光纤的传导原理.docx

光纤的原理一：光信号的损耗1:光线材料的吸收与散射的损耗2：光线的微弯与宏弯辐射损耗3：光纤的连接与耦合损耗二：光纤传感器的原理简单的讲，光纤传感系统的基本原理就是光线中的光波参数如光 强、频率、波长、相位、以及偏振态等随外界被测参数变化而变化， 通过检测光纤中光波参数的变化达到检测外界被测物理量的目的。光纤-概述一宅蹈H扯医工扯曲铲#血5 amm光纤光纤的完整名称叫做光导纤维，用纯石英以特别的工艺拉成细丝，其直径比头发丝还要细。 光束在玻璃纤维内传输，信号不受电磁的干扰，传输稳定。具有性能可靠，质量高，速度快， 线路损耗低、传输距离远等特点，适高速网络和骨干网。1光纤是一种传输介质，是依照光的全反射的原理制造的。光纤是一种将讯息从一端传送到另 一端的媒介，是一条以玻璃或塑胶纤维作为让讯息通过的传输媒介。通常光纤与光缆两个名 词会被混淆。多数光纤在使用前必须由几层保护结构包覆，包覆后的缆线即被称为光缆。光 纤外层的保护结构可防止周遭环境对光纤的伤害，如水，火，电击等。光缆分为：光纤、缓 冲层及披覆。光纤和同轴电缆相似，只是没有网状屏蔽层。中心是光传播的玻璃芯。在多模 光纤中，芯的直径是15mm50mm，大致与人的头发的粗细相当。而单模光纤芯的直径为 8mm10mm。芯外面包围着一层折射率比芯低的玻璃封套，以使光纤保持在芯内。再外 面的是一层薄的塑料外套，用来保护封套。光纤通常被扎成束，外面有外壳保护。纤芯通 常是由石英玻璃制成的横截面积很小的双层同心圆柱体，它质地脆易断裂，因此需要外加一 保护层。光纤-原理光纤实际是指由透明材料做成的纤芯和在它周围采用比纤芯的折射率稍低的材料做成的包 层，并将射入纤芯的光信号，经包层界面反射，使光信号在纤芯中传播前进的媒体。一般是 由纤芯、包层和涂敷层构成的多层介质结构的对称圆柱体。光纤有两项主要特性：即损耗和 色散光纤每单位长度的损耗或者衰减（dB/km），关系到光纤通信系统传输距离的长短和中继站 间隔的距离的选择。光纤的色散反应时延畸变或脉冲展宽，对于数字信号传输尤为重要。每 单位长度的脉冲展宽（ns/km），影响到一定传输距离和信息传输容量光纤-结构拧技包层涂覆屋栗套皴厦光纤的结构 纤芯材料的主体是二氧化硅，里面掺极微量的其他材料，例如二氧化锗、五氧化二磷等。掺 杂的作用是提高材料的光折射率。纤芯直径约575pm。光纤外面有包层，包层有一层、 二层（内包层、外包层）或多层（称为多层结构），但是总直径在100200pm上下。包层 的材料一般用纯二氧化硅，也有掺极微量的三氧化二硼，最新的方法是掺微量的氟，就是在 纯二氧化硅里掺极少量的四氟化硅。掺杂的作用是降低材料的光折射率。这样，光纤纤芯的折射率略高于包层的折射率。两者席位的区别，保证光主要限制在纤芯里 进行传输。包层外面还要涂一种涂料，可用硅铜或丙烯酸盐。涂料的作用是保护光纤不受外 来的损害，增加光纤的机械强度。光纤的最外层是套层，它是一种塑料管，也是起保护作用 的，不同颜色的塑料管还可以用来区别各条光纤。光纤的折射率：光纤的结构一般用折射率沿光纤径向的分布函数来表征，这种分布函数成为 光纤的折射率刨面。在圆柱坐标系（入、z）中n （入）来表示。在理论分析中，折射率 剖面n（r）就是光纤的数学模型：对于单包层光纤，纤芯直径为d，设纤芯轴心处的折射率n（0） =n1,包层折射率为n2,为了简略地表示的剖面特征，引入纤芯包层相对折射率差作为剖面 参数，其中定义为：n1 2 - n22 n1 一 n2 = 2 n1 2 n1射线理论认为，光在光纤中传播主要是依据全反射原理。因此，典型的阶越光纤是由折射率 （n1）稍高的纤芯和折射率（n2）稍低的包层构成。纤芯和包层之间有良好的光学界面。