光纖的傳導(dǎo)原理

1、光纖的原理一：光信號(hào)的損耗1:光線材料的吸收與散射的損耗2：光線的微彎與宏彎輻射損耗3：光纖的連接與耦合損耗二：光纖傳感器的原理簡單的講，光纖傳感系統(tǒng)的基本原理就是光線中的光波參數(shù)如光強(qiáng)、頻率、波長、相位、以及偏振態(tài)等隨外界被測(cè)參數(shù)變化而變化，通過檢測(cè)光纖中光波參數(shù)的變化達(dá)到檢測(cè)外界被測(cè)物理量的目的。光纖-概述JEH光纖光纖的完整名稱叫做光導(dǎo)纖維，用純石英以特別的工藝?yán)杉?xì)絲，其直徑比頭發(fā)絲還要細(xì)。光束在玻璃纖維內(nèi)傳輸，信號(hào)不受電磁的干擾，傳輸穩(wěn)定。具有性能可靠，質(zhì)量高，速度快,線路損耗低、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，適高速網(wǎng)絡(luò)和骨干網(wǎng)。光纖是一種傳輸介質(zhì)，是依照光的全反射的原理制造的。光纖是一種將訊息

2、從一端傳送到另一端的媒介，是一條以玻璃或塑膠纖維作為讓訊息通過的傳輸媒介。通常光纖與光纜兩個(gè)名詞會(huì)被混淆。多數(shù)光纖在使用前必須由幾層保護(hù)結(jié)構(gòu)包覆，包覆后的纜線即被稱為光纜。光纖外層的保護(hù)結(jié)構(gòu)可防止周遭環(huán)境對(duì)光纖的傷害，如水，火，電擊等。光纜分為：光纖、緩沖層及披覆。光纖和同軸電纜相似，只是沒有網(wǎng)狀屏蔽層。中心是光傳播的玻璃芯。在多模光纖中，芯的直徑是15mm50mm,大致與人的頭發(fā)的粗細(xì)相當(dāng)。而單模光纖芯的直徑為8mm10mm。芯外面包圍著一層折射率比芯低的玻璃封套，以使光纖保持在芯內(nèi)。再外面的是一層薄的塑料外套，用來保護(hù)封套。光纖通常被扎成束，外面有外殼保護(hù)。纖芯通常是由石英玻璃制成的橫截面

3、積很小的雙層同心圓柱體，它質(zhì)地脆,易斷裂，因此需要外加一保護(hù)層。光纖-原理光纖實(shí)際是指由透明材料做成的纖芯和在它周圍采用比纖芯的折射率稍低的材料做成的包層，并將射入纖芯的光信號(hào)，經(jīng)包層界面反射，使光信號(hào)在纖芯中傳播前進(jìn)的媒體。一般是由纖芯、包層和涂敷層構(gòu)成的多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱圓柱體。光纖有兩項(xiàng)主要特性：即損耗和色散。光纖每單位長度的損耗或者衰減（dB/km）,關(guān)系到光纖通信系統(tǒng)傳輸距離的長短和中繼站間隔的距離的選擇。光纖的色散反應(yīng)時(shí)延畸變或脈沖展寬，對(duì)于數(shù)字信號(hào)傳輸尤為重要。每單位長度的脈沖展寬（ns/km），影響到一定傳輸距離和信息傳輸容量光纖-結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu)纖芯材料的主體是二氧化硅，里面摻

4、極微量的其他材料，例如二氧化鍺、五氧化二磷等。摻雜的作用是提高材料的光折射率。纖芯直徑約575pm。光纖外面有包層，包層有一層、二層（內(nèi)包層、外包層）或多層（稱為多層結(jié)構(gòu)），但是總直徑在100200pm上下。包層的材料一般用純二氧化硅，也有摻極微量的三氧化二硼，最新的方法是摻微量的氟，就是在純二氧化硅里摻極少量的四氟化硅。摻雜的作用是降低材料的光折射率。這樣，光纖纖芯的折射率略高于包層的折射率。兩者席位的區(qū)別，保證光主要限制在纖芯里進(jìn)行傳輸。包層外面還要涂一種涂料，可用硅銅或丙烯酸鹽。涂料的作用是保護(hù)光纖不受外來的損害，增加光纖的機(jī)械強(qiáng)度。光纖的最外層是套層，它是一種塑料管，也是起保護(hù)作用的，

