1、光纖傳感技術總結1 .光纖（Optical fiber）是傳光的纖維波導或光導纖維的簡稱，它是通過 內 全反射原理或折射原理 傳輸光的玻璃狀電介質細絲。直徑：幾微米 -幾百微米。2 .傳感器：能夠感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的 器件或裝置。3 .光纖傳感器：是用待測量對光纖內傳輸的光波參量進行調制得到調制信 號，該信號經光纖傳輸至光探測器進行解調，從而獲得待測量值的一種裝置。4 .光纖傳感技術：以光波為載體，光纖為媒質，感知和傳輸外界被測量信號 的新型傳感技術。5 .光纖傳感原理：光纖傳感原理是以光纖的 導波現象為基礎的，光從光纖射 出時，光的特性得到調制，通過對調制光的

2、檢測，便能感知外界的信息，實現對 各種物理量的測量。E=EoCos（co t +小）6 .光源一敏感元件光電轉換卜 信號處理入射光纖出射光纖7 .光纖傳感器的分類：1） .根據光纖在傳感器中的作用.功能型光纖傳感器（Functional Fiber,簡稱FF型）（全光纖型、傳感型）.非功能型光纖傳感器（Non Functional Fiber ,簡稱NFF型（傳光型）2）根據光受被測對象的調制形式.強度調制型光纖傳感器.波長調制型光纖傳感器.相位調制型光纖傳感器.頻率調制型光纖傳感器.偏振調制型光纖傳感器3）按被測對象分 光纖溫度、壓力、位移、流量、磁場、電壓、圖像、醫用、光譜、氣體、液體傳感

3、器，光纖陀螺儀8 .光纖傳感的特點：9 ）靈敏度高；10 抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、本質安全；11 重量輕、體積小、可繞曲；12 測量對象廣泛，對被測介質影響小；13 便于復用，便于成網；9.光纖的結構:1)、纖芯：高純度 SiO2 ,摻雜質：GeO2、P2O5 (提高折射率)；折射率n12)、包層：SiO2 ,摻雜質：F、B (降低折射率)；折射率n2 折射率n1>n23)、一次涂敷層：環氧樹脂、硅橡膠(加強機械強度)4)、套塑：尼龍、聚乙烯(加強機械強度)1610 .光纖的分類：1)按照傳輸的總模數來分模式(mode)：在光纖中具有確定 空間和時間 分布的電磁場分量稱為光纖中的模。

4、是 電磁場 的一種分布形式。、單模光纖(Single-mode fiber, SMF )只傳輸主模，沒有模式色散，適于大容量、 長距離的光纖通信。纖芯直徑：212 m；包層直徑：125 m；、多模光纖(Multimode fiber, MMF )在一定的工作波長下，可以同時傳輸多種模式。纖芯直徑：50500科m;2)按照折射率(refractive index)分布才美 .階躍折射率光纖(Step index fiber, SIF):也叫突變型光纖或均勻光纖，纖芯折射率為n1保持不變，到包層突然變為n2。這種光纖一般纖芯直徑2a=5080 m,光線以折線形狀沿纖芯中心軸線方向傳播，特點是信號畸

5、變大。 .梯度折射率光纖(Graded index fiber, GIF):也叫漸變型光纖或非均勻光纖，在纖芯 中心折射率最大為 n1,沿徑向r向外圍逐漸變小，直到包層變為 n2。這種光纖一般纖芯直 徑2a為50 pm,光線以正弦形狀沿纖芯中心軸線方向傳播，特點是信號畸變小。(a)突變型多模光纖;圖二種基本類型的光纖(b)漸變型多模光纖；(C)單模光纖11 .光纖的導光機理：射線法和波動法射線法（rays）1） .光射線： .子午線：過纖芯的軸線的平面稱為子午面，子午面上和軸線相交的光射線稱為子午射線，簡稱為子午線。 .斜射線：不在一個平面里，不經過光纖軸線的空間折線。2） .射線法：用光射線

6、來研究光傳輸特性的方法，稱為射線法。3）階躍型光纖中光射線的分析主要特性參數的定義：相對折射率差A纖芯折射率n1 ;包層折射率n2 ; n1>n2A=（n12-n22）/2n12當n1與n2差別極小時，這種光纖稱為弱導波光纖A （n1-n2）/n1SM: A =0.00050.01;MM: A =0.010.02n0sin 巾 i =n1sin 0 1 =nicos0數值孔徑NA :光從空氣中入射到光纖輸入端面所允許最大光錐半角之正旋。NA表示光纖接收和傳輸光的能力NA 二 sin c = n12 - n22 = n1 2階躍型光纖的導光機理階躍型光纖是靠全反射原理將光波限制在纖芯中向前

7、傳播。只有滿足全反射條件的光射線才可在纖芯中形成導波。這些光射線射入光纖端面的角度必須是在最大入射角小c以內漸變型光纖中光射線的分析1、漸變型光纖折射率分布的普遍公式為22r pn2(r)= n|1- 2(一嚴- a -r-纖芯半徑；a-軸線到包層外邊沿的半徑p-決定折射率變化曲線的坡度漸變型光纖中，不同射線具有相同軸向速度的這種現象，稱為自聚焦現象，具有這種自聚焦現象的光纖稱為 自聚焦光纖。射入纖芯某點r處的光線的數值孔徑，稱為該點的 本地數值孔徑NA(r)= vnn (r) / , NA(r) /，該點光纖捕捉光射線的能力越強；光纖軸線處捕捉射線的能 力最強。傳導模：只有滿足全反射條件的那

