干涉型光纤传感用光电子器件技术PDF电子书下载

第1章 绪论 1

1.1 光纤传感技术发展历程 1

1.1.1 干涉型光纤传感器的发展 1

1.1.2 光纤光栅传感器的发展 3

1.1.3 分布式光纤传感器的发展 4

1.1.4 其他类型光纤传感器 5

1.2 光纤传感器的分类 6

1.3 光纤传感技术中涉及的典型物理效应 10

1.4 光纤干涉仪原理及特点 14

1.4.1 迈克耳孙干涉仪 14

1.4.2 马赫-曾德尔干涉仪 15

1.4.3 萨格纳克干涉仪 17

1.4.4 法布里-珀罗干涉仪 19

1.5 干涉型光纤传感器相位解调方法 20

1.5.1 零差相位解调法 20

1.5.2 外差解调法 26

1.6 干涉型光纤传感用光电子器件 28

1.6.1 干涉型光纤传感用光电子器件分类及特点 28

1.6.2 光纤传感系统设计与光电子器件的关系 31

1.6.3 干涉型光纤传感用光电子器件发展及应用中的主要技术问题 32

参考文献 34

第2章 干涉型光纤传感器及其光电子器件的技术特点 38

2.1 迈克耳孙干涉型光纤传感器及其典型应用 38

2.1.1 迈克耳孙干涉型光纤水听器 39

2.1.2 迈克耳孙干涉型光纤加速度传感器 40

2.1.3 迈克耳孙干涉型光纤传感器用光电子器件的技术特点 41

2.2 马赫-曾德尔干涉型光纤传感器及其典型应用 42

2.2.1 马赫-曾德尔干涉型光纤水听器 43

2.2.2 马赫-曾德尔干涉型光纤扰动传感器 44

2.2.3 马赫-曾德尔干涉型光纤传感器用光电子器件的技术特点 45

2.3 萨格纳克干涉型光纤传感器及其典型应用 46

2.3.1 干涉型光纤陀螺仪 46

2.3.2 光纤电流互感器 49

2.3.3 萨格纳克干涉型分布式光纤传感器 50

2.3.4 萨格纳克干涉型光纤传感器用光电子器件的技术特点 51

2.4 法布里-珀罗干涉型光纤传感器及其典型应用 53

2.4.1 法布里-珀罗干涉型光纤温度传感器 54

2.4.2 法布里珀罗干涉型光纤应变传感器 54

2.4.3 法布里-珀罗干涉型光纤压力传感器 55

2.4.4 法布里-珀罗干涉型光纤传感器用光电子器件的技术特点 56

2.5 白光干涉型光纤传感器及其典型应用 57

2.5.1 基于扫描干涉仪的白光干涉型光纤传感器 57

2.5.2 光谱域白光干涉型光纤传感器 59

2.5.3 白光干涉型光纤传感器用光电子器件的技术特点 61

参考文献 61

第3章 光纤及其在干涉型光纤传感中的应用技术 63

3.1 光纤的结构与分类 63

3.1.1 单模光纤 64

3.1.2 保偏光纤 66

3.2 光纤性能参数及测试方法 71

3.2.1 光学特性参数 71

3.2.2 几何特性参数 82

3.2.3 机械特性参数 83

3.3 光纤制备工艺 89

3.3.1 单模光纤制备工艺 89

3.3.2 保偏光纤制备工艺 89

3.3.3 抗辐照保偏光纤制备工艺 91

3.4 光纤的特性及干涉型光纤传感应用要求 92

3.4.1 干涉型光纤传感用光纤的分类及应用要求 92

3.4.2 三种应力型保偏光纤的特点 93

3.4.3 光纤的应用环境适应性 94

3.5 光纤在干涉型光纤传感中应用的主要物理效应 100

3.5.1 光纤中的光波偏振交叉耦合 100

3.5.2 光纤的非线性效应 101

3.5.3 光纤的法拉第效应 102

3.5.4 光纤的弹光效应 103

3.5.5 光纤的热光效应 104

3.6 光纤环技术 104

3.6.1 光纤陀螺仪光纤敏感环 104

3.6.2 光纤电流互感器光纤敏感环 114

3.6.3 光纤水听器光纤敏感环 114

3.6.4 光纤延时环 116

3.7 光子晶体光纤 116

3.7.1 光子晶体光纤的概念和工作原理 117

3.7.2 光子晶体光纤的主要特性 118

3.7.3 光子晶体保偏光纤的设计、制备及特点 119

3.7.4 光子晶体光纤在光纤传感中的应用 120

