基于非线性啁啾光纤光栅实现的色散可调谐

第31卷第12期 光 子 学 报 Vol 31No 12 2002年12月 ACTA PHOTONICA SIN ICA December2002

基于非线性啁啾光纤光栅实现的色散可调谐

张银英 王德翔 戴恩光 张肇仪 徐安士 吴德明

(北京大学电子学系区域光纤通信网与新型光纤通信国家重点实验室,北京100871)

摘 要 从原理上证明了一种基于非线性啁啾光纤光栅以及光纤光栅的温度特性的色散可调谐方案 实验证明在25 5 的温度变化范围内,光纤光栅对1550 43nm波长的色散补偿量从759 1ps/nm上升到1659 9ps/nm,色散调谐范围达到900ps/nm,这个方案具有对补偿波长和特定补偿波长所需要的色散补偿量同时进行调谐的特点

关键词 非线性啁啾光纤光栅;可调谐色散

0 引言

随着光纤通信的飞速发展,不仅是单个波长的传输比特率急剧提高,光纤通信网络也在迅猛的发展 光分插复用(OADM)、光交叉连接(OXC)都在逐步实用化 随着网络规模的扩大,对网络的动态可重构性做出了相应的要求,这样将自适应色散补偿就提上了日程,主要有以下几个原因1:1)对于一定波长的信道,其色散的积累是随时间变化的,因为动态可重构光网络中的波长信道有可能是从不同距离的端点处传输过来,即一定波长的信号在特定位置所需要的色散补偿量是变化的;2)传输系统运行环境的改变(如激光器和调制器)也有可能使单个信道中的色散效应随时间改变;3)光纤等通信器件对温度等具有一定的敏感性,例如在工作波长上,500km长的非零色散位移光纤对温度的依赖性规律是1ps/ nm/ ,单模光纤的色散对温度的依赖性更大,在150 以下,单模光纤的零色散波长随温度变化的系数大概为:0 025nm/ 2;4)信号功率的变化引起光纤非线性的影响,以及掺铒光纤放大器的增益平坦性影响,增益均衡的不理想而引起的光功率的变化也会导致附加的非线性相移,从而改变了系统的色散分布 同时,在高速的光纤通信中,光通信系统或光通信网络的色散容限相

国家自然科学基金(60177008)资助项目

收稿日期:2002 04 23当的小,轻微的色散积累变化就可能使系统的性能大大恶化;码率的上升也相应要求发射模块的发射功率增加,这样会增加系统的非线性作用,譬如自相位调制(SPM) 在非线性系统中,系统所需要的最佳色散补偿量会随着光功率的改变而改变 例如在40Gb/s的系统中,色散调节量精度要控制在50ps/nm以内来满足系统的需求,而对于高达160Gb/s的系统,色散调节精度要高于5ps/nm 来满足需求3 这样,色散补偿技术必须具有一定的灵活性来适应网络中色散积累的变化,自适应的色散补偿在未来的光网络中必不可少 自适应的色散补偿的实现包括两个环节:色散可调谐的实现和快速高效的色散监控的实现

当前实现色散可调谐的方案主要有以下几种:1)用作环形谐振器的全通滤波器(APFs all pass filters),APFs可以在不引入幅度变化的前提下进行色散补偿,而且APFs相当紧凑,能够实现高度的集成,但离实用还有相当一段距离4;2)基于VIPA(virtally imaged phased array)而实现的可调谐色散补偿,VIPA是一种输出光的角度依赖于光的波长的一种光结构5;3)基于光纤布喇格光栅(FBG)应力和温度特性而实现的各种可调谐色散补偿的方案 以上各种方法各有优缺点,

而FBG 以其全光纤型易于集成,非线性效应小、插入损耗小、体积小、灵活方便等诸多优点而倍受关注 而且利用其进行静态色散补偿的方案已经开始实用化 本文将提供一种基于非线性啁啾光纤光栅及其温度特性而实现的色散可调谐方案

