当前位置：文档库 › 光纤布拉格光栅动态响应特性的计算和分析

光纤布拉格光栅动态响应特性的计算和分析

一光纤光栅光谱特性测试系统的设计

实验一光纤光栅光谱特性测试系统的设计一．实验目的和任务 1．熟悉PC光谱仪的使用方法 2．了解光环行器的工作原理和主要功能。并测量光环行器的插入损耗、隔离度、方向性、回波损耗参数。 3．了解光纤光栅的光谱特性 4．应用PC光谱仪、光环行器测量光纤光栅的光谱特性二．PC光谱仪 PC光谱仪是用来测量光源或其它器件经光纤输出的光的波长和能量的关系图（即光谱特性）。图1.1 PC光谱仪的软件界面本实验用的PC光谱仪的硬件是插入计算机ISA槽的ISA2000卡。该卡有一个光输入孔。测试波长范围为紫外-可见光-近红外。 PC光谱仪的软件界面如图1.1所示。界面中，主要工具栏按扭介绍： 1．数据光标左移按扭，每点击该按扭一次，数据光标左移一个像素的距离。连续点击该按扭，可以找到波峰位置。

2．数据光标右移按扭，每点击该按扭一次，数据光标右移一个像素的距离。连续点击该按扭，可以找到波峰位置。 3．开始/结束扫描波形按钮。第一次点击该按扭，开始扫描，显示出扫描波形，并且能感觉波形在动。再次点击该按扭，结束扫描，波形静止。 4．点击该按扭，增加波长显示范围，即水平方向缩小波形。如果要在水平方向放大波形，操作方法为：左击波形的左侧，拖动鼠标到波形的右侧，释放鼠标，即可。 5．纵坐标自动调整按钮，如果波形出现削顶或者波形太低，左击该按钮，可以自动调整波形高度。右击该按钮，取消自动调整纵坐标操作。 6．计算按钮，点击该按钮，显示波形的中心波长、峰值波长、半最大值全宽等参数。使用该PC光谱仪测量光谱特性的步骤： 1．将待测光输入到ISA2000卡的光输入孔内，运行程序“Spectra Wiz”, 即可进入软件运行窗口。 2．点击开始/结束扫描波形按钮，开始扫描波形，再点击一次该按钮，结束扫描波形。 3．点击横坐标调整按钮，显示波形到界面适当位置。如果要在水平方向放大波形，就左击波形的左侧，拖动鼠标到波形的右侧，释放鼠标，即可。 4．点击纵坐标调整按钮，调整波形到适当高度。 5．点击计算按钮，显示相关参数数据。三．光环行器（一）光环行器的工作原理光环行器是一种多端口输入输出的非互易器件，具有正向顺序导通而反向传输阻止的特性，可以完成正反向传输光的分离，在双向长途干线通信、密集波分复用器及光时域反射计（OTDR）中有广泛的应用。制造光环行器的方法有几种，但所有的光环行器的工作原理是相同的，比如3端口的光环行器，在端口1输入的光信号只有在端口2输出；在端口2输入的光信号只有在端口3输出，而在端口3输入的光信号只能在端口1输出。但是在许多应用中，这最后一种状态是不必要的，因此，大多数商用环行器都被设计成“非理想”状态，即吸收从端口3输入的任何信号。3端光环行器的原理图如图1.2所示：

取样光纤布拉格光栅特性的研究_肖永良

第32卷第4期光电工程V ol.32, No.4 2005年4月 Opto-Electronic Engineering April, 2005文章编号：1003-501X (2005) 04-0053-03 取样光纤布拉格光栅特性的研究肖永良1，秦子雄1，曾庆科1，韦芙芽2 ( 1. 广西师范大学物理与信息工程学院，广西桂林 541004； 2. 南昌航空工业学院电子系，江西南昌 330034 ) 摘要：用传输矩阵法从理论上计算了取样光纤布拉格光栅的反射谱特性。这种方法将光栅视为多层均匀薄膜的叠加，利用每一层的传输矩阵相乘获得了光栅的反射谱特性。研究表明，随着光栅长度的增加和采样率、折射率调制深度的减少，反射峰的均匀性得到了改善，旁瓣的反射率变小，带宽明显变窄，而反射峰间隔保持不变。反射峰的间隔由光栅周期决定，与采样率无关，而某些文献则要求采样率小于10%。这与频谱分析所得结论相吻合。关键词：光纤光栅；取样光纤布拉格光栅；反射谱；传输矩阵中图分类号：TN253 文献标识码：A Study on properties of sampled fiber Bragg grating XIAO Yong-liang1, QIN Zi-xiong1, ZENG Qing-ke1, WEI Fu-ya2 (1. College of Physics and Information Engineering, Guangxi Normal University, Guilin 541004, China; 2.Department of Electronics, Nanchang Institute of Aeronautical Technology, Nanchang 330034, China ) Abstract:Reflective spectral properties of sampled fiber Bragg grating is theoretically calculated by transfer matrix method. With this method, the grating is regarded as the overlapping of multi-layer uniform thin film and the reflective spectral properties of the grating are calculated by multiplying transfer matrix of each layer. The study shows that with the increase of grating length and the decrease of sampling rate and refractive index modulation depth, the uniformity of reflective peak will be improved, the reflectance of the side lobes will decrease slightly and the band width will be obviously narrowed but the interval between two reflective peaks is maintained constant. The interval between reflective peaks is determined by grating period and is independent of sampling rate. Some references require that the sampling rate must be less than 10%. This is consistent with the conclusion obtained from spectrum analysis. Key words: Optical fiber grating；Sampled fiber Bragg grating；Reflective spectrum；Transmission matrix 引言光纤光栅具有插入损耗低、对偏振不敏感、与普通光纤接续简便、光谱响应特性动态可控以及结构紧凑、易于集成等特点。取样光纤光栅除有一般光纤光栅的优点之外，它的反射谱响应还具有通道多、通道间隔稳定、通带窄的独特特性，在现代大容量高速率波分复用光纤通信网中有着广阔的应用前景。由取样光栅构成的新型光子学器件有：多波长激光器、信道交错器、波分复用/解复用器和多信道色散补偿器等[1-4]。分析光纤光栅可以用傅立叶变换法和耦合模理论[5]。前者物理意义直观，但难于求解；后者采用数值法解收稿日期：2004-08-05；收到修改稿日期：2004-12-19 基金项目：广西科学基金(桂科回0448011)；广西高校百名中青年学科带头人资助计划；广西师范大学校重点基金作者简介：肖永良(1978-)，男(汉族)，湖南双峰人，硕士生，从事光纤通信器件与传感器方面的研究。E-mail: xylroc@https://www.wendangku.net/doc/1a12733330.html,