5、不同顏色的塑料管還可以用來區(qū)別各條光纖。光纖的折射率：光纖的結(jié)構(gòu)一般用折射率沿光纖徑向的分布函數(shù)來表征，這種分布函數(shù)成為光纖的折射率刨面。在圓柱坐標(biāo)系（入、z）中n（入）來表示。在理論分析中，折射率剖面n（r）就是光纖的數(shù)學(xué)模型：對(duì)于單包層光纖，纖芯直徑為d，設(shè)纖芯軸心處的折射率n（0）=n1,包層折射率為n2,為了簡略地表示的剖面特征，引入纖芯包層相對(duì)折射率差作為剖面參數(shù)，其中定義為：n12n22n1n22n12n1射線理論認(rèn)為，光在光纖中傳播主要是依據(jù)全反射原理。因此，典型的階越光纖是由折射率（n1）稍高的纖芯和折射率（n2）稍低的包層構(gòu)成。纖芯和包層之間有良好的光學(xué)界面。：.若光線以某一

6、角度進(jìn)入光線端面時(shí)，入射光線與光線軸線之間的夾角80稱為光線端面入射角；光線進(jìn)入光纖后又射到纖芯和包層之間的界面上，形成包層界面入射角0，光線垂直光線端面射入，并與光纖軸心線重合時(shí)，光線1沿軸心線向前傳播。由于n1n2，所以包層界面有一個(gè)全反射的臨界角0C,與其相對(duì)應(yīng)的光線端面有一個(gè)臨界入射角0a。如果端面入射角000C，滿足全反射條件，光線將在纖芯和包層的界面上不斷的產(chǎn)生全反射而向前傳播。一般，這種光線在光纖內(nèi)需經(jīng)過幾千、幾萬、甚至更多次的全反射，（全反射次數(shù)與光纖長度、直徑有關(guān)），才能從光纖的一段傳到另一端。光線1、2的特點(diǎn)是光在光纖中傳播路徑始終在同一平面內(nèi)，這種光線稱為受到光線；在纖維

7、光學(xué)中又稱為子午光線。子無光的是平面曲線，包含子午光線的面稱為子無面。另一種光線不在一個(gè)平面內(nèi)，不經(jīng)過光的軸心線。當(dāng)入射光纖后碰到邊界時(shí)，作內(nèi)部全反射。這類光線運(yùn)動(dòng)范圍是在邊界和有虛線所示的焦散面之間。光線在斷面上的投影為折線。這樣的光纖稱為斜光線，它是一空間曲線，除子午線和斜光線外，還有一種不受到光線，它不能在光纖中傳播，射線理論無法解釋這種光線。光纖-分類光纖種類不斷增多，而且千變?nèi)f化。近年來用于傳感器的特殊光纖發(fā)展尤迅速。目前一般分類方法如下：按制作材料分：(1)高純度石英玻璃光纖。這種材料損耗低，在波長時(shí)，最低達(dá)0。47db/km。用鍺硅材料作芯子，硼硅材料作包層的多模光纖，損耗最低為

8、0.5db/km和類似的損耗-波譜曲線。采用三元化合材料，可能獲得最好的損耗-波譜曲線。=0.84微米最低損耗為3.4db/km。(2)多組分玻璃光纖。通常用更常規(guī)的玻璃制成，損耗也很低，如Sodium-borosilica-te玻璃光纖在(3)塑料光纖。它與石英光纖相比具有重量輕，成本低，柔軟性好，加工方便等特點(diǎn)，但損耗在r=0.63微米到100-200db/km。按傳輸模分：單模光纖。單模光纖纖芯直徑僅幾個(gè)微米，加包層和涂敷層后也僅幾十個(gè)微米到125微米。纖芯直徑接近波長。多模光纖。多模光纖纖芯直徑有50微米，加包層和涂敷層有50微米。纖芯直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波長。根據(jù)光纖的折射率沿徑向分布函數(shù)不