参考文献 122

第4章 光纤耦合器 124

4.1 光纤耦合器工作原理 124

4.2 光纤耦合器主要性能参数及测试方法 126

4.3 2×2光纤耦合器性能参数设计与制备工艺 129

4.3.1 光纤耦合器主要光学性能参数设计 129

4.3.2 光纤耦合器制备工艺 133

4.4 干涉型光纤传感用光纤耦合器的特性及应用要求 139

4.4.1 单模光纤耦合器的主要特性 139

4.4.2 保偏光纤耦合器的主要特性 144

4.4.3 光纤耦合器的应用要求 145

4.5 其他类型耦合器 149

4.5.1 3×3（1×3）光纤耦合器 149

4.5.2 光纤波分复用器 151

4.5.3 微光元件型耦合器 152

4.5.4 集成光波导型耦合器 152

参考文献 153

第5章 光纤偏振器件 154

5.1 光纤偏振器 154

5.1.1 光纤偏振器工作原理 154

5.1.2 光纤偏振器分类 158

5.1.3 光纤偏振器性能参数及测试方法 159

5.1.4 光纤偏振器在干涉型光纤传感中的应用要求 161

5.2 光纤消偏器 162

5.2.1 光纤消偏器工作原理 162

5.2.2 光纤消偏器在干涉型光纤传感中的应用要求 165

5.3 光纤隔离器 167

5.3.1 光纤隔离器工作原理与结构 167

5.3.2 光纤隔离器性能参数及测试方法 169

5.3.3 光纤隔离器在干涉型光纤传感中的应用要求 169

5.4 光纤环行器 170

5.4.1 光纤环行器工作原理 170

5.4.2 光纤环行器性能参数及测试方法 171

5.4.3 光纤环行器在干涉型光纤传感中的应用要求 172

参考文献 172

第6章 相位调制器 174

6.1 相位调制原理 174

6.1.1 电光相位调制 174

6.1.2 弹光相位调制 179

6.1.3 声光相位调制 182

6.2 Ti扩散LiNbO3相位调制器 184

6.2.1 主要性能参数及设计 184

6.2.2 Ti扩散LiNbO3电光相位调制器制备工艺 190

6.2.3 干涉型光纤传感用Ti扩散LiNbO3相位调制器的特性及应用要求 195

6.3 质子交换LiNbO3相位调制器 205

6.3.1 Y型质子交换LiNbO3相位调制器设计 206

6.3.2 质子交换LiNbO3相位调制器制备工艺 208

6.3.3 干涉型光纤传感用质子交换LiNbO3相位调制器的特性及应用要求 210

6.4 压电陶瓷相位调制器 216

6.4.1 压电陶瓷相位调制器原理 216

6.4.2 压电陶瓷相位调制器设计 216

6.4.3 干涉型光纤传感用PZT相位调制器的特性及应用要求 218

参考文献 221

第7章 其他光无源器件 224

7.1 光纤自聚焦透镜 224

7.1.1 光纤自聚焦透镜的工作原理与光学特性 224

7.1.2 光纤自聚焦透镜的主要性能参数 226

7.1.3 光纤自聚焦透镜在干涉型光纤传感中的应用要求 227

7.2 光纤准直器 227

7.2.1 光纤准直器的分类 228

7.2.2 光纤准直器的结构与设计 228

7.2.3 光纤准直器在干涉型光纤传感中的应用要求 230

7.3 光纤滤波器 231

7.3.1 M-Z光纤滤波器 231

7.3.2 F-P光纤滤波器 233

7.3.3 光纤光栅滤波器 236

7.3.4 光纤滤波器在干涉型光纤传感中的应用要求 237

7.4 光纤反射镜 237

7.4.1 光纤环路反射镜 237

7.4.2 介质膜光纤反射镜 238

7.4.3 金属膜光纤反射镜 242

7.4.4 光纤法拉第旋转反射镜 242

7.4.5 光纤反射镜在干涉型光纤传感中的应用要求 242

7.5 光纤光栅 243

7.5.1 布拉格光纤光栅 244

7.5.2 光纤光栅的制备 245

7.5.3 光纤光栅的主要性能参数 245

7.5.4 光纤光栅在干涉型光纤传感中的应用要求 247

