1、1、光纖技術的發展歷史3、光纖結構和類型4、光纖的損耗6、光纖傳感器實例主要內容主要內容2、光纖波導的原理 1966年，高錕發表了一篇題為年，高錕發表了一篇題為光頻率介質光頻率介質纖維表面波導纖維表面波導的論文，開創性地提出光導的論文，開創性地提出光導纖維在通信上應用的基本原理，描述了長程纖維在通信上應用的基本原理，描述了長程及高信息量光通信所需絕緣性纖維的結構和及高信息量光通信所需絕緣性纖維的結構和材料特性。簡單地說，只要解決好玻璃純度材料特性。簡單地說，只要解決好玻璃純度和成分等問題，就能夠利用玻璃制作光學纖和成分等問題，就能夠利用玻璃制作光學纖維，從而高效傳輸信息。維，從而高效傳輸信息。

2、 提出用纖維材料傳達光束訊號，以建置通信提出用纖維材料傳達光束訊號，以建置通信的第一人的第一人 高琨博士的照片高琨博士的照片 高琨博士被稱為高琨博士被稱為“光纖之父光纖之父” 2009年年10月月6日，瑞典皇日，瑞典皇家科學院向高錕頒授諾貝爾家科學院向高錕頒授諾貝爾物理學獎。皇家科學院說，物理學獎。皇家科學院說，高錕在高錕在“有關光在纖維中的有關光在纖維中的傳輸以用于光學通信方面傳輸以用于光學通信方面”取得了突破性成就取得了突破性成就.1970 年年，光纖研制取得了重大突破。，光纖研制取得了重大突破。美國康寧美國康寧(Corning)公司就研制成功損耗公司就研制成功損耗20 dB/km的石英光

3、纖。的石英光纖。1972年年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4 dB/km。1973 年年，美國貝爾，美國貝爾(Bell)實驗室取得了更大成績，光纖損耗降實驗室取得了更大成績，光纖損耗降低到低到2.5dB/km。1974 1974 年年降低到降低到1.1dB/km。1976 年年，日本電報電話，日本電報電話(NTT)公司等單位將光纖損耗降低到公司等單位將光纖損耗降低到0.47 dB/km(波長波長1.2m)。1、光纖技術的發展歷史 1976年年日本電報電話公司研制成功發射波長為日本電報電話公司研制成功發射波長為1.3 m的銦鎵砷磷的銦鎵砷磷(InGaAs

4、P)激光器，激光器，1979年年美國電報電話美國電報電話(AT&T)公司和日本電報電話公司研制成功發射公司和日本電報電話公司研制成功發射波長為波長為1.55 m的連續振蕩半導體激光器。的連續振蕩半導體激光器。 由于光纖和半導體激光器的技術進步，使由于光纖和半導體激光器的技術進步，使 1970 年成為光年成為光纖通信發展的一個重要里程碑。纖通信發展的一個重要里程碑。 國內外光纖通信發展的現狀國內外光纖通信發展的現狀光纖光纖: 多模多模 單模，單模，工作波長工作波長: 0.85 m 1.31 m和和1.55 m，傳輸速率傳輸速率: 幾十幾十Mb/s 幾十幾十Gb/s。 應用范圍應用范圍:

5、市話局間中繼市話局間中繼 長途干線長途干線 用戶接入網用戶接入網 數字電話數字電話 有線電視有線電視(CATV) 單一類型信息的傳輸單一類型信息的傳輸 多種業務的傳輸。多種業務的傳輸。目前光纖已成為信息寬帶傳輸的主要媒質，光纖通信系統將成目前光纖已成為信息寬帶傳輸的主要媒質，光纖通信系統將成為未來國家信息基礎設施的支柱。為未來國家信息基礎設施的支柱。 光纖通信的優點光纖通信的優點 通信手段通信手段 傳輸容量傳輸容量( (話話路路)/)/條條 中繼距離中繼距離/km /km 1000 km1000 km內中繼器個內中繼器個數數 微波無線電微波無線電 960 960 50502020小同軸小同軸

