编者：毕卫红

出版社：燕山大学出版社

出版时间：2016

ISBN：978-7-81142-280-1

前 言

    自二十世纪六十年代光纤问世以来，随着光纤通信的快速发展，光纤工艺和技术得到了迅速发展。人们逐渐认识到光纤的许多性质可用于探测各种物理量，光纤传感技术得到极大的重视并快速发展，成为一个很有生命力的研究和应用领域。光纤传感器具有不受电磁场干扰、传输信号安全、可实非接触测量，因而它具有高灵敏度、高精度、高速度、高密度、适应各种恶劣环境下使用的特点。光纤传感网是将光纤传感器或传感子系统以一定拓扑结构构成的网络,以智能传感为特点的新一代光纤传感网及其关键器件研究成为未来光纤传感技术的发展方向，在国家安全、重大工程、生物医药等多个领域具有重大社会需求和应用前景。

    当前，光纤通信与光纤传感技术发展迅猛，在工业自动化、石油化工、生物工程、军事工程、海洋探测、航空航天等许多领域。随着光纤通信与光纤传感技术的广泛应用，越来越多的人渴望了解光纤应用技术方面的知识。

    本书编者为多年从事光纤通信与光纤传感的科研人员，具有扎实的理论基础知识和丰富的实践经验。本书由毕卫红教授、付广伟副教授、张燕君教授、张保军实验师和付兴虎副教授编写，邢云海和吕欣两位同学参与了本书的文字编辑工作，毕卫红教授负责统编全稿。

