光钎通信器件第四章光纤光栅原理及应用
光纤光栅原理及应用
光纤光栅原理及应用光纤光栅是一种通过在光纤中引入周期性折射率变化的装置，利用折射率变化来调制和处理光信号。
光纤光栅的工作原理基于布拉格光栅的原理，它可以实现光的反射、衍射和干涉，具有许多重要的应用。
光纤光栅的工作原理可以分为两种类型：折射率周期变化型和几何尺寸周期变化型。
在折射率周期变化型中，光纤的折射率会周期性地改变，形成一定的折射率分布。
而在几何尺寸周期变化型中，光纤的尺寸周期性改变，例如通过在光纤表面制造微细结构。
光纤光栅的应用十分广泛。
以下是一些光纤光栅的常见应用：1.光纤通信系统中的滤波器：光纤光栅可以用作滤波器来选择性地过滤光纤通信信号，去除噪声和干扰，从而提高信号质量和传输效率。
2.光纤传感器：由于光纤光栅对于外界环境的敏感性，它可以用作各种类型的传感器，例如温度传感器、应变传感器和压力传感器等。
当外界环境发生变化时，光纤光栅会产生相应的光强、频率或相位变化，从而测量环境的变化量。
3.激光器输出功率控制：光纤光栅可以通过调整光纤中的折射率改变激光器的输出功率。
通过改变光纤光栅的特性，可以有效地控制激光器的输出光强，实现激光器的功率稳定控制。
4.光纤光栅传输线惯性测量：光纤光栅可以用作惯性传感器，测量力、加速度或角度的变化。
通过测量光纤光栅的变化，可以获得与物体的动态运动相关的信息。
5.光纤光栅激光器：光纤光栅可以用作可调谐激光器，通过改变光纤光栅的特性，可以实现激光器输出波长的调谐。
这对于光通信系统、光谱分析和光学成像等领域非常重要。
以上只是光纤光栅的一些常见应用，随着技术的不断发展，光纤光栅的应用领域还在不断扩展。
光纤光栅具有体积小、重量轻、高稳定性和高灵敏度等优点，因此在光学传感、通信和激光器等领域具有广泛应用前景。
光纤光栅的工作原理和应用
光纤光栅的工作原理和应用1. 光纤光栅的简介光纤光栅是一种应用于光纤传感领域的重要器件，它利用光纤中特殊结构的光栅来实现对光信号的调制和传感。
光纤光栅通过改变光纤中的折射率或光栅的周期来实现对光信号的调制，从而实现光纤传感的功能。
光纤光栅具有体积小、可靠性高、抗干扰能力强等优点，在许多领域有着广泛的应用。
2. 光纤光栅的工作原理光纤光栅的工作原理基于光栅的衍射效应和光纤中的模式耦合效应。
2.1 光栅的衍射效应光纤光栅中的光栅是由周期性变化的折射率组成的。
当光信号经过光栅时，会发生衍射现象。
根据光栅的周期，光信号将按照一定的规律分散成多个衍射光束。
通过控制光栅的周期，可以实现对光信号的调制。
2.2 光纤中的模式耦合效应在光纤中，光信号可以以不同的模式传播，例如基模和高阶模。
当光信号经过光栅时，不同模式的光信号会发生模式耦合现象。
通过改变光栅的折射率或周期，可以实现对不同模式光信号的调制和耦合。
3. 光纤光栅的应用光纤光栅在光纤传感、光通信和光子器件等领域有着广泛的应用。
3.1 光纤传感光纤光栅作为一种重要的传感器器件，可以实现对温度、压力、应变等物理量的测量。
通过改变光栅的折射率或周期，可以实现对光信号的调制，从而实现对物理量的传感。
光纤光栅传感器具有高灵敏度、远程测量和抗干扰能力强等优点，在工程领域有着广泛的应用。
3.2 光通信光纤光栅在光通信领域有着重要的应用。
通过改变光栅的折射率或周期，可以实现对光信号的调制和耦合。
利用光纤光栅可以实现光信号的分波、波长选择、增益均衡等功能，从而提高光通信系统的性能和可靠性。
3.3 光子器件光纤光栅作为一种重要的光子器件，可以实现对光信号的调制和控制。
通过改变光栅的折射率或周期，可以实现对光信号的调制和滤波功能。
光纤光栅滤波器、光纤光栅耦合器等器件在光子器件领域有着广泛的应用。
