3章光纤与光学传感技术详解ppt课件.ppt

2022/12/27,1,光与现代科技讲座,第三章 光纤与光学传感技术,2022/12/27,2,光与现代科技讲座,云南大学信息学院通信工程系 宗 容13700687824,第三章 光纤与光学传感技术,光与现代科技,2022/12/27,3,光与现代科技讲座,第一章 绪论 2第二章 光源与激光器 2第三章 光纤与光学传感技术 4第四章 激光在现代医学中的应用 4第五章 激光在军事技术中的应用 4第六章 激光在现代工业和加工中的应用 4 第七章 光与信息技术 4第八章 光通信技术与网络 6第九章 光学成像、全息与显示技术 2第十章 光电集成与纳米技术 2,2022/12/27,4,第三章 光纤与光学传感技术,3.1 光纤与传光原理3.1.1 光纤构造与分类3.1.2 光纤传光原理3.1.3 光纤传输特性3.1.4 光缆3.2 光纤传感器3.2.1 光纤传感器基本工作原理及类型3.2.2 光纤传感器的调制器原理3.2.3 偏振调制调制型光纤传感器的应用举例光纤电流传感器3.2.4 光纤图像传感器3.3 图像传感器 3.3.1 CCD图像传感器3.3.2 CMOS图像传感器,3.4 激光与红外传感器(探测器)3.4.1 激光传感器3.4.2 红外辐射传感器3.4.3 红外探测器(传感器) 3.5 超声波传感器3.5.1 超声波的基本特性3.5.2 超声波传感器3.6 核辐射传感器3.6.1 核辐射源 放射性同位素3.6.2 核辐射传感器3.7 辐射式传感器应用举例,2022/12/27,5,3.1 光纤与传光原理,3.1.1 光纤的构造与分类3.1.2 光纤传光原理3.1.3 光纤的传输特性3.1.4 光缆,2022/12/27,6,3.1.1 光纤的构造与分类,一、光纤的构造二、光纤的分类三、常用光纤四、光纤制作方法简介,2022/12/27,7,一、光纤的构造,1、纤芯，光信号的传输2、包层，限制光信号溢出3、一次涂敷层（预涂层）， 保护光纤增加韧性4、缓冲层，减少对光纤的压 力5、二次涂敷层（套塑层）， 加强光纤的机械强度,2022/12/27,8,1、纤芯：位于光纤中心部位，主要成分是高纯度的SiO2,纯度可达99.99999%，其余成份为掺入极少量掺杂剂，如P2O5和GeO2，掺杂剂的作用是提高纤芯的折射率。纤芯直径一般为2a3100m2、包层：含有少量掺杂剂的高纯度SiO2,掺杂剂有氟或硼，其作用是降低包层折射率，包层直径2b125140m3、一次涂层：厚度540m，材料一般为环氧树脂或硅橡胶，可承受7kg拉力4、缓冲层：厚度100m5、二次涂敷层：原料大都采用尼龙或聚乙烯,1层2层光纤345层护层5层大约0.9mm左右,2022/12/27,9,2022/12/27,10,二、光纤的分类1,1、从原材料分：石英系光纤:这种材料的光损耗比较小，在波长1.2m时、最低损耗约为0.47dB/km。多组份玻璃光纤:用常规玻璃制成，损耗也很低。如硼硅酸钠玻璃光纤，在波长0.84m时，最低损耗为3.4dB/km。塑料光纤:用人工合成导光塑料制成，其损耗较大。当0.63m时，损耗高达100200 dB/km；但重量轻，成本低，柔软性好，适用于短距离导光。氟化物光纤液芯光纤掺杂光纤，如掺铒光纤 由于石英系光纤具有传输衰减小，通信频带宽，机械强度较高等特点，在通信系统中得到广泛应用。,2022/12/27,11,材料对性能的影响,2022/12/27,12,光纤分类2,2、按照光纤横截面上折射率分布特征n(r) 分：阶跃型光纤，也称突变型光纤（常用SI表示Step Index fibber） 纤芯与包层的折射率均为一常数，其界面处呈阶跃式变化。渐变型光纤，也称梯度光纤或自聚焦光纤（常用GI表示Graded Index fibber ）纤芯折射率连续变化，包层的折射率则为一常数。W型光纤 等,2022/12/27,13,相对折射率差， （ n1 - n2 ) / n1,2022/12/27,14,a 双包层,b 三角芯,c 椭圆芯,典型特种单模光纤,2022/12/27,15,a阶跃型光纤；b渐变型光纤；c单模光纤,2022/12/27,16,光纤分类3,3、按光纤内的导模数分多模光纤(MMMulti Mode fiber) 可传输多种模式，或允许多种场结构存在2a=5075m ，2b=100-200 m （多模）这类光纤性能较差，带宽较窄；但由于芯子的截面积大，容易制造、连接耦合比较方便，也得到了广泛应用。