光纤复习资料.docx

1,光与物砥相互作用无可以被物顷汲取也可以从物质中放射；在探讨光与物质的相互作用时，存在着三种不同的基本过程，即自发稿射、受激汲取、受激辎射。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邀辐射,光电检测器的JC作原理机埋基于受激汲取.自发相射：物质原子中的电子在未受到外界激发的状况下，掰能级E2上的电子由于不稳定，臼发地向低能级E1.跃迁，在跋迁的过程中，多余的能瓜以发光的形式表现出来，这个过程称为自发辎射.受微汲取：物质在外来光子的激发下，低能级EI上的电子汲取了外来光子的能信，而跃迁到商能级E2上，这个过程叫做受激汲取受激物射：当受到外来光子的澈发时.跋迁到低能级EI上.同时放出一个能量为hD=E，-E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、隔离器的组胜利能和原理；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无，法拉弟旋俄介质与外磁场起使信号光的偏振方向右旋45度，井恰好使低损耗通过与起保落成-15度放置的检信器，对于反向光,出检偏器的我（W振光经过放置介质时.偏转方向也右旋转屿度从而使反向光的偏娠方向与起例器方向正交，完全阻作用：防止光路中的后向传输光对光源以及光跖系统产生不良影响.应用：光纤通信、光信息处理系统、光纤传感以及新密光学测显系统等.按性健分类：（W报相关型和俅振无关型两类光隔离器主要利用映光晶体的法拉第效应.假撮方向的旋转只与世场强度的方向有关，而与光传播的方向无关.由起偏器、检信器和加光器三部分组成.光纤光桢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或，利用这特性构成光纤无源器件.传输损耗低、抗电磁干扰、质盘轻、柔韧、化学稳定及电维缘.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,个窄带的（透射或反射）源波器或反射钺，利用这一特性构成光纤无源器件.传谕损耗低、抗电磁干扰、质量轻、柔韧、化学稳定及电绝管：.光纤光檐的最基本原理是相位匹配条件：©怎2%Ri、B2是正、反向传输常数.A是光纤光栅的冏期.在写入光棚的过程中确定下来.FBG的工作原理：当一束宽谱带光波在光柑中传输时，入射光在相应的侦率上被反射回来,其余的不受影响从光楣的另外一端透射出来.光纤光椭起到了光波选频的作用，反射的条件称为布拉格条件.由光纤光栅相位匹过条件得到反射中心波长衣达式：4三2,光纤光桥传礴涔的关键技术之一是如何精确、快速'使利地检测和处理由于被测壮变更引起的每个传感光概Bragg中心波长的微小的格址.即实现每个波长编码信号的解附.其解冏的实J员是对传感光栅的反射谐说者透射谐进行实时监测，检测出波长编码信息.4、反射式强度调制的原理。强度典制是利用被刈时象的变更引起触感7匕件参数的变更，而导诙光强度发生变更来实现极感测后的。可分为外冏制和内陶制两大类.外调制式强度询制利用放射光纤与接收光纤之间光束的位移、遮挡以及耦介等,通过肯定的方式使进入接收光纤的光强地外界被测量而变更.外调制式强度调制狼本调制方式为反射式和透射式。5、sagnac和移原理A<1.*v一4"R1.C传输相位差4。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、干涉式光纤吒螺的工作原理< 1>当SagnaC相移很小时，陀螺输出对旋转速率的灵极度接近为零< 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SagnHC相移时.陀螺谕出具有多值性.7、激光辐射的条件：1、要有合适的激光工作物麻（激活介质）2、须要一个能保证粒子数反转分布的激励能源（泉浦源3、须要光学谐振腔4.光的增益和损耗间应满意阀值条件5、谐振腔中光波在史反射能得到加强,满避相位平衡条件8、1.ED以自发相射为主,1.D变更其驱动电流.1.D和1.ED区分:在其外层通过自然解理形成一谐振腔，该谐振腔具有肯定的门限条件,当达到这个条件时，粒子数反转受激发光.1.ED特点：1,结构上没有光学谐振腔，2,无用值器件，3.发主机理是自发始射.发出的是荧光9、同质结半导体激光器。其核心部分是一个P-N,由站区发出激光。缺点1.对光波的限制不完善，导致箱出光波损耗大.2、对数流子的限制不完善，导致网值电流入单异质结半导体激光优块点：1.增加了右侧位垒,对我流子进行了限制2.在界面右例出现了折射率的突变，限制了光波双异质结激光擀优缺点：在有源区两测，既限制了教流子,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：处于低能侬的粒子数状(价带电子数N2；处于高能级的粒子数依(导带电子数/价带空穴数(1) N1.