6、9609604 4250250中同軸中同軸 180018006 6160160光纜光纜 1920192030303333光纜光纜 14000(1Gb/s)14000(1Gb/s)84841111光纜光纜 6000(445MB/S)6000(445MB/S)1341347 71、容許頻帶很寬，傳輸容量很大、容許頻帶很寬，傳輸容量很大2. 損耗很小，損耗很小， 中繼距離很長且誤碼率很小中繼距離很長且誤碼率很小 石英光纖在石英光纖在1.31 m和和1.55 m波長，波長， 傳輸損耗分傳輸損耗分別為別為0.50 dB/km和和0.20 dB/km。因此，用光纖比用同。因此，用光纖比用同軸電纜或波導管的

7、中繼距離長得多，見。目前，采軸電纜或波導管的中繼距離長得多，見。目前，采用外調制技術，波長為用外調制技術，波長為1.55m的色散移位單模光纖的色散移位單模光纖通信系統，若其傳輸速率為通信系統，若其傳輸速率為2.5 Gb/s，則中，則中繼距離可繼距離可達達150 km；若其傳輸速率為；若其傳輸速率為10 Gb/s，則中繼距離可，則中繼距離可達達100 km。 3. 重量輕、重量輕、 體積小體積小 光纖重量很輕，直徑很小。即使做成光纜，在芯光纖重量很輕，直徑很小。即使做成光纜，在芯數相同的條件下，其重量還是比電纜輕得多，體積數相同的條件下，其重量還是比電纜輕得多，體積也小得多。也小得多。 4. 抗

8、電磁干擾性能好抗電磁干擾性能好 光纖由電絕緣的石英材料制成，光纖通信線路不光纖由電絕緣的石英材料制成，光纖通信線路不受各種電磁場的干擾和閃電雷擊的損壞。無金屬光受各種電磁場的干擾和閃電雷擊的損壞。無金屬光纜非常適合于存在強電磁場干擾的高壓電力線路周纜非常適合于存在強電磁場干擾的高壓電力線路周圍和油田、煤礦等易燃易爆環境中使用。光纖圍和油田、煤礦等易燃易爆環境中使用。光纖(復合復合)架空地線架空地線(Optical Fiber Overhead Ground Wire, OPGW)是光纖與電力輸送系統的地線組合而成的通是光纖與電力輸送系統的地線組合而成的通信光纜，已在電力系統的通信中發揮重要作用

9、。信光纜，已在電力系統的通信中發揮重要作用。 5. 泄漏小，泄漏小， 保密性能好保密性能好 在光纖中傳輸的光泄漏非常微弱，即使在彎曲地段也無法在光纖中傳輸的光泄漏非常微弱，即使在彎曲地段也無法竊聽。沒有專用的特殊工具，光纖不能分接，因此信息在光纖竊聽。沒有專用的特殊工具，光纖不能分接，因此信息在光纖中傳輸非常安全。中傳輸非常安全。 6. 節約金屬材料，節約金屬材料， 有利于資源合理使用有利于資源合理使用 制造同軸電纜和波導管的銅、鋁、鉛等金屬材料，在地球上的儲存量是有限的；而制造光纖的石英(SiO2)在地球上基本上是取之不盡的材料。制造8 km管中同軸電纜，1 km需要120 kg銅和500

10、kg鋁；而制造8 km光纖只需320 g石英。 所以， 推廣光纖通信，有利于地球資源的合理使用。 光纖拉絲裝置預制棒加熱爐線徑測量牽引輥預涂覆在鼓上的光纖n 光纖有不同的結構形式。目前，通信用的光纖絕光纖有不同的結構形式。目前，通信用的光纖絕大多數是用石英材料做成的橫截面很小的雙層同大多數是用石英材料做成的橫截面很小的雙層同心玻璃體，外層玻璃的折射率比內層稍低。折射心玻璃體，外層玻璃的折射率比內層稍低。折射率高的中心部分叫做纖芯，其折射率為率高的中心部分叫做纖芯，其折射率為 ，直徑，直徑為為2a；折射率低的外圍部分稱為包層，其折射率；折射率低的外圍部分稱為包層，其折射率為為 ，直徑為，直徑為2

