光纤复习资料 6页

1、光与物质相互作用光可以被物质吸收也可以从物质中发射；在研究光与物质的相互作用时，存在着三种不同的基本过程，即自发辐射、受激吸收、受激辐射。其中,半导体二极管的工作原理基于自发辐射,半导体激光器的工作机理基于受激辐射,光电检测器的工作原理机理基于受激吸收。自发辐射：物质原子中的电子在未受到外界激发的情况下，高能级E2上的电子由于不稳定，自发地向低能级E1跃迁，在跃迁的过程中，多余的能量以发光的形式表现出来，这个过程称为自发辐射。受激吸收：物质在外来光子的激发下，低能级E1上的电子吸收了外来光子的能量，而跃迁到高能级E2上，这个过程叫做受激吸收受激辐射：当受到外来光子的激发时，跃迁到低能级E1上，同时放出一个能量为的光子，由于这个过程是在外来光子的激发下产生的，因此叫做2、隔离器的组成功能和原理：光隔离器是一种只允许光沿一个方向通过而在相反方向阻挡光通过的光无源器件。原理：对于正向入射的信号光，通过起偏器后成 为线偏振光，法拉弟旋磁介质与外磁场一起使信号光的偏振方向右旋45度，并恰好使低损耗通过与起偏器成45度放置的检偏器。对于反向光，出检偏器的线偏振光经过放置介质时，偏转方向也右旋转45度，从而使反向光的偏振方向与起偏器方向正交，完全阻作用：防止光路中的后向传输光对光源以及光路系统产生不良影响。应用：光纤通信、光信息处理系统、光纤传感以及精密光学测量系统等。按性能分类：偏振相关型和偏振无关型两类光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应。偏振方向的旋转只与磁场强度的方向有关，而与光传播的方向无关。由起偏器、检偏器和旋光器三部分组成。光纤光栅的实质是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜，利用这一特性构成光纤无源器件。传输损耗低、抗电磁干扰、质量轻、柔韧、化学稳定及电绝缘。3、光纤光栅的原理及解调。光纤光栅的实质是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜，利用这一特性构成光纤无源器件。传输损耗低、抗电磁干扰、质量轻、柔韧、化学稳定及电绝缘。光纤光栅的最基本原理是相位匹配条件：β1、β2是正、反向传输常数，Λ是光纤光栅的周期，在写入光栅的过程中确定下来。FBG的工作原理:当一束宽谱带光波在光栅中传输时，入射光在相应的频率上被反射回来，其余的不受影响从光栅的另外一端透射出来。光纤光栅起到了光波选频的作用，反射的条件称为布拉格条件。由光纤光栅相位匹配条件得到反射中心波长表达式：光纤光栅传感器的关键技术之一是如何精确、快速、方便地检测和处理由于被测量变化引起的每个传感光栅Bragg中心波长的微小偏移量，即实现每个波长编码信号的解调。其解调的实质是对传感光栅的反射谱或者透射谱进行实时监测，检测出波长编码信息。4、反射式强度调制的原理。强度调制是利用被测对象的变化引起敏感元件参数的变化，而导致光强度发生变化来实现敏感测量的。可分为外调制和内调制两大类。外调制式强度调制利用发射光纤与接收光纤之间光束的位移、遮挡以及耦合等，通过一定的方式使进入接收光纤的光强随外界被测量而改变。外调制式强度调制基本调制方式为反射式和透射式。5、sagnac相移原理传输相位差利用光的干涉，振动频率相同、方向相同、相位差恒定来检测相位差。通过检测光强来检测相位差，进而检测转动角速率。6、干涉式光纤陀螺的工作原理（1）当Sagnac相移很小时，陀螺输出对旋转速率的灵敏度接近为零（2）由于响应曲线的对称性，无法确定Sagnac相移的符号（3）响应曲线具有周期性，在两个或多个周期上测量Sagnac相移时，陀螺输出具有多值性。7、激光辐射的条件：1、要有合适的激光工作物质（激活介质）2、需要一个能保证粒子数反转分布的激励能源（泵浦源）3、需要光学谐振腔4、光的增益和损耗间应满足阈值条件5、谐振腔中光波往复反射能得到加强，满足相位平衡条件8、LED以自发辐射为主，LD改变其驱动电流。LD和LED区别:在其外层通过自然解理形成一谐振腔，该谐振腔具有一定的门限条件，当达到这个条件时，粒子数反转受激发光。LED特点:1，结构上没有光学谐振腔，2，无阈值器件，3，发主机理是自发辐射，发出的是荧光9、同质结半导体激光器。