光纖及光纖傳感器PPT課件.ppt

1、11 光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀 1.1.1 探索時期的光通信 1.1.2 現(xiàn)代光纖通信 1.1.3 國內(nèi)外光纖通信發(fā)展的現(xiàn)狀 1 2 光纖通信的優(yōu)點和應(yīng)用 1.2.1 光通信與電通信 1.2.2 光纖通信的優(yōu)點 1.2.3 光纖通信的應(yīng)用 1 3 光纖通信系統(tǒng)的基本組成 1.3.1 發(fā)射和接收 1.3.2 基本光纖傳輸系統(tǒng) 1.3.3 數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬通信系統(tǒng),返回主目錄,光纖通訊簡介,1.1 光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀 1.1.1 探索時期的光通信, 在這個時期，美國麻省理工學院利用He - Ne激光器和CO2激光器進行了大氣激光通信試驗。,由于沒有找到穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質(zhì)， 對光通信

2、的研究曾一度走入了低潮。, 1960年，美國人梅曼(Maiman)發(fā)明了第一臺紅寶石激光器， 給光通信帶來了新的希望。激光器的發(fā)明和應(yīng)用， 使沉睡了80年的光通信進入一個嶄新的階段。, 1880年，美國人貝爾(Bell)發(fā)明了用光波作載波傳送話音的“光電話”。貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型。, 原始形式的光通信:中國古代用“烽火臺”報警，歐洲人用旗語傳送信息。,1.1.2 現(xiàn)代光纖通信 1966年，英籍華裔學者高錕(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的論文，指出了利用光纖(Optical Fiber)進行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，奠定了現(xiàn)代光通信光纖通

3、信的基礎(chǔ)。,指明通過“原材料的提純制造出適合于長距離通信使用的低損耗光纖”這一發(fā)展方向,光纖通信發(fā)明家高錕(左)1998年在英國接受IEE授予的獎?wù)? 1970年，光纖研制取得了重大突破 1970年，美國康寧(Corning)公司研制成功損耗20dB/km的石英光纖。把光纖通信的研究開發(fā)推向一個新階段。 1972年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4 dB/km。 1973 年，美國貝爾(Bell)實驗室的光纖損耗降低到2.5dB/km。1974 年降低到1.1dB/km。 1976 年，日本電報電話(NTT)公司將光纖損耗降低到0.47 dB/km(波長1.2m)。 在以后的 10 年中，

4、波長為1.55 m的光纖損耗： 1979 年是0.20 dB/km，1984年是0.157 dB/km，1986 年是0.154 dB/km， 接近了光纖最低損耗的理論極限。,1970 年，光纖通信用光源取得了實質(zhì)性的進展 1970年，美國貝爾實驗室、日本電氣公司(NEC)和前蘇聯(lián)先后，研制成功室溫下連續(xù)振蕩的鎵鋁砷(GaAlAs)雙異質(zhì)結(jié)半導體激光器(短波長)。雖然壽命只有幾個小時，但它為半導體激光器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 1973 年，半導體激光器壽命達到7000小時。 1976年，日本電報電話公司研制成功發(fā)射波長為1.3 m的銦鎵砷磷(InGaAsP)激光器。 1977 年，貝爾實驗室研制的

5、半導體激光器壽命達到10萬小時。 1979年美國電報電話(AT 另一類是非功能型（傳光型）傳感器。功能型傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件, 被測量對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M行調(diào)制, 使傳輸?shù)墓獾膹姸取⑾辔?、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化, 再通過對被調(diào)制過的信號進行解調(diào), 從而得出被測信號。,三、 光纖傳感器,功能型傳感器,非功能型傳感器是利用其它敏感元件感受被測量的變化, 光纖僅作為信息的傳輸介質(zhì)。,傳光型傳感器,1:光強調(diào)制型光纖傳感器 光纖微彎曲位移和壓力傳感器是光強調(diào)制型光纖傳感器的一個典型例子。它是基于光纖微彎而產(chǎn)生的彎曲損耗原理制成的。微彎曲損耗的機理可用圖6.16中光纖微彎對傳播

6、光的影響來說明。假如光線在光纖的直線段以大于臨界角射入界面（c）,則光線在界面上產(chǎn)生全反射。理想情況下,光將無衰減地在纖芯內(nèi)傳播。當光線射入微彎曲段的界面上時,入射角將小于臨界角（ c ）。這時,一部分光在纖芯和包層的界面上反射；另一部分光則透射進入包層,從而導致光能的損耗?；谶@一原理,人們研制成了光纖微彎曲傳感器（如圖8-29所示）。,圖8-29 光纖微彎對傳播光的影響,該傳感器由兩塊波形板（變形器）構(gòu)成,其中一塊是活動板,另一塊是固定板。波形板一般采用尼龍、有機玻璃等非金屬材料制成。一根階躍型多模光纖（或漸變型多模光纖）從一對波形板之間通過。當活動板受到微擾（位移或壓力）作用時,光纖就會