9、同又進(jìn)一步分為多模階躍光纖，單模階躍光纖和多模梯度光纖按用途分：通信光纖。非通信光纖-特殊光纖。有低雙折射光纖，高雙折射光纖，涂層光纖，液芯光纖，激光光纖和紅外光纖等。4按制作方法分：（1）化學(xué)氣相沉積法（CVD）或改進(jìn)化學(xué)氣相沉積法（MCVD）。用來制作高純度石英玻璃光纖。（2）雙坩堝法或三坩堝法。用來制作多組分玻璃光纖。光纖-光纖通訊發(fā)展歷史1880年，貝爾發(fā)明了一種利用光波作載波傳遞話音信息的光電話，它證明了利用光波作載波傳遞信息的可能性，是光通信歷史上的第一步。I960年，美國科學(xué)家梅曼（Meiman）發(fā)明了第一個(gè)紅寶石激光器。激光（LASER:LightAmplificationby

10、StimulatedEmissiionofRadiation）與普通光相比，譜線很窄，方向性極好，是一種頻率和相位都一致的相干光，特性與無線電波相似，是一種理想的光載波。因此，激光器的出現(xiàn)使光波通信進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。1966年，英籍華人高錕（K.C.Kao）博士首次利用無線電波導(dǎo)通信的原理，提出了低損耗的光導(dǎo)纖維（簡稱光纖）的概念。1970年，美國康寧公司首次研制成功損耗為20db/km（光波沿光纖傳輸lkm后，光的損耗為原有的1%）的石英光纖，它是一種理想的傳輸介質(zhì)。同年，貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功室溫下連續(xù)振蕩的半導(dǎo)體激光器（LD）。從此，開始了光纖通信迅速發(fā)展的時(shí)代，因此人們把1970年稱為

11、光纖通信的元年。1974年，貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了制造低損耗光纖的方法，稱作改進(jìn)的汽相沉積法（MCVD）,光纖損耗下降到1db/km。1976年，日本電報(bào)電話公司研制出更低損耗光纖，損耗下降到0.5db/km。1976年，美國在亞特蘭大成功地進(jìn)行了44.7Mbit/s的光纖通信系統(tǒng)試驗(yàn)。日本電報(bào)電話公司開始了64km、32Mbit/s突變折射率光纖系統(tǒng)的室內(nèi)試驗(yàn)，并研制成功1.3微米波長的半導(dǎo)體激光器。1979年，日本電報(bào)電話公司研制出0.2db/km的極低損耗石英光纖（1.5微米）。1984年,實(shí)現(xiàn)了中繼距離50km、速率為1.7Gbit/s的實(shí)用化光纖傳輸系統(tǒng)。1990年，使用了1.55微米長波

12、長單模光纖傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了中繼距離超過100km、速率為2.4Gb/s的光纖傳輸。90年代以來，第四代光纖通信系統(tǒng)以頻分復(fù)用增加速率和使用光放大器增加中繼距離為標(biāo)志，可以使用（也可以不使用）相干接收方式，使系統(tǒng)的通信容量以成數(shù)量級(jí)地增加，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在2.5Gb/s速率上傳輸4500km和10Gb/s的速率上傳輸1500km的試驗(yàn)。目前，正在研究開發(fā)光弧子通信系統(tǒng)。光弧子，即由于光纖的非線性效應(yīng)與光纖色散相互抵消，使光脈沖在無損耗的光纖中保持其形狀不變地傳輸?shù)默F(xiàn)象。光弧子通信系統(tǒng)將使超長距離的光纖傳輸成為可能，試驗(yàn)證明，在2.5Gb/s的碼率下光弧子沿環(huán)路可傳輸14000km的距離。光纖-應(yīng)用M

