第1章-光纖器件及原理課件

課程名稱：光纖傳感原理與應(yīng)用技術(shù)主講教師：王建彬課程名稱：光纖傳感原理與應(yīng)用技術(shù)1一、主要章節(jié)結(jié)構(gòu)：二、課程主要內(nèi)容梗概：

課程簡介一、主要章節(jié)結(jié)構(gòu)：課程簡介2第1章光纖器件及原理1.光纖結(jié)構(gòu)及光的傳播原理光纖的基本結(jié)構(gòu)由纖芯和包層構(gòu)成。光纖纖芯由折射率略高于包層的光學(xué)材料構(gòu)成（大約高1%左右），使光線在纖芯內(nèi)形成全反射，即光由纖芯引導(dǎo)傳播。為了形成一定的機(jī)械強(qiáng)度以達(dá)到保護(hù)光纖的目的，包層外附加若干層材料。第1章光纖器件及原理3光纖跳線的結(jié)構(gòu)由內(nèi)到外由6層構(gòu)成：不同類型的光纖的纖心和包層的幾何尺寸差別很大，下面是以通信光纖的尺寸為例。1----纖芯(9m)2----包層(125m)3----塑料涂層4----松套管(900m)5----輕質(zhì)纖維6----聚乙烯護(hù)套裸光纖的概念光纖跳線的結(jié)構(gòu)由內(nèi)到外由6層構(gòu)成：4第1章-光纖器件及原理ppt課件5光纖的材料常用光纖以二氧化硅SiO2為主。傳播波長1550nm，損耗0.16dB/Km，接近理論最低損耗。其他材料有晶體光纖、氟化物光纖、重金屬光纖、聚合物光纖等，它們在不同波長下?lián)p耗不同。特殊環(huán)境光纖,如高溫要求，SiO2可以耐高溫，但塑料涂層材料耐高溫性能差。光纖的材料6光纖的類型多模光纖：纖芯比較粗，100m/140m，200m/240m，50m/125m，62.5m/125m。單模光纖：9m/125m。自聚焦光纖：折射率沿徑向逐漸變小，使出射光逐漸變直，用于成像或準(zhǔn)直。光纖的特性機(jī)械特性：描述抗拉強(qiáng)度，彎曲度等。光纖的類型7光學(xué)特性：光衰減量=-10lg(P0/Pi)(dB)在光纖光學(xué)中，經(jīng)常使用dBm度量光功率的大小。dBm的定義為：光功率=10lg(P0/1mW)(dBm)大于1mW的功率為正值，小于1mW的功率為負(fù)值。10mW為10dBm，0.1mW為-10dBm。光學(xué)特性：光衰減量=-10lg(P0/Pi)(dB)85光纖光柵1976年，加拿大科學(xué)家Hill等人在研究光纖中的非線性效應(yīng)時，首次在摻鍺石英光纖中發(fā)現(xiàn)光敏特性，以及因光致折射率變化而產(chǎn)生的濾波效應(yīng)，由此開啟了光纖光柵這個全新的研究領(lǐng)域。光纖材料的光敏性，是指摻雜光纖被激光照射時，折射率隨光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相應(yīng)的變化，變化大小與光強(qiáng)成線性關(guān)系并可永久保存下來。一般認(rèn)為，光纖材料的光敏性源于摻雜引起的缺陷，由于雜質(zhì)對材料原有分子結(jié)構(gòu)的干擾，不可避免的形成缺陷中心，由此產(chǎn)生新的吸收帶。比如在石英光纖中摻鍺之后，將增加180nm、195nm、213nm、240nm、281nm、325nm、517nm等多個吸收帶，其中240nm和195nm為強(qiáng)吸收帶。通常，對光纖材料光敏性的研究主要集中在240nm和193nm兩個紫外光波段上，也就是說，一般以這兩個波段的紫外光來寫入光纖光柵。普通石英光纖的光敏性較小，很難達(dá)到大的折射率調(diào)制，可以采用載氫等增敏技術(shù)，但是比較耗時，另一種方法是采用專門用于紫外寫入光柵的高光敏性光纖，如硼摻雜的鍺石英光纖。5光纖光柵1976年，加拿大科學(xué)家Hill等人在研究光纖中95.1光纖光柵的制作方法橫向干涉法

