第4章 光波导技术基础 4

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第4章 光波导技术基础 章
本章主要内容:
1.光波如何进入光波导?(模式的激励) 2.光波在光波导中如何传播?(模式分布) 3.光波导的基本特征参数及测试技术 4.光波导耦合技术 5.光波导中的非线性效应
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4.1 光纤原理
光纤是光导纤维的简称.它是工作在光波波段的介质波导, 通常为圆柱形. 光纤的传输特性由其结构和材料决定的.光纤的基本结构 是两层圆柱状媒质,内层为纤芯,外层为包层;纤芯的折 射率比包层的折射率稍大.当满足一定的入射条件时,光 波就能沿着纤芯向前传播.
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4.4光纤耦合
光纤是光传播的通道,在实际应用中必 须要与光源,光探测器耦合,必须与其 它光纤连接,还要根据不同的需要进行 传播方向的功率分配,合成及聚焦控制. 因此光纤耦合技术及满足不同要求的光 纤无源器件也是非常重要的.
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一,光源与光纤的耦合
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4.5 光纤应用
光纤通讯 测量 传输图像
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一,光纤的非通讯应用 1.照明:即把光源发出的光传输到一个或多 个其它地方用于照明. (1)汽车仪表盘指示照明. (2)汽车刹车传感器. (3)为处于不方便之处的物体提供照明. 2.盗窃报警系统. 3.图象传输:光纤束将用透镜成像在其入射 端面的像传输到另一处.内窥镜.
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位相调制(PSK):调制光束的位相,振幅和频 率保持不变.改变晶体电压来改变位相. 频率调制(FSK):改变光束频率△f.通过改变 LD电流可变化频率(直接调制).
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发射器件
一,LED 用于光纤通讯系统中的LEDs与用于光指示的那些LEDs相似, 但是他们有两个特性: 为了发射足够的光强进入光纤,它们的亮度必须很高; 如果要传输高的数据率,LEDs的上升和下降时间必须很小. 工作电流,发射耦合
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信息调制 用编码的电压或电流信号调制发射光源发射 的光,将信息以光波的形式发射出去.调制 的方式主要有三种:振幅调制,位相调制, 频率调制. 1. 振幅调制(ASK):通过改变光信号的有 和无来调制光.它分为回零(RZ)调制和不 回零(NRZ)调制.在激光器外部调制,或对 LED, LD直接调制.
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子午光线和螺旋光线. 子午光线在光纤内全反射满足的条件: sinφ0=n2/n1, φ≥φ0 在光纤入射端面,入射角为ψ,则根据折射定律有n0 sinψ=n1 sinθ, θ=90-φ,可得: NA表示数值孔径.由上式可见,NA愈大,ψ0 愈大, 可进入光纤并在其中传输的光愈多.NA表示光纤的同光能 力的一个参数.
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光纤的分类和特性
按折射率分布的方式 分类:阶跃折射率光 纤和梯度折射率光纤. 按传输的模式数量分 类:单模光纤和多模 光纤. 按传输的偏振态分: 单模光纤又可进一步 分保偏光纤非保偏光 纤.
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按制造光纤的材料分,有:①高纯度 熔石英光纤,其特点是材料的光传输 损 耗 低 , 有 的 波 长 可 低 到 0.2dB / km,一般均小于ldB/km; ②多组分玻璃纤维,其特点是芯-皮折 射率可在较大范围内变化,因而有利 于制造大数值孔径的光纤,但材料损 耗大,在可见光波段一般为:
(4)灵敏度高. (5)对被测介质影响小,这对于医药生物 领域的应用极为有利. (6)便于复用,便于成网.有利于与现有 光通信技术组成遥测网和光纤传感网络.; (7)成本低.有些种类的光纤传感器的成 本将大大低于现有同类传感器.
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二,光纤通讯
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1,光纤通讯特点
杂质离子的吸收 吸收损耗 本征吸收 损耗 制作缺陷 散射损耗 本征散射及其他
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图4.3.1
光纤总损耗及主要工作波长
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模色散:不同方向的光路径不同,到达的时间不同.
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2.材料色散:由于材料的折射率随光的波长变化, 不同频率的光在光纤中的速度不同.而所有光源发 射的光都具有一定的带宽,因此一个被传输的短脉 冲会扩展开来.
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(2)传光型光纤传感器
1,利用光纤作为传光元件将被测目标 发出的光或反射的光传到光电探测器上, 测量物体的光传导率,反射率,光强度, 以及利用测量这些物理量进行其它量的 测量和控制.比如测量血液中氧的含量, 尿液中各成分的含量等等.
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2,光纤传感器的主要特点
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信息编码
在模拟信号通讯中,可用模拟电信号直接调制发 光器件的驱动电流,光发射器件向光纤发射连续 变化的光信号.