单模光纤(SMSingle Mode fiber) 只传输一种模式 2a=410 m ，2b=125 m (单模)这类光纤传输性能好、频带很宽，具有较好的线性度；但因内芯尺寸小，难以制造和耦合。,2022/12/27,17,光纤分类4,4、按套塑的情况分松套紧套5、按工作波长分短波长光纤：0.80.9m长波长光纤： 1.01.7m超长波长光纤： 2m 短波长与长波长光纤为石英系光纤，而超长波长光纤为非石英系光纤，如重金属氧化物、硫硒碲化合物和卤化物光纤等,2022/12/27,18,光纤分类5,6按用途分类 (1)通信光纤。 用于光通信系统，实际使用中大多使用光缆（多根光纤组成的线缆），是光通信的主要传光介质。 (2)非通信光纤。 这类光纤有低双折射光纤、高双折射光纤、涂层光纤、液芯光纤和多模梯度光纤等几类。,2022/12/27,19,三、常用光纤,1、阶跃多模光纤（SIF）2、梯度多模光纤（GIF）3、单模光纤（SMF） 目前常用单模光纤有：G.652 、G.653、 G.654、 G.655,2022/12/27,20,按照零色散波长将单模光纤分为6种,非色散位移光纤：G.652色散位移光纤：G.653截止波长位移光纤： G.654非零色散位移光纤：G.655色散平坦光纤色散补偿光纤,2022/12/27,21,不同结构单模光纤的色散特性,2022/12/27,22,G.651，多模渐变型（GIF）光纤（或称梯度光纤），它在光纤通信发展的初期广泛应用于中小容量，中短距离的通信系统；G.652 常规单模光纤，或称非色散位移光纤，是第一代单模光纤，其特点是在波长1310nm色散为零，系统的传输距离只受损耗的限制，但1310nm处损耗不是最小值（0.4dB/km）。光纤工作在1550nm窗口衰减小，且具有EDFA供选用，但其在1550nm窗口色散大，不利于高速系统的长距离传输。,2022/12/27,23,G.653 色散移位光纤，是第二代单模光纤，其特点是在波长1550nm色散为零，损耗又最小。适用于大容量长距离通信系统。但其在波分复用时会出现四波混频效应，故其被限用于单信道高速传输。G.654 截止波长位移光纤，1550nm损耗最小单模光纤，其特点是在波长1310nm处色散为零，在1550nm处色散为1720ps/(nm.km)，和常规单模光纤相同，但损耗更低，可达0.2dB/km以下。它主要是一种用于1550nm改进的常规单模光纤。目的是增加传输距离,2022/12/27,24,G.655 非零色散位移光纤，是一种改进的色散移位光纤，在密集波分复用（WDM）系统中，当使用波长1550nm色散为零的色散移位光纤时，由于复用信道多，信道间隔小，出现了一种称为四波混频的非线性效应。这种效应是由两个或三个波长的传输光混合而产生的有害分量，它使信道间相互干扰。如果色散为零，四波混频的干扰十分严重，如果有微量色散，四波混频反而减小。为此，科学家研究了非零色散光纤。,2022/12/27,25,G.655光纤的特点是有效面积大，零色散波长不在1550nm，而在1525nm或1585nm。在1550nm有微量色散，其值大到足以抑制密集波分复用系统的四波混频效应，小到允许信道传输速率达到10Gb/s以上。它具有常规单模光纤和色散移位光纤的优点，是最新一代的单模光纤。光纤工作在1550nm窗口衰减小、色散低，大大减小四波混频效应，故其可用于远距离、波分复用、孤子传输高速系统中，实现超大容量超长距离的通信。康宁(Corning)公司开发的这种新型光纤称为长距离系统光纤(Long Haul System Fiber)；AT&T(美国电报电话)公司开发的这种光纤称为真波光纤(True Wave Fiber),2022/12/27,26,色散补偿光纤，其特点是在波长1550nm具有大的负色散，这种光纤是针对波长为1310nm的常规单模光纤系统升级而设计的，因为当这种系统要使用掺铒光纤放大器（EDFA）以增加传输距离时，必须把工作波长从1310nm移到1550nm，。用色散补偿光纤在波长为1550nm的负色散和常规单模光纤在1550nm的正色散相互抵消，以获得线路总色散零而损耗又最小的效果。色散平坦光纤，其特点是色散值在一定范围内为常数，,2022/12/27,27,四、光纤制造方法,改进的化学汽相沉积法(MCVD) 等离子体激活化学汽相沉积法(PCVD)管外化学汽相沉积法 汽相轴向沉积法（VAD） 管外汽相沉积法（OVPD）多种组份玻璃制造法,2022/12/27,28,光纤制作简介,光纤的制造工艺主要包括熔炼、拉丝和套塑三个主要过程。