若光线以某一角度进入光线端面时，入射光线与光线轴线之间的夹角00称为光线端面 入射角；光线进入光纤后又射到纤芯和包层之间的界面上，形成包层界面入射角，光线垂 直光线端面射入，并与光纤轴心线重合时，光线1沿轴心线向前传播由于n1n2,所以包层界面有一个全反射的临界角00,与其相对应的光线端面有一个临 界入射角0a。如果端面入射角00<0a，光线进入光纤后，当射到光纤的内包层界面时，入 射角0200,满足全反射条件，光线将在纤芯和包层的界面上不断的产生全反射而向前传播。 一般，这种光线在光纤内需经过几千、几万、甚至更多次的全反射，（全反射次数与光纤长 度、直径有关），才能从光纤的一段传到另一端。光线1、2的特点是光在光纤中传播路径 始终在同一平面内，这种光线称为受到光线；在纤维光学中又称为子午光线。子无光的是平 面曲线，包含子午光线的面称为子无面。另一种光线不在一个平面内，不经过光的轴心线。当入射光纤后碰到边界时，作内部全反射。 这类光线运动范围是在边界和有虚线所示的焦散面之间。光线在断面上的投影为折线。这样 的光纤称为斜光线，它是一空间曲线，除子午线和斜光线外，还有一种不受到光线，它不能 在光纤中传播，射线理论无法解释这种光线。光纤-分类光纤种类不断增多，而且千变万化。近年来用于传感器的特殊光纤发展尤迅速。目前一般分类方法如下：1. 按制作材料分：(1)高纯度石英玻璃光纤。这种材料损耗低，在波长时，最低达0。47db/km。用锗硅材 料作芯子，硼硅材料作包层的多模光纤，损耗最低为0.5db/km和类似的损耗-波谱曲线。采 用三元化合材料，可能获得最好的损耗-波谱曲线。=0.84微米最低损耗为3.4db/km。(2)多组分玻璃光纤。通常用更常规的玻璃制成，损耗也很低，如Sodium-borosilica-te玻璃光纤在(3)塑料光纤。它与石英光纤相比具有重量轻，成本低，柔软性好，加工方便等特点，但损耗在r=0.63微米到100-200db/km。2. 按传输模分：(1) 单模光纤。单模光纤纤芯直径仅几个微米，加包层和涂敷层后也仅几十个微米到12 5微米。纤芯直径接近波长。(2) 多模光纤。多模光纤纤芯直径有50微米，加包层和涂敷层有50微米。纤芯直径远 远大于波长。根据光纤的折射率沿径向分布函数不同又进一步分为多模阶跃光纤，单模阶跃 光纤和多模梯度光纤3. 按用途分：(1) 通信光纤。(2) 非通信光纤-特殊光纤。有低双折射光纤，高双折射光纤，涂层光纤，液芯光纤， 激光光纤和红外光纤等。4. 按制作方法分：（1）化学气相沉积法（CVD）或改进化学气相沉积法（MCVD ）。用来制作高纯度石英 玻璃光纤。（2）双坩埚法或三坩埚法。用来制作多组分玻璃光纤。光纤-光纤通讯发展历史1880年，贝尔发明了一种利用光波作载波传递话音信息的"光电话"，它证明了利用光波作 载波传递信息的可能性，是光通信历史上的第一步。1960年，美国科学家梅曼（Meiman） 发明了第一个红宝石激光器。激光（LASER: Light Amplification by Stimulated Emissiion of Radiation）与普通光相 比，谱线很窄，方向性极好，是一种频率和相位都一致的相干光，特性与无线电波相似，是 一种理想的光载波。因此，激光器的出现使光波通信进入了一个崭新的阶段。1966年，英籍华人高锟（K.C.Kao）博士首次利用无线电波导通信的原理，提出了低损耗 的光导纤维（简称光纤）的概念。1970年，美国康宁公司首次研制成功损耗为20db/km （光 波沿光纤传输1km后，光的损耗为原有的1%）的石英光纤，它是一种理想的传输介质。 同年，贝尔实验室研制成功室温下连续振荡的半导体激光器（LD）。从此，开始了光纤通信迅 速发展的时代，因此人们把1970年称为光纤通信的元年。1974年，贝尔实验室发明了制造低损耗光纤的方法，称作改进的汽相沉积法（MCVD）"，光 纤损耗下降到1db/km。