4. 总结光纤光栅作为一种重要的光纤传感器器件，具有体积小、可靠性高、抗干扰能力强等优点，在光纤传感、光通信和光子器件等领域有着广泛的应用。
光栅的结构及工作原理
光栅的结构及工作原理引言概述：光栅是一种常用的光学元件，广泛应用于光谱仪、激光器、光纤通信等领域。
本文将详细介绍光栅的结构及工作原理，匡助读者更好地理解光栅的工作原理和应用。
一、光栅的结构1.1 光栅的基本构成光栅通常由一系列平行的凹槽或者凸起组成，这些凹槽或者凸起被称为光栅线。
光栅线可以是等距罗列的，也可以是不等距罗列的。
光栅线的宽度和间距决定了光栅的性能。
1.2 光栅的材料光栅的材料通常是光学玻璃、光学晶体或者金属等。
不同的材料具有不同的光学性质，选择合适的材料可以满足不同的应用需求。
1.3 光栅的制作工艺光栅的制作工艺通常包括光刻、蚀刻、电子束暴光等步骤。
这些工艺可以精确地控制光栅线的宽度和间距，从而实现对光栅性能的调控。
二、光栅的工作原理2.1 光栅的衍射效应当入射光照射到光栅上时，光栅会对光进行衍射。
根据光栅的结构和入射光的波长，不同的衍射效应会发生，如零级衍射、一级衍射、高级衍射等。
2.2 光栅的光谱分析由于不同波长的光在光栅上发生不同级别的衍射，因此光栅可以用于光谱分析。
通过测量不同级别衍射的光强，可以确定入射光的波长和光强分布，从而实现光谱分析。
2.3 光栅的波前调制光栅还可以用于波前调制，即通过改变光栅的相位来调节入射光的相位。
这种调制方式可以用于光学信息处理、光学成像等领域。
三、光栅的应用3.1 光谱仪光栅是光谱仪中常用的光学元件，通过光栅的衍射效应，可以将入射光分散成不同波长的光谱，实现对物质成份的分析。
3.2 激光器光栅在激光器中可以用作输出耦合镜，通过调节光栅的衍射效应，可以控制激光的输出方向和波长，实现激光的调谐和模式选择。
3.3 光纤通信光栅在光纤通信中可以用作光纤光栅耦合器，通过光栅的衍射效应，可以将光耦合到光纤中，实现光信号的传输和调制。
四、总结光栅是一种重要的光学元件，具有广泛的应用前景。
本文详细介绍了光栅的结构及工作原理，以及在光谱仪、激光器和光纤通信等领域的应用。
光纤光栅技术与应用PPT课件
纤 芯 包 层 涂敷层 护 套
尺寸规格：单模光纤内径：9µm 外径：125µm
多模光纤内可径编辑：课件5PP0T µm
10
光纤结构
光纤光栅技术与应用
两种常用光纤的可编辑结课件构PPT及其折射率分布 11
对中卡头Three-jaw chuck
配
Modified Chemical Vapor Deposition
可编辑课件PPT
33
啁啾光栅
光纤光栅技术与应用
色散产生原理示意图
波长色散的起因有两个：1）折射率随波长呈非线
性变化，色散系数与折射率的二阶导数成正比，称为
材料色散；2）传播常数与波长呈非线性关系，色散系
ห้องสมุดไป่ตู้数与传播常数的二阶导数成正比，称为波导色散。
14国外光纤技术収展情冴光纤技术収展概冴光纤光栅技术不应用?20丐纪60年代中期所研制的最好的光纤损耗在400db以上?1966年英国标准电信研究所高锟及hockham仍理论上预言光纤损耗可降至20dbkm以下?日本于1969年研制出第一根通信用光纤损耗为100dbkm?1970年康宁公司corning采用粉末法先后获得了损耗低于20dbkm和4dbkm的低损耗石英光纤?1974年贝尔实验室bell采用改迚的化学汽相沉积法制出性能优于康宁公司的光纤产品
菲涅耳定律：n1sinθ1=n2sinθ2
n1
θ1
n2
θ2
n1
θ1
n2
θ2
n1<n2
n1>n2
结论：若要实现全反射，则必须有
n >n 1 2 可编辑课件PPT
7
光纤基本理论
φ
光纤光栅技术与应用
n2 n1
光纤通信系统-光栅
.
