5第二讲-典型的光器件-光纤光栅
(完整word版)光纤光栅介绍
2．项目实施内容及目标隧道是公路、铁路、城市地铁等交通工程项目建设的关键部分，在隧道中进行实时、准确的火情监测对保障公共财产安全和人身安全有着十分重要的意义。
作为一种特殊的建筑物,在其道路运营过程中，如遇火灾发生或其他因素造成隧道主体工程损坏，损失巨大。
隧道火灾往往由与汽车相撞、车辆装载物品燃烧或爆炸、电力电气线路短路等事故引发，由于隧道环境密闭、交通量大、人员密集，逃生和救援工作相当困难，若一旦发生火灾后不能迅速报警和及时处理，将导致交通堵塞、重大人员伤亡和财产损失。
火灾检测与报警系统的设置,其宗旨就在于及时发现隧道内异常状态的发生,快速组织救援,最大限度地减少损失。
《公路隧道交通工程设计规范》中对火灾探测器的描述为“火灾形成与发展的阶段分为前期、早期、中期及晚期四个阶段，各阶段特征不一，前期表现有一定的烟雾；早期烟量增加并出现火光；中期表现为火灾形成，火势上升很快；后期表现为火势扩散。
由于隧道环境较为恶劣，同时又具有通风装置，烟雾度不便控制。
因此，隧道内火灾检测着重点从早期开始”。
针对高速公路隧道的特点我们建议对项目中的隧道线路监控采用光纤光栅感温火灾探测系统，该系统采用线型光纤感温火灾探测器的自动探测报警与手动报警相结合的方式实施隧道的安全监控。
在隧道内火灾报警系统采用自动检测和手动报警相结合的方式，检测隧道内的火险情况，并通过计算机系统或区域控制器根据检测到的火灾情况控制隧道风机、照明系统等，实时监测，实现报警联动，按照控制预案组织现场援救，以完全满足本项目隧道火情监测要求。
光纤光栅自动探测系统与火灾手动报警系统相结合，能集多级定差温报警、手动报警以及实时的温度监测于一体，真正做到防患于未然，作为隧道的火情监测系统具有其它技术无可比拟的优势。
火灾报警系统应能及时、准确的反馈出隧道内火灾发生的地点及报警信号。
经传输线路至监控计算机系统，火灾报警后应能自动（或手动）将主监视器切换到发生火灾的位置，经人工确认后，由中控室计算机系统制订出相应的控制措施。
光纤光栅
2.基片式封装FBG应变传感器
基片式封装FBG应变传感器基本结构是在其传感器基片上刻一小槽， 然后用粘结剂将；裸光纤光栅固定在小槽内。刻小槽的目的主要是增加 基片和光纤的接触面积，从而能有效的将基片的应变传递到光纤光栅上。 相比于管式封装，基片式封装结构不需要将粘结剂灌入套管，传感器 制作比较方便，适合于结构表面应变的测量。但是在使用过程中，粘结 剂直接暴露在空气中，容易受到环境腐蚀，其耐久性需要进一步研究。
(8.3-4)
这里，ξ 为光纤的热光系数，表示折射率随温度的变化率。 式(8.3-3)、(8.3-4)结合(8.3-1)，可知 Bragg 光栅的波长在变化的温度场中的表达式为
B / B ( ) T
(8.3-5)
Bragg 波长的变化与温度之间的变化有良好的线性关系，光栅的温度灵敏度为
(8.3-9)
Pe
1 2 neff [ P 12 ( P 11 P 12 )] z 2
B / B 1 Pe
(8.3-10)
综合式 (8.3-7)、(8.3-9) 、(8.3-10) 代入(8.3-2)，可得应变的灵敏度
K
z
(8.3-11)
若沿光纤轴向施加拉力 F，根据胡克定律，光纤产生的轴向应变为
8
6.1.1 温度传感原理 温度影响 Bragg 波长是由热膨胀效应和热光效应引起的。 假设均匀压力场和轴向应力场保持恒 定，由热膨胀效应引起的光栅周期变化为
T
(8.3-3)
式中 α 为光纤的热膨胀系数。 热光效应引起的折射率变化为
neff neff T
6
2015-6-3
将光栅区用作传感区，当被传感物质温度、结构或是位臵发生变化的时候， 光栅的周期和纤芯模的有效折射率将会发生相应的变化，从而改变 Bragg 中心波长。通过光谱分析仪或是其它的波长解调技术对反射光的Bragg 波 长进行检测就可以获得待测参量的变化情况（见图2）。
光纤光栅PPT课件
其中α、ξ分别是光纤的热膨胀系数和热光
系数，其值分别为：α＝0.55×10－6，和ξ＝
8.3×10－6，故在λB为1550nm时光纤光栅的温度
灵敏度大约是0.0136 nm /℃；P是有效光弹系数，
大约为0.22，从而应变灵敏度为0.001209 nm
/με。Bragg波长随温度T和应变ε的变化而变
.