8、些模式才能在光纖中傳播，稱為傳導模。 k0n2< < koni 輻射模：那些不滿足全反射條件的模式，其電磁場不限于光纖芯區而可徑 向輻射至無窮遠，稱為輻射模。 泄漏模：有一些不處于子午面的斜射線，由于它們部分滿足全反射條件， 于是沿傳播方向有衰減的泄漏模。2、截止：指光纖中的導波截止。當光纖中出現輻射模時，即認為導波截止。< k0n2導波截止的臨界狀態：0 i = 0 c； B= k0n23、歸一化頻率：v=a nn12 - n22九4、歸一化截止頻率：導波截止時的歸一化頻率稱為歸一化截止頻率，用 即表 示。它所對應的波長為截止波長，用 入c表示。若將光纖或傳信號的歸一化頻率

9、值 與某一模式的JU化截止頻率c相比：導行條件為：g肉截止條件為： < 國臨界條件為：產肉5、主模(基模)：人們把光纖中的最低工作模式稱為主模。主模的歸一化截止頻率最低：出=0,沒有截止現象，在任何頻率下都可以傳輸。6、高次模：光纖中除主模之外，其它所有模式統稱為高次模。第一高次模截止時(5 2.405),其它所有高次模均截止，這時光纖中只傳輸主模。所以單模光纖的單模傳輸條件是：0 <42.4057、可傳播的模式數：M=1/2V2 (V>10)2.3 光纖的傳輸特性2.3.1 光纖的損耗(Attenuation)光纖的損耗：光波在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加而光功率逐漸下降

10、， 這就是光纖的傳輸損耗。引起損耗的原因：光纖本身損耗(吸收損耗、散射損耗)外因：光纖彎曲、光纖與光源的耦合、光纖之間的連一、吸收損耗(Absorption)吸收損耗：光波通過光纖材料時，有一部分光能變成熱能，造成光功率 的損失。1、本征吸收：是由SiO2材料引起的固有吸收，它基本上確定了某一材料吸收損 耗的下限，它與波長有關。紫外(UV: ultraviolet)吸收(0.006 仙 m< 入 <0.4 N m)紅外(IR: infrared)吸收(0.76 N m< 入 <300 m)2、雜質吸收：由光纖材料的不純凈而造成的附加吸收損耗。二、散射損耗(Scatter

11、ing Losses)散射損耗是由于光纖的材料、形狀、折射率分布等的缺陷或不均勻使光纖中傳導的光發生散射產生的損耗。1、瑞禾1J (Rayleigh)散射：a R=A/入 42、結構缺陷散射：3、非線性散射：受激拉曼散射(SRS)受激布里淵散射(SBS)2.3.2 光纖的色散 (Chromatic Dispersion )1、光纖的色散：光信號通過光纖傳播期間，波形在時間上發生展寬的現象。2、光纖的色散產生原因：一是光源發出的并不是單色光；二是調制信號有一定的帶寬。3、色散的分類模式色散(Intermodal dispersion)由于不同模式的時間延遲不同而產生的。材料色散(Material

12、 dispersion)由于光纖的折射率隨波長而改變，模式內部不同波長成分的光，其時間延 遲不同而產生的。波導色散(Waveguide dispersion由于波導結構參數與波長有關而產生的，也叫結構色散。偏振模色散(Polarization dispersion )由于實際的單模光纖兩正交模有不同的群延遲產生的。時延：某一條子午射線在纖芯中傳輸一定長度所需要的時間。用 T表示。時延差：兩條以不同角度入射的子午線，在光纖中傳輸同一空間長度L時，所用時間的差別。用A p表示。最大時延差：在空間長度為L的光纖中，走得最快的射線與走得最慢的射線在時間上的差別。用A p max表示。5、色散補償零色散

13、波長光纖色散位移光纖(DSF-Dispersion-Shifted Fiber )色散平坦光纖(DFF-Dispersion-Flat Fiber)色散補償光纖(DCF-Dispersion Compensating Fiber)色散補償器2.3.5 光纖的制作技術1、光纖預制棒的制備2、光纖拉絲及一次涂覆3、光纖的涂覆和套塑工藝2.4 光纖標準1、G.651多模漸變型(GIF)光纖，這種光纖在光纖通信發展初期廣泛應用于中小 容量、中短距離的通信系統。2、G.652常規單模光纖：(1)波長1310 nm為色散零點；波長1550 nm處衰減最小，約為0.22 dB/km,色散系數的最大值為17p

14、s/(nm.km) ； (3)工作波長可以在1310 nm或1550 nm。它廣泛用于數據通信。缺點：波長1550 nm色散大，阻 礙了高速率、遠距離的應用。3、G.653色散位移光纖：使光纖色散系數零點從1310 nm移到1550 nm,實現 了 1550 nm處最低衰減與零色散一致。適用于長距離、大容量通信系統中，如 20 Gb/s系統中。由于1550 nm的零色散，四波混頻等非線性效應嚴重，不適合 用于波分復用系統。4、G.654 1.55 m損耗最小的單模光纖：在波長1.31 m色散為零，在1.55 m 色散為17-20 ps/(nm km),和常規單模光纖相同，但損耗更低，可達0.2