光纤光栅传感器
通过拉伸和压缩光纤光栅，或者改变温度可以达到改变 光纤光栅的周期和有效折射率从而达到改变光纤光栅的反射 波长的目的。反射波长和应变、温度、压力物理量成线性关 系，根据这些特性，可将光纤光栅制作成应变、温度、压力、 加速度等多种传感器。
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 核业中的应用：监视废料站的情况，监测反应堆建筑的情况等 光纤光栅还可以应用于水听器、机器人手臂传感、安全识 别系统等
0 1.5545
lB
1.5555
波长（mm）
光纤激光器
波长分插复用器(OADM)
上下话路复用器，实现在其他波长信道信号不 变的前提下，在波分复用网络的节点上直接提 取或添加一个或几个波长信道的信号，避免将 所有波长信号全部分解开来进而再复接在一起。
色散补偿
在线性啁啾光栅中，光栅间距不等，不同频 率的光的反射位置不同，短的波长ls在近端 反射，长的波长ll在远端反射，从而有不同 的时延，即出现色散。将光栅滤波器反过来 使用就可以改变色散的符号。
逐点写入法
一种非相干写入技术
利用聚焦光束在光纤上逐点曝光而
形成光栅，每写一个条纹，光栅移 动一定距离，需用精密机构控制光 纤运动位移。通过控制光纤的移动， 可以方便的控制光栅的周期。 一般用于制造长周期光栅
光纤光栅的类型
光纤光栅从本质上讲是 通过波导与光波的相互作用， 将在光纤中传输的特定频率 的光波，从原来前向传输的 限定在纤芯中的模式耦合到 前向或后向传输的限定在包 层或纤芯中的模式，从而得 到特定的透射和反射光谱特 性。 光纤光栅中，光场与光 波导之间的相互作用可用耦 合模理论来描述。
光栅的结构及工作原理
光栅的结构及工作原理引言概述：光栅是一种重要的光学元件，广泛应用于光谱学、光学成像、光学通信等领域。
本文将详细介绍光栅的结构和工作原理，以帮助读者更好地理解光栅的原理和应用。
一、光栅的结构1.1 光栅的基本构成光栅由一系列平行等间距的凹槽或凸起组成，通常被制造在透明介质或金属薄膜上。
光栅的基本构成包括栅线、栅面和基底。
栅线是光栅的凹槽或凸起，栅面是栅线所在的表面，基底是光栅的支撑结构。
1.2 光栅的类型根据光栅的结构形式，光栅可分为光栅衍射光栅、光栅反射光栅和光栅透射光栅三种类型。
光栅衍射光栅是最常见的一种，其栅线垂直于光的传播方向；光栅反射光栅是栅线平行于光的传播方向；光栅透射光栅是栅线与光的传播方向夹角小于90度。
1.3 光栅的参数光栅的参数包括栅常（d）、刻槽间距、刻槽宽度等。
栅常是指栅线之间的间距，通常以纳米为单位。
刻槽间距和刻槽宽度直接影响着光栅的衍射效果和光谱色散能力。
二、光栅的工作原理2.1 光栅的衍射现象当平行入射的光线照射到光栅上时，光线会被光栅的栅线所衍射。
衍射现象是由光栅栅线的周期性结构引起的，栅线的间距决定了衍射的角度和强度。
2.2 光栅的光谱分解能力光栅的光谱分解能力是指光栅将入射光分解成不同波长的光线的能力。
光栅的光谱分解能力与栅常密切相关，栅常越小，光栅的光谱分解能力越高。
2.3 光栅的应用光栅在光谱学、光学成像、光学通信等领域有着广泛的应用。
在光谱学中，光栅可以用于光谱分析和波长测量；在光学成像中，光栅可以用于光学显微镜和光学望远镜的设计；在光学通信中，光栅可以用于光纤通信系统中的波分复用和光谱均衡。
三、光栅的制造方法3.1 光刻技术光刻技术是制造光栅的常用方法之一。
通过光刻技术，可以将光栅的图案转移到光刻胶或光刻膜上，然后通过化学腐蚀或物理刻蚀的方法，将图案转移到光栅的基底上。
3.2 干涉曝光技术干涉曝光技术是制造光栅的另一种常用方法。
通过干涉曝光技术，可以利用干涉现象将光栅的图案转移到光敏材料上，然后通过化学处理，将图案转移到光栅的基底上。
光钎通信器件 第四章 光纤光栅原理及应用
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知识点回顾
光纤光栅：
用特定波长的激光以特定方式照射光纤，导致光 纤内部的折射率沿轴向形成周期性或非周期性的空间 分布，形成光栅结构，并且能精确控制谐振波长。
光纤光栅的的主要制作方法：
1. 纵向驻波写入技术(内部写入技术)
2. 横向全息写入技术 3. 相位掩模写入技术 4. 逐点曝光写入技术 5. 振幅掩模写入技术