15
光纤光栅传感器应用十分广泛，并且 特别适合于恶劣或特殊的环境中。他的主 要应用范围如下：
1、 民用工程：如桥梁、大坝、岸堤、 大型钢结构、建筑等的健康安全监控
2、 航空航天工业：如飞机上压力、温 度、振动、燃料液位等指标的监测
3、 船舶航运业：如船舶的损伤评估及 早期报警
4、 电力工业：由于光纤光栅传感器根 本不受电磁场的影响，所以特别适合于电 力系统中的温度监控
.
4
二、光纤光栅传感原理
现代信息技术是由信息的采集、传输 和处理技术组成，因此传感技术、通信技 术和计算机技术为信息技术的三大支柱。 特别是当今社会已进入以光纤通信为主要 特性的信息时代，光纤传感器产业已被国 内外公认为最具有发展前途的高新技术产 业，它以其技术含量高，经济效益好，渗 透能力强，市场前景广等特点为世人瞩目。
.
1
公司简介
天津爱天光电子科技有限公司是美国 AT.photonics公司在天津的独资分公司， 简称天津爱天公司。公司按国际规范进行 产品质量管理。
主要运营方向是开发、生产和销售不 同用途的各种光学器件以及用于光传感和 光通信领域的光源、光纤光栅传感器、光 纤光栅传感实验仪以及各类光纤光栅传感 监测及测量仪器。
化。故而测量光栅反射波长的变化就可以计算出
相应的待测量的变化，所以上式是光栅传感的基
光纤光栅
可应用在WDM的各个环节
发射机 复用 色散斜率补偿器 光纤激光器 波长复用
光放 光信号监控 有源泵浦控制 泵浦反射器 增益平坦滤波器 动态增益均衡器 动态增益控制 分布式拉曼泵浦
……
光放 动态色散补偿 PMD监控及补偿 解复用 固定分插 可调分插 接收机
色散补偿中的应用
波长色散的起因有两个：
FBG光纤光栅的应用
输入谱 I I
传输谱
反射谱 I
应变引起 波长移动
典型应用就是滤波，还可利用应变实现可调谐滤波； 还可以利用其敏感度制备光纤传感器；
FBG光纤光栅传感器
光纤光栅是将通信用的光 纤的一部分利用掺锗光纤非 线性吸收效应的紫外全息曝 光法而制成的一种称为Bragg
Grating的纤芯折射率周期性
光纤光栅在光纤传感中的应用
反射波长和应变、温度、压力物理量成线性关系： 土木工程：如桥梁、大坝、岸堤、大型钢结构等的健康安全 监控； 航天工业：如飞机上压力、温度、振动、燃料液位等指标的 监测； 船舶航运业：如船舶的损伤评估及早期报警； 电力工业：由于光纤光栅传感器根本不受电磁场的影响，所 以特别适合于电力系统中的温度监控； 石油化学工业：光纤光栅本质安全，特别适合于石化厂、油 田中的温度、液位等的监控； 遥测核磁共振机中实地温度，可进行心脏有效率的测量等； 核工业：监视废料站的情况，监测反应堆建筑的情况等；
相位掩模法
光栅周期与相位掩模板 周期有如下关系：
p d
2 g pm
h
s
2(n pm 1)
h
-1 相位掩模写入光纤光栅
n pm
+1
啁啾光纤光栅写入方法
啁啾光纤光栅的写入，可以采用啁啾相 位掩模板，中心波长和啁啾量任意设计， 但制作困难，价格昂贵；
光纤光栅电缆
光纤光栅电缆光纤光栅电缆是一种用于传输光信号的高速通信线缆。
它采用了光纤技术和光栅技术的结合，能够实现快速、稳定和大容量的数据传输。
在现代通信领域，光纤光栅电缆具有广泛的应用前景。
光纤光栅电缆的原理是利用光纤内部的光栅结构来实现信号的传输和保护。
光栅是一种微观结构，它可以对光信号进行调制和反射。
通过控制光栅的位置、尺寸和折射率等参数，可以实现对光信号的控制和调节。
光纤光栅电缆具有多种优点。
首先，它具有较高的传输速度和带宽。
由于光的传输速度非常快，光纤光栅电缆能够实现高速的数据传输，满足现代通信网络对大容量数据传输的需求。
其次，光纤光栅电缆具有较低的信号衰减和干扰。
相比传统的金属导线电缆，光纤光栅电缆在传输过程中的信号衰减较小，能够保持信号的稳定和清晰。
此外，它还具有较好的抗干扰性能，可以有效防止外界电磁干扰的影响。
再者，光纤光栅电缆具有较低的损耗和高的传输效率。
由于光纤光栅电缆内部光信号的传播几乎没有能量损耗，使得信号能够在较长距离内传输，同时其传输效率也很高。
最后，光纤光栅电缆还具有较高的安全性和可靠性。