11、b。它的基本結構形式如圖所示。它的基本結構形式如圖所示 151n2nn2n1nr ( )r2am=2a8.32 b1252 bm=2、光纖波導原理n特點：n1n2光在芯和包層之間的界面上反復進行全反射，并在光纖中傳遞下去。16纖芯的作用約束光的傳輸。約束光的傳輸。包層的作用形成光波導效應。形成光波導效應。涂敷層的作用保護光纖不受水汽的侵蝕保護光纖不受水汽的侵蝕和機械擦傷，同時增加光纖的柔韌性和機械擦傷，同時增加光纖的柔韌性n雖然光纖的基本結構形式如上圖雖然光纖的基本結構形式如上圖 所示，但所示，但是按照折射率分布、傳輸模式多少、材料是按照折射率分布、傳輸模式多少、材料成分等的不同，光纖可分為很

12、多種類，下成分等的不同，光纖可分為很多種類，下面將簡單介紹一下面將簡單介紹一下 171. 按照折射率分布來分一般可以分為階躍型光纖和漸變型光纖兩種 如果纖芯折射率沿半徑方向保持一定，包層折射率沿半徑方向也保持一定，而且纖芯和包層折射率在邊界處呈階梯型變化的光纖，稱為階躍型光纖，又可稱為均勻光纖。它的結構如圖所示。 階躍折射率光纖18圖5.1 階躍折射率光纖 (a)折射率剖面 (b)端視圖 (c) 縱剖面圖纖芯包層n階躍折射率光纖的臨界角sinc=n2/n1n引入纖芯和包層相對折射率差：n=(n1-n2)/n1n這是 一個恒定的參數,因為全反射角存在的條件是n1大于n2,其典型值為0.0119n

13、常見的階躍折射率的光纖通常有三種常見的階躍折射率的光纖通常有三種結構結構纖芯和包層都是使用玻璃纖芯和包層都是使用玻璃纖芯使用石英玻璃而包層使用塑料纖芯使用石英玻璃而包層使用塑料塑料纖芯而包層使用另一種塑料塑料纖芯而包層使用另一種塑料全玻璃的纖芯和包層折射率差最小全玻璃的纖芯和包層折射率差最小塑料包層石英光纖塑料包層石英光纖(PCS)稍大一些稍大一些全塑料光纖最全塑料光纖最 大大(POF 聚合物光纖聚合物光纖)20數值孔徑（Numerical Aperture, NA）NA-(P84)n階躍光纖數值孔徑NA的物理意義是：能使光在光纖內以全反射形式進行傳播的接收角c之正弦值。 21n需要注意的是，

14、光纖的NA并非越大越好。NA越大，雖然光纖接收光的能力越強，但光纖的模式色散也越厲害。因為NA越大，則其相對折射率差也就越大，值較大的光纖的模式色散也越大，從而使光纖的傳輸容量變小。因此NA 取值的大小要兼顧光纖接收光的能力和模式色散。CCITT建議光纖的NA=0.180.23。22n和平板波導一樣和平板波導一樣,模式失真和數值孔徑隨著模式失真和數值孔徑隨著折射率差的增加而變大折射率差的增加而變大.n模式脈沖展寬和數值孔徑模式脈沖展寬和數值孔徑 由大到小由大到小全塑料光纖全塑料光纖 塑料包層石英光纖塑料包層石英光纖 全玻璃光纖全玻璃光纖 23 脈沖展寬小可以使光纖實現長距離大脈沖展寬小可以使光