1. 电磁调谐
将光纤光栅固定在磁致伸缩棒上，连同该磁致 伸缩棒置于均匀磁场中，磁致伸缩棒将磁力转化为 应力作用于光栅上，从而完成光纤光栅波长的连续 均匀调谐。103mT的磁场产生1.1nm的漂移量。
15.02.2021
14
光纤通信器件
光纤光栅工作原理
如何产生光纤光栅波长的非均匀调谐，即调谐 后为啁啾光纤光栅？
8
光纤通信器件
光纤光栅的封装工艺与技术
二、掺杂光纤的光敏性
1. 掺杂光纤光敏性机理
➢掺杂物质与SiO2混合时形成的结构缺陷 ➢外界光场作用下通过单光子或双光子吸收过程使错位键破裂 形成色心
➢标准光纤：GeO2 ➢其它掺杂：Erbium（铒）, Europium（铕）, Cerium（铈） 2. 影响光纤光敏性的因素
15.02.2021
15
光纤通信器件
光纤光栅工作原理
2. 热调谐法 热调谐法是基于折射率与温度的依赖关系，实
验证明：光纤布拉格光栅波长的温度灵敏度为0.011 nm/oC（或者0.015nm/oC ）。热调谐的方法可以使 光纤光栅波长的调谐量达到30nm，但是调谐温度不 易控制，容易受应力的交叉影响，而且热传递速度 缓慢决定调谐过程缓慢，以至于适用价值不是很大。
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；
光纤光栅及其传感技术
光纤光栅及其传感技术
光纤光栅是一种利用光的干涉原理来实现光信号传输和传感的技术。
它具有高灵敏度、高分辨率和广泛的应用领域等特点，被广泛应
用于光通信、光传感和光学仪器等领域。
光纤光栅的基本原理是利用光纤的折射率分布在一定长度内变化，形成一定的反射光强分布，从而实现对光信号的控制和传感。
常见的
光纤光栅有两种类型，分别是光纤光栅传输器和光纤光栅传感器。
光纤光栅传输器是利用光纤光栅的反射、透射和干涉等特性，将
光信号传输到目标位置。
它可以实现对光信号的调制、分光、合并等
功能，为光通信系统提供了重要的技术支持。
光纤光栅传输器的应用
领域包括光纤通信、光纤传感、激光器和光放大器等。
光纤光栅传感器则是将光纤光栅作为敏感元件，实现对温度、应变、压力、湿度等物理量的测量。
光纤光栅传感器具有灵敏度高、抗
干扰性强、体积小等优点，被广泛应用于工业生产、环境监测、医学
诊断等领域。
光纤光栅传感器的工作原理是通过测量光纤光栅的反射
光波长或亮度的变化，来推断被测量物理量的变化。
光纤光栅技术的发展为光通信和光传感领域带来了重大突破。
它
不仅提高了光通信系统的传输质量和性能稳定性，而且为物理量测量
和环境监测等领域提供了一种高精度、实时的测量手段。
总结起来，光纤光栅是一种基于光的干涉原理的传感技术，具有
高灵敏度和广泛的应用领域。
它可以应用于光通信系统的光纤传输和
光传感器的物理量测量等领域。
随着光纤光栅技术的不断发展和突破，相信它将在未来的互联网技术应用中发挥越来越重要的作用。
光纤光栅技术与应用
f
f
p
t
.
光纤光栅技术与应用
t t
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啁啾光栅
光纤光栅技术与应用
啁啾通常是指一种频率变化的现象，如果 Bragg光纤光栅的周期或折射率沿长度方向发 生一定变化，则其Bragg频率沿长度方向也会 发生一定变化，即发生了啁啾，这种光纤光栅 就称为啁啾光纤光栅。啁啾可以是线性的也可 以是非线性的，周期沿长度方向线性变化的光 栅称为线性啁啾光栅。
.
30
光纤布拉格光栅
光纤布拉格光栅
光纤光栅技术与应用
FBG 有 较 小 且 均 匀 的 周 期 ， 一 般 约 为 0.5 ～ 1µm，具有反射固定波长之特性。多用于温度、应 力以及以此为基础而发展出的振动、流量、载荷疲 劳、结构损伤、腐蚀等方面的分布式检测系统。
BB(1pe)()T
.
31
啁啾光栅
热固化Ultravioiet Curing System
机械手 Mechanical handle
气相色谱 VaporPhase chromatogrameter
基
座.
Capstan
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光缆构成
光纤光栅技术与应用
常用光缆的典型构成
.