15、0 dB/km 以下.主要用于長距離，不能插入有源器件的無中斷海底光纖通信系統中。5、G.655非零色散光纖：可以抑制四波混頻和交叉相位調制等非線性光學效應， 以滿足密集波分復用系統的要求。這種光纖在密集波分復用和孤子傳輸系統中使 用，實現了超大容量超長距離的通信。6、G. 656寬帶全波光纖：在光纖的整個波段，從1280nm開始到1675nm終止， 都可以用來通信，與常規光纖相比，全波光纖應用于 DWDM ,可使信道數增加 50%。7、G.657接入網用光纖：結構簡單、敷設方便和價格便宜2.5.2光纜結構和類型一、結構1、纜芯：由光纖芯線組成，是光纜的核心，決定著光纜的傳輸特性。2、加強元件

16、：起著承受光纜拉力的作用，通常處在纜芯中心，有時配置在護套中。加強件通常用楊氏模量大的鋼絲或非金屬材料例如增強塑料(FRPX故成。3、護套：起著對纜芯的機械保護和環境保護作用，要求具有良好的抗側壓 力性能及密封防潮和耐腐蝕的能力。護套通常由聚乙烯或聚氯乙烯(PE或PVC)和鋁帶或鋼帶構成。不同使用環境和敷設方式對護套的材料和結構有不同的要 求。二、類型1、層絞式：它是將若干根光纖芯線以強度元件為中心絞合在一起的一種結構。這種光纜的制造方法和電纜較相似，所以可采用電纜的成纜設備，因此成本較低。光纖芯線數一般不超過10根。采用松套光纖的纜芯可以增強抗拉強度，改善溫度特性。2、單位式：它是將幾根至十

17、幾根光纖芯線集合成一個單位，再由數個單位 以強度元件為中心絞合成纜，這種光纜的芯線數一般適用于幾十芯。3、骨架式：這種結構是將單根或多很光纖放人骨架的螺旋槽內， 骨架的中 心是強度元件，骨架上的溝槽可以是 V型U型或凹型。由于光纖在骨架溝槽內， 具有較大空間，因此當光纖受到張力時，可在槽內作一定的位移，從而減少了光 纖芯線的應力應變和微變。這種光纜具有耐側壓、抗彎曲、抗拉的特點。4、帶狀式：它是將4-12根光纖芯線排列成行，構成帶狀光纖單元，再將 多個帶狀單元按一定方式排列成纜， 這種光纜的結構緊湊，采用此種結構可做成 上千芯的高密度用戶光纜。種類結構光纖芯線數必要條件長途光纜層統式 單位式

18、骨架式<10 10-200<10低損耗，寬顓帶和可用單盤 盤長的光纜來敷設: 骨架式有利于防護值1壓力海底光纜層線式單位式4-100低損耗、耐水壓、耐張力.用戶光纜單位式帶狀式<200>200高密度、多芯和低一中損耗局內光纜軟線式 帶狀式 單位式2-20重量輕、線徑細、可繞性好表 各種光纜的結構、芯線數及必要條件2.5.3光纜特性拉力特性：光纜能承受的最大拉力取決于加強件的材料和橫截面積，一般要求大于1km光纜的重量，多數光纜在100400 kg范圍。壓力特性：光纜能承受的最大側壓力取決于護套的材料和結構，多數光纜能承受的最大側壓力在100400kg/10cm。彎曲特性

19、：彎曲特性主要取決于纖芯與包層的相對折射率差A以及光纜的材料和結構。實用光纖最小彎曲半徑一般為2050 mm,光纜最小彎曲半徑一般為 200500 mm 。溫度特性：取決于光纜材料的選擇及結構的設計。我國一般在低溫地區為-40C一+40 C, 在局溫地區為-5 C -+60 C o光纖有源器件：指包含有半導體有源材料，并且能夠與光纖耦合的光電子器件。包括光源、探測器和光放大器。光纖無源器件：不發光、不進行光電轉換的光纖器件。包括三類：(1)分立光學元件組合器件：早期采用(棒透鏡、反射鏡、棱鏡等)；(2)全光纖結構器件：FBG Coupler(3)光波導型器件(集成光學)3.1 光纖連接器(Op

20、tical Fiber Connect。1、定義：把兩個光纖端面結合在一起，使發射光纖輸出的光能量可以最大限度 耦合到另外接收光纖的器件。光纖連接器的作用是將需要連接起來的單根或多根光纖芯線的端面對準、 貼緊并能多次使用。(3)單芯光纖連接器分類FC 型(Ferrule Connector ):螺紋插拔式SC 型(Square/Subscriber Connector :矩形插拔式ST 型(Spring Tension)：卡口插拔式(6)變換器：不同型號插頭變換：SC-FC; ST-FC;(7)跳線：將一根光纖的兩頭都裝上插頭稱為跳線。(8)評價指標插入損耗：越小越好Il = TOlogRud

21、B)Pin回波損耗：越大越好RL = - 1010gPPn（dB）重復性：多次插拔后插入損耗的變化。±0.1dB3.2 光纖耦合器(Optical Fiber Coupler)1、定義：光纖耦合器是使光信號能量實現分路/合路的器件；一般光纖耦合器是對同一波長的光功率進行分路或合路，因此光纖耦合器又稱為分路器、合路器 或雙工器。它是使用量僅次于連接器的又一類重要的光纖無源器件。光纖耦合器作用：把一個輸入的光信號分配給多個輸出， 或把多個輸入的光 信號組合成一個輸出。5、熔融拉錐型全光纖耦合器熔融拉錐法就是將兩根(或兩根以上)除去涂覆層的光纖以一定的方式靠攏， 在高溫加熱下熔融，同時向兩