参考文献 248

第8章 半导体光源器件 249

8.1 半导体激光器工作原理 249

8.1.1 光的自发辐射、受激辐射与受激吸收 249

8.1.2 阈值条件 251

8.2 半导体光源的分类与结构 253

8.2.1 激光二极管 254

8.2.2 发光二极管 255

8.2.3 超辐射发光二极管 256

8.3 半导体光源设计与工艺 257

8.3.1 半导体光源的材料 257

8.3.2 半导体光源主要性能参数设计 258

8.3.3 半导体光源组件的结构及封装 261

8.3.4 半导体光源组件工艺 262

8.4 干涉型光纤传感用半导体光源的特性及应用要求 264

8.4.1 半导体光源的主要特性 264

8.4.2 半导体光源的应用要求 274

参考文献 283

第9章 掺铒光纤有源器件 284

9.1 掺铒光纤有源器件工作原理 284

9.1.1 掺铒光纤的工作原理及特性 284

9.1.2 超荧光掺铒光纤光源的工作原理 286

9.1.3 掺铒光纤激光器的工作原理 288

9.2 掺铒光纤有源器件用光电子器件 290

9.3 超荧光掺铒光纤光源 293

9.3.1 超荧光掺铒光纤光源的结构 293

9.3.2 超荧光掺铒光纤光源的主要性能参数 295

9.3.3 超荧光掺铒光纤光源设计 296

9.3.4 干涉型光纤传感用超荧光掺铒光纤光源的特性及应用要求 308

9.4 掺铒光纤激光器 310

9.4.1 掺铒光纤激光器的特点及分类 310

9.4.2 掺铒光纤激光器主要性能参数 315

9.4.3 DBR掺铒光纤激光器设计 315

9.4.4 干涉型光纤传感用掺铒光纤激光器的特性及应用要求 316

参考文献 318

第10章 光电探测器 320

10.1 光电探测器工作原理 320

10.1.1 光电转换原理 320

10.1.2 PN结光电二极管 321

10.2 PIN光电探测器组件 323

10.2.1 PIN光电二极管及光电探测器组件 323

10.2.2 PIN光电探测器组件主要性能参数及测试 325

10.2.3 PIN光电探测器组件设计与工艺 328

10.2.4 干涉型光纤传感用PIN光电探测器组件的特性及应用要求 334

10.3 雪崩光电二极管 339

10.3.1 APD的工作原理 339

10.3.2 APD的结构 339

10.3.3 干涉型光纤传感用APD光电探测器的特性及应用要求 340

参考文献 344

第11章 光电子器件可靠性技术 346

11.1 光电子器件应用环境条件 346

11.2 光电子器件主要失效模式及机理 347

11.2.1 光纤的主要失效模式及机理 347

11.2.2 光纤耦合器的主要失效模式及机理 349

11.2.3 集成光学相位调制器的主要失效模式及机理 351

11.2.4 半导体光源组件的主要失效模式及机理 353

11.2.5 光电探测器组件的主要失效模式及机理 358

11.3 光电子器件典型环境适应性试验 361

11.3.1 温度环境适应性试验 361

11.3.2 力学环境适应性试验 362

11.3.3 热真空环境适应性试验 362

11.3.4 辐照环境适应性试验 363

11.4 光电子器件可靠性筛选 365

11.4.1 光电子器件可靠性筛选条件 366

11.4.2 光电子器件可靠性筛选方法 367

11.4.3 光电子器件可靠性筛选项目 370

11.5 光电子器件可靠性试验 371

11.6 光电子器件寿命预计与评估方法 373

11.6.1 产品可靠性指标及光纤传感器MTBF预计 373

11.6.2 光电子器件寿命预计及试验设计 374

11.6.3 光电子器件加速寿命试验失效判据 376

11.6.4 光电子器件加速寿命试验方法 377

11.6.5 光电子器件MTTF的统计法 377

11.6.6 光纤寿命预计 378

参考文献 379

附录 缩略语 381

索引 384