付小宁版“光电检测技术与系统”第八章光纤探测技术与系统

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1、第八章光纤探测技术与系统§8.1光纤测试技术基础8.1.1光纤结构8.1.2光纤类型8.1.3光纤传输特性8.1.4单模光纤的偏振与模式双折射8.1.5光纤的连接耦合技术§8.2光纤传感器的原理与实现8.2.1强度调制光纤传感器8.2.2相位调制光纤传感器8.2.3频率调制光纤传感器8.2.4偏振调制光纤传感器8.2.5波长调制光纤传感器§8.3光纤布拉格光栅传感器8.3.1传感原理8.3.2解调技术8.3.3封装增敏和复用技术2021/10/62在实际的光传输过程中，光纤易受外界环境因素影响，如温度、压力、电磁场等外界

2、条件的变化将引起光纤光波参数如光强、相位、频率、偏振、波长等的变化。因此，测出光波参数的变化，就可以知道导致光波参数变化的各种物理量的大小，于是产生了光纤传感技术。光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列独特的优点，如灵敏度高，抗电磁干扰，耐腐蚀，电绝缘性好，防爆，光路有可挠曲性，便于与计算机联接，结构简单，体积小，重量轻，耗电少等。2021/10/638.1.1光纤结构光纤是能够传输光的纤维波导或光导纤维的简称，如图8.1-1所示。§8.1光纤测试技术基础在图8.1-1所示具体得到光纤中，当光线在纤芯与包层的分界面的入

3、射角大于时，才能保证光线在纤芯内产生多次全反射，使光线沿光纤传输。然而，内光线的这个入射角的大小又取决于从空气中入射的光束进入纤芯所产生的折射角，因此，空气和纤芯界面上入射光的入射角就限定了光能能否在光纤中以全反射形式传输。2021/10/64与内光线入射角的临界值相对应，光纤入射光的入射角也有一个最大值，当时，入射光在光纤内将以大于或等于的入射角在纤芯和包层界面上产生多次全反射。在上述临界条件下，空气和纤芯界面上，入射光线满足（8.1-4）式（8.1-4）中为光线由空气进入纤芯后的折射角，并且满足此时内光线在纤芯与包层

4、的界面上发生全反射，由斯涅耳定律，有（8.1-5）于是有（8.1-6）定义为光纤的数值孔径为（8.1-7）NA是表示光纤波导特性的重要参数，它的平方是光纤端面集光能力的量度，反映光纤与光源或探测器等元件耦合时的耦合效率。2021/10/658.1.2光纤类型8.1.2.1单模光纤和多模光纤单模光纤只能传输一种模式，但这种模式可以按两种相互正交的偏振状态出现。多模光纤传输多种模式，往往有几百到几千模式。光纤能传导的模式数N可用下式计算（8.1-10）式（8.1-10）中，是纤芯折射率的最大值；是光纤断面折射率分布指数，它决

5、定光纤折射率沿径向分布的规律，为最大相对折射率差，即（8.1-11）8.1.2.2阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤根据纤芯径向折射率的不同，光纤又可分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤。通常，单模光纤多半是阶跃折射率分布，多模光纤既有阶跃折射率也有渐变折射率分布。图8-3阶跃光纤、渐变光纤和单模光纤折射率的分布2021/10/67实际设计与使用的光纤，其性能也各不相同。单模光纤频带极宽，而渐变折射率光纤的信息容量较大，且处理简便。当需要从光源处收集尽可能多的光能时，则使用粗芯阶跃折射率多模光纤比较合适。因此，通常在短距离、低

6、数据率通信系统中使用多模阶跃光纤；在长距离、高数据率通信系统中使用单模光纤或渐变折射率多模光纤。在光纤传感应用中，光强度调制型或传光型光纤传感器绝大多数采用多模（阶跃或渐变折射率）光纤。相位调制型和偏振态凋制型光纤传感器采用单模光纤，例如，满足特殊要求的保偏光纤、低双折射光纤、高双折射光纤等。2021/10/688.1.3光纤传输特性光纤的衰减（或损耗）和色散（或带宽）是描述光纤传输特性的两个重要参量。8.1.3.1光纤的损耗光纤的损耗主要包括吸收损耗、散射损耗和微扰损耗，这里主要介绍前2种。（1）吸收损耗玻璃材料的吸收

7、损耗主要是由它们所含的过渡金属离子所造成的（如铜、铁、铬等正离子）。此外氢氧根（OH-）引起的吸收损耗亦是极为重要的因素。（2）散射损耗一切透明物体都具有因密度不均匀而引起的折射率不均匀，因而使光向各个方向散射造成光能量的损耗，这种散射称为瑞利散射，它代表了光纤损耗的最低极限。当波长小于0.8µm时，瑞利散射引起的损耗随波长的缩短而明显增加。因此目前使用的石英玻璃光纤，其使用波段限于0.8~1.7µm波段之间。此外，光纤在制造过程中造成的缺陷，如纤芯与包层的界面不规则、光纤粗细不均匀等都会引起模式耦合而使一部分能量转移到

8、辐射模而逸出纤芯，造成散射损耗。光纤弯曲时亦会引起模式耦合而造成“弯曲损耗”。8.1.3.2光纤的色散与脉冲展宽光纤色散是指输入光脉冲在光纤中传输时，产生的光脉冲展宽的现象。色散的存在使传输的信号脉冲发生畸变，从而限制了光纤的传输带宽。光纤色散可分为三种：即材料色散、波导色散和模间色散。前两种色散通常均称为模内色散。