1 理论基础

1 1 非线性啁啾光纤光栅

光纤Bragg 光栅的光场会发生耦合,当入射波长满足Brag g 反射条件 =2n eff 时,将有部分正向传输的光被耦合为反向传输模,并沿原光路反回 光纤Bragg 光栅是特殊光纤(增敏光纤)经紫外激光相位掩膜后使其纤芯的有效芯折射率沿轴向有一定规律变化 这一变化可以表示为 n eff (z )= n eff (z ){1+v cos[2!z / +?(z )]}

(1)

该式中 n eff 是光纤光栅纤芯有效折射率变化在每一个光栅周期内的平均值,这里称它为直流分量 n eff v 表示纤芯有效折射率变化的交流分量的幅度, 表示光栅中心的周期,?(z )则描述了光栅的啁啾特性 光栅的啁啾是光栅的周期T (z )沿光栅轴向变化而产生的 光栅的空间频率为

w (z )=2!/T(z )=d(2!z / +?(z ))/d z =2!/

+d ?(z )/d z (2)所以

T (z )=( -1

+(2!)-1

d ?(z )/d z )-1

(3)?(z )的变化改变了光栅的周期 当T (z )是常量时,光栅为均匀光栅;当T (z )随z 线性变化时,光栅是线性啁啾光纤光栅;当T (z )随z 的变化是非线性时,光栅是非线性啁啾光纤光栅 啁啾光纤光栅可以被看作是由谐振波长按一定规律分布的滤波器组成,每个滤波器选择的反射光波长随啁啾光纤光栅的长度成一定规则变化 这样,不同频率的光波在光栅的不同点产生反射,从而产生不同的时间延迟,可以进行色散补偿

利用光波元件分析仪和可调激光器对我们所用的非线性啁啾光纤光栅进行色散特性曲线的测量6,测试框图见图1 光栅色散量的测试结果见图2 光纤光栅的色散量大约变化了900ps/nm 在短波长方向上的光栅色散量的下降是因为光栅的制作过程中很难实现啁啾量的突变(消失)和反射率的突变而产生的过渡,在应用中要尽量避开

这一部分 而只用色散补偿量随波长单调下降的

长波长部分

图1 光栅色散量测量仪示意图

F ig.1 Exper imental setup for dispersion measurement

图2 N LCFBG 的色散量随波长的变化

F ig.2 N LCFB

G !s dispersion as a function of w avelength

1 2 光纤光栅的温度特性

光纤光栅的温度特性:温度的变化引起光栅有效折射率的变化,进而引起光栅的反射波长变

化,反射谱发生漂移,光纤光栅的不同位置的布喇格波长发生变化,即光栅的反射谱和光栅色散量的分布在波长的方向上会发生整体移动 通过反射谱测量光栅温度特性的结构见图3,温度在光纤长度方向上的均匀性即光栅的温度梯度为零,基本保持了反射谱的形状,只是在反射谱宽上有微小的变化,见图4,测试的结果见图5 这样我们利用掺铒光纤放大器(EDFA)的ADE 噪音作为宽带光源 通过改变光栅所在的水中的温度来改变光栅的温度 可见随着温度的上升,光纤光栅的反射谱以0 01nm/ 的速率向长波长方向漂移

图3 测量光纤光栅温度特性的结构简图Fig.3

Exper imental setup for F BG !s temper ature characteristic measurement

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图4 N LCFBG 的反射谱随温度漂移

Fig.4 T he influence o f temperatur e on measured

r eflection spectrum of NL

CFBG

图5 光纤光栅的反射谱峰值点的波长随温度变化趋势F ig.5 W av elength of the F BG !s maximal pow er chang es a

function of its temperature

2 实现光栅色散量可调谐的原理

光纤光栅能进行色散补偿就是因光纤光栅在不同的位置上有不同反射波长,不同波长的光波在光栅中走过的光程差不同,所以光纤光栅温度的变化使得整体移动的反射谱中的各个反射波长之间的光程差变化很小 光纤光栅的温度在长度方向上的温度梯度保持不变?仍旧为零,不会影响光栅的色散量在波长方向上的变化趋势,可以通过比较光栅在不同温度下的色散~波长曲线看出这一点,见图6 二者的色散补偿量的分布趋势

