第二章 多传感器的光网络技术 2．2．1 网络损耗的主要来源1．弯曲引起的光纤损耗（弯曲损耗） 弯曲损耗： 宏弯损耗 微弯损耗 1）光纤的宏弯损耗:曲率半径在一个临界值c R ，c R R >时附加损耗可以忽略不计；否则，弯曲损耗指数增加。

确定R 值是很重要的。

多模光纤cm R 1≥时，附加损耗可以忽略不计。

2）光纤的微弯损耗（1）多模光纤的微弯损耗多模光纤在微弯时，主要是相邻模之间发生耦合 弯波矢量c k k ='（微弯周期c l l =）时，损耗最大。

c l l =处的主衰减峰的谱宽为L l c /22，主衰减峰两侧还有次极大出现。

③损耗与微弯振幅2dA （平方）成正比（这一点可以加以利用）。

④损耗与微弯总长度L 成正比。

（2）单模光纤的微弯损耗 模斑半径越小，损耗越小。

2．光纤和光源的耦合损耗1）半导体激光器和光纤的耦合损耗半导体激光器发出的光不是圆的光班，其发散角在互为垂直的方向上也不一样大。

()()⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=222exp ,,yx yx z A z y x I ωω 其中xz x 0πωλω=，yz y 0πωλω=（1）直接耦合的损耗直接耦合：将光纤端面直接指向激光器发光面（点）。

举例：光纤NA=0.14，其孔径角c θ2约为16°半导体激光管发散角//2θ（平行于PN 结）仅为5°~6°，距离很近时，可以全部耦合；⊥θ2大于c θ2，不能保证全部的光都能进入光纤。

耦合效率的计算：()()()∞=⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫⎝⎛+⎪⎪⎭⎫⎝⎛-==⎰⎰⎰⎰∞∞∞∞Berf dxdy y xs A dxdyz y x I P y x 00220002exp 2,,2ωω()⎰∞⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=022exp 22dx x s A b x y ωωπ()⎰⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=A y dt t A erf 022exp 22ωπ 误差函数yyt ω2=，ydydt ω=在s z =平面内，B 为常数。

显然，包含在光纤孔径角//2θ内的光功率是()⎰⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=πλθπωλθωπωω202022tan 22exp tan 222exp 20c oy coy x y y x berf dt t B dxdyy x s A P 估算，光纤端面损5%，则()[][]%95/tan 2%950max⨯∞=⨯=erf erf P Pc oy λθπωηm oy μω05.0=，m μλ85.0=的激光和14.0=NA （︒=8cθ）的直接耦合，max η约为20%。

（2）透镜耦合的损耗①光纤端面磨成球面的耦合 ②柱透镜耦合 ③凸透镜耦合（也可用自聚焦透镜代替） ④圆锥表透镜耦合2）半导体发光二极管和光纤的耦合损耗发光管不同于激光器，其发光相当于余弦发光体。

后者相光强分布相当于高斯形。

用朗伯发光面（见固体光电子学），半球空间发出的总功率为⎰==2002cos sin 22ππθθθπEE BA d BA P E A ——发光面积，B ——光源亮度（单位面积向某方向单位立体角发出的光功率）； 通常，半导体二极管发光点的面积比光纤端面积小。

Ω=d BA dP E θcos⎰==ccE E BA d BA P θθπθθθπ02sin 2cos sin 22 直接耦合时的最大效率为()220m a x s i n NA P P c ==θη举例：当14.0=NA时，效率为2%，功率为5mW 的发光二极管，耦合入光纤的功率仅为几十微瓦。

采用透镜耦合，与激光管类似。

3．光纤和光纤的直接耦合损耗1）多模光纤和多模光纤的直接耦合损耗 （1）轴偏离对耦合损耗的影响 （2）两光纤端面之间的间隙对耦合损耗的影响 （3）两光纤轴之间的倾斜对耦合损耗的影响 （4）光纤端面的不完整性对耦合损耗的影响 ①端面倾斜 ②端面弯曲（5）光纤种类不同对耦合损耗的影响 ①芯径不同 ②折射率不同：2）单模光纤和单模光纤直接耦合的损耗 （1）离轴和轴倾斜引起的损耗 （2）两光纤端面间的间隙引起的耦合损耗 （3）不同种类光纤引起的耦合损耗 2．2．2 光网络常用无源及有源光纤器件属于有损耗器件：光连接器、光耦合器、光开关、光衰减器、光隔离器、光滤波器、波分复用/解复用器等。

1．熔锥型单模光纤光分/合路连接器2．磨抛型单模光纤定向耦合 3．光开关 1）机械式光开关（1）微光机电系统光开关微光机电系统MEMOS （2）金属薄膜光开关 2）电光效应光开关4．掺杂光纤激光器与放大器（略） 5．光纤放大器（略） 2．3 光网络技术 2．3．2 成网技术复用技术：光波分复用（OWDM ）、光时分复用技术（OTDM ）、光码分复用技术（OCDMA ）、光频分复用技术（OFDM ）、光空分复用技术）OSDM ）、光副载波复用技术（OSCM ）。

名词的英文全称。

1．光纤时分复用网络 时分复用（time domain multiplexing ）——依时间顺序依次访问一系列传感器。

2．光纤频分复用网络 频域复用:调制频域复用（modulation frequency domain multiplexing, MFDM ） 波分复用（wavelength division multiplexing, WDM ） 1）调制频域复用 2）波分复用 3．光纤空分复用网络 如同打电话方式，一对电缆只供一对电话使用。