1、熔炼 熔炼过程是把超纯的化学原料四氯化硅和氧气，经过高温化学反应合成低损耗的优质石英棒（称为光纤预制棒）。熔炼时。一般掺入少量杂质以控制折射率。如锗、磷、硼氟等。,2022/12/27,29,其化学反应如下： SiCl4 + O2 SiO2 + 2Cl2 GeCl4 + O2 GeO2 + 2Cl2 其中，SiO2 是石英，这就是化学合成法。原料SiCl4可以是气化的液体，它比固体容易提纯，故制作超纯石英不宜把固体天然石英提纯而宁可采用化学合成法。熔炼工艺有很多种，这里仅以改良的化学气相沉积法(MCVD)来说明熔炼过程。,2022/12/27,30,合成的SiO2以粉末状沉积在石英坯管内管壁上，遇到高温即融成一层很薄的透明含锗的优质石英。火焰来回移动，管子均匀旋转，一层层的优质石英均匀地沉积在管内。,2022/12/27,31,当沉积的石英层有足够的厚度后，把火焰温度升高到17002000 ，石英管被软化，由于它的表面张力，石英管自动收缩，而将管子的中心孔填没，成为一根实心用以制作光纤的石英棒，称为预制棒。预制棒的芯子是优质石英，用以导光，外表皮是一般石英，不作导光用，仅起保护作用。2、拉丝 拉丝是把较粗的石英预制棒拉成细长的光纤。拉丝装置示意图如下。,2022/12/27,32,预制棒缓缓送入，高温下被软化，由拉丝轮拉成细丝。为保证光纤直径精度，采用激光测径仪，并按照偏差信号反馈控制炉温和拉丝温度等。为保护光纤表面不被外界污染而产生微裂纹，必须在光纤成形后马上涂覆一层保护涂料，并立即固化，最后卷绕在套筒上。,2022/12/27,33,3、套塑,为进一步保护光纤，提高光纤的机械强度，一般把带有涂敷层的光纤再套上一层尼龙。光纤的套塑方式有两种：松套：光纤可在尼龙管内松动，其涂敷材料一般为环氧树脂，抗水性能不很好，常填充半流质的油膏(Jelly)。紧套：其涂敷材料一般是硅橡胶，外面紧密无间隙地套上一层尼龙，光纤在尼龙管内不能松动。,2022/12/27,34,紧套光纤结构简单，操作方便，而松套光纤防水性能和机械性能较好。由于石英光纤是用掺杂材料制成的，所以其物理性能比金属材料稳定得多，但光纤在套塑后，由于套塑原料的膨胀系数较石英大得多，所以在低温时塑料收缩，形成光纤的微弯曲而增加了衰减。故而适当注意套塑工艺可获得温度特性良好的光纤。,2022/12/27,35,3.1.2 光纤的传光原理,分析光纤的传输原理有两种方法：几何光学法：将光看成一条条的几何射线来分析，也称射线理论 应用条件：光波的波长远小于光纤的几何尺寸，只适用于多模光纤波动光学法：光波按电磁场理论，用麦克斯韦方程组求解，也称模式理论。 它既可用于多模光纤，也可用于单模光纤,2022/12/27,36,本节主要内容,一、几何光学法射线理论基础知识阶跃光纤中的光线轨迹和数值孔径渐变光纤中的光线轨迹和数值孔径光线模式的分立性二、光纤传输的波动理论模式的概念与线偏振模归一化频率模截止频率与导模的传输条件单模传输的条件单模光纤,2022/12/27,37,基础知识,1、光谱、光速和媒质的折射率 光在真空中的速度C=2.9979108 m/s， 空气中为 C0=2.997108 m/s， 在其它媒质中的速度 = c / n n 为折射率, 如n水=1.33, n玻璃=1.5 n 大为光密媒质， n 小为光疏媒质，且 n 还与光的波长有关，或者说，不同波长的光在同一媒质中传输速度有差异。如玻璃对红光（波长较大）的折射率比对紫光（波长较小）的折射率小。,2022/12/27,38,2、光的反射、折射和全反射,光波属于电磁波范畴，在均匀介质中传播时，其轨迹是一条直线，可称为光射线。当光射线射到两介质（媒质）交界面时，将发生反射和折射。,设入射角为i ，反射角为r ，折射角为t 则 i r （反射定理) n1Sin i = n2Sin t （折射定理，即斯涅尔Snell 定理）,2022/12/27,39,当光从光密媒质向光疏媒质入射， 则t i当光从光疏媒质向光密媒质入射， 则t i,2022/12/27,40,反射系数R(即反射光功率与入射光功率之必)与入射角i有关， i在030入射角范围内时，则,折射到第二种介质中的光功率部分为，T=1-R例：一束自然光自空气垂直射向玻璃，若n波=1.5，入射功率为P0，试计算进入玻璃的功率。解：R=(1.5-1)/(1.5+1)2=0.04 则 T=1-R=0.96，故进入玻璃内的功率为0.96P0 .,2022/12/27,41,全反射的形成,当光线由光密媒质（如n1）射向光疏媒质（如n2）时，由于n1n2，则此时介质中折射线将离开法线而折射， r t 。