>N2,正常粒子数分布,光汲取大于光辐射.当先通过这种半导体时，光强按指数哀减。(2) N2>Nb粒子数反转状态，光辎射大于光汲取。当先通过这种半导体时，会产生放大作用.11、M结1.浓度的差别导致或流子的扩欣运动2.内建电场的琵动导致我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、色波的分类：模式色散：模式色散是由于光纤不同辕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故.只有多模光纤才存在模式色敬,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更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3色«4；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Ik光衰减器是用来在光纤线路中产生可限制竞减的一神无源渊件.功能是在光信息传谕过程中对光功率进行预定量的光衰减.横向位移型光衰战器：有意在光纤对接时,发生肯定福位，使光能损失一些，从而达到限制衰减最的目的，轴向位移型光裒然器:应用这种原理制作或诚涔，在设计工艺上，只要用机械的方式将两根光纤拉开肯定的距高进行对中.就可实现衰减的目的.15、光纤传播调制方式有五种,分别为强健网制，相位调制,fW振调制，频率调制，波长调制.强度调制是利用被测对象的变更引起敬感元件参数的变更，而导致光强度发生变更来实现板憎测吊的,相位调制的原理是利用0格奈克效应，是通过检测光演来来检测相位差，进而就是检测转动角速率.假施两制是利用外界被测最是光纤光波的偏振而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更，通过检测光的偏振态变更来测量外界被测用.频率调制，利用外界因索变更光的频率，通过检测光的频率变更来测破外界物理僦。波长调制：主要是利用传感器探头的光i普特性随外界物理量变更的性质来实现的.16,粒子数反转分布当外界供应能求，使得低能级上的电子获得能址而激发到高能级匕像一个案将低能级上的电子“抽运”到制能级上一样，从而达到高能级上的粒子数N2大于低能级上的粒子数”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，这时假如有外来光的激发，就会出现受激辐射>受激汲取.就有可能实现光的放大作用.19、光纤的归一化频率域Ii化版率是为表征光纤中所能传播的模式数日多少而引入的一个特征参数，V=-yr1.2W；2=-NA=kttn1.2归一化翔率越大，光纤所允许传播的模式越多，当V<2405时,光纤中只允许一个模式传播即基模.对于阶氏型光纤，光纤中的传怆模式数为N=V22对于渐变型光纤，光纤中的传怆模式数为N=V“4/2截止波长'C: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裁止频率Vc=2.40S时的波长.A-=守JEI=等,际17、半导体激光器的工作特性有五种，1、辎射波长2、P-I曲线,3、光诣特性，4转换效率5温度特性18、激光的特点：方向性好、单色性好、能属集中、相干性好19.1.D半导体激光二极管辐射波长；禁带宽度确定.AM=1248Ap)IeV=I.602XIO-19JP-1.1.H1.fft：I<k(鲫值电流)英光I>I.激光尤诺特性：IV1.t比谱很宽I>k突然变窄中心强度急剧增加多纵模激光器：谱疑多而宽,适用于短距离光纤传输系统“单纵模激光器：只有一报谱线.细而窄.适用于长距肉光纤传输系统H珀坟,电输出光功率Rt,1.转换效率：%'=硒旃=7c>7>R为与激光器的内部地子效率、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为工作电瓶.2、一双异质结InGaAsP材料的1.ED,其峰值波长为131Qnm.辐射性型合时间和等辐时型复合时间分别为30ns和100ns.驱动电流为40mA。可以得到:,7in.1/300.771/30+1/10()可以得到1.ED部发光功率为：=，7“-J2=2-92rnW=0.77X().(MX(.<25(X1O3j./.X3XIOnt/.v1.602x10,9X1.3IxIO,3、有一个光电二极管是由GaAS材料组成的,在300k时其带照能出为1.43eV,其截止波长为：=h£_=(6.625XIO-Z/.31/S)一互一(1.43VX.6IO,v/eV)因此，检测涔不能用于波长范困大于869n的系统中.4、能量为1.53x1.OT9J的光子入射到光电二极管上,二极管的响应度为0.65W,假如入射光功率为10nW.