13
光纤技术发展概况
光纤光栅技术与应用
国外光纤技术发展情况
➢20世纪60年代中期，所研制的最好的光纤损耗在400dB以上
重
高温炉Graphite furnace
高温 炉
测温仪 Pyro meter
分离及沉积处理Separate deposition
测径仪 Fiber diameter Gauge
空气净化系统 Clear Air System
光纤光栅在光通信领域中的应用
光纤光栅在光通信领域中的应用光纤光栅具有附加损耗小、体积小、能与光纤很好地耦合、可与其她光纤器件融成一体等特性,就是全光网中的关键技术器件。
光纤光栅技术可以为全光通信系统中光源、光放大、色散补偿、光终端复接器(OTM) 、光交叉连接(OXC)等关键部件提供解决方案。
本文介绍了光纤光栅在全光网络中所发挥的作用,阐述了光纤光栅的特点,对光纤光栅进行了分类,着重分析了光纤光栅在光通信系统中的典型应用,并对其发展前景作出了展望。
关键词:光纤光栅全光网络光纤无源器件前言随着信息业务量快速增长,语音、数据与图像等业务综合在一起传输, 从而对通信带宽容量提出了更高要求。
由于无线电频谱与电缆带宽非常有限,其极限速率只有20Gb/s左右,即所谓的“电子瓶颈”。
尽管人们引入了光通信,光作为信息传输的载体带宽达30THz以上,但就是由于量子效应导致光纤线路中各种复用/解复用与光电/电光转换器件处理电信号时仍存在着速率“瓶颈”,限制了信息的传输速率。
进入20世纪90年代,以时分复用(TDM)为基础的电传送网难以适应需要,这使得人们再次意识到要突破电信号处理速率“瓶颈”就必须引入光信号处理方法,包括光信号的直接处理(即避免光电与电光转换,需要电信号时除外)及交叉连接等,这就导致以光波分复用(WDM)为基础的全光通信网(AON)成为人们研究的热点。
全光通信就是解决“电子瓶颈”最根本的途径,全光网通信可以极大地提高节点的吞吐容量,适应未来高速宽带通信的要求。
全光通信网也就是目前国际上发展最快的领域,全光通信意味着在通信过程的各个环节都用光波来完成,中间无需任何光－电－光变换。
全光通信的发展完全取决于网络中光放大、光补偿、光交换以及光处理等关键技术的发展。
光纤光栅的出现使许多复杂的全光网通信成为可能。
光纤光栅就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。
光纤光栅传感器的原理
光纤光栅传感器的原理
光纤光栅传感器是一种利用光纤光栅作为传感元件的传感器。
通过在光纤中引入周期性的折射率调制结构，形成光栅，可以实现对光的干涉和耦合。
光纤光栅传感器的工作原理是利用光的干涉效应。
当入射光经过光纤光栅时，会发生光的折射、反射和散射现象，这些现象会改变光的传播状态和幅度。
通过测量入射光和反射光之间的干涉效应，可以间接地获取待测参数的信息。
光纤光栅传感器的工作过程如下：首先，入射光进入光纤光栅，当入射光与光栅中的周期性结构相互作用时，会发生光的耦合和反射。
然后，经过光栅调制后的反射光将重新耦合回光纤中，并沿光纤传输到接收器。
最后，接收器检测到反射光的干涉效应，并将其转化为电信号。
光纤光栅传感器具有很多优点，如高精度、高灵敏度、快速响应、抗干扰能力强等。
它被广泛应用于测量温度、压力、应变、振动等物理量，以及检测液体浓度、气体成分等化学参数。
在工业自动化、能源、医疗、环境监测等领域有着重要的应用价值。
光纤光栅
5) 高频CO2激光脉冲写入法制作长周期光栅
逐点写入法
大角度倾斜光纤光栅显微照片
各种折射率分布修正 及其 反射谱
4. 长周期光纤光栅( long period grating, LPG)
• 虽然同是光纤光栅, 但长周期光纤光栅与布 拉格光纤光栅之间的差异很大。
• 从模式耦合的机理来看, 布拉格光纤光栅是 前向传输的纤芯模式与后向传输的纤芯模式 之间的耦合;
• 《物理光学》基本结果：
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本书page177 习题6
2) 相位掩模法
• 实质：用相位掩模光栅以λB/λeff宽度 的间距来调制紫外光束的空间相位
3) 点-点写入法
4) LPFG写入法
• 1996年，Vengsarkar在载氢光栅中 写入了长周期光栅
• 1998，Davis • 饶云江 • Liu • Hwang • Sohn Yokota • Karpov 叶艾伦
• 光纤光栅可以应用于全光开关、全光逻辑来实 现全光自动交换。
• 可以预见, 光纤光栅在未来光网络中的作用就 如同二极管、三极管在半导体电路中的作用一 样不可或缺。
光纤光栅传感领域
• 光纤光栅不仅在通信领域, 在传感领域也发 挥着无可替代的作用, 从最基本的温度、压 力、应变到电压、电流、磁场、微振动等 各种物理量的测量,