当入射角增加到某一值时，可使得折射角t = 90o,这时折射线将沿界面传输，此时的入射角称为临界角，用c表示。根据折射定理 n1Sin i = n2Sin t 当i c时，折射角t必大于90o，光射线不再进入介质，而由界面全部反射回介质，这种现象称为全反射。此时反向系数的模值等于1。,2022/12/27,42,1、阶跃光纤中的光线轨迹和数值孔径,（1）光线轨迹,2022/12/27,43,光线 1 以角入射，折射角为1，若在包层纤芯边界满足： 90o 1 c （全反射临界角)，则光线 1 以之字形折线在纤芯中传播，直至能量损失殆尽或从光纤中另一端射出。始终被束缚在芯区中的光线被称为“传导模”，或简称“导模”光线根据斯奈尔(Snell)定律,有 n0Sin n1Sin 1 n1Cos1,2022/12/27,44,光线 2 以c角入射，折射线在包芯边界恰好满足全反射（折射角为90o ），相应光线将以为c 入射到交界面，并沿交界面向前传播。光线 3 的初始入射角较大，致使到达芯包层界面时不满足该处全反射条件，此光线折射进入包层。这种光线的能量经过不长光纤的传输（约几百米）便损失掉了。这种光线被称为“包层模”或“辐射模”光线，它对光纤通信无效。,2022/12/27,45,（2）数值孔径,由上述三种光线轨迹可知，只有在半锥角为 c的圆锥内的入射的光束才能在光纤中传播。根据这个传播条件，定义临界角c的正弦为数值孔径（Numerical Aperture , NA)。根据定义和斯奈尔定律NA=n0Sinc=n1Cosc，n1Sincn2Sin 90o 解之有：式中，(n1-n2) / n1 相对折射率差如0.01，n1=1.5，则NA=0.21 或 12.2o,2022/12/27,46,数值孔径NA是光纤接受和传输光的能力，它取决于折射率nNA(或) c越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。对于无损耗光纤，在c内的入射光都能在光纤中传输。NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。但NA越大，经光纤传输后产生的信号崎变越大，色散带宽变差，限制了信息传输容量。ITUT(CCITU)规定： NA0.150.24 0.002 我国规定： NA0.2 0.02,2022/12/27,47,（3）子午光线、斜光线和螺旋光线,子午光线：光线始终在经过轴线的某个平面内，该面为子午面。若入射光线原来就在子午面内，则射入光纤后仍为子午光线。斜光线：光纤入射方向与子午面有一夹角，则射入光纤后，将形成一条条空间折线，此折线在圆周方向的投影是一段段搭接在纤芯边界圆上的等长弦。 一般它们不一定形成正多变形，而绕轴足够多圈后，不同方位的弦互相交叠，将充满以纤芯边界为外圆的环行区，环的内圆半径等于等长弦的弦心距。 实际上，光纤中的斜光线是以此环形为底面的圆形管壁中曲折前进的。,2022/12/27,48,螺旋光线：当内圆柱面半径加大，最后与纤芯边界重合，此时的光线轨迹相当于沿着芯包边界的圆柱面螺旋前进，因而被称为螺旋光线。光纤端面上接受斜光线入射角的最大角s与NA有：Sin sCos=NA， 相邻两段等长弦的夹角之半由此可以看出，在满足芯包边界全反射的条件下，对斜光线的端面入射角度比对子午光线有所放松。那些在“放松”角度范围内入射的斜光线，有时被称为“隧道模”光线。它们虽然能在芯区正常传输，但因不易定量分析，常被暂时忽略，只在其影响正确测量时，才设法避免或修正。,2022/12/27,49,2、梯度光纤中的光线轨迹和局部数值孔径,其光线轨迹可用射线方程来描述深入分析表明，抛物光纤中的光纤轨迹近似正弦线。,2022/12/27,50,2022/12/27,51,自聚焦效应：,渐变多模光纤具有自聚焦效应，不仅不同入射角相应当光线会聚焦在同一点上，而且这些光线的时间延迟也近似相等。这是因为光线传播速度v( r) =c/n( r)，入射角大的光线经历代路程较长，但大部分路程远离中心轴线， n( r )较小，传播速度较快，补偿了较长的路程。入射角小的光线情况正相反，其路程较短，但速度较慢，所以这些光线的时间延迟相等。