则产生的光电流为：/=K=(0.65AW)x(10W)=6.5A温度特性:温度对IO的闽值电流影响很大:阈侑电流«1温度的上升而加大kInGaAs光电二极管在波长为130011m时有如下参数:初级体暗电流ID-4nA,负载电阻R1.-1000W.fitf效率h=090,我面暗电流可以忽视，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.5、如上图所示，波长范IS为130。N-160OnnhInGdAS的吊子效率大约为90%,因此响应度为：次=也=/八，he(Q.9X1.<SX1Q-,ve)(6.625XIO4Js31O8ns)=7.25xIO5A首先计亢初级光电流：=田%=怒兄=*3×1O7W=O.282M(.9X.6×10',iC)(1.3×1Ov,m)(6.625×1O-,J.v)(3×IOm1.y)当波长为1300nm时：=7.25×1(>'(AW)m(I.30X106In)=0.942A/W年子隰泮均方根电流(耳-2qI,、B-2(1.6×IO,vC)(O.282X10AX2()X1()z)=1.8()x1OHyV光检测器暗电流-1.ZqIoB=2<1.6xIO,*C4xIO9AX20XIO"N)=2.5<>X1.O-X'A负载均方热噪声电流为:杼=W4*-1.i=323xIoTi1.A2=也拒应旨32。,“6、一种硅APD在波长90OrUI时的双效率为65%.假定0.5mW的光功率产生的倍增电流为IOmA,试求倍增因子M初级光电流为：，“一，八6”一-陪HC(<>.<X1.<X1<),vCT)(*>x1C)7/I)(<.<2J5X1O-".7.v3X1O">fiZ.y)X5X1(),W三-<).23SA-g_43倍增因子M为o235×z7、假如光电.极管的电容为3PF,放大器电容为1PF,负载电阻为IK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：H=!=23（MHz）假如将鱼般电阻降为2"R，Ur50欧姆.电路带宽增加为455MHzo8、以MZ干涉仪为例，调制伯号的相位典制福的为相位差变更3幅值为=0.（，一z）=4-W；（定义相位压缩系数为相位差幅<自与机位差变更#幅值之比PCF三ff1.-九,“Nkn1.Jm2兀Jmr设1.=3km.fm=50Hz.=1.3m,n=1.46,.-2m,WJ<t>s三=11.O1.rad,sn三=O.05rad,于是PCF=220.2,1 .光纤结构：纤芯、包层、涂用层、护套层，2 .光纤折射率分布：阶状型光纤、渐变型光纤。3 .光纤模式分类:单一光纤（SMF）、/桢光纤（MMFr4 .材料分类：石英系列、多组分，液芯、塑料光纤,5 .光在光纤中以校的形式传播.极式足指传输线横纵极而电磁场结KI图形”6 .光纤中的3种模式：横电被、横t波、混合波.7 .光纤的归一化频率,去征兆纤中播一式多少，上征大,模式越多,Jt纤di要参数：数值孔泾、模天、一化频率、截止波长截止波长是单极光纤特有的参数,对应于第一高阶模的典-化微止频率Vc=24O5时的波长。8 .数值孔径：M=而MZa后表征光纤收集光的旗力。9 .拍长：儡态完成一个周期变更的光纤长度.双折射越强.拍长越短.10 .色散：虫色依、校内色放（材料色放、波导色敢）.11 .色散与带宽:描述的是光纤同特性，时域、领域，12 .色欣：光纤存在的光信号、不同成分的光传输时廷不同引显的脉冲展甯,13 .光纤有源器件：光源和探测器,是指包含有半导体仃源材料，并且能用与光纤耦台的光电子器件。14 .1.ED：（制发光二极管）（边发光二极管）原理:外加电场实现粒子反转，大量电子一空穴对的自发比合致发光.15 .1.ED的P-I特性1、!驱动奥滋较小->1.EDP-I特性线性度好。2、舞动电流较大>OC结发热产牛.饱和现较->曲线斜率取小16 .1.ED：输出光功率浅性范闰宽（P1.特性）、性能稳定、寿命长.却选【：2：而洁、价格低廉缺点：；输出光功率.，变小.谱纹宽倭较宽、调劄顺率较低、光纤加介效率低.20.激光器的调制技术内调制:信息淹干脆束制激光器的骈动电流（<40<3Hz）外调制:运用调制器对输IH的光信号进行调制2 .隔离器指标：插入投耗网波抽耗隔离度偏报相关损耗（PoI）偏振模色散（PMD.3 .光学环形器是妥端r,非冗物的器件。作用：使光信号只能沿规定的湘门依次传输.应用:单波长双向通信中的理要器件.完成、正反向传输光的分别.华纤双向通信、合波/分波及色散补偿等.改进：（1）握弃偏振分光镜，采纳双折射晶体（2）采纳双级结构隔离度超过60dB.4 .光纤传感器：光源、传输光纤、里头、光电探测器、佶号检测处,5 .