用準(zhǔn)分子光束干涉的方法，美國東哈特福德聯(lián)合技術(shù)研究中心的Mehz等人首次制作了橫向側(cè)面曝光寫入的光纖光柵。光源是準(zhǔn)分子泵浦的染料激光器，其輸出是經(jīng)過倍頻的，在紫外244nm譜區(qū)產(chǎn)生相干可調(diào)諧光。兩束光經(jīng)全反射后交于光纖上，產(chǎn)生干涉場，形成明暗相間的干涉條紋，光纖經(jīng)過一定的時間，在纖心內(nèi)部形成與干涉條紋同樣分布的折射率分布變化，從而寫入體光柵。5.1光纖光柵的制作方法橫向干涉法10相位掩模板法光纖光柵相位掩模法的實質(zhì)是用相位掩模光柵以λB/neff寬度的間距來調(diào)制紫外光束的空間相位。這里λB即是所希望的布拉格光纖光柵反射波長，neff是在λB波長處的有效折射率。相位掩模法原理：相位掩模板產(chǎn)生衍射，各級衍射光功率系數(shù)取決于掩模板的占空比d/p和深度h，當(dāng)占空比為50%，并適當(dāng)選擇深度h，可使0級衍射光功率系數(shù)為0，而其他高級次衍射光功率所占比重也很小，主要是±1級衍射光相互干涉，從而寫入光柵。優(yōu)點(diǎn)是對光源相干性和光路穩(wěn)定性要求低且光柵周期與光源波長無關(guān)，缺點(diǎn)是不夠靈活。相位掩模板法相位掩模法原理：相位掩模板產(chǎn)生衍射，各級衍射光功11逐點(diǎn)寫入法Hill采用了Lumonics系列Te-260-2型準(zhǔn)分子激光器，通過一個狹縫擋板，將光束照射在光纖上。激光器的受激氣體為KrF，激光波長為249nm，脈沖重復(fù)率是8ns，平均能量每個脈沖為240mJ，峰值功率為3omw，光束橫截面為3cm×0.7cm。

逐點(diǎn)寫入法是利用聚焦激光束在光纖上移動曝光而寫入光柵，可采用光纖固定光斑移動，或者光斑固定光纖移動方法。該方法要求驅(qū)動光斑或者光纖的微電機(jī)和機(jī)構(gòu)具有高精度，而且由于很難將UV光斑聚焦到1um以下，一般只能用來寫入長周期光纖光柵。逐點(diǎn)寫入法逐點(diǎn)寫入法是利用聚焦激光束在光纖上移動曝光而寫入光12其他光柵寫入法，除以下介紹外，請參閱課本p9-11光纖彎曲法寫入啁啾光纖光柵光纖拉伸法寫入啁啾光纖光柵振幅掩模+相位掩模寫入取樣分布光纖光柵高斯光源+相位掩模寫入高斯切趾光纖光柵其他光柵寫入法，除以下介紹外，請參閱課本p9-11光纖彎曲法13W.L.Bragg將晶體看成是一系列間距為d的離散的互相平行的平面。光纖Bragg光柵的概念ddsin均勻光纖布拉格光柵結(jié)構(gòu)W.L.Bragg將晶體看成是一系列間距為d的離散的互相平行146光纖光柵傳感器基礎(chǔ)光柵的布拉格波長為：反射率：R透射率：T一部分光反射一部分光透射，反射光的心波長峰值為;