13、EI淳弘就*III佝KP-抽】也如r“用IfEJPS?htJUSMAt光纖液面探測(cè)器工作原理光纖傳感技術(shù)是伴隨著光通訊技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展而衍生的一種新的傳感技術(shù)，是光傳感、光通訊、電子技術(shù)互相交叉、互相滲透的高科技技術(shù)，是國家“十五”重點(diǎn)支持發(fā)展的信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。因此光纖技術(shù)在很多方面都有很大的應(yīng)用，現(xiàn)簡單介紹如下：一、光纖液位傳感器：在中國石油化工、冶金以及國防等部門，對(duì)油品和化工產(chǎn)品等易燃易爆液體類物質(zhì)的儲(chǔ)存、檢測(cè)和安全管理一直是個(gè)難題。長期以來，大多企業(yè)是采用人工對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)和管理，勞動(dòng)強(qiáng)度大，又有危險(xiǎn)性，儲(chǔ)罐爆炸事件和人員傷亡事故時(shí)有發(fā)生。光纖液位傳感器某檢測(cè)湘度高，使用方便

14、、穩(wěn)定可靠，特別是采用光纖光纜采集和傳輸信號(hào)，做到現(xiàn)場(chǎng)無電檢側(cè)，本質(zhì)安全防爆，特別適于易燃易爆場(chǎng)所的儲(chǔ)罐檢測(cè)。即將投產(chǎn)的光纖液位傳感器價(jià)調(diào)查和分析表明，目前全國年需求量應(yīng)在1萬臺(tái)以上，而1日市場(chǎng)需求仍在快鵬長如。二、接入網(wǎng)技術(shù)：所謂光接入網(wǎng)（OAN）就是采用光纖傳輸技術(shù)的接入網(wǎng)，泛指本地交換機(jī)或遠(yuǎn)端模塊與用戶之間采用光纖通信或部分采用光纖通信的系統(tǒng)。通常，OAN指采用基帶數(shù)字傳輸技術(shù)并以傳輸雙向交互式業(yè)務(wù)為目的的接入傳輸系統(tǒng)，將來應(yīng)能以數(shù)字或模擬技術(shù)升級(jí)傳輸寬帶廣播式和交互式業(yè)務(wù)。光纖的應(yīng)用還有：光纖高溫測(cè)量儀、光纖閥位回訊器等。光纖是圓柱形的介質(zhì)波導(dǎo)，應(yīng)用全反射原理來傳導(dǎo)光線。光纖的結(jié)構(gòu)大致

15、分為里面的核心部分與外面的包覆部分。為了要局限光信號(hào)于核心，包覆的折射率必須小于核心的折射率。漸變光纖的折射率是緩慢改變的，從軸心到包覆，逐漸地減??；而突變光纖在核心-包覆邊界區(qū)域的折射率是急劇改變的。折射率主條目：折射率折射率可以用來計(jì)算在物質(zhì)里的光線速度。在真空里，及外太空，光線的傳播速度最快，大約為3億米/秒。一種物質(zhì)的折射率是真空光速除以光線在這物質(zhì)里傳播的速度。所以，根據(jù)定義，真空折射率是1。折射率越大，光線傳播的速度越慢。通常光纖的核心的折射率是1.48，包覆的折射率是1.46。所以，光纖傳導(dǎo)信號(hào)的速度粗算大約為2億米/秒。電話信號(hào)，經(jīng)過光纖傳導(dǎo)，從紐約到悉尼，大約12000公里距

16、離，會(huì)有最低0.06秒時(shí)間的延遲。全反射雷射的反彈于一根壓克力棍內(nèi)部，顯示出光線的全反射。主條目：全反射當(dāng)移動(dòng)于密度較高的介質(zhì)的光線，以大角度入射于核心-包覆邊界時(shí)，假若這入射角（光線與邊界面的法線之間的夾角）的角度大于臨界角的角度，則這光線會(huì)被完全地反射回去。光纖就是應(yīng)用這種效應(yīng)來局限傳導(dǎo)光線于核心。在光纖內(nèi)部傳播的光線會(huì)被邊界反射過來，反射過去。由于光線入射于邊界的角度必須大于臨界角的角度，只有在某一角度范圍內(nèi)射入光纖的光線，才能夠通過整個(gè)光纖，不會(huì)泄漏損失。這角度范圍稱為光纖的受光錐角，是光纖的核心折射率與包覆折射率的差值的函數(shù)。更簡單地說，光線射入光纖的角度必須小于受光角的角度，才能夠