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在数字通讯中需对输入的模拟电信号 进行编码,然后用编码后的电压信号 调制发光器件的驱动电流,光发射器 件向光纤发射脉冲形式的光信号. 编码就是在一定的时间间隔内对连续 变化的模拟信号进行采样,通过比较 等技术,用一串二进制数表示出来.
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二,LD:半导体激光二极管可产生比LEDs 高得多的光度输出,而且通常可有更高的 调制频率,然而它们比LED昂贵,驱动也 比LED复杂,仅用于高数据率和长距离通 信中.
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前端接收器
前端接收器包括光电转换器件和放大 电路. 一,光电转换器件 光电转换器件
P-i-n 二极管:正负掺杂夹本征材料.响应快. 雪崩二极管:灵敏度高,探测弱光 光三极管:成本低.缺点多.
(1)抗电磁干扰,电绝缘,耐腐蚀,本质 安全. (2)重量轻,体积小,外形可变. (3)测量对象广泛.目前已有性能不同的 测量温度,压力,位移,速度,加速度,液 面,流量,振动,水声,电流,电场,磁场, 电压:杂质含量,液体粮度,核辐射等各种 物理量,化学量的光纤传感器在现场使用.
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4.光纤用于测量
将光纤作为传感元件或传感器的一部分来 直接或间接测量物理量和其它其它量.光纤 传感器分为传感型光纤型和传光型两大类.
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(1)传感型光纤传感器
光波在光纤中传播时表征光波的特 征参量(波长,振幅,相位,偏振 态等)因外界因素(如温度,压力, 磁场,电场,位移,转动等)的作 用而间接或直接地发生变化,从而 可将光纤用作传感元件来探测各种 物理量.这就是传感型光纤传感器 的工作原理.
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放大电路
有许多种前端接收器放大电路设计,两种通用的 类型:低阻抗型和高阻抗型
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8.4和信息解码
对ASK模式调制信号,测量光的有无. PSK模式调制信号:利用干涉原理,与本地同频光 干涉,同相位产生亮点,不同相位产生暗点. FSK模式调制信号:利用干涉原理,与本地两种频 率光干涉,再比较;或只比较一种频率的光;或 利用滤光器选一种频率,有位1
1dB/m
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③塑料光纤,其特点是成本低,缺点 是材料损耗大,温度性能较差; ④红外光纤,其特点是可透过近红外 (1～5m)或中红外(～10m)的 光波:⑤液芯光纤,特点是纤芯为液 体,可满足特殊需要; ⑥晶体光纤,纤芯为晶体,可用于制 造各种有源和无源器件. 另外还有:发光纤维, 耐辐射光纤.
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四,光缆
光缆的目的是把许多光纤组合在一起,加 上机械保护和使之强度加大.在某些情况, 里面包含铜线,用以给中继器设备供电. 在光缆设计中一个重要考虑是确保光纤损 耗不随外壁对它的压力增加有显著变化. 外壁压力可能导致光纤有小的变形,这个 变型叫微弯,它会引起一些损耗.
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4.3 光纤特性
一,光纤的损耗 当光沿着光纤传播时,光的强度逐渐减弱的现象 称为损耗.主要原因是光纤材料中存在杂质,它 导致光波被吸收或任意角度散射.下表给出光纤 材料在特定波长处的损耗数据.
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光纤的损耗机理如下图所示
过度金属离子 OH-离子 紫外吸收 红外吸收 折射率分布不均匀 芯-涂层界面不理想 气泡,条纹,结石 瑞利散射 布里渊散射 喇曼散射
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2.LD与光纤的耦合
(1)直接耦合 (2)透镜耦合
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二,探测器与光纤的耦合
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三,光纤连接
光纤的连接与通常的电线连接有重要区别.
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1,两根相同光纤连接时的损耗
所产生的连接损耗有对准损耗和反射损耗.图747示出两 根光纤的失准状态,有端面分离,轴错位和轴角倾斜.
与常规电缆对比,光纤通讯系统有许多优 点. ——长的传输距离 ——高的信息携带能力(高数据率) ——无电磁干扰 ——安全——无能量泄露,电绝缘 ——重量轻 ——保密性能高,极不容易被窃听 ——耐腐蚀.
2010-7-8 3化,并仍以 惊人度速度向更高阶段发展.它不但 在很大程度上取代电缆作为电话通讯 的媒质,还成为现代互联网络的主要 传输介质.
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图748示出了数值孔径NA=0.2的两根相同的阶跃型光纤 连接时,因横向错位,端面分离和轴角倾斜引起损耗的计 算曲线.
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2,光纤叠接器
光纤叠接器是将两根光纤端面对端面地对准,然后用某种方法将 它们固定在一起.有许多种固定方法.如图851所示. 融接型固定法:图851(a)是利用电弧,火焰或激光将俩端面加热 熔化,然后靠它们的表面张力把它们精确地对准固定,形成永久 型连接器. 图851(b)机械固定法