因光纖光柵的柵距是沿光纖軸向分布的，因此在外界條件如溫度、壓力的作用下，光纖將產(chǎn)生軸向應(yīng)變與折射率變化，柵距也隨之變化，導(dǎo)致反射波長變化,光纖光柵中心波長的變化與溫度、應(yīng)變的關(guān)系：：熱膨脹系數(shù)：熱光系數(shù)：彈光系數(shù)6光纖光柵傳感器基礎(chǔ)因光纖光柵的柵距是沿光纖軸向分157光纖光柵術(shù)語及性能指標(biāo)(1)傳感器波長：指反射譜中尖峰的中心波長。它與FBG的光柵距離有關(guān)。由于溫度影響光柵距離，所以傳感器波長與溫度有關(guān)。7光纖光柵術(shù)語及性能指標(biāo)16(2)傳感器帶寬：指反射尖峰的帶寬。FBG的帶寬越小，測量精度越高，從現(xiàn)在工藝看，合理的帶寬為0.2nm～0.3nm。(3)反射率：光纖反射率越高，返回測量系統(tǒng)的光功率越大，相應(yīng)的測量傳輸距離越長。推薦反射率大于90%。因為傳輸過程中會存在損耗。(2)傳感器帶寬：指反射尖峰的帶寬。FBG的帶寬越小，測量精17(4)邊摸抑制：如果反射兩邊有其他旁瓣，則檢測儀器要有較高的判斷能力。旁瓣小或沒有（光滑）則對光柵制作要求很高，而對測量儀器要求較低，現(xiàn)在有一些技術(shù)可以抑制邊摸。第1章-光纖器件及原理ppt課件188光纖耦合器1.耦合器的概念和特性引入耦合器的概念P15.耦合器就是用來連接3個或者更多的連接點(diǎn)，將輸入信號分成兩路或者更多路輸出，或?qū)陕坊蛘吒嗦份斎胄盘柡喜⒊梢宦份敵?。光信號在每條支路中的分配比例可以相同也可以不同。使用過程需考慮以下因素：輸入輸出端的數(shù)量；信號的衰減與分束；光傳輸?shù)姆较颍徊ㄩL選擇；光纖類型，即單?；蚨嗄?；偏振敏感與偏振損耗。1:2,1:8，10：16。光敏感，方向性，雙向性P15。分光比依賴于傳輸波長：波長每變化1nm，分光比變化0.2%，允許帶寬20nm，分光比變化小于4%。波長平坦型耦合器，寬帶化是一個重要發(fā)展方向。2.耦合器的類型與制作技術(shù)T形和Y形耦合器，一端輸入，兩端輸出。P17。樹形耦合器：一個輸入端，3個或3個以上的輸出端。星形耦合器：具有多個輸入端與多個輸出端，它們在數(shù)量上通常也是相等的。8光纖耦合器19(1)腐蝕型光纖耦合器P17(2)刨磨型光纖耦合器P17(3)熔融型光纖耦合器熔錐型光纖耦合器因制作方法簡單、價格便宜、容易與外部光纖連接成為一整體，而且可以耐受機(jī)械振動和溫度變化等優(yōu)點(diǎn)，目前成為市場的主流制造技術(shù)。熔融拉錐法就是將兩根（或兩根以上）除去涂覆層的光纖以一定的方法靠擾，在高溫加熱下熔融，同時向兩側(cè)拉伸，最終在加熱區(qū)形成雙錐體形式的特殊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，通過控制光纖扭轉(zhuǎn)的角度和拉伸的長度，可得到不同的分光比例（光耦合）。最后把拉錐區(qū)用固化膠固化在石英基片上插入不銹鋼管內(nèi)，這就是光分路器。對于更多路數(shù)的分路器生產(chǎn)可以用多個二分路器組成。熔融拉錐法其中最重要的生產(chǎn)設(shè)備是融熔機(jī)，也是生產(chǎn)光分路器的重要步驟。雖然重要步驟部分可由機(jī)器代工，但燒結(jié)之后，仍須人工作檢測封裝，因此人工成本約占10～15％左右；再者采用人工檢測封裝須保證品質(zhì)的一致性，這也是量產(chǎn)時所必須克服的，但技術(shù)困難度不若DWDMmodule及光主動元件高，因此初期想進(jìn)入光纖產(chǎn)業(yè)的廠商，大部分會從光耦合器切入，毛利則在20～30％。這種生產(chǎn)工藝因固化膠的熱膨脹系數(shù)與石英基片、不銹鋼管的不一致，在環(huán)境溫度變化時熱脹冷縮的程度就不一致，此種情況容易導(dǎo)致光分路器損壞，尤其把光分路放在野外的情況更甚，這也是光分路容易損壞得最主要原因。

(1)腐蝕型光纖耦合器P1720盡管刨磨型光纖耦合器有很多優(yōu)點(diǎn)，但它的制作過程很費(fèi)時間。熔融拉錐FBT法就是將兩根（或者以上）去除涂覆層的光纖一定的方式靠攏，在高溫加熱下熔融，同時向兩端拉伸，最終在加熱區(qū)形成雙錐體形式的特殊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)傳輸光功率耦合的一種方式。對于單模光纖，傳導(dǎo)模是兩個正交的基模信號，蕩起進(jìn)入熔錐區(qū)時，隨著纖心不斷變細(xì)，光纖截止頻率逐漸減小，越來越多的光功率滲入光纖包層中?！榜詈蠀^(qū)”構(gòu)成了光纖包層為芯，空氣為新包層的復(fù)合波導(dǎo)，光信號在其中傳播。在輸出端，纖芯逐漸變粗，光纖截止頻率重新增大，光功率被兩根光纖以特定的比例捕獲，實現(xiàn)功率分配。盡管刨磨型光纖耦合器有很多優(yōu)點(diǎn)，但它的制作過219光纖隔離器及環(huán)形器