17、傳導(dǎo)于光纖核心。受光角的正弦是光纖的數(shù)值孔徑。數(shù)值孔徑越大的光纖，越不需要精密的熔接和操作技術(shù)。單模光纖的數(shù)值孔徑比較小，需要比較精密的熔接和操作技術(shù)。多模光纖光波傳播于多模光纖。主條目：多模光纖核心直徑較大的光纖（大于10微米）的物理性質(zhì)，可以用幾何光學(xué)的理論來分析，這種光纖稱為多模光纖，用于通信用途時(shí)，線材會(huì)以橘色外皮做為辨識(shí)。在一個(gè)多模突變光纖內(nèi)，光線靠著全反射傳導(dǎo)于核心。當(dāng)光線遇到核心-包覆邊界時(shí)，假若入射角大于臨界角，則光線會(huì)被完全反射。臨界角的角度是由核心折射率與包覆折射率共同決定。假若入射角小于臨界角，則光線會(huì)折射入包覆，無法繼續(xù)傳導(dǎo)于核心。臨界角又決定了光纖的受光角，通常以數(shù)值

18、孔徑來表示其大小。較高的數(shù)值孔徑會(huì)允許光線，以較近軸心和較寬松的角度，傳導(dǎo)于核心，造成光線和光纖更有效率的耦合。但是，由于不同角度的光線會(huì)有不同的光程，通過光纖所需的時(shí)間也會(huì)不同，所以，較高的數(shù)值孔徑也會(huì)增加色散。有些時(shí)候，較低的數(shù)值孔徑會(huì)是更適當(dāng)?shù)倪x擇。漸變光纖的核心的折射率，從軸心到包覆，逐漸地減低。這會(huì)使朝著包覆傳導(dǎo)的光線，平滑緩慢地改變方向，而不是急劇地從核心-包覆邊界反射過去。這樣，大角度光線會(huì)花更多的時(shí)間，傳導(dǎo)于低折射率區(qū)域，而不是高折射率區(qū)域。因此,所形成的曲線路徑，會(huì)減低多重路徑色散。工程師可以精心設(shè)計(jì)漸變光纖的折射率分布，使得各種光線在光纖內(nèi)的軸傳導(dǎo)速度差值，能夠極小化。這理

19、想折射率分布應(yīng)該會(huì)非常接近于拋物線分布。單模光纖p單模光纖內(nèi)部結(jié)構(gòu)：核心：直徑8pm包覆：直徑125pm緩沖層：直徑250pm外套：直徑400pm主條目：單模光纖核心直徑小于傳播光波波長約十倍的光纖，不能用幾何光學(xué)理論來分析其物理性質(zhì)。替而代之，必須改用麥克斯韋方程組來分析，導(dǎo)出相關(guān)的電磁波方程。視為光學(xué)波導(dǎo)，光纖可以傳播多于一個(gè)橫模的光波。只允許一種橫模傳導(dǎo)的光纖稱為單模光纖。用于通信用途時(shí)，線材會(huì)以黃色外皮做為辨識(shí)來源請(qǐng)求。大直徑核心、多橫模的光纖的物理性質(zhì)，也可以用電磁波波動(dòng)方程分析。結(jié)果會(huì)顯示出，這種光纖允許多于一個(gè)橫模的光波。這樣的解析多模光纖，所得到的結(jié)果，與幾何光學(xué)的解析結(jié)果大致