由于光信号在光纤中传输，无线电磁波的泄漏几乎为零，不会产生窃听和干扰现象；而且光纤光栅电缆的设计和制造非常精密，具有很好的抗拉强度和耐腐蚀性，因此具有更高的可靠性。
光纤光栅电缆已经广泛应用于通信、数据中心、航天、石油、军事等领域。
在通信领域，光纤光栅电缆提供了高速、稳定和安全的数据传输通道，广泛应用于光纤通信网络中。
在数据中心领域，光纤光栅电缆能够满足大数据传输的需求，提高数据处理和存储的效率。
在航天领域，光纤光栅电缆具有轻量化和高耐受性的特点，适用于航天器内部通信和数据传输。
在石油和军事领域，光纤光栅电缆能够在恶劣环境中保持稳定的通信和数据传输，具有重要的应用价值。
然而，光纤光栅电缆也存在一些挑战和问题。
首先，光纤光栅电缆的制造和安装成本较高，需要专业的设备和技术支持。
其次，由于光纤光栅电缆在传输过程中对环境条件较为敏感，如温度、湿度等，因此需要采取一些保护措施来确保光信号的传输质量。
光纤光栅原理及其应用
信息显示与光电技术B61114075 方华杰光纤光栅原理及其主要应用光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的。
所谓光纤中的光敏性是指激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化的特性。
而在纤芯内形成的空间相位光栅，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。
利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件。
这些器件具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小，易与光纤耦合，可与其它光器件兼容成一体，不受环境尘埃影响等一系列优异性能。
光纤光栅的种类很多，主要分两大类：一是Bragg 光栅（也称为反射或短周期光栅）；二是透射光栅（也称为长周期光栅）。
光纤光栅从结构上可分为周期性结构和非周期性结构，从功能上还可分为滤波型光栅和色散补偿型光栅，色散补偿型光栅是非周期光栅，又称为啁啾光栅（chirp光栅）。
目前光纤光栅的应用主要集中在光纤通信领域和光纤传感器领域。
在光纤传感器领域，光纤光栅传感器的应用前景十分广阔。
由于光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、尺寸小（标准裸光纤为125μm）、重量轻、耐温性好（工作温度上限可达400℃~600℃）、复用能力强、传输距离远（传感器到解调端可达几公里）、耐腐蚀、高灵敏度、无源器件、易形变等优点，早在1988 年就成功地在航空、航天领域中作为有效的无损检测技术，同时光纤光栅传感器还可应用于化学医药、材料工业、水利电力、船舶、煤矿等各个领域，还在土木工程领域（如建筑物、桥梁、水坝、管线、隧道、容器、高速公路、机场跑道等）的混凝土组件和结构中，测定其结构的完整性和内部应变状态，从而建立灵巧结构，并进一步实现智能建筑。
本文对光纤光栅传感器的原理及应用作简单介绍。
1 光纤光栅传感器的工作原理。
1.1 光纤Bragg 光栅传感器的工作原理我们知道，光栅的Bragg波长λ B 由下式决定：λ B = 2nΛ（1）式中,n 为芯模有效折射率，Λ为光栅周期。
当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化，通过测量物理量变化前后反射光波长的变化，就可以获得待测物理量的变化情况。
第二章第4节光纤光栅
n n nco ncl
在一个给定的频率时的正向导模可耦合到多阶包层 模中。因此，典型的长周期光纤光栅具有一系列的分立 吸收带，每一个吸收带对应于导模到一个包层模的耦合。
长周期光纤光栅结构
长周期光纤光栅透射谱
光纤光栅的制作
• 光敏光纤的制备 光纤中的折射率改变量与照射波长、光纤类型、掺杂浓 度、光纤温度、曝光功率及曝光时间等有关。如果直接用紫 外光照射光纤，折射率增加仅为10-4 数量级便已经饱和。 为了满足高速通信传感的需要，提高光纤光敏性日益重 要。目前光纤增敏方法主要有： (1)掺杂 (2)刷火 (3)载氢
计算机控制 的光圈 UV 光束 望远镜