光纤光栅原理及应用

光纤光栅传感器原理及应用（武汉理工大学） 1光纤光栅传感原理光纤光栅就是利用紫外光曝光技术，在光纤中产生折射率的周期分布，这种光纤内部折射率分布的周期性结构就是光纤光栅。光纤布喇格光栅（Fiber Bragg grating ，FBG ）在目前的应用和研究中最为广泛。光纤布喇格光栅，周期0.1微米数量级。FBG 是通过改变光纤芯区折射率，周期的折射率扰动仅会对很窄的一小段光谱产生影响，因此，如果宽带光波在光栅中传输时，入射光将在相应的波长上被反射回来，其余的透射光则不受影响，这样光纤光栅就起到了波长选择的作用，如图1。图1 FBG 结构及其波长选择原理图在外力作用下，光弹效应导致折射率变化，形变则使光栅常数发生变化；温度变化时，热光效应导致折射率变化，而热膨胀系数则使光栅常数发生变化。（1）光纤光栅应变传感原理光纤光栅反射光中心波长的变化反映了外界被测信号的变化情况，在外力作用下，光弹效应导致光纤光栅折射率变化，形变则使光栅栅格发生变化，同时弹光效应还使得介质折射率发生改变，光纤光栅波长为1300nm ，则每个με将导致1.01pm 的波长改变量。（2）光纤光栅温度传感原理光温度变化时，热光效应导致光纤光栅折射率变化，而热膨胀系数则使光栅栅格发生变化。光纤光栅中心波长为1300nm ，当温度变化1摄氏度时，波长改变量为9.1pm 。反射光谱入射光谱投射光谱入射光反射光投射光包层纤芯光栅光栅周期

2光纤光栅传感器特点利用光敏元件或材料，将被测参量转换为相应光信号的新一代传感技术，最大特点就是一根光纤上能够刻多个光纤光栅，如图2所示。光纤光栅传感器可测物理量：温度、应力/应变、压力、流量、位移等。图2 光纤光栅传感器分布式测量原理光纤光栅的特点： ● 本质安全，抗电磁干扰 ● 一纤多点（20-30个点），动态多场：分布式、组网测量、远程监测 ● 尺寸小、重量轻； ● 寿命长: 寿命 20 年以上 3目前我校已经开展的工作（部分） 3.1 基于光纤光栅传感的旋转传动机械动态实时在线监测技术与系统利用光纤光栅传感技术的特性，实现转子运行状态的非接触直接测量。被测参量宽带光源光纤F-P 腔测点1 测点2 测点3 测点n 波长光强 λ1 测点1 λ2 测点2 λ3 测点3 λn 测点n 光源波长