隔離器是一種非互易器件，其主要作用是只允許光波往一個方向上傳輸，阻止光波往其它方向特別是反方向傳輸。隔離器主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到該器件致使器件性能變壞。插入損耗和隔離度是隔離器的兩個主要參數(shù)，對正向入射光的插入損耗值越小越好，對反向反射光的隔離度的值越大越好，目前插入損耗的典型值約為1dB（值越小越好），隔離度的典型值的大致范圍為40~50dB（值越大越好）。9光纖隔離器及環(huán)形器

隔離器是一22光纖隔離器工作原理：假設(shè)入射光是垂直偏振光，起偏振器的透振方向是在垂直方向，故入射光順利通過它射向法拉第旋轉(zhuǎn)器，法拉第旋轉(zhuǎn)器由旋光材料制成，能使光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)一定角度，如45°，并且其旋轉(zhuǎn)方向與光傳播方向無關(guān)。法拉第旋轉(zhuǎn)器后的檢偏振器透振方向若在45°方向上，則經(jīng)過法拉第旋轉(zhuǎn)器旋轉(zhuǎn)45°后的光能通過檢偏振器，即光沿正方向（從左到右）通過這些器件是沒有損耗的。但沿反方向（從右到左）傳送的反射光，其偏振態(tài)也在45°，當(dāng)反射光經(jīng)過法拉第旋轉(zhuǎn)器再旋轉(zhuǎn)45°后，偏振態(tài)達(dá)到90°，變?yōu)樗狡窆?，則無法通過起偏振器。

隔離器的工作原理光纖隔離器工作原理：隔離器的工作原理23光纖環(huán)形器光學(xué)環(huán)行器是一種多端口輸入輸出的非互易性器件。三端口/四端口結(jié)構(gòu)原理：單向傳輸，與光隔離器工作原理基本相同作用：按規(guī)定的端口順序傳輸在三端口環(huán)行器中，端口1輸入的光信號在端口2輸出，端口2輸入的光信號在端口3輸出，端口3輸入光信號在端口1輸出。ACDB三端、四端環(huán)形器示意圖光纖環(huán)形器ACDB三端、四端環(huán)形器示意圖2410光開關(guān)1.微機(jī)電光開關(guān)

按照在光傳輸中的作用，分為3大類：1.將光纖通道中的光信號切斷或開通；2.將光信號由一條光纖通道轉(zhuǎn)換到另一條光纖通道中去；3.將光纖通道中的光信號由一種波長轉(zhuǎn)換成另一種波長。1.微機(jī)電光開關(guān)10光開關(guān)252.電光開關(guān)定向耦合性電光開關(guān)，公式的推導(dǎo)。P21。在同一個基片上配置多個此種類型的耦合元件,就可組成一個開光陣列.2.電光開關(guān)26

