多傳感器的光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-

2.1概述

隨著光傳感和光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷進(jìn)步、智能結(jié)構(gòu)及大型構(gòu)建的出現(xiàn)，以及對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的管理自動(dòng)化和安全生產(chǎn)的要求不斷提高，使得對(duì)多多參量大空間范圍的傳感網(wǎng)的需求日益迫切。將多個(gè)傳感器構(gòu)成一個(gè)光傳感網(wǎng)絡(luò)需要考慮以下幾個(gè)主要問(wèn)題復(fù)用的選擇時(shí)分復(fù)用波分復(fù)用頻分復(fù)用空分復(fù)用復(fù)用的串?dāng)_：涉及傳感器輸出信號(hào)的好壞復(fù)用的連接復(fù)用的優(yōu)化2.2光纖網(wǎng)絡(luò)的連接技術(shù)多傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成光網(wǎng)絡(luò)所面臨的首要問(wèn)題是如何將多個(gè)傳感器連接構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它包括兩種連接方式：固定熔接活動(dòng)連接對(duì)熔接需注意熔接機(jī)的型號(hào)和質(zhì)量連接段的封裝熔接技術(shù)2.2.1網(wǎng)絡(luò)的主要損耗彎曲引起的損耗光纖宏彎損耗光纖微彎損耗多模光纖的微彎損耗光纖的微彎空間頻率，光纖的微彎損耗最大光纖的損耗譜在,處的主衰減峰兩側(cè)還有次極大出現(xiàn)光纖的微彎損耗與微彎振幅成正比。對(duì)微彎傳感有利光纖的微彎損耗與微彎總長(zhǎng)成正比單模光纖的微彎損耗：與模斑半徑密切相關(guān)，模斑半徑越小，微彎損耗越小2.光纖和光源的耦合損耗為獲得最佳的耦合效率，主要應(yīng)考慮：光纖和光源的相互匹配的問(wèn)題對(duì)于光纖：光纖纖芯直徑數(shù)值孔徑截止波長(zhǎng)（單模光纖）偏振特性對(duì)于光源：發(fā)光面積發(fā)光的角分布光譜特征（單色性）輸出功率偏振特性1)半導(dǎo)體激光器和光纖的耦合損耗半導(dǎo)體激光器光強(qiáng)表達(dá)式：（垂直于光軸的平面內(nèi)呈高斯分布）在x方向光束較集中，發(fā)散角5-6度在y方向發(fā)散角40-60度（1）直接耦合損耗影響耦合效率的因素：光源的發(fā)光面積與光纖纖芯總面積光源發(fā)散角與光纖數(shù)值孔徑（2）用透鏡耦合的損耗端面球透鏡耦合（24%-60%）光纖端面加球透鏡的效果是顯著地增加光纖的孔徑角，從而增加耦合效率。柱透鏡耦合利用柱透鏡可把半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光進(jìn)行單方向會(huì)聚，使光斑接近圓形以提高耦合效率。缺點(diǎn)是對(duì)激光器，柱透鏡以及光纖的相對(duì)位置的準(zhǔn)確性要求非常高凸透鏡耦合一般用直徑為3-5mm、焦距4-15mm的凸透鏡優(yōu)點(diǎn)：便于構(gòu)成活動(dòng)接頭，或是中間插入分光片，偏振棱鏡等圓錐形透鏡耦合

2）半導(dǎo)體發(fā)光二極管和光纖的耦合損耗在空間一點(diǎn)P處，面積為dS內(nèi)所得到的光功率為：最大耦合效率B光源亮度，AE發(fā)光面積，為光線與發(fā)光面法線夾角對(duì)于多模光纖，耦合效率為2%2.2.2光網(wǎng)絡(luò)常用無(wú)源及有源光纖器件光無(wú)源器件：能量消耗型器件光連接器光耦合器光開(kāi)關(guān)光衰減器光隔離器光濾波器波分復(fù)用/解復(fù)用器光纖耦合器1.熔錐型單模光纖光分/合路連接器2.磨拋型單模光纖定向耦合器3.光開(kāi)關(guān)：切換光路機(jī)械光開(kāi)關(guān)非機(jī)械光開(kāi)關(guān)要求：串?dāng)_小、器件尺寸小、插入損耗小、驅(qū)動(dòng)電壓小、消光比大、與光纖耦合效率高、無(wú)極化依賴性、開(kāi)關(guān)速度和頻率帶寬可按需要變1）機(jī)械式光開(kāi)關(guān)微光機(jī)電系統(tǒng)光開(kāi)關(guān)（MOEMS）金屬薄膜光開(kāi)關(guān)電光效應(yīng)光開(kāi)關(guān)4.摻雜光纖激光器與放大器1）光纖激光器與放大器的分類晶體光纖激光器與放大器非線性效應(yīng)激光器與放大器摻雜光纖激光器與放大器2）光纖激光器和放大器的特點(diǎn)3）摻雜光激光器的原理（1）光纖環(huán)形諧振腔4）摻雜光纖激光介質(zhì)產(chǎn)生激光和激光放大的原則是：在其吸收帶對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)上提供必要的泵浦光，在其螢光帶對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)上提供形成增益和振蕩的條件。摻銣光纖可產(chǎn)生0.9