光纤布拉格光栅(FBG)的光学传感技术

光纤布拉格光栅(FBG)的光学传感技术电子传感器数十年来一直作为测量物理与机械现象的标准机制。尽管具有普遍性，却因为种种限制，在许多应用中显得缺乏安全、不切实际或无法使用。基于光纤布拉格光栅(FBG)的光学传感技术，利用“光”作为介质取代“电”，使用标准光纤替代铜线，从而克服种种的挑战：由于光纤不导电且电气无源的良好特性，可以消除由电磁干扰(EMI)引起的噪声影响，并且能在少量损耗乃至不损耗信号完整性的前提下远距离传输数据。此外，多个FBG传感器可沿一根光纤通过菊花链(daisy chain)方式连接，极大减少了测量系统的尺寸、重量和复杂性。 1.FBG 光学传感器基础 1.1概述近几十年以来，电气传感器一直作为测量物理与机械现象的标准设备发挥着它的作用。尽管它们在测试测量中无处不在，但作为电气化的设备，他们有着与生俱来的缺陷，例如信号传输过程中的损耗，容易受电磁噪声的干扰等等。这些缺陷会造成在一些特殊的应用场合中，电气传感器的使用变得相当具有挑战性，甚至完全不适用。光纤光学传感器就是针对这些应用挑战极好的解决方法，使用光束代替电流，而使用标准光纤代替铜线作为传输介质。在过去的二十年中，光电子学的发展以及光纤通信行业中大量的革新极大地降低了光学器件的价格，提高了质量。通过调整光学器件行业的经济规模，光纤传感器和光纤仪器已经从实验室试验研究阶段扩展到了现场实际应用场合，比如建筑结构健康监测应用等。 1.2光纤传感器简介从基本原理来看，光纤传感器会根据所测试的外部环境参数的变化来改变其传播的光波的一个或几个属性，比如强度、相位、偏振状态以及频率等。非固有型 (混合型) 光纤传感器仅仅将光纤作为光波在设备与传感元件之间的传输介质，而固有型光纤传感器则将光纤本身作为传感元件使用。光纤传感技术的核心是光纤–一条纤细的玻璃线，光波能够在其中心进行传播。光纤主要由三个部分组成：纤芯(core)，包层(cladding)和保护层(buffer coating)。其中包层能够将纤芯发出的杂散光波反射回纤芯中，以保证光波在纤芯中具有最低的传输损耗。这个功能的实现原理是纤芯的光折射率比包层的折射率高，这样光波从纤芯传播到包层的时候会发生全内反射。最外面的保护层提供保护作用，避免外界环境或外力对光纤造成损坏。而且可以根据需要要强度和保护程序的不同，使用多层保护层。

光纤光栅的特性

光纤光栅的特性 1．光纤布喇格光栅的理论模型：假设光纤为理想的纤芯掺锗阶跃型光纤，并且折射率沿轴向均匀分布，包层为纯石英，此种光纤在紫外光的照射下，纤芯的折射率会发生永久性变化，对包层的折射率没有影响。利用目前的光纤光栅制作技术：如全息相干法，分波面相干法及相位模板复制法等。生产的光纤光栅大多数为均匀周期正弦型光栅。纤芯中的折射率分布（如图1）所示。 )(1Z n 为纤芯的折射率，max n ?为光致折射率微扰的最大值， )0(1n 为纤芯原折射率， Λ为折射率变化的周期（即栅距）， L 为光栅的区长度。若忽略光栅横截面上折射率分布的不均匀性，光栅区的折射率分布可表示为： )2cos( )0()(max 11Z n n z n Λ ?+=π …………………………………………………（1.1）显而易见，其折射率沿纵向分布，属于非正规光波导中的迅变光波导，在考虑模式耦合的时候，只能使用矢量模耦合方程，其耦合主要发生在基模的正向传输导模与反向传输导模之间。 2．单模光纤的耦合方程由于纤芯折射率非均匀分布,引起了纤芯中传输的本征模式间发生耦合。在弱导时, 忽略偏振效应,吸收损耗和折射率非均匀分布引起了模式泄漏,则非均匀波导中的场Φ( x , y , z ) 满足标量波动方程:0),,(}),,({22 2 20 2=Φ??++?z y x z z y x n sk t …………………（2.1）其中：λπ/20=k ，λ是自由空间的光波长。 2 22 2 1}{1? ??+?Φ???=Φ?Φ r r r r r t …………………………………………………(2.2) 由于折射率非均匀分布引起波导中模式耦合只发生在纤芯中,因此非均匀波导中的场可以表示为均匀波导束缚模式),(y x φ之和: ),()}exp()exp()({),()(),,(y x z i a z i z a y x z A z y x l l l l l l l l l φββφ-+-∑=∑=Φ………(2.3)