15、纖實現長距離大容量傳輸容量傳輸,NA小會導致光源到光纖的耦合效小會導致光源到光纖的耦合效率低下率低下24 全玻璃光纖具有最低的衰耗和最小的全玻璃光纖具有最低的衰耗和最小的模式脈沖展寬模式脈沖展寬,所以比較適合高信息速率和所以比較適合高信息速率和長距離傳輸系統長距離傳輸系統25石英光纖 由于由于PCS光纖的傳輸損耗和脈沖展寬比光纖的傳輸損耗和脈沖展寬比全玻璃纖維光纖要大，所以比較適合應用全玻璃纖維光纖要大，所以比較適合應用于短距離的傳輸系統。其數值孔徑比較大，于短距離的傳輸系統。其數值孔徑比較大，使得光源到光纖的耦合效率比較高。使得光源到光纖的耦合效率比較高。26 由于傳輸損耗很大，使全塑料光纖

16、傳由于傳輸損耗很大，使全塑料光纖傳輸距離受到很大限制。傳輸距離通常只有輸距離受到很大限制。傳輸距離通常只有數十米。其數值孔徑很大，使得光源到光數十米。其數值孔徑很大，使得光源到光纖的耦合效率很高，全塑料光纖也因此得纖的耦合效率很高，全塑料光纖也因此得到應用。到應用。27塑料光纖 光纖的尺寸大小通常用纖芯直徑和包層光纖的尺寸大小通常用纖芯直徑和包層直徑表示，都是以微米為單位，例如直徑表示，都是以微米為單位，例如50/125 光纖代表纖芯直徑為光纖代表纖芯直徑為50微米包層直徑微米包層直徑為為125微米的光纖。微米的光纖。SI 光纖的直徑的典型光纖的直徑的典型 值為值為50/125，100/140

17、和和200/2302829圖5.2 可被SI 光纖捕獲的光線形成的圓錐纖芯n進入光纖的光在芯包交界面上的入射角大進入光纖的光在芯包交界面上的入射角大于臨界角時，就在光纖內產生全反射；而于臨界角時，就在光纖內產生全反射；而入射角小于臨界角的光就有一部分進入包入射角小于臨界角的光就有一部分進入包層，當包層外圍介質的折射率比包層的折層，當包層外圍介質的折射率比包層的折射率還有小時，光纖通過包層外邊界面的射率還有小時，光纖通過包層外邊界面的內全反射也能夠被光纖捕獲。內全反射也能夠被光纖捕獲。30n前者的傳輸損耗小，能作遠距離傳輸，稱前者的傳輸損耗小，能作遠距離傳輸，稱為傳導模為傳導模n后者的傳輸損耗大

18、，稱為包層模后者的傳輸損耗大，稱為包層模3132圖5.3包層模的射線路經。在纖芯和包層界面上的部分反射造成了多條傳輸路經纖芯包層3、光纖結構和類型 n光纖是一種纖芯折射率比包層折射率高光纖是一種纖芯折射率比包層折射率高的同軸圓柱形電介質波導的同軸圓柱形電介質波導;n根據光纖橫截面上折射率的徑向分布情根據光纖橫截面上折射率的徑向分布情況，光纖分為階躍型和漸變型兩種況，光纖分為階躍型和漸變型兩種;n作為信息傳輸波導，實用光纖有兩種基作為信息傳輸波導，實用光纖有兩種基本類型，它們是多模光纖和單模光纖。本類型，它們是多模光纖和單模光纖。n2n1nr ( )r階階躍躍多多模模光光纖纖(a)包包層層纖纖芯

19、芯2a2a m=1001402b m=2bn2n1nr ( )r漸漸變變多多模模光光纖纖(b)2a2a m=62.52b1252b m=2b多模光纖n 可以傳播數百到上千可以傳播數百到上千個模式的光纖，稱為個模式的光纖，稱為多模多模(MM, Multimode)光纖。光纖。n 根據折射率在纖芯和根據折射率在纖芯和包層的徑向分布情況，包層的徑向分布情況，又可分為階躍多模光又可分為階躍多模光纖和漸變多模光纖。纖和漸變多模光纖。t光強光強0tSM SM GI SI1.00.5脈沖展寬脈沖展寬n2n1nr ( )r2a m=2a8.32b1252b m=單模光纖-色散最小n 只能傳播一個模式的光纖稱為