移动平台
显微镜 物镜
电动光纤 拉伸器 应变仪 光纤
光纤光栅应用
• • • • • • • 光纤激光器； 可调谐半导体激光器； 色散补偿器 光纤放大器 光纤滤波器； 波分复用/解复用器 光纤传感器
光纤光栅传感器的优点
1、抗干扰能力强：光纤光栅传感系统从本质上排除了各种 光强起伏引起的干扰，例如，光源强度的起伏、光纤微 弯效应引起的随机起伏、耦合损耗等都不可能影响传感 信号的波长特性，因而光纤光栅的传感系统具有很高的 可靠性和稳定性。 2、光纤光栅传感器是自参考的，在对光纤光栅进行定标后 可以绝对测量。 3、传感探头结构简单、尺寸小，适合于各种场合，尤其是 智能材料和结构。 4、便于构成各种形式光纤传感网络，进行大面积的多点测 量。 5、测量结果具有良好的重复性。 6、光栅的写入工艺已较成熟，便于商品化。
光纤光栅传感器应用
• • • • • • • • 航空航天 舰船 土木工程（桥梁、隧道、地下工程等） 石化工业（钻井、储运） 电力工业 核工业 医学 其他应用
光纤光分类
光纤光栅介绍
2．项目实施内容及目标隧道是公路、铁路、城市地铁等交通工程项目建设的关键部分，在隧道中进行实时、准确的火情监测对保障公共财产安全和人身安全有着十分重要的意义。
作为一种特殊的建筑物,在其道路运营过程中，如遇火灾发生或其他因素造成隧道主体工程损坏，损失巨大。
隧道火灾往往由与汽车相撞、车辆装载物品燃烧或爆炸、电力电气线路短路等事故引发，由于隧道环境密闭、交通量大、人员密集，逃生和救援工作相当困难，若一旦发生火灾后不能迅速报警和及时处理，将导致交通堵塞、重大人员伤亡和财产损失。
火灾检测与报警系统的设置,其宗旨就在于及时发现隧道内异常状态的发生,快速组织救援,最大限度地减少损失。
《公路隧道交通工程设计规范》中对火灾探测器的描述为“火灾形成与发展的阶段分为前期、早期、中期及晚期四个阶段，各阶段特征不一，前期表现有一定的烟雾；早期烟量增加并出现火光；中期表现为火灾形成，火势上升很快；后期表现为火势扩散。
由于隧道环境较为恶劣，同时又具有通风装置，烟雾度不便控制。
因此，隧道内火灾检测着重点从早期开始”。
针对高速公路隧道的特点我们建议对项目中的隧道线路监控采用光纤光栅感温火灾探测系统，该系统采用线型光纤感温火灾探测器的自动探测报警与手动报警相结合的方式实施隧道的安全监控。
在隧道内火灾报警系统采用自动检测和手动报警相结合的方式，检测隧道内的火险情况，并通过计算机系统或区域控制器根据检测到的火灾情况控制隧道风机、照明系统等，实时监测，实现报警联动，按照控制预案组织现场援救，以完全满足本项目隧道火情监测要求。
光纤光栅自动探测系统与火灾手动报警系统相结合，能集多级定差温报警、手动报警以及实时的温度监测于一体，真正做到防患于未然，作为隧道的火情监测系统具有其它技术无可比拟的优势。
火灾报警系统应能及时、准确的反馈出隧道内火灾发生的地点及报警信号。
经传输线路至监控计算机系统，火灾报警后应能自动（或手动）将主监视器切换到发生火灾的位置，经人工确认后，由中控室计算机系统制订出相应的控制措施。
光栅
光纤光栅光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。
当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。
定义光纤光栅是利用光纤材料的光敏性（外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起的折射率永久性变化），在纤芯内形成空间相位光栅，其作用的实质是在纤芯内形成（利用空间相位光栅的布拉格散射的波长特性）一个窄带的（投射或反射）滤光器或反射镜。
主要特点光纤光栅具有体积小、波长选择性好、不受非线性效应影响、极化不敏感、易于与光纤系统连接、便于使用和维护、带宽范围大、附加损耗小、器件微型化、耦合性好、可与其他光纤器件融成一体等特性，而且光纤光栅制作工艺比较成熟，易于形成规模生产，成本低，因此它具有良好的实用性，其优越性是其他许多器件无法替代的。
这使得光纤光栅以及基于光纤光栅的器件成为全光网中理想的关键器件。