光纤布拉格光栅温度应力传感器要点

光纤布拉格光栅温度应力传感器崔丽 10401067 摘要：光纤光栅传感器是一种新型的波长编码传感器，与传统的“光强型”和“干涉型”光纤传感器相比，具有很强的抗干扰能力，为温度、应力、应变等物理量的精确测量提供了很好的方法。本文在对光纤布拉格光栅温度和应力传感原理分析的基础上，讨论了多种解决交叉敏感问题的方法，归纳出建立“复用”传感器的一般方法。文章同时给出了基于悬臂梁结构的传感器，其位移与Bragg波长的关系，进而提出了光纤光栅位移和温度“复用”传感器的基本结构和原理。关键词：光纤布拉格光栅；温度；应力；传感器 1. 引言光纤光栅是近几年发展最快的光纤无源器件之一。自从1978年加拿大渥太华通信研究中心的K. O. Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏效应，并采用驻波写入法制成世界上第一只光纤光栅[1,2]开始，直到1989年，美国联合技术研究中心的G. Meltz等人实现了光纤Bragg光栅(FBG)的UV激光侧面写入技术[3]，才使得光纤光栅的制作技术实现了突破性的进展。其后，1993年，K. O. Hill等人提出了相位掩膜制造法，光纤光栅的制造技术得到了更进一步地发展[4]，使它灵活的大批量制造成为可能，之后，光纤光栅器件逐步走向实用化。光纤传感技术是伴随着光导纤维及光纤通信技术发展而迅速发展起来的，一种以光为载体、光纤为媒质、感知和传输外界信号(被测量)的新型传感技术。光纤光栅传感器是一种用光纤布拉格光栅（FBG）作敏感元件的功能型光纤传感器。自1989年Morey报道[5]将其用于传感技术以来，光纤光栅在传感领域的理论和应用研究引起了人们的极大兴趣[6-9]。光纤光栅通常是通过外界参量对布拉格中心反射波长的调制来获取传感信息的。作为一种波长调制型的光纤传感器，它除了具有普通光纤传感器抗电磁、抗腐蚀、耐高温、重量轻、体积小等优点外，与传统的“光强型”[10]和“干涉型”[11]光纤传感器相比,还具有自身独特的优点[12-14]：探头结构简单，尺寸小，易于与光纤耦合，耦合损耗小；与光源强度、光源起伏、光纤弯

(完整版)均匀光纤光栅光谱仿真研究毕业设计

多峰光纤布拉格光栅传感信号的自适应寻峰处理_陈勇

第42卷第8期 2015年8月Vol.42,No.8August,2015中国激光CHINESE JOURNAL OF LASERS 多峰光纤布拉格光栅传感信号的自适应寻峰处理陈勇1杨凯1刘焕淋2* 1重庆邮电大学工业物联网与网络化控制教育部重点实验室,重庆400065 2重庆邮电大学光纤通信技术重点实验室,重庆400065 摘要针对寻峰算法不能自适应检测光纤布拉格光栅(FBG)多峰值光谱的问题，提出了一种多峰自适应寻峰算法。采用滑动均值滤波法对光谱信号进行去噪预处理，并结合希尔伯特变换对多峰光谱自适应峰值区域分割；分析了谱峰的不对称特性，对单峰光谱采用基于非对称广义高斯模型的峰值修正策略，实现了峰值的精确定位。实验结果表明，与对比算法相比所提算法寻峰精度最高，稳定性最好，检测误差在1pm 以下，对分布式传感网络中的多峰值检测具有借鉴意义。关键词光纤光学;多峰寻峰算法;光纤布拉格光栅;自适应;非对称光谱中图分类号TP212文献标识码A doi:10.3788/CJL201542.0805008 A Self-adaptive Peak Detection Algorithm to Process Multi-peak Fiber Bragg Grating Sensing Signal Chen Yong 1 Yang Kai 1Liu Huanlin 21Key Laboratory of Industrial Internet of Things &Network Control,MOE,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China 2Key Laboratory of Optical Fiber Communication Technology,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China Abstract To the problem of the peak detection that could not be adaptively solved in the multi-peak fiber Bragg grating (FBG)signal,a self-adaptive multi-peak detection algorithm is proposed.This algorithm uses the sliding mean filtering method to remove the noise in spectral signal,and combines with the Hilbert transform to adaptively segment the peak area of the multi-peak spectrum.By analyzing the asymmetric characteristic of spectral peak, a peak value is compensated by the strategy based on the asymmetric generalized Gaussian model for improving position precision of spectral peak.Experimental results show that the proposed algorithm could gain higher accuracy and better stability than the comparing algorithms,and the detection error is under 1pm.The proposed algorithm impacts on the multi-peak detection of distributed sensor networks. Key words fiber optics;multi-peak detection algorithm;fiber Bragg grating;self-adaptive;asymmetric spectrum OCIS codes 060.3735;070.2025;070.4790 收稿日期:2015-03-12;收到修改稿日期:2015-04-12 基金项目:国家自然科学基金(61275077)、重庆市研究生科研创新项目(CYS14151) 作者简介:陈勇(1963—)，男，博士，教授，主要从事光纤传感检测及其信号处理等方面的研究。 E-mail:chenyong@https://www.wendangku.net/doc/1a12733330.html, *通信联系人。E-mail:liuhl@https://www.wendangku.net/doc/1a12733330.html, 1引言光纤布拉格光栅(FBG)作为一种光纤传感器件，由于其具有易弯曲、耐腐蚀、耐高温、安全性高、易串接复用、对宿主材料结构性能影响小等特点，被广泛应用于土木工程、石油化工、航空航天等工程领域。工程中将FBG 传感器复用构成分布式传感网络，以实现恶劣环境下大型复杂工程结构的实时在线监测[1-3]。FBG 传感系统是通过建立其反射谱中心波长漂移量与待测物理参量间的函数关系，间接实现对待测参量变化量的