图6 不同温度下NL CF BG 的色散量在波长

方向上的分布情况

Fig.6 N LF BG !s dispersion as a function of

w avelength wit h different t emperatur e

基本一致,只是在波长方向上发生整体的大约0 25nm 的移动 由于对光栅色散补偿量的测量是由在一定温度下,一定波长下的色散补偿量的分立点组合而成的,测量数据和处理数据的过程中难免有一些误差,所以二者的波形并不是完全的一致

所以,当固定我们所要进行的色散补偿的光源波长,改变光纤光栅的温度,随着光栅反射波长的变化,对光源波长的色散补偿量也会发生变化,

而且此时温度与光栅的色散量是一一对应的 这样当光源波长固定,随着温度的上升,光纤光栅的反射谱会向长波长方向漂移,随着波长的增加,光栅的色散量变小 实际测量中,温度相对于波长向长波长方向的移动,相当于在色散谱图上波长向短波长移动 所以温度的上升使得光纤光栅对光源波长点的色散补偿量变大 反之,随着温度的下降,光纤光栅对光源波长点的色散补偿量会变小

3 试验与结果

将可调激光器的光源波长固定在

1550 43nm,光纤光栅放在一个水槽内,通过改变水的温度而改变光纤光栅的温度,并利用上面的色散测量实验测量在一定的光源下因温度改变而引起的光栅色散量的改变 这里显示的只是对我们的结果有用的部分进行了记录,即光栅色散量随温度的上升而单调的上升的部分,见图7 下面

图7 波长为1550 43nm 时NL CF BG 的色散量随温度的

变化情况

Fig.7 T he change of N LCFBG !s dispersion w ith its

temperature at the 1550.43nm wavelength

给出端点的两对数值 (49 9 ,759.1ps/nm)和(75 6 ,1659.9ps/nm ) 可以看出在25 5 的

温度变化范围内,光纤光栅的色散量从751.9ps/nm 到1659.9ps/nm ),变化了900ps/nm.从图中可以看出在一定的光源波长下,光栅的温度和光

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12期 张银英等 基于非线性啁啾光纤光栅实现的色散可调谐

栅的色散量是一一对应的 我们改变了光栅的温度,也就是改变了光栅在一定波长点的色散量,从而实现了可调谐色散补偿 从图6中可以看出光栅的色散分布也会随着它的温度的不同而发生整体漂移,所以通过选择光栅温度的起始点从而可以调节光栅对一定色散补偿量所对应的的补偿波长 因此,通过控制温度的起始点和在一定温度范围内的大小实现了对光栅所能补偿的波长和对特定补偿所需要的色散补偿量的同时调谐 这种方案所实现的可调色散补偿的精确度和可调范围有赖于光纤光栅制作工艺的进一步提高和完善 而且光纤光栅也是一种对温度敏感的器件,在应用中必须解决它的温度问题,我们对其温度特性的利用也有利于解决它的温控问题 当然在实际应用中温度的变化要在尽量短的时间内完成才能适应当前高速传输的光网络 这种方案的实用化有赖于快速反应的温度控制问题的解决和光纤光栅制作技术的进一步完善

因为各种色散补偿方案都有自己的适用范围和特点,色散补偿问题的解决往往综合多种色散补偿方式来达到目的,利用光纤光栅进行可调谐色散补偿也要与其它色散补偿方式(如DCF)结合才能满足系统和网络中的需要

4 结论

证明了利用非线性啁啾光纤光栅及其温度特性实现光栅的色散补偿波长和在一定波长点的色散补偿量同时调谐 在温度变化了25 5 的范围内,实现了光栅的色散补偿量从759.1ps/nm 到1659.9ps/nm 的变化,即900ps/nm 的色散量变化 当然这种方案的实用还有待于以下问题的解决:快速而精确的温度控制和非线性啁啾光纤光栅制作工艺的进一步完善