22、側拉伸，最終在加熱區形成雙錐體形式的特殊波導 結構，實現傳輸光功率耦合的一種方法。(3)特點：極低的附加損耗。方向性好。良好的環境穩定性。控制方法簡單、靈活。制作成本低廉、適于批量生產。6、光纖耦臺器的主要參數(1)隔離度A由端口 1輸人的光功率Pl,應從端口 2和端口 3輸出，端口 4從理論上 講應無光功率輸出。但實際上端口 4還是有少量光功率輸出的(P4),其大小就 表示了 1、4兩個端口的隔離程度。隔離度用 A表示，為Ai-4=-10lg(P4/P1)(dB)一般情況下，要求A>20dB o(2)插入損耗L它表示了定向耦合器損耗的大小。如由端口 1輸人光功率P1,應由端 口 2和端

23、口 3輸出光功率P2和P3,插入損耗等于輸出光功率之和與輸入光功率 之比取對數，單位為分貝，用L表示，為 L = 101g P2 + P3 一般情況下，要求 L& 0.5dBP#3(1輸人光功率,(3)分光比T:它等于兩個輸出端口的光功率之比，如從端口則分光比為T=P3/P2一般情況下，定向耦合器的分光比為1:110:13.3 光波分復用器(Wavelength Division Multiplexer)1、定義波分復用器是波長分割復用/解復用器的簡稱。它是使兩個或兩個以上的波 長光信號在同一根光纖中進行傳輸的器件3.4 光隔離器(Optical Isolator)1、定義隔離器是保證

24、光信號只能正向傳輸的器件，避免線路中由于各種因素而 產生的反射光再次進入激光器，而影響了激光器的工作穩定性。隔離器的作用：只允許光波往一個方向上傳輸，阻止光波往其他方向特 別是反方向傳輸。2、基本原理光隔離器的基本原理是法拉第旋轉效應。(1)法拉第效應(磁致旋光效應)：原來不具有旋光性的物質，在磁場的作用 下，偏振光通過該物質時其振動面將發生旋轉。旋轉角度9 =VLB V-費爾德常數L-光在該物質中通過的距離法拉第值提外旋轉器中貴器2物=0 法拉第用/45'*=第B-磁感應強度磁光材料引起的光偏振面的旋轉方向取決 于外加磁場方向，與光的傳播方向無關。(4)結構與原理當正向光入射后，經過

25、偏振器1全部0*的，正向=!>9045透過，經過旋光器后，旋轉45o,和偏振 器2的透光軸角度一致，因此，正向光功 率全部射出。當反向光射入后，有一部分光經過偏振器2到達旋光器，被順時針旋轉45o, 正好和偏振器1中透光軸方向垂直，因此，被全部隔離。3.5 光環行器(Optical Circulator)1、定義光環行器可使光信號從任一端口輸入時， 都能按順序地從另一端口輸出， 可用于特種環形網絡。2、結構與原理(1)偏振相關型光隔離器：出射光為線偏振光環行器是由45o法拉第轉子和兩個偏振棱鏡組成的，法拉第轉子由 YIG單晶體和物-鉆(Sm-Co)稀土磁鐵構成，偏振棱鏡由方解石制成。它除

26、了 有多個端口外，其工作原理與隔離器類似。3.6 光衰減器(Optic attenuator)1、定義光衰減器是按一定要求將光信號能量進行衰減的器件。在光纖通信系統中通常需用光衰減器吸收光功率余量或評估系統的損耗。2、分類(1)按衰減方式分：固定式光衰減器分級可調衰減器連續可調衰減器(2)按工作原理分：吸收型衰減器反射型衰減器錯位型衰減器(3)按光纖種類分：多模光衰減器單模光衰減器(4)按接口型式分：尾纖式光衰減器連接器端口式光衰減器。3.7 光開關(Optical Switch)1、定義光開關是按一定要求將一個光通道的光信號轉換到另一個光通道的器件，它使光路之間進行直接轉換，避免了光-電-光

27、的過程，提高了信噪比。光開關的功能是轉換光路，實現光交換，它是光網絡的重要器件。2、分類(1)按工作原理分：機械式光開關光纖位移式光開關光學元件位移式光開關非機械式光開關電光式光開關磁光式光開關聲光式光開關3.8 光濾波器(optical Filter)1、光濾波器：只允許一定波長的光信號通過的器件。2、可調諧光濾波器：是一種波長(或頻率)選擇器件，它的功能是從許多不 同頻率的輸入光信號中，選擇出一個特定頻率的光信號。3、分類：(1)根據基理分為干涉型、衍射型和吸收型三類；基于干涉原理的濾波器：熔錐光纖濾波器、Fabry-Perot濾波器、多層介質膜濾波 器、馬赫-曾德干涉濾波器。基于衍射原理