均匀光纤光栅光谱仿真研究

摘要全光通信是光纤通信的发展方向，自从1978年Hill等人制作出第一条光纤光栅之后，作为重要的全光网络器件之一，光纤光栅的研究和应用就一直受到人们的重视。光纤光栅这种新型的光纤器件由于其独特的光学特性和灵活的设计特点,在光通信系统中有着广泛的应用,包括滤波器、全光复用/ 解复用器、色散补偿器和激光器谐振腔等等。所谓光纤光栅即指光纤轴向上存在的折射率周期性变化。其制作原理是基于石英光纤的光敏效应。光纤中的光致折射率改变现象最初仅是一个科学问题，用来满足人们科学探索的好奇心，而正是因为光纤光栅在光通信与光传感领域的扮演的重要角色也使其成为光纤领域的一项基本技术。在光纤通信的应用中根据应用场合的不同，针对对光纤光栅的光谱方面和色散方面特性会提出相应的专门要求，为了给光纤光栅制作过程中的方法选择及参量控制提供理论性指导，对光纤光栅的理论与应用研究有重要的实际意义。在实际的光栅设计过程中，我们总是希望由所期望的光学特性来确定光栅的各个参数的值，因而对光纤光栅特性方面的数值模拟就具有非常重要意义。本论文以光纤通信发展为主线介绍了光纤光栅的历史及其在光通信领域的应用，概述了光纤光栅的光敏效应，以光波导为背景介绍了分析光纤光栅常用的耦合模理论以及传输矩阵理论。基于耦合模理论和传输矩阵理论对重要的两类光纤光栅：均匀光纤光栅和线性啁啾光纤光栅进行了分析推导。并对两类光纤光栅的光谱方面特性进行了仿真研究，绘制出了两类光纤光栅在不同参数下的反射光谱特性曲线，讨论了不同参数对光纤光栅频率选择特性和色散特性的影响, 所得结果可作为这类光纤光栅结构参数设计的参考依据,给光纤光栅制作过程中的方法选择及参量控制提供理论指导，为光纤光栅这一重要器件的仿真软件的构建进行初步的探索。关键词：光纤光栅耦合模理论传输矩阵法光通信器件数值仿真第一章绪论光纤通信技术是以光波为载波,以光导纤维为传输信道的一种现代有线通信技术。人类已进入信息化时代，人类对通信的需求呈现加速增长的趋势，而光纤通信技术是构建信息高速公路的主要支柱。现代光纤通信技术涉及光纤光缆技术、传输技术、光有源器件、光无源器件以及光网络技术等。 1.1光纤通信历史及发展: 1880年，贝尔利用太阳光作为光源，以大气为传输信道，用硒晶体作为光接收器，进行了光电话的实验，实现了真正现代意义下的光通信，使通话距离最远达到了二百多米，但空间光传输易受到气候和周围环境等条件的影响，损耗也比较大。 1966年，英籍华人高锟博士和他的同事G. A. Hockham，在研究了光在石英玻璃纤维中传输的特性极

光纤光栅光学特性的测量

光纤光栅光学特性的测量一、实验目的和内容 1．了解光纤Bragg 光栅的原理及其主要光学特性。 2．掌握Digtal lock-in Amplifier 工作原理和使用要领。 3．掌握测量光纤Bragg 光纤反射光谱及其它光学特性的方法二、实验基本原理 1．光纤布拉格光栅的理论模型光敏光纤布拉格光栅（FBG ,fiber Bragg grating ）的原理是由于光纤芯折射率周期变化造成光纤波导条件的改变，导致一定波长的光波发生相应的模式耦合，使的其透射光谱和反射光谱对该波长出现奇异性，图1表示了其折射率分布模型。这只是一个简化图形，实际上光敏折射率改变的分布将由照射光的光强分布所决定。对于整个光纤曝光区域，可以由下列表达式给出折射率分布较一般的描述： ? ?? ??≥≤≤≤+=2 32 1211)],,(1[),,(a r n a r a n a r z r F n z r n ?? 式中),,(z r F ?为光致折射率变化函数。具有如下特性： 1 ),,(),,(n z r n z r F ???= )(0 ),,() 0(),(1 max max L z z r F L z n n z r F >=<

光纤光栅的特性

性，光栅区的折射率分布可表示为： )2cos()0()(max 11Z n n z n Λ ?+=π ………………………………………………… （1.1）显而易见，其折射率沿纵向分布，属于非正规光波导中的迅变光波导，在考虑模式耦合的时候，只能使用矢量模耦合方程，其耦合主要发生在基模的正向传输导模与反向传输导模之间。 2．单模光纤的耦合方程由于纤芯折射率非均匀分布,引起了纤芯中传输的本征模式间发生耦合。在弱导时, 忽略偏振效应,吸收损耗和折射率非均匀分布引起了模式泄漏,则非均匀波导中的场Φ( x , y , z ) 满足标量波动方程: ),,(}),,({22 220 2=Φ??++?z y x z z y x n sk t …………………（2.1）其中：λ π/20 =k ，λ是自由空间的光波长。 2 22 2 1}{1???+?Φ???=Φ?Φ r r r r r t ………………………………… ………………(2.2) 由于折射率非均匀分布引起波导中模式耦合只发生在纤芯中,因此非均匀波导中的场