,2022/12/27,52,二、光纤传输的波动理论,电磁波在光纤中传播的基本方程直角坐标系下的麦克斯韦方程组柱坐标系下的波动方程阶跃光纤中的光场阶跃光纤的本征值方程与模式单模光纤,2022/12/27,53,光纤传输的波动理论的主要概念和结论,模式的概念与线偏振模归一化频率模截止频率与导模的传输条件单模传输的条件单模光纤,2022/12/27,54,1、模式的概念与线偏振模,波动方程的一个“特解”，表示电磁场的一种稳定存在形式，用电力线或磁力线将此形式描绘出来便是一种特定图案。这种电磁场分布的特定图案或称“场型”，被称为“模式”在均匀介质传播的光波可以认为是平面波，其电场和磁场的方向与光的传播方向垂直，而且是正交的两个分量，即横电磁波(TEM)。当光在由几种媒介组成的非均匀介质中传播时，据传播方向有无电磁场分量可分为：,2022/12/27,55,横电磁波（TEM）传播方向上无电场 和磁场分量横电波(TE)传播方向上无电场，有磁场分量横磁波(TM)传播方向上有电场，无磁场分量混合波(EH、HE)传播方向上既有电场也有磁场分量在这些电磁波中，有一部分的场型和传播速度是相同的，通常，我们把这些场型分布相同的模式称为简并模计算表明，能在光纤中存在的导模有TEon、TMon、HEmn、EHmn四种。(m表示在圆周方向上有m对最大；n表示在半径方向上有n个最大),2022/12/27,56,下面是几个低阶模的场分布,2022/12/27,57,几个低次模的场型（实线为电力线，虚线为磁力线，g=2/）,2022/12/27,58,(a) HE11模的场结构,(b) HE11模的简化图,2022/12/27,59,(a) TE01模的场结构,(b) TE01模的简化图,2022/12/27,60,几个低次模的场型（实线为电力线，虚线为磁力线，g=2/）,2022/12/27,61,(a) TM01模的场结构,(b) TM01模的简化图,2022/12/27,62,几个低次模的场型（实线为电力线，虚线为磁力线，g=2/）,2022/12/27,63,2022/12/27,64,3.1.3 光纤的传输特性,传输性能损耗（衰减）色散串扰,2022/12/27,65,传输性能,一、损耗（衰减）性能 光纤是一种传输媒质，光波在其中传播单位距离就有相当一部份能量被吸收或散射。传播波的振幅衰减主要是由于过渡金属离子和以氢氧根形式出现的水吸收引起的。光纤衰减以衰减系数来衡量，它是度量光能在光纤中传输损失的参数。,2022/12/27,66,光在光纤中传播时，平均光功率沿光纤长度按照指数规律减少。即 P(L)=P(0) e (-L/10)P(0)L=0处注入光纤的光功率P(L)传输到轴向距离L处的光功率定义：单位长度光纤引起的光功率衰减。当长度为L时，,Pin输入光纤的光功率，Pout 输出光纤的光功率，L 被测光纤的长度，,2022/12/27,67,光通信工程中，长度为Li，衰减系数为i的N段光纤相连接，则全长L为,s平均每连接点的损耗， y 连接点数 的大小，不仅标志着光纤制作技术的水平，而且也决定了光纤通信中的距离的长短。,2022/12/27,68,光纤损耗产生的原因和分类,2022/12/27,69,单模光纤损耗谱，示出各种损耗机理,2022/12/27,70,2022/12/27,71,2022/12/27,72,光纤损耗的谱特性及工作窗口,三种实用光纤损耗谱,2022/12/27,73,优质单模光纤损耗谱,2022/12/27,74,减少光纤损耗的途径,提高光纤材料的化学纯度，减少杂质吸收损耗，改进与提高光纤的制作工艺，减少材料中OH根离子的吸收损耗和波导效应的散射损耗。,弯曲损耗：光纤弯曲时，原先按全内反射规律沿光纤前进的光线，由于入射角不再小于临界角，部分光线将按照折射定律进入包层，不再返回。或导模的部分能量转化为辐射能而被消耗掉，致使到达光纤终端的能量受到削弱，通常称之为弯曲损耗。,2022/12/27,75,二、光纤的色散特性,色散(Dispersion)指在光纤中传输的光信号由于不同成份的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。色散一般包括模式色散、材料色散、和波导色散。这在通信中将产生码间干扰，导致通信容量、通信速率、传输距离的降低。色散参数D的单位ps/(nmkm)，代表两个波长间隔为1nm的光波传输1km距离后到达时间的延迟。,2022/12/27,76,色散产生的原因及分类1,模式色散由传输模式引起的色散， 只存在于多模光纤中。每一种传输模式到达光纤终端的时间先后不同，造成脉冲展宽，从而出现色散现象。