1978年K.O.Hill等人首先在掺锗光纤中采用驻波写入法制成第一只光纤光栅，经过二十多年来的发展，在光纤通信、光纤传感等领域均有广阔的应用前景。
随着光纤光栅制造技术的不断完善，光纤光敏性逐渐提高；各种特种光栅相继问世，光纤光栅某些应用已达到商用化程度。
应用成果日益增多，使得光纤光栅成为最有发展前途、最具代表性和发展最为迅速的光纤无源器件之一。
分类随着光纤光栅应用范围的日益扩大，光纤光栅的种类也日趋增多。
根据折射率沿光栅轴向分布的形式，可将紫外写入的光纤光栅分为均匀光纤光栅和非均匀光纤光栅。
其中均匀光纤光栅是指纤芯折射率变化幅度和折射率变化的周期(也称光纤光栅的周期)均沿光纤轴向保持不变的光纤光栅，如均匀光纤Brag光栅(折射率变化的周期一般为0.1um量级)和均匀长周期光纤光栅(折射率变化的周期一般为100um量级);非均匀光纤光栅是指纤芯折射率变化幅度或折射率变化的周期沿光纤轴向变化的光纤光栅，如chirped 光纤光栅(其周期一般与光纤Bragg光栅周期处同一量级)、切趾光纤光栅、相移光纤光栅和取样光纤光栅等。
光纤光栅传感器技术基础知识
光纤光栅传感复用技术
– 波分复用(WDM)网络
不同反射波长的n个Bragg光栅沿单根光纤排列，分别放置于监测对象的 n个不同监测部位，当这些部位的待测物理量发生变化时，各个Bragg光 栅反射回来的波长编码信号就携带了相应部位的待测物理量的变化信息， 通过接收端的波长探测系统进行解码，并分析Bragg波长位移情况，即 可获得待测物理量的变化情况，从而实现对n个监测对象的实时、在线 监测。
减小放电电流 适当增大端面间隔
增大推进距离
光纤无源器件-光纤连接器
• 光纤焊接 • 光纤连接器 • 光纤耦合器
光纤无源器件-光纤连接器
• 光纤连接器的重要指标 ➢插入损耗 ➢回波损耗
① 球面接触：实现物理零距离接触 ② 非球面接触：微弱后向反射光很难
进入纤芯
光纤连接器的分类
活动光纤连接器的分类方法和类型非常多，例如：
光纤传感的基本原理
光纤传输的光波的特征参量（如振幅、相位、偏振态、 波长等）在外界环境因素（如温度、压力、位移、电场、磁 场、转动等）作用下间接或直接地发生变化，从而可将光纤 用作传感元件来探测各种物理量。通过测量光纤中传输光波 的特征参量的变化，就可以实现对各种环境物理量的测量。
光纤光栅基本原理
布喇格光栅会对入射的宽带光进行选择性反射，反射 一个中心波长与芯层折射率调制相位相匹配的窄带光，此 中心波长称之为布喇格波长。
布喇格波长决定于光纤纤芯折射率调制的空间周期Λ和调 制幅度的大小。用数学公式表示为：
B 2neff
λB 为光栅的布喇格波长
Neff 为光栅的有效折射率
Λ 为光栅条纹周期。
按传输媒介的不同： 1、常见的硅基光纤的单模、多模连接器；
2、其它媒介如塑胶等为传输媒介的光纤连接器
5第二讲-典型的光器件-光纤光栅
2.光纤光栅的分类
按周期大小划分为 布拉格光栅（FBG：Fiber Bragg Grating，周期小于1微米 ） 长周期光栅（LPG：Long Period Grating，周期大于10微米）
布拉格光栅的反射谱
长周期光栅的透射谱
提到光栅时，如无特殊指明，一般为短周期光栅
光纤光栅的分类
均匀光纤光栅的耦合模方程组
dR ˆ i R z i S z dz
dS ˆ i S z i R z dz
其中
表示光纤光栅的波数失谐，对于 均匀布拉格光栅失谐量为0
*
ˆ
2
neff
1 d 是光纤光栅的直流自耦合系数 2 dz
啁啾光纤光栅的反射谱和时延特性
时 延 /ps --反射率 —时延 波长/nm 仿真计算获得的啁啾光栅 反射谱和时延特性 反 射 率 /%
实验测得的啁啾光栅 反射谱和时延特性
时 延 /ps
反 射 率 /dB
波长/nm
啁啾光纤光栅反射谱和时延纹波的形成机理
(a)
光栅两端的折射率 突变可以被看作两 个宽带反射镜，当 光入射到光栅时， 光栅入射端的折射 率突变和光栅中的 各个布拉格反射点 之间会形成一个个 Fabry-Perot腔，从 而使出射光的时延 呈现出振荡的纹波。
ˆ k j sinh(gz ) cosh(gz ) j g sinh(gz ) g Fi ˆ k j sinh(gz ) cosh(gz ) j sinh(gz ) g g