28、的濾波器：體光柵濾波器、陣列波導光柵濾波器( AWG)、光纖光 柵濾波器、聲光可調諧濾波器。可調諧馬赫一曾特爾干涉儀濾波器。(2)根據調諧的能力分為光頻固定濾波器和可調諧濾波器。3.9 波長轉換器(Wavelength Converter )1、定義：能夠使信號從一個波長轉換到另一個波長的器件稱為波長轉換器。2、分類：波長轉換器根據波長轉換機理可分為光電型和全光型波長轉換器。3.10 光纖光柵(Fiber Grating)1、定義：利用某種手段使得光纖的物理結構沿軸向呈規律分布，用來改變光在其中傳播的行徑，這樣的一種光子學器件被稱為光纖光柵。這種物理結構沿 軸向的規律分布主要表現為光纖纖芯折射

29、率的周期性分布。3、光纖光柵的分類（2）根據周期性結構不同分：規則周期光柵（均勻光柵）：是指光柵的光學周期沿光纖軸向保持不變的 光柵，它具有接近于1的峰值反射率以及極窄的反射半寬。i ）布喇格光纖光柵（FBG）將光纖中傳播的特定波長的光波從前向導波模耦合到后向導波模中，是一種波長反射元件。格柵周期小于1mm,反射帶寬從零點幾個nm到幾十nm。ii）長周期光纖光柵（LPG: long period grating）將光纖中傳播的特定波長的光波耦合到包層中損耗掉，在其透射譜中形成寬 帶損耗峰，是一種透射型光柵。柵格周期大于100mm,用于EDFA的增益平坦元件。變周期光柵（非均勻光柵）光柵的光學周

30、期沿光柵軸向變化的一類光柵，它的反射譜一般較寬，同時隨周期變化方式的不同，可以產生按人為設計的方式而出現的反射及透射波形。i ）囑啾光纖光柵（CFBG:chirped fiber bragg grating）其周期不是常數而是沿軸向單調變化的，CFBG的不同柵格周期對應于不同 的反射波長，能夠形成很寬的反射帶，產生大而穩定的色散，用作色散補償元件。 ii）相移光纖光柵（PSFG: phase-shifted fiber grating）通過某種方式（用聚焦強光照射均勻周期光柵）破壞FBG折射率分布的連續 性，在某特定的一點或多點處引入相移，形成PSFG。特點是在其布拉格反射帶中打開透射窗口，使

31、光柵具有更高的波長選擇性。 用于波長解復用器。4、光纖光柵的制作技術（a）光纖的光敏性：光纖的折射率在紫外光照射下，隨光強發生變化的特性。(1)駐波寫入法 (2)全息干涉法(3)相位掩模法(4)逐點寫入法(4)色散補償器對于普通單模光纖，在1550nm處色散值為正，處在反常色散區,藍移分量較 紅移分量傳播得快。光纖chirp光柵能對色散補償的原理是，當這種光脈沖通過線 性chirp光柵后，藍移分量的時延比紅移分量的時延長，正好起到了色散均衡作用 從而實現了色散補償。3.11 偏振控制器(PC- Polarization controller)偏振控制器：是指能將任意輸入的偏振態轉變為任意期望輸

32、出偏振態的器件。分類：方位角控制型偏振控制器延遲量控制型偏振控制器方位角-延遲量控制型偏振控制器4.1 光源 Light Source對光源的基本要求有下列幾點：(1)光源的發光波長應符合目前光纖的三個低損耗窗口：即短波長波段的0.85 m和長波長波段的1.31 m與1.55 m；(2)能長時間連續工作，并能提供足夠的光輸出功率；目前，半導體激光 器尾纖的輸出功率可達 500 w 2mw;半導體發光二極管的尾纖輸出功率可 達10 w左右；(3)耦合效率高：目前，半導體激光器與尾纖的耦合效率為10%20%,最好可達50%;(4)光源的譜線寬度窄：光源的譜線寬度直接影響到光纖的色散特性，限 制了傳

33、輸速率和傳輸距離。目前較好的半導體激光器譜線寬度可達到0.1nm；(5)壽命長、工作穩定。4.1.1與激光器有關的幾個概念激光(LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 受激輻射 的光放大)一、光子(Photon)光纖傳感技術總結1905年，愛因斯坦提出光量子學說認為光是由能量為 hf的光量子組成， 其中h=6.62610-34 J S,稱為普朗克常數，f是光波頻率，人們將這些光量子稱為光子。光具有波動(wave)、粒子(particle)兩重性。二、原子能級 (Atomic Energy Level)電子在原

34、子中圍繞原子核按一定軌道運動， 具有一定的電子能量。電子運動 的能量只能有某些允許的數值。這些所允許的能量值，因軌道不同，都是一個個 地分開的，且是不連續的，其大小取決于軌道上電子的數目。 我們把這些分立的 能量值，稱為原子的能級。三、費米能級(Fermi Energy Level)在一般情況下，電子占據各個能級的概率是不等的，占據低能級的電子 多，而占據高能級的電子少。電子占據能級的概率遵循費米能級統計規律：在熱平衡條件下，能量為E的能級被一個電子占據的概率為：f(E) 一 11e(E-Ef.k0T)式中f(E)(概率)為電子的費米分布函數；k0為玻耳茲曼函數，k0=1.3810-23焦耳/