um，1.06um，1.35

um的激光，摻鉺光纖可產(chǎn)生波長(zhǎng)為1.55

um的激光其中0.9um和1.55um為3能級(jí)結(jié)構(gòu)，1.06

um和1.35um為四能級(jí)結(jié)構(gòu)5）光纖激光器典型例子稀土摻雜的光纖激光器非線性效應(yīng)光纖激光器光纖受激拉曼激光器光纖受激布里淵激光器光纖光柵激光器優(yōu)點(diǎn)：腔長(zhǎng)短，環(huán)境影響小缺點(diǎn)：效率低，譜線寬，泵浦的吸收效率低，斜率效率低自脈效應(yīng)（模式跳變現(xiàn)象）DBR:DistributedBraggReflectionDFB:DistributedFeedback優(yōu)點(diǎn)：只用一個(gè)光柵來(lái)實(shí)現(xiàn)反饋和波長(zhǎng)選擇，因而頻率穩(wěn)定性好，旁瓣抑制比高，還避免了摻鉺光纖與光柵的熔接損耗。缺點(diǎn)：摻鉺光纖中含Ge量少或沒(méi)有，光柵寫(xiě)入差。效率低，譜線寬，泵浦的吸收效率低，斜率效率低，自脈效應(yīng)（模式跳變現(xiàn)象）兩對(duì)光纖光柵分別具有不同的波長(zhǎng)，而每對(duì)光纖光柵波長(zhǎng)相同WDM泵浦LD信號(hào)輸入信號(hào)輸出EDF2-2-41光纖放大器結(jié)構(gòu)示意圖5.光纖放大器與激光器的區(qū)別：無(wú)諧振腔，有信號(hào)光1)光纖放大器的結(jié)構(gòu)WDM泵浦LD信號(hào)輸入信號(hào)輸出EDF2-2-42反向泵浦的光纖放大器結(jié)構(gòu)圖WDM泵浦LD信號(hào)輸入信號(hào)輸出EDFWDM泵浦LD2-2-43雙向泵浦的光纖放大器結(jié)構(gòu)圖2）光纖放大器的特征參數(shù)增益飽和輸出功率：信號(hào)增益比小信號(hào)增益下降3dB或10dB時(shí)的信號(hào)輸出功率增益帶寬：在最高增益以下3dB增益之內(nèi)的信號(hào)帶寬噪聲系數(shù)：光纖放大器輸出信噪比和輸入信噪比之比目前商用技術(shù)指標(biāo)：增益25-35dB;輸出功率10-15dBm；噪聲系數(shù)4.5-6dB光纖放大器的三種用途：功率放大，中繼放大，前置放大3）典型光纖放大器摻鉺光纖放大器工作波長(zhǎng)1550nm,與光纖低損耗波段一致增益譜寬，30nm帶寬利用可控