光栅布拉格光栅及其传感特性研究

光栅布拉格光栅及其传感特性研究2 一光纤光栅概述2 1.1 光纤光栅的耦合模理论2 1.2 光纤光栅的类型3 1.2.1 均匀周期光纤布拉格光栅3 1.2.2 线性啁啾光纤光栅3 1.2.3 切趾光纤光栅3 1.2.4 闪耀光纤光栅4 1.2.5 相移光纤光栅4 1.2.6 超结构光纤光栅4 1.2.7 长周期光纤光栅4 二光纤布拉格光栅传感器5 2.1 光纤布拉格光栅应力传感器5 2.2 光纤布拉格光栅温度传感器6 2.3 光纤布拉格光栅压力传感器6 2.4 基于双折射效应的光纤布拉格光栅传感器7 三光纤光栅传感器的敏化与封装10 3.1 光纤光栅传感器的温度敏化10 3.2 光纤光栅传感器的应力敏化10 3.2 光纤光栅传感器的交叉敏感及其解决方法10 四光纤光栅传感网络与复用技术10 4.1 光纤光栅传感网络常用的波分复用技术11 4.1.1 基于波长扫描法的波分复用技术12 4.1.2 基于波长分离法的波分复用技术13 4.1.3 基于衍射光栅和CCD阵列的复用技术13 4.1.4 基于码分多址(CDMA)和密集波分复用(DWDM)技术14 4.2光纤光栅传感网络常用的空分复用技术14 4.3光纤光栅传感网络常用的时分复用技术16 4.4 光纤光栅传感网络的副载波频分复用技术18 4.4.1 光纤光栅传感副载波频分复用技术18 4.4.2 FBG传感网络的光频域反射复用技术18 4.5 光纤光栅传感网络的相干复用技术18 4.6 混合复用FBG传感网络18 4.6.1 WDM/TDM混合FBG网络18 4.6.2 SDM/WDM混合FBG网络18 4.6.3 SDM/TDM混合FBG网络18 4.6.4 SDM/WDM/TDM混和FBG网络18 4.6.5 光频域反射复用/波分复用混合FBG传感网络18 五光栅光栅传感信号的解调方法18 六激光传感器18

倾斜布拉格光纤光栅应用研究

征文专题号： P-5 倾斜布拉格光纤光栅及应用研究刘波1，苗银萍2，张昊1 (1 南开大学信息技术科学学院，天津，300071 2 天津理工大学电子信息工程学院，天津，) 摘要：自上世纪70年代，Hill等人成功地写制了第一根布拉格光纤光栅以来，光纤光栅特别是布拉格光栅，以其低插入损耗，易于集成，稳定性好等优点被广泛应用于光通信及传感领域，成为了不可缺少的光学元件。与普通布拉格光栅相比，倾斜布拉格光纤光栅的成栅面与光纤轴向垂直面呈一定角度的倾斜。因此，其耦合特性与布拉格光栅有很大区别，并且因倾斜角度而不同。当倾斜角度较小时，其存在前向基模与后向基模以及后向包层模的耦合。随着角度增大，前向基模与后向基模耦合减弱，与后向包层模的耦合增大。当倾斜角大于一定角度时，前向基模向前向包层模耦合，耦合强度随角度增大而增大。小角度倾斜布拉格光栅由于布拉格峰的存在而自身能够解决交叉敏感问题，从而在实际中得到了广泛的应用。由于耦合到包层中的模式很容易受到外界环境参量的调制，倾斜光纤光栅可以设计成各式各样的传感元件。利用这一特性，我们设计出了基于强度解调的倾斜布拉格光纤光栅的折射率传感器，实现了在1.3723到1.4532范围内，灵敏度为-1.913dBm/折射单位的传感。将聚乙烯醇涂敷在倾斜布拉格光栅的栅区，利用聚乙烯醇吸收水分后折射率发生改变的特性，设计出湿度传感器，实现了相对湿度在20%~74%范围内灵敏度为2.52dBm/湿度百分比以及相对湿度为74%~98%范围内灵敏度为14.947dBm/湿度百分比的传感。利用倾斜光栅浸入液体的长度不同响应不同的特性设计出了液位传感器，实现了测量范围为14mm，灵敏度为0.1dBm/mm的传感。进一步实验证明，这种基于强度解调的液位传感对于温度并不敏感。对倾斜光栅的栅区进行腐蚀，其温度灵敏度不会发生变化而对折射率的灵敏度随腐蚀程度增大而增大。此外，将倾斜光栅浸入功能性液体材料能得到其他物理参量的测量，如将倾斜光栅浸入磁流体中，我们设计出了磁场传感器。小角度的倾斜布拉格光栅的耦合特性包括前向基模与后向基模的耦合，以及前向基模与后向包层模的耦合，由此产生了两种不同类型的谐振峰。利用这两类谐振峰对大部分外界参量响应不同可以实现单个倾斜布拉格光栅的双参量传感。由于温度对于基模和包层模有效折射率的影响一致，倾斜光栅的包层模谐振峰与布拉格谐振峰的温度响应是一致的，而对于应变的响应不同，我们设计出了应变温度双参量传感。其布拉格峰与包层模谐振峰温度响应为11.1pm/°C，应变响应分别为：K Bragg,ε=0.657pm/με，K Clad, ε=0.766pm/με。对倾斜光栅进行弯曲，我们得到布拉格峰及Ghost峰的不同响应：布拉格峰与曲率呈线性关系而Ghost峰与曲率呈二次函数关系。另外，不同弯曲方向的包层模谐振峰的响应也不同。利用谐振峰线性边沿的特性提出了倾斜光栅线性沿解调理论。应用该理论以及布拉格峰与包层模谐振峰温度响应一致的特性设计出了基于倾斜光栅的动态温度补偿系统的应变传感器。此外，我们利用相位掩膜紫外侧写技术在柚子型光纤上写制了倾斜角为2°~5°的倾斜布拉格光栅，研究了传感特性。对其填充功能性材料能够实现其他物理量的传感，如填充磁流体能够实现磁场的传感。

