信息功能材料与器件原理（光纤材料与光纤传感）.ppt

信息功能材料与器件原理（光纤材料与光纤传感） 材料学院 信息材料系 国凤云 概述 1966年高锟论证了石英玻璃光纤的传输损耗可降到20dB/km（当时水平为1000dB/km），甚至更小的可能性。 1970年美国康宁公司拉制第一根损耗低于20dB/km的单模石英光纤。这使人们确认光导纤维完全能胜任光通信的传输媒质，实现光纤通信。 80年代初，光纤传输损耗在1.55μm时已降至0.2dB/km 。目前，10Gb/s的系统已经商品化，而最高速率超过Tb/s的光纤通信实验系统也已问世。世界铺设的光纤总长度已超过两亿公里。单根光纤通信容量已达上亿条话路。 光纤除体积小、重量轻、损耗低、频带宽、信息容量大优点外，还具有如下独特优点： 光纤传输过程没有电磁泄露，这不仅有利于必威体育官网网址，而且避免了线路的串扰；光纤传输过程不受外界电磁辐射的影响，可以在马达附近、核试验现场等恶劣环境使用；经特殊设计的光纤，其传输光束的振幅、相位、偏振状态、波长等物理量可受外界环境调制而变化，通过相干光检测可得到极高的检测灵敏度。 因而，光纤已作为传感介质广泛用于工业自动控制、军用侦察等领域。 光纤传感的基本原理就是光纤传感器的调制原理,也就是研究外界变化量（力、电、光、热、磁、化学、生物等）的作用如何使光纤中传输光的特性参数（光的振幅、相位、偏振态、波长）发生变化的规律. 传感器的基本构造原理是将光源入射的光束经由光纤送入调制区,在调制区内,外界被测参数与进入调制区的光相互作用,使光的光学性质(如强度、波长、频率、相位、偏振态等)发生变化成为被调制的信号光, 经光纤送入光敏器件、解调器而获得被测参数.传感过程中,光纤可起到导光器和光调制器的作用. 光纤传感器按其传感原理分为两类：一是传光型光纤传感器,一是传感型光纤传感器.两类传感器构造基本相似,都由光源、入射光纤、调制器、出射光纤和光敏器件组成.前者光纤仅起导光作用,后者光纤兼具导光和光调制器功能. 实际上,研究光纤传感器原理就是定性或定量研究光在调制器内与外界被测物理量的相互作用,也就是光纤中的光束被外界物理量调制的原理。 * 一、光纤结构与传光特性 1、光纤基本结构 一、光纤结构与传光特性 光纤是一种介质光波导。光波导是指将光波约束在其中并能定向传播的器件。通常其结构有多种形状，有圆柱形、平面形、矩形等。它们的共同特点是中央介质的折射率比周围介质高，利用光在两种介质界面上的全反射来约束光波，从而实现光在中央介质中的定向传输。 光纤可视为圆柱形光波导，分两个同轴区，内层为折射率高的纤芯，外层为包层，两者之间有良好的光学接触界面。 图（a）是光纤的横截面图，纤芯直径为2a, 包层直径2b。 一、光纤结构与传光特性 分类 按纤芯折射率不同可分为阶跃折射率型光纤（SIF—Step Index Fiber， 简称阶跃光纤），和梯度折射率型光纤（GIF—Graded Index Fiber, 简称渐变光纤或梯度光纤）两种。 图2-1表示这两种光纤的横截面折射率分布。 图（b）表示阶跃光纤的横截面折射率分布,其中n1是纤芯 折射率，分布均匀，其值略高一些。n2是包层的 折射率，分布也是均匀的，其值略低一些。 图（c）表示渐变光纤的横截面折射率分布,包层中折射 率为n2 ，是均匀的，但在纤芯中折射率是半径r 的函数n(r)，其分布由包层起逐渐增大，并在纤 芯中心处达到最大值n1。 按光纤传输特性不同又可分为单模光纤和多模光纤两大类。当光纤中只传输一种模式时，称单模光纤。单模光纤的纤芯直径极小，约在2a=2 ～ 12μm范围，纤芯—包层的折射率差也小，Δ=(n1-n2)/n1=0.0005～0.01 。当光纤中传输的模式是多个时，则称多模光纤 。多模光纤的纤芯直径较大，芯径约在2a=50μm～500μm范围，纤芯—包层的折射率差大，Δ=0.01～0.02 。 一、光纤结构与传光特性 子午光线的传播条件 通过光纤中心轴的任何平面都称为子午面，位于子午面内的光线被称为子午线。条件：入射到纤芯和包层分界面上的入射角应满足全反射条件（全反射传输） ，即θ≥θc，θc为临界角。或?≤?c，相应的入射端面上的入射角ψ≤ψc，即： 一、光纤结构与传光特性 2、光纤的传光特性 2.1 阶跃光纤中光线传输 图中n1，n2分别为纤芯和包层的折射率，n0为光纤周围媒质的折射率。 子午光线的传播 如图可将光纤分为若干阶梯状薄层，认为各薄层的折射率一定，可采用类似前述的均匀折射率（阶跃光纤）全反射方法分析。例如入射到纤芯中央折射率最高处的三束光线在各