参考文献

1 Nielsen T ,Eggleton B J,Rogers J A ,et al.Dynamic post dispersion o ptimizat ion at 40Gb/s using a tunable fiber Bragg

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2 Hatton W H,N ishimusa M.T emperature dependence of chromat ic di spersio n in sing le mode fibers.Journal of Lightwave

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3 Benjamin J,Eg gleton B J.Dynamic dispersion compensation devices for hig h speed transmission systems.Optical Fiber

Communication Conference,2001:WH1

4 Lenz G,M adsen C K.General optical all pass filter structures for dispersion control in WDM systems.Journal of Lightwave

T echnology,1999,17(7):1248~1254

5 Shirasaki M.Chro matic di spersio n compensator using vir trally imaged phased array.IEEE Photonics T echnolog y Letters,

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January 1993,29(1):132~134

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31卷光 子 学 报

THE TUNABLE DISPERSION COMPENSATION BASED ON THE NON LINEAR CHIRPED FBG

Zhang Yinying,Wang Dex iang,Dai Eng uang,

Zhang Zhaoyi,Xu Anshi,Wu Deming

N ational L abor ator y on L ocal Fiber Op tic Communication N etworks and A dv anced

Op tical Communication Sy stems,D ep ar tment of Electronics

Peking U niver sity ,Beij ing 100871,China

Received date:2002 04 23

Abstract Based on nonlinear chirped FBG w hose dispersion w ill chang e w ith the wavelength and its temperature character,one scheme w hich can realize the tunable dispersion compensation has been demonstrated.By properly tuning nonlinear chirped FBG !s tem perature from 26.4 to 52.3 ,nonlinear chirped FBG !s dispersion as to certain wavelength (1550.43nm)changes from 759.1ps/nm to 1659.9ps/nm,i.e.900ps/nm dispersion compensation has been achieved in the experiment.Furthermore,this scheme has the characteristic that not only the dispersion compersation of certain waveleng th but also the compersation w aveleng th can be tuned at the same time.

Keywords Non linear chirped FBG;Tunable dispersion compensation

Zhang Yinying was born on November 15,1977,at Anyang City,Henan Province.She graduated from Telecommunication Department of Wuhan Univerity and got B.S.degree in 1999,then she has studied on local fiber optics communication netw orks and advanced optical Communication Systems in the National Laboratory of Peking University up to now.Her research interests include the tunable dispersion compensation and the non linear chirped FBG.

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12期 张银英等 基于非线性啁啾光纤光栅实现的色散可调谐

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/9111805208.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

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/9111805208.html, *通信联系人。E-mail:liuhl@https://www.wendangku.net/doc/9111805208.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

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 >=<

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。

光纤光栅的特性

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，m ax 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: ),,(}),,({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