• 如果光纤纤芯对光子敏感, 光纤芯中的折射 率就被永久地改变了, 尤其是在干涉区中光 强强的位置要比光强弱的位置改变得多。 于是，折射率扰动(折射率光栅) 就形成了, 且其光栅周期与干涉光场的空间周期相同。
• 这种折射率光栅起到了一个分布布拉格反射 器的作用, 它可将前向传输光耦合到反向传 输光束中。
光纤光栅原理及应用
光纤光栅原理及应用光纤光栅是一种能够利用光波与光波之间的相互作用来改变光传输特性的设备。
它由光纤材料构成，其中包含了周期性的折射率变化结构。
光纤光栅可以通过改变光纤中折射率的周期性分布来控制光波的传输和分散特性。
光波在光纤光栅中传输时，会与光栅结构发生相互作用，导致光波的部分传播方向改变，从而实现光的分散和耦合。
光纤光栅的原理可以分为两个方面：折射率的周期性变化和布拉格条件。
在光纤中引入折射率的周期性变化可以通过多种方式实现，例如通过分子扩散法、电子束曝光法和激光干涉法等。
当光波射入具有这种周期性折射率变化的光纤中时，它会受到布拉格条件的限制。
布拉格条件是指光波在光纤中的传播距离等于光栅周期的整数倍，这样才能出现相长干涉的现象。
当满足布拉格条件时，入射光波会被反射或透射，而不满足布拉格条件的光波会被耗散。
光纤光栅具有很多应用，以下是几个典型应用的介绍。
1.光纤传感光纤光栅可以用于构建高灵敏度的光纤传感器。
通过光栅的周期性变化，可以控制光波在光纤中的传播特性，从而实现对外界环境的测量。
例如，通过测量光栅传感区域中光波的透射光强，可以实现温度、压力、应力等物理量的测量。
2.光纤通信光纤光栅在光纤通信中也有重要的应用。
通过在光纤中引入光纤光栅，可以实现在光纤中选择性耦合和过滤光波的功能。
光纤光栅可以用于实现光纤放大器和光纤滤波器等光学器件，从而提高光纤通信系统的性能和功能。
3.光纤激光器光纤光栅还可以用于光纤激光器的制备。
通过在光纤中引入光纤光栅，可以实现光纤内部的反射和增益介质的选择性放大，从而实现光纤激光器的工作。
光纤激光器具有小巧、高效、稳定的特点，广泛应用于通信、医学和工业等领域。
4.光纤光栅传输系统光纤光栅也可以用于构建光纤光栅传输系统。
这种传输系统通过在光纤中引入光纤光栅，可以实现光波的模式转换和耦合。
通过光纤光栅传输系统，可以实现高效的光波分配和耦合，从而提高光纤传输系统的性能和可靠性。
光纤光栅
基于FBG桥梁的智能检测
国内在光纤光栅传感技术方面的应用没有国外如此 普及，但在桥梁、民建工程以及石油化工等领域 也有不少的应用，比如:上海卢浦大桥、海口世纪 大桥、汾河大桥 、松花江斜拉桥，深圳会展中心， 西气东送工程、大庆输油管道以及其他基础设施 的健康检测。
二、在光纤通信中的应用
A. 光源 a. DFB 光纤光栅激光器 b. DBR光纤光栅激光器 c. 光纤光栅外腔半导体激光器 B. 波分复用器(WDM) C. 光分插复用器(OADM) D. 光放大器中的应用 E. 色散补偿 F. 光交叉连接器(OXC)
主要有应变传感器、温度传感器、加速度 传感器、位移传感器、压力传感器等
市场上每种传感器均有多种系列，产品种类更是 多不胜数，我们着重向大家介绍几种不同公司 的光纤光栅温度传感器
结束了，
谢谢观看！
下面我们主要介绍光纤光栅在传感方面的 应用，即光纤光栅传感器
光纤光栅的传感机制包括应变引起的弹性形变 （elastic distortion）和弹光效应（strain-optic effect），温度引起的热膨胀效应（thermo expansion effect）和热光效应（thermo-optic effect），以及磁场引起的法拉第效应 （Faraday effect），基于光纤光栅对温度和 应变直接敏感，可制成用于检测应力、应变、 温度、压力、振动、位移、加速度、倾角等多 种参量的光纤传感器和光纤传感网。
内部写入法
横向全息写入技术（侧面曝光法）
光纤光栅应用
一、在传感领域的应用
FBG传感的基本原理是利用折射率和光栅周期对 外界参量的敏感特性
I 入射光谱 I 出射光谱
温度或应变变化引起
Bragg波长的偏移
光纤光栅的原理及应用
光纤光栅的原理及应用1. 引言光纤光栅是一种基于光纤的传感器，利用光纤中的光栅结构对外界的物理量进行测量和检测。
它具有体积小、响应速度快、测量范围广等优点，在许多领域中得到了广泛的应用。
本文将介绍光纤光栅的原理和一些常见的应用场景。
2. 光纤光栅的原理光纤光栅是通过在光纤中引入光栅结构来实现的。
光栅是一种具有周期性折射率变化的结构。
当光线穿过光栅时，会发生光的衍射现象，产生多个方向的散射光。
通过检测这些散射光的强度或频率，可以获得与外界物理量相关的信息。
在光纤光栅中，光纤的折射率会随着光栅的周期性变化而改变。