对阶跃多模光纤，以不同的入射角i进入光纤的光线，虽然在入射端同时入射，并以相同的速度传播，但到达光纤输出端的时间却不相同，出现了时间上的分散，导致脉冲展宽严重，即发生了多径色散。路径最短的光线，即i0o 的光线，正好等于光纤长度L，路径最长的为 L/Sinc。由于纤芯中光速为v=c/n1,则这两条光线到达输出端的时差为：,2022/12/27,77,色散产生的原因及分类2,材料色散由光纤材料引起的色散 光在光纤中传播速度v=c/n1()， n1()是光波波长的函数，即同一材料对不同波长的折射率不一样。 当含有不同波长的光脉冲（非单色光）通过光纤传输时，其传输速度不一致，这时，光脉冲被展宽出现色散。,2022/12/27,78,色散产生的原因及分类3,波导色散又称结构色散，是由光纤的几何结构决定的色散，光纤的横截面尺寸起主要作用。 当波导结构不完整，除产生模交换外，还可能引起部分光纤进入包层，而这些光线的传播速度大于纤芯中的光脉冲传播速度，这样光脉冲被展宽。色散除与上述三种有关外，还与光源的频谱宽度有关。,2022/12/27,79,不同结构单模光纤的色散特性,2022/12/27,80,各种光纤的ITUT建议,G.651：多模渐变型光纤G.652：常规单模光纤G.653：色散移位光纤G.654：1.55损耗最小的单模光纤G.655：非零色散光纤，改进的色散移位光纤色散补偿光纤色散平坦光纤 ITU-T:国际电信联盟电信标准化机构；（CCITT-国际电报电话咨询委员会和IEC-国际电工委员会）,2022/12/27,81,1、定义如果存在两根平行放置的、结构相同的光纤，在其中传输的导模也完全相同，则沿光纤“1”传输的光波，由于某种原因进入光纤“2”并对沿光纤“2”传输的信号造成干扰的现象，称为光纤间出现了串扰。2、产生相互串扰的机理定向耦合效应由散射现象造成的串扰3、防护措施选择工作波长时，尽可能远离截至波长，让光波尽可能被束缚在纤芯之中；加大包层厚度，减小进入相邻光纤的光波的强度；在包层外覆一层吸收光能能力较强的护套；改进光纤的制造工艺，使诸如包层纤芯的界面粗糙、纤芯中含有杂质等造成结构不均匀的因素得到消除。,三、传输特性串扰,2022/12/27,82,3.1.4 光缆,光缆的结构：缆芯、加强件、外护层光缆分类光缆制造简介特种光缆光缆发展趋势,2022/12/27,83,一、光缆结构,光缆中要有加强件（抗张元件）加强件有三种置放方式中心式：置于缆芯正中心分布式：分散地置于缆芯内铠装式：置于缆皮内光缆中有防潮措施防潮方法有：气体充填、固体充填、石油膏充填光缆中有防止因温度变化而引起光缆传光特性变化的措施,2022/12/27,84,光纤使用寿命和应力比的关系,2022/12/27,85,二、光缆分类1,1、按用途分GY野外（室外）光缆GJ局内（室内）光缆GR软光缆GS设备内光缆GH海底光缆GT特殊光缆,2022/12/27,86,光缆分类2,2、按外护套特征分PE护套光缆：简易型聚乙烯护套LAP护套光缆：铝聚乙烯粘接护套钢带铠装光缆钢丝铠装光缆,2022/12/27,87,光缆分类3,3、按缆芯特征分层绞式束管式叠带式骨架式,2022/12/27,88,光缆分类4,4、按敷设方式分管道式直埋式架空水底光缆局内光缆,2022/12/27,89,不同敷设条件的光缆机械特性,2022/12/27,90,光缆分类5,5、按结构设计原则分：紧结构光缆松结构光缆6、按缆芯芯数分单芯多芯：2、4、6、8、12、,2022/12/27,91,二次被覆光纤（芯线）简图(a)紧套；(b)松套； ( c)大套管；(d)带状线,2022/12/27,92,2022/12/27,93,12芯松套层绞式光缆（直埋防蚁）,2022/12/27,94,12芯骨架式光缆（直埋）,2022/12/27,95,648芯束管式光缆（直埋）,2022/12/27,96,108芯带状光缆,2022/12/27,97,LXE束管式光缆（架空、管道、直埋）,2022/12/27,98,浅海光缆,2022/12/27,99,架空地线复合光缆（OPGW）,2022/12/27,100,三、光缆制造简介,生产过程： 生产预制棒 拉丝 套塑 成缆 加外护套（含充填石油膏和加尺寸码带） 装铠主要环节 进料、设备、制作、和验收、销售,2022/12/27,101,四、特种光缆,将特殊用途或特种结构的光缆称为特种光缆。水底光缆、光/电混和缆、无卤阻燃光缆、非金属光缆（全介质自承式光缆、缠绕式光缆）、复合地线光缆等。