光纤光栅研究

布拉格光栅的研究 1 概述光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种无源滤波器件。由于光纤光栅具有高灵敏度、低损耗、易制作、性能稳定可靠、易与系统及其它光纤器件连接等优点，因而在光通信、光纤传感等领域得到了广泛应用[1]。在光纤通信领域，利用光纤光栅可以制成光纤激光器、光纤色散补偿器、光插、分复用器、光纤放大器的增益均衡器等[2]，这些器件都是光纤通信系统中不可缺少的重要器件，可见光纤光栅对光纤通信的重要性，因此光纤光栅也被认为是掺铒光纤放大器之后出现的又一关键器件。在光纤传感领域，光纤光栅也起到了及其重要的作用。光纤光栅的传感机制包括温度引起的形变和热光效应、应变引起的形变和弹光效应、磁场引起的法拉第效应及折射率引起的有效折射率变化等。当光纤光栅所处的温度、应力、磁场、溶液浓度等外界环境的发生变化时，光栅周期或者光纤的有效折射率等参数也随之改变，通过测量由此带来的光纤光栅的共振波长变化或者共振波长处的透射功率变化可以获取所需的传感信息[3]，由此可见，光纤光栅是波长型检测器件，所以其不光具有普通光纤的优良特性，而且测量信号不易受光强波动及系统损耗的影响，抗干扰能力更强，还可利用波分复用技术，实现对信号的分布式测量。由于光纤光栅的应用范围较为广泛，故本文只针对光纤光栅传感的应变检测机制进行一定的研究。光纤光栅可分为布拉格光栅和长周期光栅，在应变检测中，一般采用的布拉格光栅，下文中出现的光纤光栅指的是布拉格光栅。本文主要的工作主要是分析光纤光栅应变检测的原理，对光纤光栅应变检测进行一定的综述，以及对应变检测中很重要的增敏技术进行研究，并总结。 2 应变检测原理根据光纤光栅的耦合模理论，光纤光栅的中心波长λB 与有效折射率n eff 和光栅周期Λ满足如下的关系[4] Λ=eff B n 2λ (2-1) 光纤光栅的反射波长取决于光栅周期Λ和有效折射率n eff ，当光栅外部产生应变变化时，会导致光栅周期Λ和有效折射率n eff 的变化，从而引起反射光波长的偏移，通过对波长偏移量的检测可以获得应力的变化情况。由于课上已经讲过，故不多做赘述，只是简要的回顾一下。接下来主要讨论应变对光纤光栅作用的模

