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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