    本书获得河北省科学技术研究与发展计划软科学研究项目“信息生活的使者--光纤与光纤传感网（15K50602D）”支持，在此表示感谢。

    由于时间仓促，错误与疏漏在所难免，敬请专家、同仁和广大读者批评指正。

目  录

序  言

第一部分 光纤的种类、特性及制备

第一章 光纤的基本概念、结构及分类

1.1 光纤的基本概念

1.2 光纤的结构

1.2.1 常规光纤的基本结构

1.2.2 特种光纤的基本结构

1.3 光纤的分类

1.3.1按传输模式划分

1.3.2 按纤芯直径划分

1.3.3 按光纤折射率分布划分

1.3.4 按光纤的组成材料划分

1.3.5 按光纤的套塑划分

1.3.6 按光纤的结构分类

1.3.7 按国家标准分类

1.4 光纤制备工艺的发展

1.4.1 单模光纤的发展

1.4.1.2 G.657单模光纤的发展

1.4.2 多模光纤的发展

1.4.3 我国光纤制备的发展历程

1.5光纤发展史

1.6 光缆的基本结构

1.7 国内光纤发展的现状及前景

第二章 光纤的特性

2.1光纤的几何特性

2.2光纤的机械特性

2.3光纤的传输特性

2.3.1 衰减

2.3.2色散

2.3.3偏振特性

2.3.4 非线性效应

2.4光纤的光学特性

第三章 光纤的制备工艺

3.1光纤的制备工艺

3.1.1光纤的生产流程

3.2光纤预制棒的制备

3.2.1石英光纤预制棒的制备

3.2.2多组分玻璃光纤预制棒的制备

3.3抛光流程

3.4光纤拉丝技术与工艺

3.5光纤链路参数测试

3.5.1光纤链路的关键物理参数

3.5.2光纤网络的测试测量设备

第二部分 光纤传感器与传感网

第四章 有源与无源器件

4.1光源

4.1.1半导体激光器

4.1.2发光二极管

4.1.3放大自发辐射光源

4.1.4 半导体分布式反馈激光器DFB

4.2光纤光栅

4.2.1光纤光栅的特点

4.2.2光纤光栅的分类

4.2.3 光纤光栅的制作

4.2.3光纤光栅的应用

4.3光耦合器

4.31描述光耦合器特性的一些技术参数

4.3.2光耦合器的制作方法

4.4 光探测器

4.4.1 PIN光电二极管的工作原理

4.4.2 雪崩光电二极管（APD）

第五章 光纤传感器

5.1 光纤传感器的发展简介

5.1.1 概述

5.1.2 光纤传感器的发展史

5.1.3 光纤传感器的分类

5.1.4 光纤传感器的物理基础

5.2 光纤电量传感器

5.2.1光纤电流传感器

5.2.2光电式电流互感器

5.2.3光纤电压传感器

5.2.4 电缆分布式光纤传感器

5.3光纤传感技术在生物（医学）方面的应用

5.3.1基本定义及原理

5.3.2光纤生物传感器的分类

5.3.4光纤生物传感器的应用

第六章 光纤传感网

6.1光纤传感器及传感网在环境监测方面的应用

6.1.1概述

6.1.2气体光纤传感器

6.1.3水质光纤传感器

6.2光纤传感技术在大型建筑方面的应用

6.2.1简述

6.2.2光纤传感技术在钢筋混凝土结构中的应用

6.2.3光纤传感技术在桥梁安全监测中的应用

6.2.4光纤传感技术在边坡监测中的应用

6.2.5其他方面的应用

6.3光纤传感在军事和安防方面的应用

6.3.1简述

6.3.2光纤传感在航空航天方面的应用

6.3.3光纤传感器的海上军事应用

6.3.4光纤传感技术用于导弹的信号传输

6.3.5光纤传感技术在兵工测试中的应用

6.3.6军用机器人

6.3.7光纤传感技术国防边境线应用

第七章  光纤在通信系统中的应用

7.1 通信系统的组成

7.2 通信系统的分类

7.3光通信概述

7.3.1基本概念

7.3.1光通信系统的分类与特点

7.4光纤通信的发展过程简介

序  言

光纤与信息化生活

 一、手机通信背后的功臣——光纤

现今社会，每个家庭都拥有若干部手机，可以用手机听音乐、看电视、炒股、购物，如图1所示。和国外的朋友通话或上网聊天时，感觉与在国内通话没什么两样，不像以前那样声音会滞后。根本原因是光纤和光纤通信的快速发展，给我们的生活带来了巨大的便利，如图2所示。

    

图1 手机在生活中应用广泛

 

图2 光纤通信示为生活带来便利

我们身边的电脑和手机，通过电信号“0和1”发送信息。光纤通信是由将电信号转换成光信号的“发送机”、将光信号转换成电信号的“接收机”，以及传输光的回路“光纤”构成，如图3所示。

 

图3 光纤通信示意图

在只有电通信的时代，一次能传输的距离短而且传输的信息量少，国际间的通信主要通过人造卫星作为中继传输。但是，使用光纤通信的话，一次性传输的距离长而且传输的信息量多，因此，通过使用铺设在海底的光纤光缆，就能实现与海外自然畅通的通信，如图4所示。(电波和光的速度相同。但是，由于经由卫星的话传输路径会变长，信号到达较慢。海底电缆的距离短很多，所以信号会更快达到。)

 

图4 通信传输的变化

一对金属电话线至多只能同时传送一千多路电话，而根据理论计算，一对细如蛛丝的光导纤维可以同时通一百亿路电话！铺设1000公里的同轴电缆大约需要500吨铜，改用光纤通信只需几公斤石英就可以了。大量用户可以同时接收需要的信息(电影或新闻等)。在1秒钟内，电通信最多只能传输10Gb(100亿个0和1信号)的信息，与此相比，光纤通信最多可以传输1Tb(1万亿个0和1信号)的信息，如图5所示。

 

图5 信息容量的变化

......

第一部分 光纤的种类、特性及制备

第一章 光纤的基本概念、结构及分类

1.1 光纤的基本概念

光纤是光导纤维的简写，一种透明度很高、粗细像蜘蛛丝一样的玻璃丝(由玻璃或塑料制成)──玻璃纤维，如图1-1所示。当光线以合适的角度射入玻璃纤维时，光就沿着弯弯曲曲的玻璃纤维前进。由于这种纤维能够用来传输光线，所以称它为光导纤维。

图1-1 光纤

1966年，英籍华裔学者高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，指出通过“原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤(Optical Fiber)”，利用光纤进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信—光纤通信的基础。