这种周期性变化可以通过多种方式来实现，例如使用光栅写入技术、光纤拉伸等。
变化的折射率将会对光的传播产生影响，使得传输的光线被限制在光纤的特定区域内。
3. 光纤光栅的应用3.1 光纤传感器光纤光栅可以用作光纤传感器来检测各种物理量，如压力、温度、应变等。
通过测量光纤光栅中的散射光的强度或频率变化，可以推断出被测量物理量的大小。
由于光纤光栅具有高灵敏度和快速响应的特点，因此在工业、医疗、航空等领域得到了广泛应用。
3.2 光纤通信光纤光栅也可以用于光纤通信系统中。
通过在光纤中引入光栅结构，可以实现滤波、增益控制、波长选取等功能。
光纤光栅可以对光信号进行调制和调控，提高光纤通信系统的性能和稳定性。
3.3 光纤激光器光纤光栅还可以用于光纤激光器的制作。
在光纤中引入光栅结构，可以形成一种反射镜，形成光纤激光腔。
通过调控光纤光栅的周期和折射率变化，可以调节激光器的输出功率和频率。
光纤激光器广泛应用于光通信、光谱分析等领域。
3.4 光纤传输系统光纤光栅也可以用于光纤传输系统中的信号调制和解调。
通过在传输光纤中引入光栅结构，可以实现波长选择、信号复用等功能。
光纤光栅可以对光信号进行调制，提高传输系统的带宽和传输距离。
3.5 光纤传感网络光纤光栅还可以用于构建光纤传感网络。
通过在光纤中布置多个光纤光栅传感器，可以实现对大范围区域的实时监测和测量。
光纤光栅传感器的基本原理及应用光栅原理应用以及应用基本原理
光纤光栅传感器的基本原理及应用光栅原理应用以及应用基本原理光纤光栅传感器的基本原理及应用摘要:概述光纤光栅传感器的基本原理及实际应用，介绍了光纤光栅传感器在地球动力学、航天器及船舶航运、民用工程结构、电力工业、医学、和化学传感中的应用。
一、前言 1978 年加拿大渥太华通信研究中心的 KOHill 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根光纤光栅。
19，美国联合技术研究中心的 GMeltz 等人实现了光纤Bragg 光栅FBG的 UV 激光侧面写入技术，使光纤光栅的制作技术实现了突破性进展。
随着光纤光栅制造技术的不断完善，其应用的成果日益增多，从光纤通信、光纤传感到光计算和光信息处理的整个领域都将由于光纤光栅的实用化而发生革命性的变化，光纤光栅技术是光纤技术中继掺铒光纤放大器EDFA 技术之后的又一重大技术突破。
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，它们都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;其中，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 125um、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 年就成功地应用在航空、航天领域中作为有效的无损检测当中，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，以及在土木工程领域中如建筑物、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。
光纤光栅特性及其在光通信中的应用
一
。
光纤 光栅 作为 高性 能 的滤波 元 件 ，在光 纤 光栅 激光 器 、光 分插 复用 器
合 到 光 纤 ２ ３ ，因 受Ｂ ａｇ 栅 反 射 作 用 ，而 是 从 另 一 个 通道 光 纤 ４ 、 中 ｒ ｇ光 输 出，从 而实现 滤波 功 能。
２ ３色其 中 ，为光 栅长 度 ； △ 为纤 芯 的折 射 率变 化最 大 范 围 。光栅 的最 大
输 入 输出
随着 光纤 通信 的飞速 发 展 ，光纤光 栅 逐渐 成为 发展 最为 迅速 的光 纤 无 源器 件之 一 。光 纤光 栅具 有 体积 小 ，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 等特 点， 因而在 光 纤通 信领 域 均有
制 深度 和波 长 的函 数 。光纤 光 栅的 另一 个特 点 是色 散特 性 ，它在 某 些特 定
的应用 中十分 有用 ，例如 可用 来实现 光 纤的色 散补 偿等 。
频 分 量 多走 了一 段距 离 ，从 而使滞 后 的低 频分 量赶 上 高频 分量 ，被 展开 的
光脉冲 又重 新被 压缩 ，完成 了色 散补 偿 。 环 形器 啁啾 光栅
Ｒ＝ｔ ｈ （ｌｎ ｎ ａ ｚ ／ ｎ ａ
）
（ ２ ）