20、相同。波導(dǎo)分析顯示，在光纖內(nèi)的光波的能量，并不是全部局限于核心里。令人驚訝地,特別是在單模光纖里，有很大一部分的能量是以衰減波的形式傳導(dǎo)于包覆。最常見的一種單模光纖，核心直徑大約為7.5-9.5微米，專門用于傳導(dǎo)近紅外線。多模光纖的核心直徑可以小至50微米，或者大至幾百微米。特用光纖有些特用光纖的核心或包覆會(huì)特別地制作成非圓柱形，通常像橢圓形或長方形。這包括維護(hù)偏極化光纖。光子晶體光纖是一種新型的光纖，其折射率以規(guī)律性的模式變化（通常沿著光纖的軸向會(huì)有圓柱空洞）。光子晶體光纖應(yīng)用衍射效應(yīng)（單獨(dú)的或加上全反射效應(yīng)）來局限光波于光纖核心。衰減機(jī)制100.0010100130,010LKJ1IIII

21、JIIIIO.S1.01$2.0S.E3.0J.S$.04WuoEonlh伽i在ZBLAN和二氧化硅光纖內(nèi)的光衰減。主條目：透明材料在介質(zhì)內(nèi)，光纖的衰減，又稱為傳輸損失，指的是隨著傳輸距離的增加，光束（或信號(hào)）強(qiáng)度會(huì)減低。由于現(xiàn)代光傳輸介質(zhì)的高質(zhì)量透明度，光纖的衰減系數(shù)的單位通常是dB/km（每公里長度介質(zhì)的分貝）。因?yàn)楣枋ＡЮw維能夠滿足嚴(yán)格的規(guī)定，局限光束于內(nèi)部，傳輸介質(zhì)材料大多是由硅石玻璃纖維制成的。阻礙數(shù)字信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊粋€(gè)重要因素就是衰減。因此，減少衰減是光纖光學(xué)研究的必然目標(biāo)。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果，顯示出光散射和吸收是造成光纖衰減的主要原因之一。光散射Q鏡面反射。漫反射。因?yàn)楣?/p>

22、線的全反射，光線可以傳輸于光纖核心。粗糙、不規(guī)則的表面，甚至在分子層次，也會(huì)使光線往隨機(jī)方向反射，稱這現(xiàn)象為漫反射或光散射1,其特征通常是多種不同的反射角。大多數(shù)物體因?yàn)楸砻娴墓馍⑸?，可以被人類視覺偵測(cè)到。光散射跟入射光波的波長有關(guān)?？梢姽獾牟ㄩL大約是1微米。人類視覺無法偵測(cè)到超小于這尺寸的物體.。所以，位于可見物體表面的散射中心也有類似的空間尺寸。光波入射于內(nèi)部的邊界面時(shí)，會(huì)因?yàn)椴煌{(diào)散射而造成衰減。對(duì)于結(jié)晶材料或多晶材料，像金屬或陶瓷，除了細(xì)孔以外，大部分內(nèi)部接口的形式乃晶界，分隔了晶粒尺寸的微小區(qū)域。材料學(xué)專家發(fā)現(xiàn)，假若能將散射中心(或晶界)的尺寸減小到低于入射光波的波長，則光散射的影響

23、會(huì)減小很多，可以被忽略。這發(fā)現(xiàn)引起更多有關(guān)透明陶瓷材料的研究。類似地，在光學(xué)光纖內(nèi)，光散射是由分子層次的不規(guī)則玻璃結(jié)構(gòu)所造成的。很多材料學(xué)專家認(rèn)為玻璃無疑是多晶材料的極限案例。而其展現(xiàn)出短距離現(xiàn)像的疇域(domain)，則是金屬、合金、玻璃、陶瓷等等的基礎(chǔ)建筑材料。散布在這些疇域之間，有很多微結(jié)構(gòu)缺陷，是造成光散射的最理想地點(diǎn)。當(dāng)光學(xué)倍率變高時(shí)，光纖的非線性光學(xué)行為也可能會(huì)造成光散射。紫外線和紅外線吸收除了光散射以外，光纖材料會(huì)選擇性地吸收某些特定波長的光波，這也會(huì)造成衰減或信號(hào)損失。吸收光波的機(jī)制類似顏色顯現(xiàn)的機(jī)制。在電子層次，光纖材料的每種組成原子，其不同的電子軌域的能級(jí)差值，決定了光纖材料能否吸收某特定頻率或頻率帶的光子。這些特定頻率或頻率帶