1976年，日本电报电话公司研制出更低损耗光纤，损耗下降到0. 5db/km。1976年，美国在亚特兰大成功地进行了 44.7Mbit/s的光纤通信系统试验。日本 电报电话公司开始了 64km、32Mbit/s突变折射率光纤系统的室内试验，并研制成功1.3 微米波长的半导体激光器。1979年，日本电报电话公司研制出0.2db/km的极低损耗石英光纤（1.5微米）。1984年， 实现了中继距离50km、速率为1.7Gbit/s的实用化光纤传输系统。1990年，使用了 1.55 微米长波长单模光纤传输系统，实现了中继距离超过100km、速率为2.4Gb/s的光纤传输。90年代以来，第四代光纤通信系统以频分复用增加速率和使用光放大器增加中继距离为标 志，可以使用（也可以不使用）相干接收方式，使系统的通信容量以成数量级地增加，已经 实现了在2.5Gb/s速率上传输4500km和10Gb/s的速率上传输1500km的试验。目前，正在研究开发光弧子通信系统。光弧子，即由于光纤的非线性效应与光纤色散相互抵 消，使光脉冲在无损耗的光纤中保持其形状不变地传输的现象。光弧子通信系统将使超长距 离的光纤传输成为可能，试验证明，在2.5Gb/s的码率下光弧子沿环路可传输14000km的 距离。光纤-应用f* Irtinep冲） 此乔值m鳄用甚 工隹异理光纤液面探测器工作原理光纤传感技术是伴随着光通讯技术和半导体技术发展而衍生的一种新的传感技术，是光传 感、光通讯、电子技术互相交叉、互相渗透的高科技技术，是国家'十五”重点支持发展的信 息产业的重要组成部分。因此光纤技术在很多方面都有很大的应用，现简单介绍如下：一、光纤液位传感器：在中国石油化工、冶金以及国防等部门，对油品和化工产品等易燃易 爆液体类物质的储存、检测和安全管理一直是个难题。长期以来，大多企业是采用人工对其 进行检测和管理，劳动强度大，又有危险性，储罐爆炸事件和人员伤亡事故时有发生。光纤 液位传感器某检测湘度高，使用方便、稳定可靠，特别是采用光纤光缆采集和传输信号，做 到现场无电检侧，本质安全防爆，特别适于易燃易爆场所的储罐检测。即将投产的光纤液位 传感器价调查和分析表明，目前全国年需求量应在1万台以上，而1日市场需求仍在快鹏 长如。二、接入网技术：所谓光接入网（OAN）就是采用光纤传输技术的接入网，泛指本地交换 机或远端模块与用户之间采用光纤通信或部分采用光纤通信的系统。通常，OAN指采用基 带数字传输技术并以传输双向交互式业务为目的的接入传输系统，将来应能以数字或模拟技 术升级传输宽带广播式和交互式业务。光纤的应用还有：光纤高温测量仪、光纤阀位回讯器等。光纤是圆柱形的介质波导，应用全反射原理来传导光线。光纤的结构大致分为里 面的核心部分与外面的包覆部分。为了要局限光信号于核心，包覆的折射率必须 小于核心的折射率。渐变光纤的折射率是缓慢改变的，从轴心到包覆，逐渐地减 小；而突变光纤在核心-包覆边界区域的折射率是急剧改变的。折射率主条目：折射率折射率可以用来计算在物质里的光线速度。在真空里，及外太空，光线的传播速 度最快，大约为3亿米/秒。一种物质的折射率是真空光速除以光线在这物质 里传播的速度。所以，根据定义，真空折射率是1。折射率越大，光线传播的 速度越慢。通常光纤的核心的折射率是1.48，包覆的折射率是1.46。所以， 光纤传导信号的速度粗算大约为2亿米/秒。电话信号，经过光纤传导，从纽 约到悉尼，大约12000公里距离，会有最低0.06秒时间的延迟。全反射<P雷射的反弹于一根压克力棍内部，显示出光线的全反射主条目：全反射当移动于密度较高的介质的光线，以大角度入射于核心-包覆边界时，假若这入 射角（光线与边界面的法线之间的夹角）的角度大于临界角的角度，则这光线会 被完全地反射回去。光纤就是应用这种效应来局限传导光线于核心。