20、單模光纖只能傳播一個模式的光纖稱為單模光纖n 標準單模標準單模(SM, Single Mode)光纖折射率分布和光纖折射率分布和階躍型光纖相似，只是纖芯直徑比多模光纖小階躍型光纖相似，只是纖芯直徑比多模光纖小得多，模場直徑只有（得多，模場直徑只有（910） mn 光線沿軸線直線傳播光線沿軸線直線傳播, 色散使輸出脈沖信號展色散使輸出脈沖信號展寬最小。寬最小。n按材料分類：按材料分類：玻璃光纖：纖芯與包層都是玻璃，損玻璃光纖：纖芯與包層都是玻璃，損耗小，傳輸距離長，成本高；耗小，傳輸距離長，成本高；膠套硅光纖：纖芯是玻璃，包層為塑膠套硅光纖：纖芯是玻璃，包層為塑料，特性同玻璃光纖差不多，成本較料

21、，特性同玻璃光纖差不多，成本較低；低；塑料光纖：纖芯與包層都是塑料，損塑料光纖：纖芯與包層都是塑料，損耗大，傳輸距離很短，價格很低。多耗大，傳輸距離很短，價格很低。多用于家電、音響，以及短距的圖像傳用于家電、音響，以及短距的圖像傳輸輸。n按照光纖的模式分類按照光纖的模式分類 單模（單模（Single-Mode） 多模（多模（Multi-Mode）n按折射率分類按折射率分類 階越光纖階越光纖 漸變折射率光纖漸變折射率光纖 4 4、光纖的損耗、光纖的損耗1310 nm : 0.35 0.5 dB/Km1550 nm : 0.2 0.3dB/Km850 nm : 2.3 3.4 dB/Km光纖熔接點

22、損耗：0.2dB/點光纖熔接點 1點/2km 光纖傳感器光纖傳感器(FOS Fiber Optical Sensor)是是2020世紀世紀7070年年代中期發展起來的一種基于代中期發展起來的一種基于光導纖維光導纖維的新型傳感器。它的新型傳感器。它是光纖和光通信技術迅速發展的產物，它與以電為基礎是光纖和光通信技術迅速發展的產物，它與以電為基礎的傳感器有本質區別。光纖傳感器用的傳感器有本質區別。光纖傳感器用光作為敏感信息的光作為敏感信息的載體載體，用光纖作為，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質傳遞敏感信息的媒質。因此，它同時。因此，它同時具有具有光纖光纖及及光學測量光學測量的特點。的特點。 電絕緣性能好

23、。電絕緣性能好。 抗電磁干擾能力強。抗電磁干擾能力強。 非侵入性。非侵入性。 高靈敏度。高靈敏度。 容易實現對被測信號的遠距離監控。容易實現對被測信號的遠距離監控。光纖傳感器可測量位移、速度、加速度、液位、應變、光纖傳感器可測量位移、速度、加速度、液位、應變、壓力、流量、振動、溫度、電流、電壓、磁場等物理量壓力、流量、振動、溫度、電流、電壓、磁場等物理量5、光纖傳感器實例、光纖傳感器實例 （1 1）根據光纖在傳感器中的作用）根據光纖在傳感器中的作用光纖傳感器分為功能型、非功能型兩大類。光纖傳感器分為功能型、非功能型兩大類。 1 1）功能型（全光纖型）光纖傳感器）功能型（全光纖型）光纖傳感器利用

24、對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖(或特或特殊光纖殊光纖)作傳感元件，將作傳感元件，將“傳傳”和和“感感”合為一體的傳合為一體的傳感器。光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因感器。光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素素(彎曲、相變彎曲、相變)的作用下，其光學特性的作用下，其光學特性(光強、相位、偏光強、相位、偏振態等振態等)的變化來實現的變化來實現“傳傳”和和“感感”的功能。因此，的功能。因此，傳感器中光纖是連續的。由于光纖連續，增加其長度，傳感器中光纖是連續的。由于光纖連續，增加其長度，可提高靈敏度。可提高靈敏度。信號處理光受信器光纖敏感元件光發送器 2 2）非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器）非