长距离上用一对电缆同时供许多人通话——复用。

如10芯×组×10带光缆=5120芯，每缆可传1000Tb/s2．4 光传感网实例——光纤光栅在传感中的应用 光纤光栅在使用中的问题： ① 波长微小位移检测（设备昂贵） ②宽光谱、高功率光源（不易获得）③光检测器波长分辩率的提高（直接关系到光纤光栅灵敏度的发挥） ④交叉敏感的消除（被测量和非被测量之间的相互影响） ⑤光纤光栅的封装（写光栅时去除了保护层，机械强度变差）⑥光纤光栅的可靠性（机械和光学特性抗拉、抗弯、反射率、透射率规定时间内无变化） ⑦光纤光栅的寿命（光栅在高温下会发生退火）2．4．2 光纤光栅的传感网络1．光纤光栅的波分复用 2．光纤光栅的时分复用 3．光纤光栅的时分复用和空分复用（略） 4．光纤光栅的空分复用和波分复用（略） 5．光纤光栅的空分、波分和时分复用的组合布局第三章 光电传感器中的光纤技3．4 光纤的损耗 3．5 光纤的色散 （1）多模色散（群速不同） （2）波导色散（模的群速随波长变化） （3）材料色散（材料本身的色散）4）偏振（模）色散（轴不对称HE11x 模与HE11y 正交，光纤的轴不对称，两模群延迟不同。

3．6 光纤的耦合技术（略） 3．7 光纤中光波的控制技术 3．7．1 光纤偏振器 1．光纤偏振控制器 光纤中可利用光弹效应改变偏振态。

光纤弯曲时，由应力作用引起折射率的变化2133.0⎪⎭⎫⎝⎛-=∆-∆=R a n n n y x δ 快轴——弯曲平面内 慢轴——垂直于弯曲平面。

当 m NR n λπδ=2|| （ 、、、321=m ），为m /λ波片。

例：m μλ63.0=的红光，m a μ5.62=的光纤绕成mm R 6.20=的一个圈时，成为4/λ波片，两圈时，成为2/λ波片。

2．保偏光纤偏振器高双折射光纤——利用包层中的渐逝场，将两偏振之一泄漏出去。

镀金属膜的光纤偏振器示意图 TM 模经过金属薄膜处，发生耦合，进入波导，而TE 模不变，获得TE 波偏振。

3．7．2 光纤滤波器原理：利用耦合器和干涉仪选频（M-Z 光纤滤波器、F-P 光纤滤波器、光栅光纤滤波器）。

1．Mach-Zehnder 光纤滤波器两臂相差L L ∆+（用PZT 调整）⎪⎭⎫⎝⎛=→2cos 231ϕT ；⎪⎭⎫ ⎝⎛=→2sin 241ϕT ；c Lnf12∆=πϕ L n c f s ∆=2 若以两频率1f 、2f 从1入射，且满足⎪⎩⎪⎨⎧=⎪⎭⎫ ⎝⎛+=∆===∆= ,3,2,12122,3,2,1222211m m Lf n m m Lf n ππϕππϕ2413114131 ,1 ,1 ,0 ,1f f T T f f T T ======→→→→频率不同的光被分开L n c f f s c ∆==2 或L n ∆=∆221λλλ时，都能被分开。

只要是c f 的整数倍。

滤波器个数是频率个数的12-n倍。

2．Fabry-Perot 光纤滤波器结构 光纤波导腔FFPF ——直接镀高反膜（a ），自由谱区小空气隙腔FFPF ——空气隙（b ），损耗大改进型波导腔FFPF ——有小间波导（c ），损耗小，谱区可调、大。

3.7.3 光纤光栅1．光纤布拉格光栅的理论模型()()[]⎪⎩⎪⎨⎧>≤<≤+=2321211|| || ||,,1,,a r n a r a n a r z r F n z r n ϕϕ光致折射率变化函数()()1,,,,n z r n z r F ϕϕ∆=2．均匀周期正弦型光纤光栅（略） 3．7．4 光隔离器 法拉弟效应VHL =θ入光→P1→a （O 光，垂直）→F （+45度）→R （+45度）→a （e 光，水平）→与b 合路 →b （e 光，水平）→F （+45度）→R （+45度）→b （O 光，水平）→P2→更分开←P1←a （e 光，水平）←F （+45度）←R （-45度）←a （e 光，水平）←P2← ←P1←b （O 光，垂直）←F （+45度）←R （-45度）←b （O 光，垂直）←P2←反光 3．7．5 光调制器 1．电光效应光调制器 2．强度调制器 3．磁光效应光调制器 4．光调制器的主要参数（1）调制深度（1η）⎩⎨⎧>->-=000001 /|| /||I I I I I I I I I I m m mη （2）调制指数（ϕη）电光波导的相位调制指数LN eff ∆=λπηϕ2（3）半波电压（πV ） （4）调制带宽 定义RC f m 1=∆（5）最大调制频率()nL cf m 4max=光波导行波调制器()()L m L m n n Ln cf /14max -=（6）单位带宽驱动功率fP ∆/1 mW/MHz ·rad2（7）RF增益 （8）消光比（sr ）opoop s I I I r -=（9）插入损耗（sL ）⎩⎨⎧<-≥-=00 /|| /||I I I I I I II I I L m in o m in m s第四章 光传感信号处理技术 4．1 概述光传感器直接测量的是光的强度，引起强度变化的原因可以是振幅、相位。