35、度；T為絕對溫度；Ef為費米能級，它只是反映電子在各能級中分布情況 的一個參量。費米統計規律是物質粒子能級分布的基本規律，它反映了物質中的電子按一定規律占據能級的情況。四、光與物質的三種作用形式1、 自發輻射 (Spontaneous Emission of Radiation )在高能級E2的電子是不穩定的，即使沒有外界的作用，也會自動地躍遷到低能級E1上與空穴復合，釋放的能量轉換為光子輻射出去，這種躍遷稱為自發輻射。特點：(1)過程是自發躍遷； (2)輻射光子的頻率不同；(3)輻射出的光子是非相干光。旦O“三心-呂v2、受激吸收(Stimulated Absorption)在正常狀態下，電

36、子處于低能級E1,在入射光作用下，它會吸收光子的能量躍遷到高能級E2上，這種躍遷稱為受激吸收。(1)過程是受激躍遷;(2)外來光子的能量要等于電子躍遷的能級之差;(3)受激躍遷的過程中，并沒有多余的能量放出來3、受激輻射 (Stimulated Emission of Radiation)一在高能級E2的電子，受到入射光的作用，被迫躍遷到低能級E1上與空穴復合，釋放的能量產生光輻射，這種躍遷稱為受激輻射。(1)外來光子的能量等于躍遷的能級之差；(2)受激發射的光子與外來光子是全同光子;(3)過程可以使光得到放大相干光：受激輻射光的頻率、相位、偏振態和傳播域=日產Ei方向與入射光相同。干 j工要

37、想物質能夠產生光的放大，就必須使受激輻射作用>受激吸收作用。也就是 必須使N2>N1,這種粒子數一反常態的分布，稱為 粒子數反轉分布。因此，粒 子數反轉分布狀態是使物質產生光放大的必要條件。二、激光器的基本組成1、能夠產生激光的工作物質(Operation Material )可以處于粒子數反轉分布狀態的工作物質，必須有確定能級的原子系統，可以在所需要的光波范圍內輻射光子。 經過分析可知，在三能級以上系統中， 可以得到粒子數反轉分布。2、泵浦源(Pumping Source)使工作物質產生粒子數反轉分布的外界激勵源，稱為泵浦源。物質在泵浦源的作用下，使粒子從低能級躍遷到較高能級，使

38、得N2>N1,在這種情況下， 受激輻射受激吸收，從而有光的放大作用。這時的工作物質已被激活，成為激活物質或稱增益物質(gain material)。3、光學諧振腔(Optical Resonant Cavity )提供必要的反饋以及進行頻率選擇。(1)光學諧振腔的結構對于兩個反射鏡，要求其中一個能全反射，另一個為部分反射，產生的 激光由此射出。4.1.3 半導體激光器(LD :Laser Diodes)一、半導體激光器的工作原理和結構用半導體(Semiconductor附料作為激活物質的激光器，稱為半導體激光器。1、半導體的簡單介紹：半導體是由大量原子周期性有序排列構成的共價晶體。在這種

39、晶體中，由于鄰近原子的作用，電子所處的能態擴展成能級連續分布的能 帶。能量低的能帶稱為價帶，能量高的能帶稱為導帶，導帶底的能量Ec和價帶頂的能量Ev之間的能量差Ec-Ev=Eg稱為禁帶寬度或帶隙。電子不可能占據禁帶半導體光源發射的光子的能量、波長取決于半導體材料的帶隙Eg,以電子伏特(eV)表示的發射波長為半導體分類(口 m)1.240Eg(eV)(a)本征半導體(Intrinsic Semiconductor)(b) N 型半導體(Negative Semiconductor)(c) P 型半導體(Positive Semiconductor)2、半導體激光器的工作原理(1) P-N 結(P

40、-N Junction)的形成在P型和N型半導體組成的PN結界面上，由于存在多數載流子(電子或空 穴)的梯度，因而產生擴散運動，形成內部電場。內部電場產生與擴散相反方向 的漂移運動，直到P區和N區的Ef相同，兩種運動處于平衡狀態為止，結果能 帶發生傾斜。(2)在PN結上施加正偏電壓20光纖傳感技術總結產生與內部電場相反方向的外加電場， 結果能帶傾斜減小，擴散增強。電子 運動方向與電場方向相反，便使 N區的電子向P區運動，P區的空穴向N區運 動，最后在PN結形成一個特殊的增益區。增益區的導帶主要是電子，價帶主要 是空穴，結果獲得粒子數反轉分布。（3）激光的產生當PN結上外加的正向偏壓足夠大時，將

41、使得結區處于粒子數反轉分布狀態， 即出現受激輻射受激吸收情況，可產生光的放大作用。被放大的光在由P-N結構成的光學諧振腔（諧振腔的兩個反射鏡，是由半導體材料的天然解理面而成 的）中來回反射，不斷增強，當滿足閾值條件后，即可發出激光。半導體激光器是向半導體 PN結注入電流，實現粒子數反轉分布，產生受 激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實現光放大而產生激光振蕩的。（2）異質結半導體激光器它們的“結”是由不同的半導體材料制成的。 主要目的是為了降低閾值 電流，提高效率。鈿錢神磷（InGaAsP）雙異質結條形激光器，它是由五層半導體材料構 成。其中nInGaAsP是發光的作用區（有源區）,作用區的上、下兩