光纤布拉格光栅在光纤传感领域中的典型应用按测量种类分类

1.1.1光纤布拉格光栅在光纤传感领域中的典型应用 1.按测量种类分类 1）单参量测量 光纤光栅的单参数测量主要是指对温度，应变，浓度，折射率，磁场，电场，电流，电压，速度，加速度等单个参量分别进行测量。用一宽带发光二极管作为系统光源，利用光谱分析仪进行布拉格波长漂移检测，这是光纤光栅作为传感应用的最典型结构。 2）双参量测量 光纤光栅除对应力，应变敏感意外，对温度变化也有相当的敏感性，这意味着在使用中不可避免地会遇到双参量的相互干扰。为了解决这一问题，人们提出了许多采用多波长光纤光栅进行温度，应变双参量同时检测的实验方案。在工程结构中，由于各种因素相互影响，交叉敏感，因此这种多参数测量技术尤其重要。目前多参数传感技术中，研究最多的是温度—应变的同时测量技术，也有人进行了温度—弯曲，温度—折射率，温度—位移等双参数测量以及温度—应变—振动—负载的多参数测量。 3）分布式多点测量 将光纤光栅用于光纤传感的另一优点是便于构成准分布式传感网络，可以在大范围内对多点同时进行测量。典型的基于光纤光栅的准分布传感网络，可以看出其重点在于如何实现多光栅反射信号的检测。虽然方法各异，但均解决了分布测量的核心问题，为实用化研究奠定了基础。 2按应用领域分类 1）在土木工程中的应用 土木工程中的结构健康检测是光纤光栅传感器应用中最活跃的领域。对于桥梁，隧道，矿井，大坝，建筑物等来说，通过测量上述结构的应变分布，可以预知结构内 的局部载荷状态，方便进行维护和状况监测。光纤光栅传感器既可以贴在现存结构的表面，也可以在浇筑时埋入结构中对结构进行实时测量，监视结构缺陷的形成和生长。而且，多个光纤光栅传感器可以串接成一个网络对结构进行分布是检测，传感信号可以传输很长距离送到中心监控室进行遥测。 2)在航空航天及船舶中的应用 增强碳纤维复合材料抗疲劳，抗腐蚀性能较好，质量轻，可以减轻船体或航天器的重量，已经越来越多地被用于制造航空航海工具。在复合材料结构的制造过程中埋放光纤光栅传感器，可实现飞行器或船舰运行过程中机载传感系统的实时健康检测和损伤探测。 一架飞行器为了监测压力，温度，振动，起落驾驶状态，超声波场和加速度情况，所需要的传感器超过100个，美国国家航空和宇宙航行局对光纤光栅传感器的应用非常重视，他们在航天飞机上安装了测量应变和温度的光纤光栅传感网络，对航天飞机进行实时健康检测。 为全面衡量船体的状况，需要了解其不同部位的变形力矩，剪切压力，甲板所受的冲击力，普通船体大约需要100个以上的传感器，因此复用能力极强的光纤光栅传感器最适合于船体检测。 3)石油化工中的应用 石油化工业属于易燃易爆的领域，电类传感器用于诸如油气罐，油气井，油气管等地方的测量具有不安全的因素。光纤光栅传感器因其本质安全性非常适合在石油化工领域里应用。美国CiDRA公司发展了基于光纤光栅的监测温度，压力和流量等热工参量的传感技术，并将其应用于石油和天然气工业的钻井监测，以及海洋石油平台的结构检测。

啁啾波导光栅

啁啾波导光栅 摘要：本文简述了光纤的色散以及啁啾波导光栅色散补偿原理，并简单介绍了目前波导光栅以及可调谐特性的研究现状，并对波导光栅的调谐技术进行了对比分析，最后进行总结。 关键词：色散、延时、光栅、调谐 一、研究背景 光纤光栅是一种通过一定的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，其实质是改变光纤芯区折射率，随着光纤光栅制作技术的日益成熟，利用不同的方法可制作出各种各样的光纤光栅，这些光纤光栅可以用来制作光纤激光器、色散补偿器、波长转换器、上/下话路复用器、EDFA增益均衡器等。 近年来,随着互联网业务的迅速增长，多种新型宽带业务应运而生，对宽带通信业务容量与速率的要求也越来越高。但迄今为止，商用光纤通信系统的传输速率仍被限制在几十G bit / s 以下，这从根本上阻碍了光纤通信的发展。限制光纤中光信号传输的两个重要因素是损耗和色散。损耗限制了光信号传输的距离，色散限制了通信容量。虽然损耗问题随着1990 年掺铒光纤放大器的出现得到了较好的解决，但却加剧了色散的累积，使得色散问题更加突出，因此如何有效地控制光纤色散成为国内外研究的热点问题。 色散是由于光纤中所传送信号的不同频率成分或不同模式成分的群速度不同，而引起传输信号畸变的一种物理现象。在光纤中，脉冲色散越小，它所携带的信息容量就越大。其链路的色散累积直接影响系统的传输性能，这在波分复用系统中尤为重要。因此，研究宽带多波长色散补偿具有重要意义。 目前，色散补偿的技术有：1.啁啾光栅法2.预啁啾技术3.光孤子传输4.编码（DB码）5.微环、光子晶体。 1982年，F. Ouellette首先提出采用啁啾Bragg光栅作为反射滤波器实现色散补偿的理论，但直到20世纪90年代制造工艺的进一步发展才使其得到实际应用。啁啾光纤光栅补偿法的特点是器件小型化、结构紧凑、插入损耗低和非线性效应小，具有对偏振不敏感等技术优势，而且可以通过应力或者温度进行动态调谐。因此光纤啁啾光栅成为了对色散进行有效补偿的器件之一。另外，光纤光栅的制备工艺也日趋成熟，短波长损耗、温度补偿封装、PMD的减小与消除以及光纤光栅的使用寿命等问题也先后被解决，因此啁啾光纤光栅作为色散补偿方案具有良好发展前景，是色散补偿技术发展的重要方向。 啁啾光纤光栅可以用来补偿色散，可以实现很小的器件补偿大的色散，并且最近可调谐的啁啾光栅也在被广泛的研究，可以实现对不同波长的调谐。有很好的应用前景。

