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光导纤维原理-光纤原理

作者:沉默的offer时间:2018-08-08

光纤原理简介,光导纤维简称光纤或光纤维,利用材料的导光性进行光信号传输。

光纤通讯:一般通讯媒介可按其速度的不同划分为三个频宽,亦即窄频传输(数据载输速度介于45至150 bps之间,如电报及电传打字之类的通讯即是。)、语言级传输(数据载输速度介于300至9600 bps之间,如一般的电话线通讯)与宽带传输(数据载输速度19200 bps至500000 bps或以上),对于宽带传输而言,其通讯媒介常用同轴电缆、光纤缆及微波等方式,而光纤在通信上的应用更是居于明日之星的地位,一根光缆中的其中一条光纤即可以取代一万条以上的电话线,光纤实在是传递信号极其优良的工具,借着如发般纤细的光蕊,可以完成大量而且多重的通信工作。

图1-1-1 光导管信号传递

人类很早就知道用光来传送讯号,而用电通信事实上不过百年来历史,1870年John Tyndal用水柱作为光介质的实验,也有人提出光导管的概念(图1-1-1),是在铁管内来传送光信号,考虑到光信号散射的问题,因此每隔一段距离便在铁管用一个透镜把散开的光束再行集中以减少光信号的散失衰减(如图1-1-1所示)。1930年开始有人尝试采用玻璃纤维来传送光。华裔科学家高锟博士于1966年提出光纤通信的理念,随后美国康宁公司于1970年完成每公里传输信号之损失小于20dB的光纤; 美国电报电话公司贝尔实验室于1974年发表化学气相沉积法 (MCVD) 之光纤制 造技术,于是商用的光纤通讯系统乃于1980年开始小规模测试,三年后各国竞相采用,为了迎接信息时代的来临,世界上各大电话公司都积极扩建光纤通讯网路,目前,光信号的传输一般已改用光纤电缆的技术。光纤技术可应用在远距离、高多任务性的网络信号或电信信号。至此,光信号的传送质量及可传送的有效距离之整体效能以大大提高。目前我国亦在长途电信通路铺设光纤,普及程度虽只限于主干线网络,但光纤的价格越来越低廉,光纤通讯零组件与施工的成本大为降低,所以未来全岛光纤化、光纤馈线网络(Fiber To The Feeder-FTTF),光纤至里邻(Fiber To The Neighborhood-FTTN)、光纤到大楼(Fiber To The Building-FTTB)、光纤到桌上(Fiber To The Desktop-FTTD)、光纤到家(FTTH-Fiber To The Home)、随选视讯,亦即将光纤直接铺设到每一个用户的家里,同时也是多媒体推广至用户的最佳方式,这将是一个可以预见到的,光纤传输的远景可以想象将是非常璀璨的。

至于光纤在有线电视网络上最常采用“混合式光纤同轴网络”(HFC-Hybrid Fiber Coaxial),利用光纤从同轴电缆头端传输高质量的信号到光节点或分配中心。混合式光纤同轴网络结合了光纤及同轴的特性,在光节点上利用光调制解调器将光信号转换成电信号,然后经短距离的同轴树状网络,分配给个别用户;同轴网络同时也收集个别用户的回传信号,回传至头端再将电信号转回成光信号,利用雷射发讯机输出。

光纤传感器

所谓的光纤传感器即是利用光纤来传输量测的信号,正常情况下光纤忠实的传送量测信号,由于光纤特性容易受待测环境因素变化影响而有所改变,有时我们也可运用这个特点,以此调制光纤量测的信号。光纤传感器有如下的几个优点:

1. 灵敏度高。

2. 不受电磁噪声之干扰,信号传输迅速。

3。 体积小、重量轻、寿命长、价格低廉。

4. 适于特殊环境之工作。具有绝缘、耐高压、耐高温、耐腐蚀等优点。

5. 光学布置之几何形状弹性大,可依环境要求调整。

光纤传感器信号的检出有光强度型及相位干涉型两种方式。光强度型其主要原理是利用几何物理量的变化调制信号强弱,以用之于诸如压力、应力、加速度、声波、转速、温度、磁场、电压、电场等等检测领域。虽然灵敏度较相位干涉式低,但其结构及原理十分简单,操作方便,并且可以采用较低廉的光纤为其优点。

1-1-3 光纤之构造与分类

500万彩票网光纤依其构造可分为(图1-1-3-1):

图1-1-3-1 光纤之构造

500万彩票网1。即光纤中传递光信号的部份,一般的光纤蕊心材料有石英玻璃与塑料(Plastic Optic Fiber-POF),塑料光纤的价格约石英光纤的十分之一,石英光纤的核心口径(core diameter)较小,石英单模光纤约5~12μm,石英多模光纤约50~150μm,而塑料光纤的核心口径约1000μm。