利用传输矩阵法可以分析啁啾光 栅，取样光栅，切趾光栅等多种 非均匀的光纤光栅
Cladding Core 1 mm to 1500 mm 8 µm
光纤光栅——精选推荐
光纤光栅光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。
当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。
简介1978年，加拿大光纤光栅工作原理通信研究中心的K．O．Hill及其合作者首次从接错光纤中观察到了光子诱导光栅。
Hill 的早期光纤是采用488nm可见光波长的氛离子激光器，通过增加或延长注光纤光栅入光纤芯中的光辐照时间而在纤芯中形成了光栅。
后来Meltz等人利用高强度紫外光源所形成的干涉条纹对光纤进行侧面横向曝光在该光纤芯中产生折射率调制或相位光栅。
1989年，第一支布拉格诺振波长位于通信波段的光纤光栅研制成功。
1993年hill等人提出了位相掩模技术，它主要是利用紫外光透过相位掩模板后的士1级衍射光形成的干涉光对光纤曝光，使纤芯折射率产生周期性变化写入光栅，此技术使光纤光栅的制作更加简单、灵活，便于批量生产。
1993年Alkins等人采用了低温高压氢扩散工艺提高光纤的光敏特性。
这一技术使大批量、高质量光纤光栅的制作成为现实。
这种光纤增敏工艺打破了光纤光栅制作对光纤中锗含量的依赖，使得可选择的光纤种类扩展到了普通光纤它还大大提高了光致折变量(由10-5最大提高到了10-20这样可以在普通光纤上制作出高质量的光纤光栅。
定义光纤光栅是利用光纤材料的光敏性（外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起的折射率永久性变化），在纤芯内形成空间相位光栅，其作用的实质是在纤芯内形成（光纤光栅利用空间相位光栅的布拉格散射的波长特性）一个窄带的（投射或反射）滤光器或反射镜。
研制成功1978年，加拿大通信研究中心的K．O．Hill及其合作者首次从接错光纤中观察到了光子诱导光栅。
Hill的早期光纤是采用488nm可见光波长的氛离子激光器，通过增加或延长注入光纤芯中的光辐照时间而在纤芯中形成了光栅。
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。
07-光纤光栅
种类——FBG光纤光栅的应用——光纤放大 器EDFA
用于EDFA的增益平坦化。普通EDFA存在增益谱的不 平坦性，即对于不同波长信号具有不同的增益。这种增益 的不平坦性会导致各信道信号的严重失真，特别是对于长 距离的级联EDFA，其影响将更加严重。EDFA的增益均衡是 建立在DWDM全光网和进行全光传输的重要前提，因此必 须解决EDFA增益的不平坦性。目前，利用长周期光纤光栅 LPFG（Long Period Fiber Grating）可以较完美地解决这个问 题。这是因为LPFG对特定波长具有衰减作用。
式，这取决于光栅以及不同传播常数决定的相位条
件，即：
1
2
2
如果希望将一个前向传输模式耦合成一个后向传输基模，
应满足的相位条件是：
2
1 2
01 (01) 201
种类——FBG光纤光栅
如果希望将前向传输模式耦合成一个后向包层模， 此时和同号，则较大，这样所得到的光纤是长周期 光纤光栅（LPG），一般为数百。LPG的基本特性表 现为一个带阻滤波器，阻带宽度一般为十几至几时 纳米。
激光二极管
光隔离器
写有光栅的EDF
1.55m激光输出
DFB光纤光栅激光器示意图
种类——FBG光纤光栅的应用——光纤放大 器EDFA
EDFA泵浦光源980nm和1480nm大功率半导体激光器的波 长稳定。注入电流、工作温度、以及器件的老化都会造成泵 浦激光器的输出模式老化（即输出波长变化），若用光纤光 栅作为分布反馈的反射镜，便可对泵浦激光器进行稳频，从 而实现稳定的波长输出。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
构成光信号的电磁波各分量在光纤中具有不同传输速 度的现象 色散对光通信系统的影响 光脉冲形状畸变 引起误码 系统的色散容限：