在光纤内部 传播的光线会被边界反射过来，反射过去。由于光线入射于边界的角度必须大于 临界角的角度，只有在某一角度范围内射入光纤的光线，才能够通过整个光纤， 不会泄漏损失。这角度范围称为光纤的受光锥角，是光纤的核心折射率与包覆折 射率的差值的函数。更简单地说，光线射入光纤的角度必须小于受光角的角度，才能够传导于光纤核 心。受光角的正弦是光纤的数值孔径。数值孔径越大的光纤，越不需要精密的熔 接和操作技术。单模光纤的数值孔径比较小，需要比较精密的熔接和操作技术。多模光纤光波传播于多模光纤。主条目：多模光纤核心直径较大的光纤（大于10微米）的物理性质，可以用几何光学的理论来分 析，这种光纤称为多模光纤，用于通信用途时，线材会以橘色外皮做为辨识。在一个多模突变光纤内，光线靠着全反射传导于核心。当光线遇到核心-包覆边 界时，假若入射角大于临界角，则光线会被完全反射。临界角的角度是由核心折 射率与包覆折射率共同决定。假若入射角小于临界角，则光线会折射入包覆，无 法继续传导于核心。临界角又决定了光纤的受光角，通常以数值孔径来表示其大 小。较高的数值孔径会允许光线，以较近轴心和较宽松的角度，传导于核心，造 成光线和光纤更有效率的耦合。但是，由于不同角度的光线会有不同的光程，通 过光纤所需的时间也会不同，所以，较高的数值孔径也会增加色散。有些时候， 较低的数值孔径会是更适当的选择。渐变光纤的核心的折射率，从轴心到包覆，逐渐地减低。这会使朝着包覆传导的 光线，平滑缓慢地改变方向，而不是急剧地从核心-包覆边界反射过去。这样， 大角度光线会花更多的时间，传导于低折射率区域，而不是高折射率区域。因此， 所形成的曲线路径，会减低多重路径色散。工程师可以精心设计渐变光纤的折射 率分布，使得各种光线在光纤内的轴传导速度差值，能够极小化。这理想折射率 分布应该会非常接近于抛物线分布。单模光纤<P单模光纤内部结构：1. 核心：直径8 pm2, 包覆：直径125 pm3. 缓冲层：直径250 pm4, 外套：直径400 pm主条目：单模光纤单模光纤。用于通信用途时，线材会以黄色外皮做为辨识核心直径小于传播光波波长约十倍的光纤，不能用几何光学理论来分析其物理性 质。替而代之，必须改用麦克斯韦方程组来分析，导出相关的电磁波方程。视为 光学波导，光纤可以传播多于一个横模的光波。只允许一种横模传导的光纤称为 来源请求。 大直径核心、 多横模的光纤的物理性质，也可以用电磁波波动方程分析。结果会显示出，这种 光纤允许多于一个横模的光波。这样的解析多模光纤，所得到的结果，与几何光 学的解析结果大致相同。波导分析显示，在光纤内的光波的能量，并不是全部局限于核心里。令人惊讶地， 特别是在单模光纤里，有很大一部分的能量是以衰减波的形式传导于包覆。最常见的一种单模光纤，核心直径大约为7.5-9.5微米，专门用于传导近红外 线。多模光纤的核心直径可以小至50微米，或者大至几百微米。特用光纤有些特用光纤的核心或包覆会特别地制作成非圆柱形，通常像椭圆形或长方形。 这包括维护偏极化光纤。光子晶体光纤是一种新型的光纤，其折射率以规律性的模式变化（通常沿着光纤 的轴向会有圆柱空洞）。光子晶体光纤应用衍射效应（单独的或加上全反射效应） 来局限光波于光纤核心。1=衰减机制泪网侦I l.MO.OO iOQHoa 10.00 loo o.ia 0,01P在ZBLAN和二氧化硅光纤内的光衰减。主条目：透明材料0_DO1在介质内，光纤的衰减，又称为传输损失，指的是随着传输距离的增加，光束（或 信号）强度会减低。由于现代光传输介质的高质量透明度，光纤的衰减系数的单 位通常是dB/km （每公里长度介质的分贝）。因为硅石玻璃纤维能够满足严格 的规定，局限光束于内部，传输介质材料大多是由硅石玻璃纤维制成的。阻碍数字信号远距离传输的一个重要因素就是衰减。因此，减少衰减是光纤光学 研究的必然目标。