2。外壳部份 (Cladding) :即被覆在核心外围的部份,光线入射二不同介质时发生反射及折射现象,利用全反射,我们可很轻易的使用光纤来改变光的行进方向,且在过程中,光的损耗最小。为使光线能在核心中传送,因此光线需依全反射方式行进,所以核心部份之折射率须比外壳之折射率大。除此之外,如果我们希望光线能在核心入射外壳介质时发生全反射现象,那么光线在入射进光纤时其入射角亦不能太大,如图1-1-3-2,假设在界面一光线入射光纤入射角 θm 时,在入射外壳介质时发生全反射之临界现象,亦即在界面二光线折射角为90度,而在界面二光线入射角为θc,而在界面一光线入射角如大于 θm 时,光线将无法在在核心中传送。

设核心之折射率 n1

外壳之折射率 n2

在界面一光线折射角 θ2

图1-1-3-2 在入射外壳介质时发生全反射之临界现象

在界面一,依折射定律可得

n1 sinθ2 = sin θm

在界面二,依折射定律可得

n2 sin90°= n1 sinθc

又,θ2 = 90°-θc

可得

n2= n1 cosθ2 , cos2 = n2 / n1

sinθ2 = ( 1- cos2θ2 )1/2

500万彩票网=( n12- n22 )1/2 / n1

500万彩票网sinθm = n1 sinθ2 =( n12- n22 )1/2

通常定义数值孔径 (numerical aperture) NA=( n1- n2 )1/2

3。保护层 (Jacket) 保护在外壳周围,以防止损害光纤之外壳及核心。

图1-1-3-3 光纤折射率分布情况

光纤依其折射率分布情况与特性可分为(图1-1-3-3):

1.阶梯型折射率分布之多模光纤:或称梯射型光纤,其光纤核心与外壳之折射率呈突然阶梯形之变化。阶梯形多模光纤通常沿其中心轴平行前进的光线与弯曲前进的光纤到达时间会有差异,如图1-1-3-4,传递的信号经过长距离传输或有扭曲变形失真(distortion),也有信号拉宽的现象,波形的分散失真大,因此无法传递量测信号中相位的讯息。如果采用多模光纤作为光纤感测,那么一般只是作亮度(振幅)方面的调制。多模光纤之直径通常自 50 至 1000μ m 大小,价格便宜易于使用,唯其传递信号的频宽较窄,无法担任长距离传输工作。

阶梯型折射率分布之多模光纤之模态数M可由下式求得:

其中,核心之折射率 n1

外壳之折射率 n2

核心之半径 a

光之波长 λ

图1-1-3-4 阶梯形多模光纤传递的信号经过长距离传输或有扭曲变形失真

500万彩票网由上是可知,要减少阶梯型折射率分布之多模光纤之模态数M,可降低NA或 n12- n22之值,但此举将影响耦合进入光纤之光量,其次是增加光之波长λ,或是减少核心之半径 a,亦即形成所谓的单模光纤。

2。连续型折射率分布之多模光纤:

通常连续型折射率分布的光纤(或称斜射型光纤)的响应频率可高达 800MHz/km ,而价格较昂,因此适合一些较高级的场合使用。连续型折射率分布之光纤其折射率分布情况为: 离中心越近,其折射率越小。因此光线在内部行走的路线为弯曲形状。光线在光纤内部传输所行走的路径其弯曲曲率与折射率分布之梯度有关。塑料光纤有一些是采用阶梯型折射率分布,称为SI-POF,有一些是使用连续型折射率分布称为GI-POF,可达成Gb/s级的传输速率,不仅有高的传输频宽,在价格上又相当低廉,因此于短程通讯方面潜力很大。

3.单模光纤:单模光纤其光纤核心与外壳之折射率呈阶梯形之变化,核心直径特别小 (5-12μm) ,只容许一束光束进入核心中,因此能够光信号的相位讯息,唯其核心甚小,因此在光束耦合 (coupling) 方面较为困扰。

500万彩票网图 1-2-1 光纤之损失原因

1-2 光纤之信号损失与失真

谈到光纤传输光信号时,首先须先谈光纤信号之损失与失真原因,光纤之材料可分为无机材料及有机材料两种,有机材料如 PMMA、PC、PS或PCF 塑料,而PMMA透明性最佳故使用率最高,但其损失较无机材料大,塑料光纤在1500nm的波长传输损失为150dB/km,而石英玻璃光纤之损失为0.2dB/km,但价格较低,大都用于近距离之通讯,而无机材料中,目前以石英玻璃之损失为最低,并且又具有高强度及良好的安定性,其主要成份为二氧化硅 (SiO2) ,当为了增大折射率时,会添加二氧化锗、氧化铝、二氧化、氧化磷等材料,当为了减少其折射率时,则考虑加入三氧化二硼及氟等材料。另外,塑料光纤目前耐热性远不及石英玻璃光纤,在80℃以上的温度时传输损失增加。