1.2 光纤的结构

1.2.1 常规光纤的基本结构

光纤的典型结构是一种细长多层同轴圆柱形实体复合纤维。自内向外为：纤芯（芯层）→包层→涂覆层（被覆层），如图1-2所示。

核心部分为纤芯和包层，二者共同构成介质光波导，形成对光信号的传导和约束，实现光的传输，所以又将二者构成的光纤称为裸光纤。

光纤中的涂覆层又称被覆层，是一层高分子涂层，主要对裸光纤提供机械保护。因为裸光纤的主要成分为二氧化硅，它是一种脆性易碎材料，抗弯曲性能差，韧性差；另一方面，在应用时通常将若干根这样的裸光纤集束成一捆，相互间极易产生磨损，导致光纤表面损伤而影响光纤的传输性能。为提高光纤的微弯性能，并防止表面损伤，采取的有效措施就是在裸光纤表面涂一层高分子材料，即外加保护层。

              

图1-2 光纤的基本结构

1.2.2 特种光纤的基本结构

特种光纤是为了满足某些特殊应用而设计的光纤，例如偏振保持单模光纤、双芯光纤和光子晶体光纤。偏振保持光纤是指能使输入该光纤的线偏振光独立、稳定地在光纤中传输的一种单模光纤，图1-3为椭圆芯偏振保持光纤；双芯光纤的同一包层内含有两根纤芯，每个芯子都是一条光波导，即一根双芯光纤集成了两根单芯光纤，分为同轴双芯光纤和非同轴双芯光纤，如图1-4所示；光子晶体光纤(PCF)的包层是由规则周期排列着空气孔的石英光纤阵列构成，它的纤芯则是由一个破坏了包层结构周期性的缺陷构成的，如图1-5所示。

 

图1-3椭圆芯偏振保持光纤

  

（a）同轴双芯光纤               （b）非同轴双芯光纤

图1-4 双芯光纤结构示意图

  

图1-5  光子晶体光纤结构示意图

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第二章 光纤的特性

本章主要介绍光纤的几何特性、机械特性、传输特性以及光学特性，对光纤的特性作全面的描述。

2.1光纤的几何特性

一般讨论光纤的几何特性时，通常要考虑光纤几何尺寸的参数包括芯径、外径、同心度和椭圆度。

（1）芯径与外径 

通信用标准多模光纤的芯径为50μm，单模光纤芯径为7～10μm；标准单、多模光纤的外径均可为125μm，如图2-1所示。非标准光纤的芯径从几十微米到几百微米不等，塑料光纤的芯径甚至可达数毫米。

图2-1  标准光纤的外径

（2）光纤的同心度和椭圆度 

同心度就是插芯内径距离整个圆心的偏移程度。理想状态是0，就是不偏移。光纤的同心度是衡量纤芯和包层是否同心的参数。在圆形钢管的横截面上存在着外径不等的现象，即存在着不一定互相垂直的最大外径和最小外径，则最大外径与最小外径之差即为椭圆度。光纤的椭圆度是衡量纤芯及包层截面偏离圆形截面程度的参数。光纤的同心度和椭圆度对于光纤的连接与耦合是很重要的参数。为取得低的连接损耗，要求光纤具有尽量低的非圆度与非同心度。 

2.2光纤的机械特性 

光纤的机械特性主要包括耐侧压力、抗拉强度、弯曲以及扭绞性能等，使用者最关心的是抗拉强度。 

（1）抗拉强度 

光纤抗拉强度即光纤在静拉伸条件下的最大承载能力。光纤的抗拉强度很大程度上反映了光纤的制造水平。一般要求实用化的光纤的抗拉强度不小于240g拉力。高质量的光纤必须在具有高清洁度的环境中制备，任何污染物接触了光纤预制棒或裸光纤表面，都会使光纤制成品的抗拉强度大为降低。

 

（2）抗弯性 

光纤抗弯性是指光纤抵抗弯曲不断裂的能力。抗拉强度好的光纤，其抗弯性也好，如图2-3所示。高质量的光纤无折断弯曲曲率半径小于1～2mm。 为了加强光纤的机械特性，在预涂覆之后还要对光纤进行套塑并制成光缆，然后才能够在实际工程中应用。

 

图2-3 光纤的抗弯性

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附件下载：1、序言.pdf

             2、第1章光纤的基本概念、结构及分类（1.1-1.3节）.pdf

             3、第1章光纤的基本概念、结构及分类（1.4-1.7节）.pdf

             4、第2章光纤的特性.pdf