,2022/12/27,102,1. 水底光缆,由于敷设时短期拉力大，需要将光缆进行钢丝铠装，以提供足够的抗拉强度。水底光缆的抗拉、抗恻压力机械特性和密封性能是光缆设计要考虑的主要问题。水底光缆的密封有加金属管作密封层的，一般要求的水底光缆，最普遍的方法是在缆芯中填充阻水油膏，在缆芯外加金属护套密封。,2022/12/27,103,2. 光电混合缆,指将电话用铜线对或铜馈电线放入光缆缆芯中，做成光/电混合缆。除中心管式外，可将这种光/电混合缆，做成层绞式和骨架式。多用在既需要进行光信号传输，又要进行电信号监控的部门，如铁路沿线使用的光/电混合缆,2022/12/27,104,3. 无卤阻燃光缆,一般说，室内用的光缆和地铁用的光缆等都应该是阻燃的。阻燃层主要是加在光缆外护层。阻燃分为有卤阻燃和无卤阻燃常用的PVC(聚氯乙稀)属有卤阻燃料；阻燃聚烯烃属无卤阻燃料。其中有的阻燃剂为无金属水合物。如氢氧化铝，在高温火焰作用下，氢氧化铝气化放出水，水吸收热量，稀释氧气，从而达到阻燃目的。,2022/12/27,105,4. 非金属光缆,指整根均无金属部件非金属中心加强构件光缆不一定是非金属光缆，因为中心加强构件可以是非金属，而护套或外护层可以含有金属。有些多雷电地区就要求用这种中心加强件是非金属，而护套或外护层含有金属的光缆。一般非金属光缆是将层绞式光缆或骨架式光缆的中心加强构件选用非金属的玻璃纤维增强塑料（FRP）棒，护套或护层不用金属。因为玻璃钢的抗拉强度不大，所以这种非金属光缆一般要有钢丝（绳）吊挂，使用在避免强电感应当场所。如高压输电的调度室到高压输电线路铁塔。,2022/12/27,106,非金属光缆-1,1、全介质自承式光缆当不用钢丝（绳）吊挂，而是自承式悬挂于铁塔之上时，非金属光缆只靠中心的加强构件玻璃纤维增强塑料(FRP)棒作抗拉构件是不够的，必须在其缆芯周围包一定数量的芳纶纤维(kevlar)。这种光缆专为自承式悬挂在高压输电线路铁塔上而设计的，称为全介质自承式光缆(All Dielectric Self Support -ADSS)。由于高压输电线路铁塔跨距较大，因此对ADSS的抗拉强度要求特别高。ADSS用于高压输电铁塔，当电压超过220kV时，光缆外护套PE料要用耐电晕老化的PE料,否则外护套会在高压电感应下发生电晕放电，导致老化电龟裂,2022/12/27,107,非金属光缆-2,2、缠绕光缆缠绕光缆也是一种全介质光缆，它的敷设不像ADSS光缆那样靠自承悬挂在铁塔上，而是缠绕在高压输电线路的地线或相线导体上。其优点是光缆非常细（约10mm），缆内不需要特别强硬的加强构件，抗张强度也不需要特别大，因为它是靠地线或相线导体来支承。缠绕光缆有两点要注意：光缆用材必须选用具有耐高温特性的，因为地线或相线导体上都载有电流（地线上是感应电流或短路电流），光缆的热阻应经得住短期（如10分钟）120150的热冲击和长期（如400小时）90的热老化。光缆外护套要满足抗鸟侵袭的能力光缆尺寸要小，重量要轻，因为缠绕式光缆每个盘能装的光缆长度受缠绕敷设设备条件的限制缠绕光缆与ADSS一样，都具有高电压感应产生电晕放电及电龟裂效应。不过，由于缠绕式光缆缠绕在金属导体上，其光缆外护套上感生的电荷有部分会通过金属导体放掉，所以该效应比ADSS弱,2022/12/27,108,5、复合地线光缆（OPGW）,复合地线光缆（Optical Fiber Composite Ground Wire-OPGW）是集通信和接地功能于一体的结构。OPGW的关键技术在于两个问题：OPGW的抗拉强度及其中光纤的应变（在最大抗拉强度下OPGW中光纤应变应为零）；OPGW中UV固化光纤及光纤用油膏耐短期热冲击问题,2022/12/27,109,架空地线复合光缆（OPGW）,2022/12/27,110,五、光缆的发展趋势,1、带状光纤缆一般用户接入网包括三部分线路，三者结构和特性应有区别馈线纤芯数较多； 配线纤芯数相对较少；引入线纤芯数更少 对于芯数较多的光缆（如多于144芯），最好的结构是用带状光纤组成的带状光纤缆 带状光纤缆有三种形式：中心管试带状光纤缆工艺设备简单，相对外径较小，成本低，但芯数最多144芯松套层绞式带状光纤缆缆大，成本相对较高，缆中纤芯数可达720芯左右骨架式带状光纤缆生产工艺设备较复杂，要一条骨架生产线、成叠光纤带入骨架槽的成缆设备，设备费用较贵，但缆中纤芯数可做得较大，适合于720芯以上带状光纤缆,2022/12/27,111,光缆的发展趋势-1,2、室内布线光缆特点：室内布线光缆用于建筑物（或飞机和船舶）内，所以有防火阻燃要求；室内布线光缆在布线时，拐弯的机会较多，所以光缆的外径不能过粗，且要有良好的柔弯特性室内布线光缆用于室内，其温度不会很低，这有利于少有刚度较大的抗张构件；室内布线光缆的机械抗拉、抗侧压强度可比室外光缆要求低些。