现依下列各项来讨论:

1。材料的吸收损失:

材料的吸收损失原因首推光纤内含有过渡金属元素 ( 如 Sc, Ti, V, Cr, Mn。。。。。。等 ) ,这类金属在光谱范围有广大的吸收带。另外所含的氢氧基离子及材料的缺陷(如光纤制造时内部产生的小气泡),亦产生吸收损失,这些因素在制造技术上已经有长足的改进了。

图1-2-2 光纤之一般选择1300nm或1500nm波长来当作理想光源

2.材料的散射损失:

由于材料之密度或组成不均皆产生 Rayleigh 散射(scattering),其损失值与波长四次方成反比,如图1-2-2,因此波长越长,损失越小,因此理想中一般选择1300nm或1500nm波长来当作光源,除了 Rayleigh 散射外,尚有其它的散射行为,但影响不如 Rayleigh 散射来得大。

3.机械变形所引起之损失:

当机械变形所引起的微曲及弯曲皆造成光纤传送信号的损失,所谓微曲损失是指当光纤缠绕在一圆筒状上,在这圆筒表面的不平坦会引起微曲现象,其所受到的不均匀之侧面压力造成在轴方向产生微末级的弯曲,因此而造成损失的情况。所谓弯曲损失则是指在某处之入射角比临界角小时,光向外面折射而造成之损失。

4. 光纤信号之色散与失真

光纤信号之失真主要是因为色散(dispersion)所引起,亦即光纤对不同的光波长其折射率也不同,对光源而言,典型的红外线发光二极管 IR LED波长880nm,其波长频宽为40 nm,亦即波长范围从860 nm到900nm,至于雷射二极管波长频宽范围只有2 nm,色散问题要小的多。如图1-2-3,光波长越长,光纤之材料折射率越小,这也造成了如图1-2-4 之结果。

图1-2-3 光波长越长,光纤之材料折射率越小

图1-2-4 光纤信号之色散失真

1-3 光纤通讯组件

光纤通讯装置包含光电转换的接口、光纤通讯发射端零组件、接收端组件、量测网络质量的光时域反射器(OTDR-Optical Time Domain Reflector)、光纤监视系统、光纤融接机与光纤切割器等等。光纤通讯零组件一般依运作型式可分两大类:主动组件与被动组件。国内光纤通讯产业的一开始着重于制造光缆、光连接器、光预型体与抽丝,而慢慢步入主动组件如光收发模块与光纤放大器之领域。

1-3-1 光纤通讯主被动组件

主动组件( active component)指能做能量形式转换的组件,即我们所见的二极管、晶体管、真空管、POWER IC、电视用CRT、发光二极管显示器、液晶显示器、电浆显示器PDP之类的组件,具有信号转换或放大的功能,光纤通讯主动组件可从事电转换光、光转换电或将光放大之工作,例如光发射器、光接收器、光放大器,一般有模拟和数字两种不同的设计。

图3-3-1-1 发光二极管

通信用的发光二极管的镜片一般作为聚焦的用途,可以使上下左右方向的视角变成适当的入射角,如图3-3-1-1,但两侧镜壁之反射光,会造成两侧光场形成无效的圆形突出部分。

图3-3-1-2 发光二极管的发光角度

发光二极管的光场如椭圆形状,其发光角度,如图3-3-1-2 是根据光场中一半最大能量值所有个点形成的封包线,再找出对封包线中最长之剖线,再由中心点对封包线中最长之剖线端点作联机,由此求出其发光角度,半导体雷射亦援用此定义,有所谓「一半最大能量值之全宽」Full Width at Half Maximum ( FWHM)来定义半导体雷射之光束直径,FWHM是激光束中,二分之一最高亮度处至最高亮度处距离的两倍,因此要求得FWHM必须先找出整个激光束中最亮的位置,然后往右扫描,直到找到二分之一亮度处并记录此处的位置,使用相同的方法往左扫描,并记录此处的位置,将此两位置相减,再计算出水平向的FWHM。同样的的方法往上下扫描,亦可找到垂直向的FWHM。

图3-3-1-3 发光二极管的响应

通信用的发光二极管(LED)的响应(图3-3-1-3)可靠性要高,同时光耦合进入纤维的比率要大。半导体雷射其送进光纤的光功率和调变速度较大,所以适用于高速传送。为增加发光二极管的光耦合进入光纤的百分比,要选择发光角度小的产品,一般而言点光源发光二极管耦合百分比比大面型光源来得好(耦合状况如图3-3-1-4所示)。