G.652光纤色散系数为17ps/km/nm @1550nm，1000/17 = 59 km;60/17 = 4 km G.655光纤色散系数为6～8ps/km/nm@1550nm，1000/7 = 143km；60/ 7 = 9 km 无论是在G.652光纤还是在G.655光纤上开通10Gbit/s以上的系统都需色散补偿
z
双光束干涉法制作光纤光栅
光纤经过一定时间的光照，在纤芯
内部形成与干涉条纹同样分布的折 射率变化 干涉条纹间距，即光栅的周期由两 束光的夹角决定
d g 2 sin( / 2)
优点：操作简单，波长灵活可调 缺点：对光源空间相干性和时间相
干性，及系统的稳定性要求高
光形成正弦分布明暗相间 的干涉条纹照在光纤上
是单缝衍射与各个缝之间干 涉的综合效果 （亮纹条件）光栅方程：
a b
d
θ
P
o
f
透镜 缝平面
( a b ) sin k
d=a+b 为光栅常量
d
（k = 0,1,2,3…）
x f sin f 亮纹到中心的距离：
k Δx f ab ab
dsin
1.光纤光栅的定义
折射率调制
在分析强度取样光栅时，可以 将取样周期中，没有折射率调 制的部分以相位矩阵来表示。
实验测得的取样光栅反射谱
1541.5 1542 1542.5 1543 1543.5 1544 1544.5 1545
仿真计算获得的取样光栅反射谱
4 光纤光栅的制作
制作方法 双光束干涉法 相位模版法 制作条件
窄带带阻滤波器-用bragg光栅实现 光分插复用器(OADM)、光纤激光器 梳状带阻滤波器-光纤激光器-用取样光纤光栅实现 宽带带通滤波器-放大器增益平坦-用LPG实现 窄带带通滤波器-用Moire光栅或相移光栅实现
中心波长对外界条件的敏感性
光纤传感：温度传感，应力传感
5.1光纤光栅用作色散补偿—色散的概念与影响
1 0.5 0
-0.5
-1 0
20
40
60
80
100
时 延 /ps
切趾的主要作用是减小光栅两侧的折 射率突变，进而减小由此引起的较大 的反射谱以及时延特性上的纹波
反 射 率 /dB 波长/nm
强度取样光栅的反射谱特性
1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 1541
反射波长
光栅反射
光栅轴向
切趾啁啾光纤光栅的反射谱和时延特性
未切趾时啁啾光栅的折射率 调制以及反射谱和时延特性
折 射 率 调 制
1 0.5 0
时 延 /ps
100
-0.5
-1 0
20
40
60
80
--反射率 —时延 波长/nm
反 射 率 /%
折 射 率 调 制
切趾后啁啾光栅的折射率调 制以及反射谱和时延特性
RM S F M
R0 M为总的分段数，满足 S 0 z ,即满足M 2neff L
1
neff
F FM .FM 1....Fi ....F1 Fi
iM
ˆ k j sinh(gz ) cosh(gz ) j g sinh(gz ) g Fi ˆ k j sinh(gz ) cosh(gz ) j sinh(gz ) g g
利用传输矩阵法可以分析啁啾光 栅，取样光栅，切趾光栅等多种 非均匀的光纤光栅
啁啾光纤光栅的反射谱和时延特性
时 延 /ps --反射率 —时延 波长/nm 仿真计算获得的啁啾光栅 反射谱和时延特性 反 射 率 /%
实验测得的啁啾光栅 反射谱和时延特性
时 延 /ps
反 射 率 /dB
波长/nm
啁啾光纤光栅反射谱和时延纹波的形成机理
E r, , z r, E f z Eb z r, A z exp i z B z exp i z
均匀光纤光栅的折射率调制
对于常见的采用相位掩模法或全息干涉法制成的光纤光栅 来说，其折射率调制可以看作是周期正弦调制，因此光栅区 域有效折射率的变化可以简单的表示为 光纤中引入的周期性折 射率变化的调制周期
信息光电子器件
光电子器件
光源器件
相干光源
非相干光源
光传输器件
光学元件 光波导 光纤
光控制器件
调制器 偏转器 光滤波器 光耦合器 光开关 光双穏器 光隔离器 光环行器 波长间插器 光准直器 光纤连接器 光衰减器 光纤光栅 ……
光探测器件
光电导型 光伏型 热伏型 各种传感器