实验--光纤光栅传感实验

光纤光栅传感器实验 一、实验目的 1. 了解和掌握光纤光栅的基本特性； 2. 了解和掌握光纤光栅传感器的基本结构、基本原理； 3. 光纤光栅传感测量的基本方法和原理。 二、实验原理 光纤光栅是近年来问世的一种特殊形式的光纤芯内波导型光栅，它具有极为 丰富的频谱特性，在光纤传感、光纤通信等高新技术领域已经展示出极为重要的 应用。特别是在用于光纤传感时，由于其传感机构（光栅）在光纤内部，且它属 于波长编码类型，不同于普通光纤传感的强度型，因而具有其他技术无法与之相 比的一系列优异特性，如防爆、抗电干扰、抗辐射、抗腐蚀、耐高温、寿命长、 可防光强变化对测量结果的影响、体积小、重量轻、灵活方便，特别能在恶劣环 境下使用。光纤光栅传感器可集信息的传感与信息的传输于一体，它极易促成光 纤系统的全光纤化、微型化、集成化以及网络化等等，因此光纤光栅传感技术一 经提出，便很快受到青睐，并作为一门新兴传感技术迅猛崛起。 1. 光纤光栅及其基本特性 光纤光栅的基本结构如图1－1所示。它是利用光纤材料的光折变效应，用 紫外激光向光纤纤芯内由侧面写入,形成折射率周期变化的光栅结构，这种光栅 称之为布喇格（Bragg ）光纤光栅。 这种折射率周期变化的Bragg 光纤光栅满足下面相位匹配条件时，入射光将 被反射： Λ=eff B n 2λ (1) 式中B λ 为Bragg 波长（即光栅的反射波长）， 为光栅周期，eff n 为光纤材料的有效折射率。如果光纤光栅的长度为L ,由耦合波方程可以计算出反射率R 为： 附图1－1 光纤光栅示意图 布喇格光纤光栅 纤芯 入射光 反射光 光纤包层

()R A A sL s sL sL r i ==+002222222()sinh cosh (/)sinh *κκβ? 图1－2 显示了两条不同反射率的布喇格光纤光栅反射谱，附图1－3为实际的 一个布喇格光纤光栅反射谱和透射谱。 其峰值反射率m R 为: ????????Λ?=eff m n nL R 2tanh 2 π (2) 反射的半值全宽度（FWHM ）,即反射谱的线宽值 2 2???? ???+??? ??Λ=?eff B B n n L λλ (3) （1）式中，,eff n Λ是温度T 和轴向应变ε的函数，因此布喇格波长的相对变化量 可以写成： /()(1)B a T Pe λλξε=++- (4) 其中a 、ξ分别是光纤的热膨胀系数和热光系数，；Pe 是有效光弹系数，大 约为0.22。应变ε可以是很多物理量（如，压力、形变、位移、电流、电压、振 动、速度、加速度、流量等等）的函数，应用光纤光栅可以制造出不同用途的传 感头，测量光栅波长的变化就可以计算出待测物理量的变化，所以（4）式是光 栅传感的基本方程。 SGQ-1型光纤光栅传感实验仪是我公司设计的系列实验设备之一。通过本实 验仪的相关实验使学生了解和掌握光纤光栅的基本特性、光纤光栅传感器的基本 附图1－2 曲线κL =2和κL =5的反射谱 附图1－3 布喇格光纤光栅透射