\n其核心部分是一个P-N结，由结区发出激光。缺点1、对光波的限制不完善，导致输出光波损耗大。2、对载流子的限制不完善，导致阈值电流大单异质结半导体激光器优缺点：1．增加了右侧位垒，对载流子进行了限制2．在界面右侧出现了折射率的突变，限制了光波 双异质结激光器优缺点：在有源区两侧，既限制了载流子，又限制了光波，而且阈值电流大大降低，实现了预期的目的. 10、半导体粒子分布状态 N1：处于低能级的粒子数量(价带电子数) N2：处于高能级的粒子数量(导带电子数/价带空穴数) (1)N1>N2，正常粒子数分布，光吸收大于光辐射。当光通过这种半导体时，光强按指数衰减。 (2)N2>N1，粒子数反转状态，光辐射大于光吸收。当光通过这种半导体时，会产生放大作用。 11、pn结1.浓度的差别导致载流子的扩散运动2.内建电场的驱动导致载流子做反向漂移运动12、波长检测方法是1、光谱分析2、比色法13、色散的分类：模式色散：模式色散是由于光纤不同模式在同一波长下传播速度不同，使传播时延不同而产生的色散。只有多模光纤才存在模式色散，它主要取决于光纤的折射率分布。材料色散：是由于光纤的折射率随波长变化而使模式内不同波长的光时间延迟不同产生的色散。取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。波导色散：是由于波导结构参数与波长有关而产生的色散。取决于波导尺寸和纤芯包层的相对折射率差14、光衰减器是用来在光纤线路中产生可控制衰减的一种无源器件。功能是在光信息传输过程中对光功率进行预定量的光衰减。横向位移型光衰减器：有意在光纤对接时，发生一定错位，使光能损失一些，从而达到控制衰减量的目的。轴向位移型光衰减器:应用这种原理制作衰减器，在设计工艺上，只要用机械的方式将两根光纤拉开一定的距离进行对中，就可实现衰减的目的。15、光纤传感调制方式有五种，分别为强度调制，相位调制，偏振调制，频率调制，波长调制。强度调制是利用被测对象的变化引起敏感元件参数的变化，而导致光强度发生变化来实现敏感测量的。相位调制的原理是利用萨格奈克效应，是通过检测光强来来检测相位差，进而就是检测转动角速率。偏振调制是利用外界被测量是光纤光波的偏振面偏发生规律性偏转和产生双折射，从而导致光的偏振特性变化，通过检测光的偏振态变化来测量外界被测量。频率调制，利用外界因素改变光的频率，通过检测光的频率变化来测量外界物理量。波长调制:主要是利用传感器探头的光谱特性随外界物理量变化的性质来实现的。16、粒子数反转分布当外界提供能量，使得低能级上的电子获得能量而激发到高能级上，像一个泵将低能级上的电子“抽运”到高能级上一样，从而达到高能级上的粒子数N2大于低能级上的粒子数N1的分布状态。这种分布状态称为粒子数反转分布状态。由于N2＞N1，因此，这时如果有外来光的激发，就会出现受激辐射＞受激吸收，就有可能实现光的放大作用。19、光纤的归一化频率:归一化频率是为表征光纤中所能传播的模式数目多少而引入的一个特征参数。归一化频率越大，光纤所允许传播的模式越多，当V<2.405时，光纤中只允许一个模式传播，即基模。对于阶跃型光纤，光纤中的传输模式数为N=V^2/2对于渐变型光纤，光纤中的传输模式数为N=V^4/2截止波长λc:截止波长是单模光纤特有的参数，对应于第一高阶模的归一化截止频率Vc=2.405时的波长。17、半导体激光器的工作特性有五种，1、辐射波长λ，2、P–I曲线，3、光谱特性，4转换效率5温度特性18、激光的特点：方向性好、单色性好、能量集中、相干性好\n19、LD半导体激光二极管辐射波长：禁带宽度决定。1eV=JP－I曲线：I＜It(阈值电流)荧光I＞It激光光谱特性：I＜It光谱很宽I＞It突然变窄中心强度急剧增加多纵模激光器：谱线多而宽，适用于短距离光纤传输系统。单纵模激光器：只有一根谱线，细而窄，适用于长距离光纤传输系统转换效率：R为与激光器的内部量子效率、激光波长和模式损耗有关的常数；V为工作电压；It为阈值电流；I为工作电流。温度特性：温度对LD的阈值电流影响很大：阈值电流随温度的升高而加大1、InGaAs光电二极管在波长为1300nm时有如下参数：初级体暗电流ID=4nA，负载电阻RL=1000W，量子效率h=0.90，表面暗电流可以忽略，入射光功率为300nW(-35dBm)，接收机带宽为20MHz，计算接收机的各种噪声。