7、發(fā)生周期性微彎曲,引起傳播光的散射損耗,使光在芯模中重新分配： 一部分光從芯模（傳播模）耦合到包層模（輻射模）；另一部分光反射回芯模。當活動板的位移或壓力增加時,泄漏到包層的散射光隨之增大；相反,光纖芯模的輸出光強度就減小。參見圖8-30。于是光強就受到了調(diào)制。通過檢測泄漏出包層的散射光強度或光纖芯透射光強度就能測出位移（或壓力）信號。,圖8-30 光纖微彎曲位移（壓力）傳感器原理圖,圖8-31 光纖芯透射光強度與外力的關(guān)系,光纖微彎曲傳感器的一個突出優(yōu)點是光功率維持在光纖內(nèi)部,這樣就可以免除周圍環(huán)境污染的影響,適宜在惡劣環(huán)境中使用。另外,它還有靈敏度較高（能檢測小至100Pa的壓力變化）、結(jié)

8、構(gòu)簡單、動態(tài)范圍寬、線性度較好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。因此,光纖微彎曲傳感器是一種有發(fā)展前途的傳感器。,微彎式光纖壓力傳感,基于光纖的微彎效應(yīng)，即由壓力引起變形器產(chǎn)生位移，使光纖彎曲而調(diào)制光強度。,1 聚碳酸酯薄膜 2 可動變形板 3 固定變形板 4、5 光纖,微彎式光纖水聽器探頭最小1Pa, 光纖溫度傳感器 光纖溫度傳感器是目前僅次于加速度、壓力傳感器而廣泛使用的光纖傳感器。根據(jù)工作原理可分為相位調(diào)制型、 光強調(diào)制型和偏振光型等。這里僅介紹一種光強調(diào)制型的半導體光吸收型光纖溫度傳感器, 圖8 - 30為這種傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖, 它的敏感元件是一個半導體光吸收器, 光纖用來傳輸信號。傳感器是由半導體

9、光吸收器、光纖、發(fā)射光源和包括光控制器在內(nèi)的信號處理系統(tǒng)等組成。它體積小、靈敏度高、 工作可靠, 廣泛應(yīng)用于高壓電力裝置中的溫度測量等特殊場合。,這個性質(zhì)反映在半導體(如砷化鎵)的透光性上則表現(xiàn)為：當溫度升高時，其透射率曲線將向長波方向移動。若采用發(fā)射光譜與半導體的g（t）相匹配的發(fā)光二極管作為光源，則透射光強度將隨著溫度的升高而減小，即通過檢測透射光的強度或透射率，即可檢測溫度變化。,半導體透射測量原理,這種傳感器的基本原理是利用了多數(shù)半導體的能帶隨溫度的升高而減小的特性, 材料的吸收光波長將隨溫度增加而向長波方向移動, 如果適當?shù)剡x定一種波長在該材料工作范圍內(nèi)的光源, 那么就可以使透射過半

10、導體材料的光強隨溫度而變化, 從而達到測量溫度的目的。 這種光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、成本低、便于推廣應(yīng)用, 可在-10300的溫度范圍內(nèi)進行測量, 響應(yīng)時間約為2 s。 , 光纖反射式位移傳感器,反射式光纖位移傳感器原理圖,采用彈性元件的光纖壓力傳感器,膜片反射式光纖壓力傳感器示意圖,膜片的中心撓度 y,若利用Y形光纖束位移特性的線性區(qū)，則傳感器的輸出光功率亦與待測壓力呈線性關(guān)系。,1 Y形光纖 2 殼體 3 膜片,與所加的壓力P呈線性關(guān)系,光纖圖像傳感器是靠光纖傳像束實現(xiàn)圖像傳施的。傳像束由玻璃光纖按陣列排列而成。一根傳像束一般由數(shù)萬到幾十萬條直徑為10一20um的光纖組成，每條光纖傳送一個像素信息。用傳像束可以對圖像進行傳遞、分解、合成和修正。傳像束式的光纖圖像傳感器在醫(yī)療、工業(yè)、軍事部門有著廣泛的應(yīng)用。,有較好的靈敏