光存储器件
光盘 光驱 光盘塔
一、光纤光栅 1. 2. 3. 4. 5. 6. 光纤光栅 光纤光栅的分类 光纤光栅的特性分析 光纤光栅的制作 光纤光栅的应用 光纤光栅的调谐技术
光栅的相位变化即chirp
2 neff ( z) neff ( z )1 v cos z ( z) * f ( z)
一个周期的 光栅折射率 改变的平均
n( z) n0 neff ( z)
折射率 改变的 条纹对 比度
切趾函数 Apodization
1 1
1 1
0.8
0.8
0.8
0.8
L=100mm, dn=0.0001 0.4
0.6
0.6
0.6
dn=0.004
0.6
0.4
0.4
0.4
P=1068.9nm
0.2 0 1.5496 1.5498 1.55 1.5502 1.5504
0.2
0.2
0.2
均匀光纤光栅的反射谱仿真图
0 1.5506
0 1.5495
方法 性质 计算量 小 大 耦合模方法 等效折射率法 WKB方法（相位 积分方法） 小（估算）
适用范围
足够长的周 期性正弦分 布光栅
均匀光栅
所有一维分布 的波导，不需 要预处理
无
特别适合非均匀 光纤光栅（直观）
无
解析解
3.1均匀光纤光栅的理论分析
耦合模理论： 同一波导中不同模式之间的耦合，例如：光栅 不同波导之间的耦合问题，是分析各种类型的半导体耦 合器、定向耦合型调制器与光开关、阵列半导体激光器 等光电子器件工作原理的理论依据。 光纤布拉格光栅的光学特性主要表现为正反向基模之间的 耦合，光纤布拉格光栅的各种应用也主要是利用其对基模 的反射特性。 可仅考虑光栅中正反向基模之间耦合。则光栅区域的光 场可以简单表示为正反向基模的叠加：
均匀光纤光栅的耦合模方程组
dR ˆ R z i S z i dz
dS ˆ S z i R z i dz
其中
表示光纤光栅的波数失谐，对于 均匀布拉格光栅失谐量为0
*
ˆ
2
neff
1 d 是光纤光栅的直流自耦合系数 2 dz
长周期光纤光栅的制作方法
振幅掩模写入法
振幅掩模版，而非制作布拉 格光栅用的相位掩模版
聚焦CO2 光束直接写入法
可令激光移动， 也可令光纤移动， 实现对光纤的逐 点扫描写入光栅
5 光纤光栅的应用
光栅可灵活设计的时延特性
光栅的波长选择反射或透射特性
色散补偿：固定色散补偿和可调色散补偿 色散斜率补偿
(a)
光栅两端的折射率 突变可以被看作两 个宽带反射镜，当 光入射到光栅时， 光栅入射端的折射 率突变和光栅中的 各个布拉格反射点 之间会形成一个个 Fabry-Perot腔，从 而使出射光的时延 呈现出振荡的纹波。
Index modulation
Along
the
fiber
axes
折射率突变引起的宽带反射 光栅入射端 光栅尾端
相位模板
Translation of UV Beam Laser Beam
光斑逐点扫描， 通过控制曝光 量来控制折射 率振幅改变量
光敏光纤
-1级 0级 n <3%
+1级
干涉区域
n0+neff n0 除了这种光斑扫描的方法外，也可以采用光斑不动，将紫外光利用 凹透镜水平扩展到较大范围后，直接照射至相位模版曝光的方式制 作光栅，光栅的长度将与放大后光斑的长度相等
材料：光敏光纤
普通光纤氢载
光纤中掺入光敏性杂质，如锗、锡、硼等；或多种掺杂
相位模版法具有工艺简单、重复性好、 成品率高、便于大规模生产、光栅周 期与光源无关等优点而得到广泛应用
关键设备：成栅的紫外光源
KrF准分子激光器、倍频Ar离子激光器、
倍频染料激光器、倍频OPO激光器
相位模版法制做光纤光栅
--透射率 —时延
(b)
透 射 率 /dB
波长/nm
波长/nm
均匀光栅时延的理论计算图
实验写入的时延特性
3.2非均匀光纤光栅（Non-uniform FBG）
无解析解 一般用数值法或半解析法解 例如：传输矩阵法（分段均匀的思想）
3 2 1
接缝 接缝
传输矩阵法分析非均匀光栅
-L/2 N …… i …… L/2 1
光纤光栅：在一定长度的光纤上，在光纤的纤芯或者
包层中，周期性的改变折射率。
~ 200 µm (Long-period grating) ~ 500 nm (Bragg grating) 125 µm