首先计算初级光电流：量子噪声均方根电流光检测器暗电流负载均方热噪声电流为：2、一双异质结InGaAsP材料的LED，其峰值波长为1310nm，辐射性复合时间和非辐射型复合时间分别为30ns和100ns，驱动电流为40mA。可以得到：可以得到LED的内部发光功率为：3、有一个光电二极管是由GaAs材料组成的，在300k时其带隙能量为1.43eV，其截止波长为：因此，检测器不能用于波长范围大于869nm的系统中。4、能量为1.53x10-19J的光子入射到光电二极管上，二极管的响应度为0.65A/W，如果入射光功率为10mW，则产生的光电流为：5、如上图所示，波长范围为1300nm-1600nm，InGaAs的量子效率大约为90%，因此响应度为：当波长为1300nm时：6、一种硅APD在波长900nm时的量子效率为65%，假定0.5mW的光功率产生的倍增电流为10mA，试求倍增因子M。初级光电流为：\n倍增因子M为7、如果光电二极管的电容为3PF，放大器电容为4PF，负载电阻为1K欧姆，放大器输入电阻为1欧姆，则CT=7PF，RT=1K欧姆，所以电路带宽：如果将负载电阻降为50欧姆，电路带宽增加为455MHz。8、以MZ干涉仪为例，调制信号的相位调制幅值为相位差变化量幅值为定义相位压缩系数为相位差幅值与相位差变化量幅值之比设L＝3km，fm＝50Hz，λ0＝1.3μm，n＝1.46,∆L=2μm，则φsm＝11.01rad，φsnm＝0.05rad，于是PCF＝220.2。1.光纤结构：纤芯、包层、涂覆层、护套层。2.光纤折射率分布：阶跃型光纤、渐变型光纤。3.光纤模式分类：单模光纤（SMF）、多模光纤（MMF）。4.材料分类：石英系列、多组分、液芯、塑料光纤。5.光在光纤中以模的形式传播，模式是指传输线横纵截面电磁场结构图形。6.光纤中的3种模式：横电波、横磁波、混合波。7.光纤的归一化频率，表征光纤中播模式多少，越大，模式越多。光纤重要参数：数值孔径、模式、归一化频率、截止波长截止波长是单模光纤特有的参数，对应于第一高阶模的归一化截止频率Vc=2.405时的波长。8.数值孔径：表征光纤收集光的能力。9.拍长：偏振态完成一个周期变化的光纤长度。双折射越强，拍长越短。10.色散：模式色散、模内色散（材料色散、波导色散）。11.色散与带宽：描述的是光纤同一特性。时域、频域。12.色散：光纤存在的光信号、不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽。13.光纤有源器件：光源和探测器，是指包含有半导体有源材料，并且能够与光纤耦合的光电子器件。14.LED：（面发光二极管）（边发光二极管）原理：外加电场实现粒子反转，大量电子—空穴对的自发复合致发光。15.LED的P-I特性1、驱动电流较小->LEDP-I特性线性度好。2、驱动电流较大->pn结发热产生饱和现象->曲线斜率减小16．LED：输出光功率线性范围宽(P-I特性)、性能稳定、寿命长、制造工艺简单、价格低廉缺点：输出光功率较小、谱线宽度较宽、调制频率较低、光纤耦合效率低。20.激光器的调制技术内调制：信息流直接控制激光器的驱动电流(<40GHz)外调制：使用调制器对输出的光信号进行调制2.隔离器指标：插入损耗回波损耗隔离度偏振相关损耗（PDL）偏振模色散（PMD）。3.光学环形器是多端口、非互易的器件。作用：使光信号只能沿规定的端口顺序传输。应用：单波长双向通信中的重要器件，完成、正反向传输光的分离，单纤双向通信、合波/分波及色散补偿等。改进:（1）摒弃偏振分光镜，采用双折射晶体（2）采用双级结构隔离度超过60dB。4.光纤传感器:光源、传输光纤、传感头、光电探测器、信号检测处。5.光纤传感技术以光波为载体感知和传输外界信号。光纤传感器基本工作原理：光电转换、解调传输.9.光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能型传感器，又称FF型光纤传感器；利用光纤本身感受被测量变化而改变传输光的特性，光纤既是传光元件，又是敏感元件。另一类是非功能型传感器，又称NF型光纤传感器。