光纤布拉格光栅

光纤光栅的发展历史在光纤中掺入锗元素后光纤就具有光敏性，通过强激光照射会使其纤芯内的纵向折射率呈周期性变化，从而形成光纤光栅。光纤光栅的作用实际上是在纤芯内形成一个窄带滤波器。通过选择不同的参数使光有选择性地透射或反射。 1978年，Hill等首次发现掺锗光纤具有光敏效应，随后采用驻波法制造了可以实现反向模式间耦合的光纤光栅——布拉格光栅。但是它对光纤的要求很高——掺锗量高，纤芯细。其次，该光纤的周期取决于氩离子激的光波长，且反射波的波长范围很窄，因此其实用性受到限制。 1988年，Meltz等采用相干的紫外光形成的干涉条纹侧面曝光氢载光纤写入布拉格光栅的全息法制作光光栅技术。与驻波法相比，全息法可以通过选择激光波长或改变相干光之间的夹角在任意波段写入光纤布拉格光栅，推动了光纤光栅制作技术的发展。全息法对光源的相干性要求很严，同时对周围环境的稳定性也有较高的要求，执行起来较为困难。 1993年，Hill等使用相位掩膜法来制作光栅，即用紫外线垂直照射相位掩膜形成的衍射条纹曝光氢载光纤。由于这种方法制作的光栅仅由相位光栅的周期有关而与辐射光的波长无关，所以对光源的相干性的要求大大降低。该方法对写入装置的复杂程度要求有所降低，对周围环境也要求较低，这使得光栅的批量生产成为可能，极大地推动了光纤光栅在通信领域的应用。自1978年首个光纤光栅问世以来，光纤光栅的制作方法和理论研究都获得了飞速发展，这促进了其在通信领域的推广和应用。在光纤布拉格光栅的基础上，人们研制出特殊光栅，比如啁啾光纤光栅，高斯变迹光栅升余弦变迹光栅，相移光纤光栅和倾斜光纤光栅等。1995年，光纤光栅实现了商品化。1997年，光纤光栅成为光波技术中的标准器件。光栅光纤的应用光想光上具有体积小，熔接损耗小，与光纤全兼容，抗电磁干扰能力强，化学稳定和电绝缘等特点，这使得它在光纤通信和光信息处理等领域得到了广泛的应用。在光纤通信中，光纤光栅可以用于光纤激光器、光纤放大器、光栅滤波器、色散补偿器、波分复用器，也可以用于全光波长路由和光交换等。它为全光通信中的许多关键问题提供了有效的解决方案。光纤光栅用作激光器。光栅具有窄带滤波的功能，这可以使其实现稳定的高功率的线性腔和环形腔激光输出。光纤布拉格光栅的波长选择连续可调、调谐范围大、线宽窄、输出功率高和相对强度噪声低等优点。光纤光栅用作干涉仪。将光纤布拉格光栅和光纤耦合器结合使用，可以构成干涉仪。其中比较常见的有法布利波罗干涉仪、萨格纳克干涉仪、马赫增德尔干涉仪和迈克尔逊干涉仪。法布里波罗干涉仪常用来制作激光器。光栅光纤用作放大器。光纤放大器的研究主要集中在掺饵光纤上，但掺饵光纤放大器具有增益不平坦性，这导致不同频率的信号光的放大倍数不同，影响了信息的传输质量。可以使用布拉格光栅的反射或滤波特性来提高放大器的性能。把光栅写入掺饵光纤中，可以使增益谱线平坦的同时又不会影响放大器的噪声系数和饱和输出功率。光栅光纤用于色散补偿。在阻带附近，普通光栅光纤的色散参量要比普通光纤高出几个数量级，该特性可以使其用于色散补偿。半极大全宽度为40ps的脉冲在长度为100km、波长为1550nm色散为-20ps2/km的光纤传输后，脉冲展宽为144ps，在经过长度为10cm、失谐量为9.9cm?1耦合系数为50cm?1的光栅补偿后脉冲宽度变为46ps。啁啾光栅的带宽和色散都很大，也可以用于色散补偿。但和普通光栅相比，啁啾光栅需要更复杂的设计，同时还须要增加一个光环行器或耦合器，这会增加系统的插入损耗。如果增加普通光栅的写入长度或增加光栅的强度，也可以达到提高压缩比率和增加带宽的目的。光纤光栅用作滤波器。普通光栅在阻带内的反射率很容易超过90%，选取适当的参数甚

光纤光栅的特性

光纤光栅的特性 1光纤布喇格光栅的理论模型：假设光纤为理想的纤芯掺锗阶跃型光纤，并且折射率沿轴向均匀分布，包层为纯石英, 此种光纤在紫外光的照射下，纤芯的折射率会发生永久性变化，对包层的折射率没有影响。利用目前的光纤光栅制作技术：如全息相干法，分波面相干法及相位模板复制法等。生产的光纤光栅大多数为均匀周期正弦型光栅。纤芯中的折射率分布(如图 1)所示。 n i (Z )为纤芯的折射率， n 吶为光致折射率微扰的最大值， n i ( °)为纤芯原折射率，上为折射率变化的周期(即栅距)， L 为光栅的区长度。若忽略光栅横截面上折射率分布的不均匀性，光栅区的折射率分布可表示为： 2兀 n i (z)二 n i (0) ............................... 'n max cos( Z) ( 行) A 显而易见，其折射率沿纵向分布，属于非正规光波导中的迅变光波导，在考虑模式耦合的时候，只能使用矢量模耦合方程，其耦合主要发生在基模的正向传输导模与反向传输导模之间。 2.单模光纤的耦合方程由于纤芯折射率非均匀分布，引起了纤芯中传输的本征模式间发生耦合。在弱导时，忽略偏振效应，吸收损耗和折射率非均匀分布引起了模式泄漏，则非均匀波导中的场 ①(x , y , z )满足标量波动方程：｛'2 sk 2n 2(x, y,z) ? —三｝门&, y,z) = 0 ............................... ( 2.1 ) 一z 其中：k 0 =2二八，■是自由空间的光波长。由于折射率非均匀分布引起波导中模式耦合只发生在纤芯中可以表示为均匀波导束缚模式 (x, y)之和： "(x,y,z)二卡 A(z) l (x,y)二卡{a l (z) exp(-i rz) a 4 exp(i ：丨 z)} l (x, y) I- ,A 1 f 片㈣ ma x : 1 ■ t z (2.2) ，因此非均匀波导中的场 (2.3) 圈1均匀周期LE 弦型光纤光柵纤芯护射率