拉曼光纖放大器半導(dǎo)體光放大器拉曼光纖放大器拉曼過(guò)程能級(jí)圖拉曼效應(yīng)：入射光波的一個(gè)光子被一個(gè)分子散射成為另一個(gè)低頻光子，同時(shí)分子完成其兩個(gè)振動(dòng)態(tài)之間的躍遷按量子理論分析，Raman散射是由分子與光子場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的。光子場(chǎng)由入射光子與散射光子的場(chǎng)組成，分子處在不連續(xù)的分立能級(jí)的某一本征能級(jí)。設(shè)散射分子的兩個(gè)最低能級(jí)分別為E1和E2，能量間隔為hν，在入射光作用下，原處于較低能級(jí)E1上的，圖（a）分子在散射后先躍遷到一種狀態(tài)之E3上，然后又躍遷返回至另外一個(gè)能級(jí)E2，分子內(nèi)能增加，而散射光子的頻率則向低頻方向移動(dòng)了?ν，這種過(guò)程產(chǎn)生的散射光稱為Stokes光。與此類似，如圖（b）所示產(chǎn)生的散射光稱Anti_Stokes光。同時(shí)泵浦拉曼光纖放大器而獲得波長(zhǎng)位移幾十到上百納米的超寬帶放大波段。如果泵浦光源的帶寬過(guò)寬時(shí)，會(huì)出現(xiàn)泵浦光源間的感應(yīng)拉曼散射效應(yīng)，致使長(zhǎng)波長(zhǎng)泵浦光增益爭(zhēng)奪短波長(zhǎng)泵浦光增益，從而達(dá)不到預(yù)期的寬帶平坦性。對(duì)拉曼光纖放大器和EDFA的泵浦加以優(yōu)選，可獲得互補(bǔ)。半導(dǎo)體光放大器半導(dǎo)體材料能級(jí)圖2.3光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)多傳感光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由多個(gè)光電傳感器和光纖網(wǎng)構(gòu)成。光傳感網(wǎng)和光通信網(wǎng)的主要差別是：光傳感網(wǎng)絡(luò)既有數(shù)字信號(hào)，又有模擬信號(hào)，并且通常以模擬信號(hào)居多；光通信網(wǎng)則主要是傳輸數(shù)字信號(hào)；光傳感網(wǎng)主要是近距離的傳輸（幾米幾百米至幾千米）；因此傳輸損耗有時(shí)可不考慮。2.3.1可用于構(gòu)成光傳感網(wǎng)的傳感器光傳感網(wǎng)主要用于智能結(jié)構(gòu)、智能材料以及大范圍多點(diǎn)、多參量的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。因此用于組網(wǎng)的傳感器應(yīng)滿足微型化、高可靠、可聯(lián)網(wǎng)等要求，此外還應(yīng)考慮其側(cè)臉的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍、光纖和材料的匹配等因素。點(diǎn)式光纖傳感器光纖在線Fabry-Perot傳感器絕對(duì)測(cè)量光纖干涉儀（白光干涉儀1.3.6）光纖Bragg光柵傳感器積分式光纖傳感器光纖干涉儀Mach-Zehnder干涉儀Michelson干涉儀光纖偏振儀分布式光纖傳感器積分式光纖傳感器光纖偏振干涉儀：

利用高雙折射光纖兩正交模式之間的相位差隨外界溫度或壓力而變化的關(guān)系，可構(gòu)成積分式溫度傳感器以拉曼散射分布式光纖傳感器為例在任何介質(zhì)中，自發(fā)拉曼散射將一小部分入射光功率由一光束轉(zhuǎn)移到另一頻率下移的光束中。頻率下移量由介質(zhì)的振動(dòng)模式?jīng)Q定，此過(guò)程稱為拉曼散射分布式光纖傳感器瑞利散射拉曼散射布里淵散射拉曼散射光強(qiáng)與溫度的關(guān)系k=1.3806505(24)×10?23J/Kh=6.626196×10-34J·s2.3.2成網(wǎng)技術(shù)光纖傳感器的成網(wǎng)技術(shù)中應(yīng)考慮的重要問(wèn)題是：光源的選擇——針對(duì)復(fù)用何組網(wǎng)方式，選用不同光源調(diào)制和解調(diào)的方法——針對(duì)所選用的光傳感器及其復(fù)用和組網(wǎng)方式，選擇合適的調(diào)制和解調(diào)復(fù)用和組網(wǎng)的方式——針對(duì)使用場(chǎng)合、檢測(cè)要求、成網(wǎng)工藝、施工條件以及成本等因素綜合評(píng)價(jià)1.光時(shí)分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)1光時(shí)分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)2光時(shí)分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)32.光纖頻分復(fù)用1）調(diào)制頻域復(fù)用——三個(gè)LD用三個(gè)不同的頻率分別調(diào)幅。每個(gè)LD發(fā)出的光分別輸入三個(gè)光傳感器，在用三個(gè)光探測(cè)器（D1，D2，D3）接收。缺點(diǎn)：仍要