一般最大抗拉强度400N，最大允许抗侧压强度2000N/10cm,最小弯曲半径（不加载荷时）约6cm，但不能急弯；,2022/12/27,112,光缆的发展趋势-2,室内布线光缆，多数不希望光缆内填充具有流变性的防潮化合物。因此室内布线光缆中的光纤多为紧套结构。紧套结构有两种：用外径为250m的紫外光固化一次涂覆光纤（UV光纤）直接紧套至900m将外径为250m的UV光纤再涂覆一层缓冲层（缓冲层外径为350-400m）后再紧套至900m。缓冲层一般是硅树脂。单模光纤两种结构均可，多模光纤用第一种可导致衰减增加较大。,2022/12/27,113,光缆的发展趋势-3,3、研究重点与发展趋势重点：光缆的关键用材。有松套管材料、外护层材料、增强材料、光纤用油膏和缆芯用阻水防潮化合物等发展趋势：光缆原具有的优点是横截面小重量轻。由于光缆进入到用户接入网，光纤芯数越来越多，外径越来越大。使光缆芯数增多而横截面又不增加太多，是今后研究的一个课题。另外，紧结构成缆工艺有一定难度，应重视研究室内机房和机架内的光缆都希望用不充油膏的光缆，所以多根紧套光纤进行不充油膏松套后成缆，也值得研究。,2022/12/27,114,3.2 光纤传感器,光(导)纤(维)是20世纪70年代的重要发明之一，它与激光器、半导体探测器一起构成了新的光学技术，创造了光电子学的新天地(领域)。光纤的出现产生了光纤通信技术，特别是光纤在有线通信广的优势越来越突出，它为人类21世纪的通信基础一信息高速公路奠定了基础，为多媒体(符号、数字、语音、图形和动态图像)通信提供了实现的必需条件。由于光纤具有许多新的特性，所以不仅在通信方面，而且在其他方面也提出了许多新的应用方法。例如，把待测量与光纤内的导光联系起来就形成光纤传感器。光纤传感器始于1977年，经过20余年的研究，光纤传感器取得了十分重要的进展，目前正进入研究和实用并存的阶段。它对军事、航天航空技术和生命科学等的发展起着十分重要的作用。随着新兴学科的交叉渗透，它将会出现更广阔的应用前景。,2022/12/27,115,3.2.1 光纤传感器基本工作原理及类型,1光纤传感器基本工作原理将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与输入调制区的光相互作用后，导致光的某些特性(如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等)发生变化，成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调器解调后获得被测参数。2光纤传感器的类型光纤传感器按其传感器原理分为两大类：传光型，也称为非功能型光纤传感器；常使用多模光纤传感型，或称为功能型光纤传感器。常使用单模光纤。,2022/12/27,116,传光型光纤传感器,在传光型光纤传感器中，光纤仅作为传播光的介质，仅起传光作用。对外界信息的“感觉”功能是依靠其它功能元件来完成的。,2022/12/27,117,传感器中的光纤是不连续的，其间有中断，中断的部分要接上其他介质的敏感元件。调制器可能是光谱变化的敏感元件或其他敏感元件。传光型光纤传感器主要利用已有的其他敏感材料，作为其敏感元件，这样可以利用现有的优质敏感元件来提高光纤传感器的灵敏度。传光介质是光纤，所以采用通信光纤甚至普通的多模光纤就能满足要求。传光型光纤传感器占据了光纤传感器的绝大多数。,2022/12/27,118,传感型光纤传感器,利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤(或特殊光纤)作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。在这类传感器中，光纤不仅起传光的作用，同时利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下，使其某些光学特性发生变化，对输入的光产生某种调制作用，使在光纤内传输的光的强度、相位、偏振态等特性发生变化，从,而实现传和感的功能。因此，传感器中的光纤是连续的。,2022/12/27,119,传感型光纤传感器在结构上比