利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光信号的传输介质。10.光纤的光波调制：强度调制相位调制偏振调制频率调制波长调制。11.外调制式强度调制基本调制方式为反射式和透射式\n光纤分为两部分：发送光纤和接收光纤。基本原理：利用发射光纤与接收光纤之间光束的位移、遮挡以及耦合等，通过一定的方式使进入接收光纤的光强随外界被测量而改变。11.透射式强度调制：光纤位移型，光阐型。14.渐逝场：当光波在光密介质与光输介质的界面产生全反射时，在光疏介质中仍存在电磁场，其强度按指数规律迅速衰减，透射深度一般约为几个波长。耦合强度与光纤距离d，相互作用长度L及耦合介质折射率n2等因素有关。15.内调制型：微弯损耗型，变折射率型，刻纹光纤型，光吸收系数型。16.相位调制的基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化。检测方法：使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。17.相位调制分为内调制、外调制和萨格奈克（Sagnac）效应调制。18.光纤中传播光相位变化可以表示为折射率：光弹效应或热光效应。轴向长度：应变效应或热膨胀效应直径：泊松效应。20.光纤气体传感器：功能型，非功能型。21.渐逝场型：利用光纤接口附近的渐逝场被气体吸收峰衰减来测量气体浓度的。22.光强光栅的实质是在纤芯内形成一个窄带的（透射和反射）滤波器和反射镜利用这一特性构成光纤元器件；类似于透镜。1、光栅分类：光纤光栅、倾斜光纤光栅；均匀周期光纤光栅：光纤布喇格光栅、长周期非均匀：相移、变迹、取样、啁秌光纤光栅2、横向应变：1横向均匀载荷：分裂成两个谐振峰X方向和Y偏振方向，谐振峰漂移量与光栅光纤横向载荷线性，X向长波，Y向短波（平面应变）X向长波，Y向长波(平面应力)2非均匀（1）线性用力：斜率K与反射谱带宽成正比。作用力初值F0,斜率K与反射谱对称波长移成正比（2）正弦作用力：T与反射谱谐振峰波长成反比；A与谐峰反射率双曲正切无影响F0与平移成正比3、温度：外界温度改变同样会引起光纤光栅布拉格波长的漂移：原因：光纤热膨胀效应，光纤热光效应以及内部应力引起的弹光效应4、布拉格光栅工作原理：当一束宽谱带光波在光栅中传播时，入射光在相应的频率上被反射回来，其余的不受影响从光栅的另一端透射出来。光栅引起了光波选频的作用，反射的条件称为布拉格条件5、光线陀螺仪：基本构成是一个环形双光束干涉仪，他的工作原理是基于光速恒定性和光学上的sagnac效应。过程：光纤陀螺相对惯性空间的转动，使在环形光路中传播的两束传播方向相反的光之间产生S相移，因此，两束光波之间产生干涉现象6、Sagnac相移原理：相对运动：观察者惯性参考面静止由于光纤旋转产生相对运动，两束光的光程不同，进而产生相移，多普勒效应：由于多普勒频移使两束光的传播常数变化，进而产生相移7、互易性：互易：具有相同的传播延迟和相位变化，为了保证互易性，干涉仪公共输入输出端加一单模滤波器，使进入光纤环的两束光具有相同的模态，检测的返回光波也是具有同一模态的光波。Sagnac效应是非常小的一阶效应，可能会淹没在零阶中，单模互易性提供了理想的共模抑制。8、互易性结构：满足同光路同偏振态同模式两耦合器加起偏器。产生一个偏振态，确保测到的是与入射光模态的光波。耦1作用将部分返回光引导到探测器，2的作用是精确分光。9、陀螺仪的核心是双光束干涉仪，输出功率是转动角速度的余弦函数10、光纤陀螺互易性包括以下三个方面1、光纤耦合互易性-固有信号抵消为零2、单模互易性-两束反向光波的累积相位抵消3、偏振互易性-确保干涉条纹最清晰应满足（1）光纤耦合器，光学线圈，偏振器互易（2）输入/出端放置单模滤波器11、分类：（开环式，闭环式）（单轴，多轴）开环系统中无相位反馈，直接检测干涉条纹的相移；闭环中有相位反馈，通过负反馈相位补偿的方法，实时抵消sagnac相移使陀螺始终工作在零相移状态，通过测量补偿相位位移来测量角速度12、误差：光源误差（提高光源驱动电流精度，温控）Y波导误差（采用新偏置调制解调方法，四状态法）光纤环误差，探测器误差。13、Bragg:栅格周期，光栅波失方向与光纤的轴向一致，具有较窄的反射谱和较高的反射率\n