42、層稱為限 制層，它們和有源區構成光學諧振腔。限制層和有源區之間形成異質結。最下面 一層，n-InP是襯底，頂層P+ -InGaASP是接觸層，其作用是為了改善和金屬電 極的接觸。頂層上面數微米寬的窗口為條形電極。UT:：；：二:口；二：:匕:出：/摘“郎；&ZE77777777777ZZ/7雙一單頻半導體激光器分布反饋激光器(DFB: Distributed Feed Back )光纖傳感技術總結DFB激光器優點單縱模激光器。譜線窄，波長穩定性好。動態譜線好。 線性好LD特點：激光、受激輻射光、輸出光功率大、有閾值、譜線寬度窄、調制頻率 高、與光纖耦合效率高、適用于長距離、大容量傳輸。

43、4.1.4 發光二極管(LED-Light Emitting Diode)發光二極管（LED）的工作原理與激光器（LD）有所不同，LD發射的是受 激輻射光，LED發射的是自發輻射光。LED的結構和LD相似，大多是采用雙（a）正面發光型(b)異質結（DH）芯片，把有源層夾在P型和N型限制層中間，不同的是LED不需要 光學諧振腔，沒有閾值。（b）側面發光型LED的工作原理當給LED外加合適的正向電壓時，大量的空穴和電子分別從P區擴散到n區和從N區擴散到p區（由于雙異質結構，p區中外來的電子和空穴不會分別擴 散到P區和N區），在有源區形成粒子數反轉分布狀態，最終克服受激吸收及其 他衰減面產生自發輻射

44、的光輸出C發光二極管具有如下工作特性：（1）光譜較寬（2） P - I曲線的線性較好（3）與光纖的耦合效率較低（4）壽命長（大于3105 h）（5）溫度特性較好LED特點：熒光、自發輻射光、輸出光功率小、譜線寬度較寬、調制頻率 較低、與光纖耦合效率低、性能穩定、壽命長、價格低，適用于短距離、小容量 傳輸。4.1.6 光源的調制（The Modulation of source）電/光轉換是用承載信息的數字電信號對光源進行調制來實現的。調制分為直接調制和外調制兩種方式。受調制的光源特性參數有功率、幅度、頻率和相位。1、光源的直接調制(Direct Modulation)直接在光源上進行調制，調制

45、半導體激光器的注入電流。分為模擬強度調制(ATM)、脈位調制(PPM)和數字調制(PCM-IM) 02、光源的間接調制(Indirect Modulation)在光源輸出的通路上外加調制器來對光波進行調制。通過電光、聲光效應， 利用晶體傳輸特性隨電壓或聲壓變化而變化實現對光的調制。(1)電光調制(Electrooptic Modulation)電光效應(Electrooptic Effect):電場引起晶體折射率變化。帕克耳效應(Pockel' s Effect): n E(2)聲光調制(Acoustooptic Modulation)聲光效應(Acoustooptic Effect)

46、:聲波在介質中傳播時，介質受聲波壓強作用 而產生應變，這種應變使介質的折射率發生變化，從而影響光波傳輸特性。光源與光纖的耦合影響耦合效率的主要因素是 光源的發散角和光纖的數值孔徑。發散角大，耦 合效率低；數值孔徑大，耦合效率高。止匕外，光源發光面和光纖端面的尺寸、形 狀及兩者之間的距離都會影響到耦合效率。光源與光纖的耦合一般采用兩種方法，即直接耦合與透鏡耦合。4.2 光電檢測器 Photoelectric Detector光接收機中實現將光信號轉換為電信號的器件稱為光電檢測器。光電檢測器是利用材料的光電效應來實現光電轉換的。對光檢測器的要求如下： 波長響應要和光纖低損耗窗口 (0.85 m、

47、1.31 m和1.55Nm)兼容；(2)響應度要高，在一定的接收光功率下，能產生最大的光電流；(3)噪聲要盡可能低，能接收極微弱的光信號；(4)性能穩定，可靠性高，壽命長，功耗和體積小。一、半導體的光電效應光照射到半導體的PN結上，若光子能量足夠大，則半導體材料中價帶的電子吸收光子的能量，從價帶越過禁帶到達導帶, 在導帶中出現光電子，在價帶中出現光空穴, 即產生光電子一空穴對，總起來又稱先生載 流子。光生載流子在外加負偏壓和內建電場 的作用下，在外電路中出現光電流，從而在 電阻R上有信號電壓輸出。實現了輸出電壓 跟隨輸入光信號變化的光電轉換作用。四、光血檢.測器的特性：1、響應度R0和量子效率

48、4外加電場方向內建電場方向耗盡層RCZF-光電J-h耗盡層 向導帶底下Eg禁帶價帶頂土光電轉換效率用響應度 R0或量子效率”表示。響應度(Responsivity)的定義為：Ro=Ip/Po(A/W)式中Ip為光電檢測器的平均輸出電流；量子效率(Quantum Efficiency)的定義為:光生電子一空穴對數V =入射光子數Po為光電檢測器的平均輸入功率% Akf 片p"p。e=/?0(y)2、響應時間(Response Time)響應時間是指半導體光電二極管產生的光電流跟隨入射光信號變化快慢的 狀態。一般用響應時間(上升時間和下降時間)來表示。(1)光電二極管等效電路的RC時間常