光纤布拉格光栅温度传感器响应

目录 1 绪论 (1) 1.1 研究目的及意义 (1) 1.2 光纤光栅发展历史 (2) 1.3 光纤光栅传感的优点 (3) 1.4 光纤光栅传感的发展和应用情况 (4) 1.5 存在的问题 (6) 1.6 论文的主要内容及工作 (7) 2. 光纤光栅的简介 (8) 2.1 光纤光栅的分类 (8) 2.2 光纤光栅高温传感器的封装工艺研究 (10) 2.2.1 现有封装工艺分析 (10) 2.2.2 光纤光栅高温传感器的封装工艺 (12) 2.3 光纤光栅制作技术 (13) 2.3.1 干涉写入法 (13) 2.3.2 逐点写入法 (14) 2.3.3 组合写入法 (14) 3. 光纤布拉格光栅传感原理 (16) 3.1 光纤光栅传感原理 (16) 3.2 光纤布拉格光栅耦合模理论 (17) 3.2.1 光纤布拉格光栅特性 (17) 3.2.2 耦合模理论[26] (19) 3.3 光纤布拉格光栅温度传感原理[28] (25) 3.4 FBG温度传感器的响应时间 (27) 3.4 光纤布拉格光栅解调技术 (30) 3.4.1 非平衡M-Z光纤干涉仪法 (30) 3.4.2 可调谐光纤F-P滤波法 (32) 3.4.3 匹配光栅法 (32) 4. 系统的设计 (34)

4.1 光纤光栅温度传感系统 (34) 4.2 高温测试的分析 (34) 4.3 FBG温度传感器响应时间的测试 (35) 4.4 实验仿真 (36) 5 结论 (43) 参考文献 (44) 致谢 (46)

1 绪论 1.1 研究目的及意义 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。光纤布拉格光栅是用光纤布拉格光栅（FBG）作敏感元件的功能型光纤传感器，以其抗电磁干扰、灵敏度高、体积小等优点，越来越广泛应用于传感器领域。将其埋入材料或者结构，以通过光纤布拉格光栅传感器的传感特性监测内部的物理变化如应变、温度、压力，进行全面有效的在线实时监测，增加对材料制造过程中以及工作期间的状态透明度。与传统的传感器相比，光纤光栅传感器具有自己独特的优点: 1.传感头结构简单、体积小、重量轻、外形可变，可测量结构内部的应力、应变及结构损伤等，稳定性、重复性好; 2.易与光纤连接、低损耗、光谱特性好、可靠性高; 3.具有非传导性，对被测介质影响小，又具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点，适合在恶劣环境中工作; 4.轻巧柔软，可以在一根光纤中写入多个光栅，构成传感阵列，与波分复用和时分复用系统相结合，实现分布式传感; 5.光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连接及祸合损耗、以及光波偏振态的变化等因素的影响，有较强的抗干扰能力; 6.高灵敏度、高分辨力。 正是由于这些独特的优点，使得光纤布拉格光栅已成为目前最具有发展前途，最具有代表性的光纤无源器件之一，其应用领域也日渐扩展。 温度传感是光纤布拉格光栅传感器最重要的应用之一。光纤布拉格光栅反射波长的漂移量是其在温度传感理论中的重要参数。作为温度传感元件，人们希望光纤布拉格光栅具有大的温度灵敏度，以期获得高的温度分辨率。然而，由于光纤光栅材料的热光系数和热膨胀系数都较小，光纤光栅的温度灵敏度非常低，并且裸光栅本身易损坏，这些问题严重影响着光纤光栅在传感领域的应用。并且，光纤布拉格传感器在进行高温测试时能测量的温度有所局限，不能满足目前某些特定领域的测量。因此，为了解决这些问题，本课题着重对用光纤布拉格传感器应用到高温测试以及光纤布拉格温度传感器响应