光纤传感技术以光波为教体巧知和传输外界五号.光纤性感器基本工作原理：光电转换、解调传输.9.光纤传感器一般可分为两大类：,类是功能型传解器,又称E1.理光纤传感器：利用光纤本身感受被测状变更而变更传输光的特性，光纤既是传光元件.乂是fi元件.另一类是非功能弁传感器.又称！1.型光纤传感器,利用其他故感元件感受被刈状的变更，光纤仪作为光伯号的传输介质.0光纤的光波调制：强度调制相位.调刽倡报调制频率调制波长调制.11 .外调制式强度调制祇本调剌方式为反射式和透射式光纤分为两部分：发送光纤和接收光纤。越本原理：利用放射光纤与接收光纤之间光束的位移、速档以及棍合等，通过订定的方式使进入接光纤的九强做外界被测1fti¾'11.12 .透射式强度网制：光纤位移型，光闸里.14 .渐建场：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感场，其强度按指数规律快速衰减,透射深度一般约为几个波氏.稿合强度与光纤柜黑d.相互作用长度1.及耦合介版折射率112等因素存关.15 .内调制型：微弯根耗型，变折时率步，刻吐光纤型，光汲取系数型,16和位调制的票本原理是利用被测为象对%感元件的作用，使敏感元件的折时率或传播常数发生变更，而导致光的相位变更“检测方法：使两束单色光所产生的干涉条纹发生变更,通过检测干涉条纹的变更盘来确定光的相位变更量，从而得到被刈对望的佰息.17 .相位调制分为内调制、外调制和轴格奈克（Sagnac）效应调制.18 .光纤中传播光相位变更可以衣示为N（P-N,+n+i1.折射率：光弹效梗诫热光效摩。轴向长度：应变效附或热膨胀效应直径：泊松效应.20 .光纤气体传感器：功能里，非功能型.21 .渐送场型：利用光纤接口旁边的渐逝场被气体汲取蜂衰减来测俄气体浓笈的.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）谑波器和反射镜利用这一特性构成光纤元器件：类似于透镣。1、光栅分类：光纤光Hh做斜光纤光Hh匀称周期光纤光棚：光纤布喇格光榭、长周期非匀称：相移、变迹、取样、啊嫌光纤光H1.2、横向应变：1横向匀称我荷：分裂成两个谐振峥X方向和Y假振方向，谐振峰摞移JN与光栅光纤横向我荷践性，X向长波，Y向Si波（平面应变）X向长波，Y向长波（平面应力）2非匀称1）践性用力: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与反射谐谐振峰波长成反比；A与谐峰反射率双曲正切无影响FO与平移成正比长的漂移：缘由：光纤热膨版效应，光纤热光效应以及内部应力引起的弹光效应4,布拉格光板工作原理：当一束宽诣带光波在光棚中传播时，入射光在相应的频率上被反射回来，其余的不受即响从光标的另一端透射出来，光栅引起了光波选频的作用，反射的条件称为f1.i拉格条件5、光规陀螺仪：基本构成是一个环形双光束干涉仪，他的工作原理是茶干光速恒定性和光学上的sagnac效应。过程：光纤陀螺相时惯性空间的咕动，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：视察者惯性参考面静止伸于光纤旋转产生M1.对运动,两束光的光程不同.进而产生相移,多普勒效应：出于多普勒短移使两束光的传播常数变更，诳而产生相移7、互易性：互易：具有相同的传播延迟和相位变更,为了保证互易性.干涉仪公共珀入物出端加一单模流波器.使进入光纤环的两束光具有相同的模态，依测的返回光波也是具有同一模态的光波,Sagnac效应是特别小的一阶效应,可能会沉没在零阶中，单模互易性供应了走向的共模抑制“8、互易性结构：满意同光跖网（W振态同模式两耦介器加起偏器，产牛.一个俏振态，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、陀蝴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-两束反向光波的毙枳相位抵消3、偏振互易性确保干涉条坟最清楚应满意（1）光纤期合器.光学线圈.僮振器互易（2）给入/出端放置单模滤波涔11、 分类：（开环式，闭环式（单轴，多轴）开坏系统中无相位反馈,干脆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和移使陀蝶始终工作在室相移状态，通过测质补偿相位位移来测业角速度12、 误差：光源误差（提拓光源驱动电流精度.温控）Y波导误差（采纳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:栅格周期光框波失方向与光纤的轴向样，具布较窄的反射诣和较高的反射率3、遑度：外界温度变更同样会引起光纤光擀布拉格波