49、數(2)載流子在耗盡區的渡越時間(3)耗盡區外產生的載流子由于擴散而產生的時間延遲3、暗電流 ID (Dark Current)在理想條件下，當沒有光照時，光電檢測器應無光電流輸出。但是，實際上 由于熱激勵、宇宙射線或放射性物質的激勵，在無光情況下，光電檢測器仍有電 流輸出，這種電流稱為 暗電流。嚴格說暗電流還包括器件表面的漏電流。暗電流將引起光接收機噪聲增大。因此，器件的暗電流越小越好。光放大器的作用使光信號直接在光域進行放大而無須轉換成電信號進行信息處理，即用全光中繼來代替光-電-光中繼3、摻餌(Er3+)光纖放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier)(1)工作原理

50、e,31.27eV0.80eV980nm泵浦光信號光八一1550nm1 E3 980nm1530nm放大后 的信號二1550nm0鋰離子能級圖Er3+在未受任何光激勵的情況下，處在低能級E1上，當用泵浦光源的激光不斷地激發摻餌光纖時，處于基態的粒子獲得了能量就會向高能級躍遷。由 E1躍遷至E3,粒子在E3這個高能級上是不穩定的，它將迅速以無輻射過程落 到亞穩態E2上，在該能級上，粒子相對來講有較長的存活壽命，由于泵浦源不 斷地激發，則E2能級上的粒子數就不斷增加，而 E1能級上的粒子數就少，這 樣，在這段摻餌光纖中就實現了粒子數反轉分布狀態，就存在了實現光放大的條件。當輸入光信號的光子能量 E

51、=hf正好等于E2和E1的能級差時，即： E2-E1=hf,則亞穩態E2上的粒子將以受激輻射的形式躍遷回到基態E1上，并輻射出和輸入光信號的光子一樣的全同光子，從而大大增加了光子數量，使得輸入信號光在摻餌光纖中變為一個強的輸出光信號，實現了光的直接放大。(2) EDFA的結構(a)、同向泵浦(Equi-direction Pumping)結構 輸入光信號與泵浦光源輸出的光波， 以同一方向注入摻餌光纖。(b)、反向泵浦(Reverse direction Pumping轉構單泵浦的輸出功率可達14dBm。(c)、雙向泵浦(Bi-direction Pumping)結構雙泵浦的輸出功率可達17dB

52、m以上信號輸入匚二Z合波器隔離器 FO摻雜光纖I 0隔離器泵浦光3)同向泵浦(b)反向泵浦泵浦光泵浦光(動雙向泵浦(3) EDFA的主要優點：(1)工作波長(1.531.56 m)與光纖通信最佳波段一致；(2)與傳輸光纖的耦合損耗很小，可達0.1 dBO(3)增益高(達40dB)、噪聲低(低至3dB4dB卜輸出功率大(達1420dBm);(4)能量轉換效率高；(5)增益特性穩定：對溫度不敏感，與偏振無關；(6)頻帶寬，在1550 nm窗口，頻帶寬度為2040 nm,可進行多信道傳輸， 有利于增加傳輸容量。(4) EDFA的主要缺點：波長固定(1.55 m左右)；增益帶寬不平坦。4、光纖喇曼放大

53、器(FRA: Fiber Raman Amplifier )(2) FRA的原理 若一強泵浦光和一弱信號光在一根光纖中傳輸，弱信號光的波長在強泵 浦光的拉曼增益帶寬內，基于受激拉曼散射原理而使弱信號光得到放大，獲得拉曼增益。WDM/、 耦合器 ；p泵浦光 待放大信號光石英晶體的晶格振動4 4) FRA的特點優點：具有很寬的工作帶寬，可以實現全波段光放大。在傳輸系統中和EDFA組合使用時，能有效地降低系統的噪聲指數。可以對光信號構成分布式放大，因此可實現無中繼長距離傳輸。分布式拉曼放大，可以減少入射信號的光功率，降低了光纖非線性的影響，避 免四波混頻效應對系統的影響。具有較寬的拉曼增益譜。（多個

54、泵浦源，可達132 m） 缺點：喇曼光纖放大器所需要的泵浦光功率高。作用距離太長，增益系數偏低。對偏振敏感。EDFA和FRA的比較EDFA的增益頻譜是由餌能級電平決定的，它與泵浦光波長無關，它是固定 不變的。EDFA由于能級躍遷機制所限，增益帶寬只有 80 nm。光纖拉曼放大器使用多個泵源，可以得到比EDFA寬得多的增益帶寬。目前 增益帶寬已達132 nm。這樣通過選擇泵浦光波長，就可實現任意波長的光放大， 所以光纖拉曼放大器是目前唯一能實現 1 2901 660 nm光譜放大的器件，光纖 拉曼放大器可以放大EDFA不能放大的波段。5 .半導體光放大器（1） SOA的工作原利用受激輻射來實現對

55、入射光功率的放大的。 激活介質（有源區）吸收外部 泵浦提供的能量，電子獲得了能量躍遷到較高的能級，產生粒子數反轉。輸入光 信號會通過受激輻射過程激活這些電子， 使其躍遷到較低的能級，從而產生一個 放大的光信號。SOA與半導體激光器的結構相似，但它沒有反饋機制，因此 SOA只能放大 光信號，但不能產生相干的光輸出。28光纖傳感技術總結（2） SOA的結構：法布里-珀羅放大器(FPA)行波放大器(TWA)SOA的特性：SOA最大的優點是它使用InGaAsP來制造，因此體積小、緊湊，可以與其 他半導體和元件集成在一起。SOA的主要特性是：(1)它們與偏振有關，因此需要保偏光纖。它們具有可靠的高增益(20dB)。它們的輸出