经过多次实验得到的结果，显示出光散射和吸收是造成光纤衰 减的主要原因之一。光散射mirror<p镜面反射。漫反射。因为光线的全反射，光线可以传输于光纤核心。粗糙、不规则的表面，甚至在分 子层次，也会使光线往随机方向反射，称这现象为漫反射或光散射旦，其特征通 常是多种不同的反射角。大多数物体因为表面的光散射，可以被人类视觉侦测到。光散射跟入射光波的波 长有关。可见光的波长大约是1微米。人类视觉无法侦测到超小于这尺寸的物 体.卤。所以，位于可见物体表面的散射中心也有类似的空间尺寸。光波入射于内部的边界面时，会因为不同调散射而造成衰减。对于结晶材料或多 晶材料，像金属或陶瓷，除了细孔以外，大部分内部接口的形式乃晶界，分隔了 晶粒尺寸的微小区域。材料学专家发现，假若能将散射中心(或晶界)的尺寸减 小到低于入射光波的波长，则光散射的影响会减小很多，可以被忽略。这发现引 起更多有关透明陶瓷材料的研究。类似地，在光学光纤内，光散射是由分子层次的不规则玻璃结构所造成的。很多 材料学专家认为玻璃无疑是多晶材料的极限案例。而其展现出短距离现像的畴域 (domain)，则是金属、合金、玻璃、陶瓷等等的基础建筑材料。散布在这些畴 域之间，有很多微结构缺陷，是造成光散射的最理想地点。当光学倍率变高时，光纤的非线性光学行为也可能会造成光散射时紫外线和红外线吸收除了光散射以外，光纤材料会选择性地吸收某些特定波长的光波，这也会造成衰 减或信号损失。吸收光波的机制类似颜色显现的机制。1. 在电子层次，光纤材料的每种组成原子，其不同的电子轨域的能级差值，决定了光 纤材料能否吸收某特定频率或频率带的光子。这些特定频率或频率带的光子，大多 属于紫外线或可见光的频区。这就是很多可见物质显示出颜色的机制。2, 在原子或分子层次，振动频率、堆积结构、化学键强度等等，这些重要因素共同决 定了材料传输红外线，远红外线，无线电波，微波等等长波的能力。k x wSi.wjq 嫌.整 on心k Stj/Gej 兀一金 4 Oa 虹 1i»«H-1H-»«!«.4k m 如 X v 3.(X)a a* 1 k it L.OOa ft* 1.41oo k - 2jl'£s 1-G.OOa 曝LOU 心<p在一个晶体物体内部，振动的简正模在设计任何透明光学元件前，必须先知道材料的性质和限制，然后才能选择适当 的材料。任何材料在低频率区域的晶格吸收特性，也赋予了这材料对于这低频率 光波的透明限制。这是组成的原子或分子的热感应振动，和入射光波之间，相互 耦合的结果，在。因此，在红外线频区（> 1微米），每一种材料都要避开这 些由于原子或分子振动机制而产生的吸收区域。因为某特定频率的红外线光波，恰恰好匹配了，某种材料的原子或分子的自然振 动频率，这种材料会选择性地吸收这特定频率的光波。由于不同的原子或分子有 不同的自然振动频率，它们会选择性地吸收不同频率（或不同频率带）的红外线 光波。由于光波频率不匹配光纤材料的自然振动频率，会造成光波的反射或透射。当红 外线光波入射于这不匹配的光纤材料，一部分能量会被反射，另一部分能量会被 透射。光纤的接头主条目：光纤接头 FC Ferrule Connector圆型带螺纹（配线架上用的最多） SC Snap-in Connector卡接式方型（路由器交换机上用的最多）光纤的应用目前用于通信中的光纤主要是玻璃纤维，其外径约为250微米，中心通光部分直 径为1060微米。在医学上，光纤用于内视镜，在娱乐方面，常用于音响的信号 线。光纤熔接光纤熔接技术主要是用熔纤机将光纤和光纤或光纤和尾纤连接，把光缆中的裸纤 和光纤尾纤熔合在一起变成一个整体，而尾纤则有一个单独的光纤头。通过与光 纤收发器连接，将光纤和双绞线连接，接到信息插座。在光纤的熔接过程中用到 的主要工具有：光端盒、光纤收发器、尾纤、耦合器、专用剥线钳、光纤切割刀