第1章-光纖器件及原理ppt課件27M-Z干涉儀電光開關(guān)3.LiNbO3波導(dǎo)構(gòu)成馬赫-曾德爾1X1光開關(guān)P23.M-Z干涉儀電光開關(guān)3.LiNbO3波導(dǎo)構(gòu)成馬赫-曾德爾1X28熱光開關(guān)，介質(zhì)折射率隨溫度變化的公式，以及引起的相位變化。4.M-Z干涉儀型熱光開關(guān)5.Y和X數(shù)字型熱光開關(guān)6.氣泡開關(guān)安捷倫公司結(jié)合熱噴墨打印和硅平面光波導(dǎo)兩種技術(shù)，開發(fā)出的二維光交叉連接系統(tǒng)。又稱為“光子交換平臺”。由許多交叉的硅波導(dǎo)和經(jīng)過交叉點(diǎn)的溝道組成，溝道中填充特定的折射率匹配液。缺省條件下，入射光可沿著波導(dǎo)無交換傳輸。當(dāng)需要交換時，一個熱敏硅片會在液體中波導(dǎo)交叉點(diǎn)處產(chǎn)生一個氣泡，氣泡將入射波導(dǎo)中的光信號全反射至輸出波導(dǎo)，實現(xiàn)光路的選擇、轉(zhuǎn)換。熱光開關(guān)，介質(zhì)折射率隨溫度變化的公式，以及引起的相位變化。297.液晶開關(guān)液晶是一種介于固態(tài)和液態(tài)之間的物質(zhì)，它具有光學(xué)各向異性晶體所特有的雙折射性。液晶分子有較強(qiáng)的電偶極矩，在外電場作用下易于極化；其分子間的作用力比固體弱，容易呈現(xiàn)各種狀態(tài)，而且多數(shù)在介電常數(shù)、折射率、磁化等方面顯示出較大的各向異性。因此，通過微小的外部能量——電、磁、熱等就能實現(xiàn)分子狀態(tài)間的轉(zhuǎn)變，從而引起它的電、光、磁的物理性質(zhì)發(fā)生變化。液晶材料用于光開關(guān)，利用了它的光學(xué)特性隨電場改變的特性，稱液晶的電光效應(yīng)7.液晶開關(guān)30液晶開關(guān)是根據(jù)用外電場控制液晶分子的取向，對偏振進(jìn)行控制而實現(xiàn)開關(guān)功能的。8.磁效應(yīng)光開關(guān)

P279.聲光開關(guān)

液晶開關(guān)是根據(jù)用外電場控制液晶分子的取向，對偏振進(jìn)行控制而實3111波分復(fù)用器所謂波分復(fù)用，是將光纖的各個傳輸波段，按照一定的間隔，如：1.6nm(20GHz)、0.8nm(100GHz)、0.4nm(50GHz)等，分隔成很多較小的頻帶，每個頻帶對應(yīng)一定的波長這就叫波分，然后把每個頻帶的中心頻率作為載波，用它來承載各個不同碼速的光通路。在一根光纖中同時傳輸多個波長的光通路，這就叫復(fù)用。接收端根據(jù)各載波頻率的不同，利用帶通濾波器濾除每一個信道的信號。由于在光頻域上信號頻率差別比較大，人們更喜歡用波長來定義頻率上的差別，因而這樣的復(fù)用方法就稱為波分復(fù)用（WDM）。11波分復(fù)用器321.光柵型波分復(fù)用器P29角色散作用的介紹。2.介質(zhì)薄膜濾波器型波分復(fù)用器重點(diǎn)介紹一下是由于多層介質(zhì)薄膜沉淀疊加帶來的光學(xué)效應(yīng)，看（b）圖3.熔錐型波分復(fù)用器熔錐型波分復(fù)用器是以光纖為基礎(chǔ)的器件，將兩根(或兩根以上)的光纖絞合一小段，采用如圖16(a)所示的加熱熔拉技術(shù)，通過熔拉使光纖形成雙錐形錐體。當(dāng)兩根光纖的一小段纖芯相互靠近(僅幾微米)并使纖芯直徑大幅度減小時，則能實現(xiàn)雙光纖耦合，其結(jié)構(gòu)如圖16(b)所示。1.光柵型波分復(fù)用器P293.熔錐型波分復(fù)用器33圖16熔錐光纖型光復(fù)用器(a)加熱熔拉；(b)熔錐型光復(fù)用器的結(jié)構(gòu)圖16熔錐光纖型光復(fù)用器34集成光波導(dǎo)型波分復(fù)用器集成光波導(dǎo)型波分復(fù)用器是以光集成技術(shù)為基礎(chǔ)的平面波導(dǎo)型器件，具有一切平面波導(dǎo)技術(shù)的潛在優(yōu)點(diǎn)，諸如適于批量生產(chǎn)、重復(fù)性好、尺寸小、可以在光掩膜過程中實現(xiàn)復(fù)雜的光路、與光纖的對準(zhǔn)容易等等，因而代表了一種先進(jìn)的波分復(fù)用技術(shù)。目前，平面波導(dǎo)型波分復(fù)用器已有各種實現(xiàn)方案，主要有集成的M-Z干涉型、橢圓型布拉格反射器型、反向布拉格耦合器型、啁啾式光柵型、布拉格光柵型、選擇性級聯(lián)模轉(zhuǎn)換型等等。圖17所示為一個平面波導(dǎo)型波分復(fù)用器的結(jié)構(gòu)原理圖，主要部分是兩個平面“