图3-3-1-4 发光二极管与光纤耦合

一般电子被动组件如绕线式可变电阻器、碳质膜型电阻器、金属膜固定电阻、晶粒电阻器、排列电阻器、纸介质等。而光纤通讯被动组件(passive component)系指只表现出静态特性的组件,即不需要外加能量即可产生作用的组件。也就是说,纯粹让光通过、分开、转向或衰减之传输,而不涉及光能和电能的转换与放大。光纤被动组件大致可分为:传输光能的光纤与光缆、接续光能的光纤连接器与跳接线、衰减光能的光纤衰减器、反射光能的光反射器、分光的分光器/光纤耦合器、光纤波长多任务器、隔绝反射光的光隔绝器、改变光路的光循环器与光纤切换器、以及起偏的偏光器等。

500万彩票网1-3-2 光缆制作与连接

光缆的制作过程大略可分为四个步骤:纤维制造、蕊线制造、集中、外皮。制造纤维时,为要控制折射率,常加入磷、锗等氧化物在石英系纤维中,以化学气相沉积法做成预型体之后加热至摄氏2000度以上,软化后拉长再用抽丝法制造出芯蕊,抽丝速度,每分约十到数十公尺。。直径2~3公分、长数十公尺的预型体,可制成数十公里的直径约0。12mm光纤维。抽丝后的纤维用双层塑料薄膜被覆保护,在二层被覆之间加入聚树脂当缓冲层,一次被覆材料为环氧数脂、硅、氨基甲酸乙脂等,二次被覆则为尼龙、聚乙烯等,外皮用聚乙烯或PVC等材料。而塑料光纤系以高纯度树脂为纤蕊材,外皮再以特殊氟素树脂覆盖而成。

石英玻璃光纤的断续并不如电线那么容易,光纤之连接方式有二,一是活动式连接,即是可取下再装上的连接方式,二是永久性连接 (joint或 splice,如图 13-2-2-1)。无论是那一种连接方式,最好在两纤维之核心部份必须没有间隙,并且应沿轴心方向垂直连接,其尺寸精度要求甚高,当考虑将光纤切断时,亦应使用专用之光纤切线器及光纤剥皮器来工作。

图 13-2-2-1 永久性光纤连接

500万彩票网永久性连接大致可分为4种:

1。放电熔接法

500万彩票网利用高电压放电,使石英熔解接合。接合时两端的石英接点必须要正面对应耦合。

2.毛细管法

用一大小直径比光纤大的中空管包紧要接合的两条光纤,再加以黏合剂固定。中空管的直径大小刚好让光纤能套入,若太大则两光纤耦合不良。

3.V型槽法

利用V型的凹槽把两段光纤放入,再用黏合剂固定压合。

4.三杆法

先用三根杆子把两段光纤夹紧再加上透管套入,并在透管外加热使其紧缩固定。

图1-3-2-2 光纤连接器

连接器连接多应用在连接器或检光器等场合,如连接器连接两段光纤时,在必要的时候还可以拆开来校正或保养。使用连接器连结时,应注意将纤维中心固定在插头中央部位(如图1-3-2-2)以形成最佳的耦合状态。

光纤在二极管雷射光入射时,常有反射光点反射回到二极管雷射的共振腔中,造成雷射光输出的噪声,这种情况可利用光隔离接头 (optically isolated pigtail) 来改善,雷射二极管与光纤接头套装在光隔离接头即能工作。至于塑料光纤在融接或对光都比石英玻璃光纤来得容易,因此在光发射接收时,对光时间较短、困难度较低。另外,塑料光纤的核心口径比石英光纤大,因此光纤端的连接夹治具设计与制作较简单,相对的成本也较低。

1-4 光纤之其它应用

1-4-1 光纤束导光照明

光纤除了通讯以外,也可应用在感测、照明、装饰、号志上,应用范围非常广,在感测与通讯方面属于高科技的领域,而号志、装饰与照明则着重在民生用途,一般常以光纤束导光照明,光纤号志、装饰与照明方面,可用于建筑照明装饰、广告效果应用、工业号志用照明、水中照明装饰、特殊景观照明装饰。其优点如下:

1. 具透光性,传送损失小,端点发光不用通电,冷光不生热,安全性佳。

500万彩票网2。 加工容易,耐久性佳免维修,耐候性佳、防水。

3. 可过滤红外线及紫外线,护眼或保护被照明体。

4. 光源省电。

最直接也最能显现光纤大量传送光信号的例子为光纤显像器(Fiber scope),利用一束两端端面整齐密集的光纤束,以传输影像,通常可在光纤束的一个端面加上物镜,而另一端面加上目镜,而形成可直接观察微小物体的量测装置。



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