavelength-130SM fiberDCF fiber1550nm1310nm232. 主要光纖產(chǎn)品主要光纖產(chǎn)品DCFDCF光纖應(yīng)用光纖應(yīng)用242. 主要光纖產(chǎn)品主要光纖產(chǎn)品特種光纖簡介特種光纖簡介大芯徑光纖特點(diǎn)：大芯徑光纖特點(diǎn)：q 光纖芯徑大（可達(dá)到光纖芯徑大（可達(dá)到

11、190um190um以上），以上），NANA值大值大 ；q 與光源間的光耦合效率高；與光源間的光耦合效率高；q 允許更高的光源密度；允許更高的光源密度；大芯徑光纖應(yīng)用：大芯徑光纖應(yīng)用：q 工業(yè)局域網(wǎng)工業(yè)局域網(wǎng) ；q 光纖傳感；光纖傳感；q 激光能量傳輸；激光能量傳輸；252. 主要光纖產(chǎn)品主要光纖產(chǎn)品特種光纖簡介特種光纖簡介光子晶體光纖（光子晶體光纖（PCFPCF）：）：263. 光纖拉錐及折射率傳感光纖拉錐及折射率傳感273. 光纖拉錐及折射率傳感光纖拉錐及折射率傳感28圖圖 1 1 光子晶體光纖錐區(qū)示意圖光子晶體光纖錐區(qū)示意圖3.1 3.1 實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理3. 光纖拉錐及折射率傳感光纖拉

12、錐及折射率傳感29 如圖所示，光從單模光纖輸入，經(jīng)過第一熔接點(diǎn)過后，一部分光耦合進(jìn)PCF的纖芯以纖芯模式傳輸，另一部分光耦合至包層以包層模式傳輸。在錐形傳感區(qū)域，隨著PCF錐形區(qū)域的直徑變細(xì)，以纖芯模式傳輸?shù)墓饽芰恐饾u減弱，而以包層模式傳輸?shù)墓饽芰恐饾u增強(qiáng)。在這一過程中，PCF的兩種模式的傳播常數(shù)不同，在傳輸距離L過后，兩種模式之間會(huì)產(chǎn)生相位延遲。最終，當(dāng)兩束光通過第二熔接點(diǎn)時(shí)，兩種模式在單模光纖中發(fā)生干涉。3. 光纖拉錐及折射率傳感光纖拉錐及折射率傳感30 3. 光纖拉錐及折射率傳感光纖拉錐及折射率傳感31圖 2 光纖拉錐示意圖圖 3 光子晶體光纖（PCF）傳感示意圖3. 光纖拉錐及折射率傳

13、感光纖拉錐及折射率傳感32圖 4 、熔接點(diǎn)產(chǎn)生空氣腔的C-type PCF實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)折射率靈敏度為折射率靈敏度為126-160nm/RIU126-160nm/RIU應(yīng)變靈敏度為應(yīng)變靈敏度為- -0.0016nm/0.0016nm/溫度靈敏度為溫度靈敏度為0.006nm/0.006nm/4. 4. 全分布式光纖傳感技術(shù)全分布式光纖傳感技術(shù)334. 全分布式光纖傳感技術(shù)全分布式光纖傳感技術(shù)344. 全分布式光纖傳感技術(shù)全分布式光纖傳感技術(shù)354. 全分布式光纖傳感技術(shù)全分布式光纖傳感技術(shù)364. 全分布式光纖傳感技術(shù)全分布式光纖傳感技術(shù)374. 全分布式光纖傳感技術(shù)全分布式光纖傳感技術(shù)384. 全分

14、布式光纖傳感技術(shù)全分布式光纖傳感技術(shù)394. 全分布式光纖傳感技術(shù)全分布式光纖傳感技術(shù)404. 全分布式光纖傳感技術(shù)全分布式光纖傳感技術(shù)414. 全分布式光纖傳感技術(shù)全分布式光纖傳感技術(shù)424. 全分布式光纖傳感技術(shù)全分布式光纖傳感技術(shù)434. 全分布式光纖傳感技術(shù)全分布式光纖傳感技術(shù)444. 全分布式光纖傳感技術(shù)全分布式光纖傳感技術(shù)454. 全分布式光纖傳感技術(shù)全分布式光纖傳感技術(shù)464. 全分布式光纖傳感技術(shù)全分布式光纖傳感技術(shù)474. 全分布式光纖傳感技術(shù)全分布式光纖傳感技術(shù)484. 全分布式光纖傳感技術(shù)全分布式光纖傳感技術(shù)494. 全分布式光纖傳感技術(shù)全分布式光纖傳感技術(shù)504. 全分

15、布式光纖傳感技術(shù)全分布式光纖傳感技術(shù)515. 5. 摻鉺光纖激光器摻鉺光纖激光器525. 摻鉺光纖激光器摻鉺光纖激光器535.1 研究背景研究背景摻鉺光纖激光器的可行性在1987年被美國的貝爾實(shí)驗(yàn)室及英國南安普頓大學(xué)兩家機(jī)構(gòu)所證實(shí)，成功放大了摻鉺單模光纖中的光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體激光器向光纖激光器的轉(zhuǎn)化。目前，通信領(lǐng)域中大量使用了摻鉺光纖激光器，因?yàn)樗行⌒洼p量化，高增益，高效率和容易產(chǎn)生非線性光學(xué)效應(yīng)的特點(diǎn)。5. 摻鉺光纖激光器摻鉺光纖激光器545.2 實(shí)驗(yàn)原理與方法實(shí)驗(yàn)原理與方法PART ONEPART TWO980 nm LDWDM濾波器濾波器輸出輸出5. 摻鉺光纖激光器摻鉺光纖激光器55

16、非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)：光通過偏振相關(guān)隔離器后變成線偏振光，PC1將線偏振光變?yōu)闄E圓偏振光，光纖的非線性效應(yīng)作用在兩個(gè)正交偏振分量上，使光的偏振態(tài)發(fā)生變化。由于非線性相移是強(qiáng)度相關(guān)的，通過調(diào)節(jié)PC2，使得光再一次通過偏振相關(guān)隔離器時(shí)，較大的光強(qiáng)度損耗小，較小的光強(qiáng)損耗大，最后實(shí)現(xiàn)脈沖輸出。5. 摻鉺光纖激光器摻鉺光纖激光器565.3 濾波器的設(shè)計(jì)濾波器的設(shè)計(jì)5. 摻鉺光纖激光器摻鉺光纖激光器57提出了一種基于錐形保偏光纖的可調(diào)諧光纖濾波器，并結(jié)合非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧的調(diào)Q摻鉺光纖激光器，通過參數(shù)優(yōu)化，調(diào)節(jié)偏振控制器就能實(shí)現(xiàn)波長調(diào)諧的調(diào)Q脈沖輸出，方法簡單可行，有較好的創(chuàng)新性。 5. 摻鉺光纖激光器摻鉺光纖激光器585.4 脈沖脈沖摻鉺光纖激光器摻鉺光纖激光器 5. 摻鉺光纖激光器摻鉺光纖激光器59原理：3dB耦合器OC1將入射光分成幅值相等傳播方