啁啾 光纤 光栅进 行色 散补 偿 的方法 现 已应 用于 光通 信 中。 啁啾 光纤 光栅 的调 制 周期是 非均 匀 ，入射 光脉 冲在 不 同反射 点具 有不 同 的反射 波 长 ，从 而有 不 同的 时延 ，在 １５ｎ 负 反射 区 高频分 量 的群速 度 ５ Ｏｔ ． 快 于低频 分 量 ，使低 频 （ 长波 长 ）分量 在 光栅 的前 端被 反射 ，而高频 分 即 量在 光栅 的末端 反射 ，这 样 经过 啁啾 光栅 的 反射 ，光 脉冲 的 高频 分量 比低
光栅的结构及工作原理
光栅的结构及工作原理光栅是一种光学元件，广泛应用于光谱仪、激光器、光纤通信等领域。
它通过周期性的结构对光进行衍射，实现光的分光、波长选择和光栅共焦等功能。
本文将详细介绍光栅的结构和工作原理。
一、光栅的结构光栅通常由一系列平行的凹槽或凸槽组成，这些凹槽或凸槽被称为光栅线。
光栅线的间距称为光栅常数，用d表示。
根据光栅线的形状，光栅可以分为光栅反射型和光栅透射型。
光栅反射型是指光线从入射侧照射到光栅上，然后被反射出来。
光栅反射型的结构包括平行光栅、圆柱光栅和球面光栅等。
其中，平行光栅是最常见的一种，它的光栅线平行于光栅表面。
圆柱光栅的光栅线沿着圆柱体的表面排列，球面光栅的光栅线则沿着球面排列。
光栅透射型是指光线从入射侧穿过光栅，然后被透射出来。
光栅透射型的结构包括刻蚀光栅、全息光栅和光纤光栅等。
刻蚀光栅是最常见的一种，它的光栅线垂直于光栅表面。
全息光栅是通过激光干涉技术制作的，它可以实现更高的光栅效率和更宽的工作波长范围。
光纤光栅是将光栅结构集成在光纤中，可以实现对光纤中的光进行调控。
二、光栅的工作原理光栅的工作原理基于衍射现象。
当平行光线照射到光栅上时，光栅的周期性结构会使光线发生衍射，产生多个衍射波。
根据光栅的衍射规律，可以得到以下几个重要的特点：1. 衍射级次：光栅的衍射波可以分为不同级次，其中0级衍射波是垂直于光栅表面的主衍射波，其它级次的衍射波则偏离主衍射波方向。
不同级次的衍射波在空间中形成一系列亮暗交替的衍射条纹。
2. 衍射角：衍射波的方向与入射光线的夹角称为衍射角。
根据衍射公式，衍射角与入射光的波长和光栅常数有关。
通过调节光栅常数或改变入射光的波长，可以改变衍射角，实现对光的分光和波长选择。
3. 衍射效率：光栅的衍射效率是指入射光能够被衍射到特定级次的衍射波的能量占入射光能量的比例。
衍射效率取决于光栅的结构和工作波长。
光栅的设计和制备过程中，需要考虑如何提高衍射效率，以提高光栅的性能。
4. 光栅共焦：当入射光线的波长等于光栅常数时，各级次的衍射波将共焦于特定位置。
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➢热稳定性优于B-Ge光纤
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13.04.2020 光纤通信器件
光纤光栅的封装工艺与技术
（3）掺N2（氮气） ➢SPCVD过程中，加入0.1%氮气可使光敏性加倍 ➢折射率变化～2.8×10-3
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光纤通信器件
光纤光栅工作原理
三、光纤光栅的波长调谐技术
光纤光栅的波长调谐是指对制作好的光纤光栅 进行操作，通过不同物理效应改变光纤光栅的光栅 常数（栅距Λ）及光栅位置的折射率分布，使其反 射（或透射）波长产生一定的漂移量，以达到调谐 光纤光栅反射（或透射）波长的目的。
知识点回顾
光纤光栅：
用特定波长的激光以特定方式照射光纤，导致光 纤内部的折射率沿轴向形成周期性或非周期性的空间 分布，形成光栅结构，并且能精确控制谐振波长。
1. 纵向驻波写入技术(内部写入技术)
2. 横向全息写入技术 3. 相位掩模写入技术 4. 逐点曝光写入技术 5. 振幅掩模写入技术
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长周期光纤光栅的工作原理
当一束光在长周期光纤光栅中传输时，满足相位
匹配条件的特定波长的光由纤芯耦合进包层向前传播，
很快被衰减掉。这样在透射光谱图上就有一个损耗峰，
并且没有反射波。其他不满足相位匹配条件的波长，
基本上无损耗的在光纤纤芯中传播，从而实现波长选
择损耗特性。
mn01nclm
Λ为光栅周期，n01为纤芯模式 折射率，n(m)为m阶包层模式 的折射率。
1. 电磁调谐
将光纤光栅固定在磁致伸缩棒上，连同该磁致 伸缩棒置于均匀磁场中，磁致伸缩棒将磁力转化为 应力作用于光栅上，从而完成光纤光栅波长的连续 均匀调谐。103mT的磁场产生1.1nm的漂移量。
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光纤通信器件
光纤光栅工作原理
如何产生光纤光栅波长的非均匀调谐，即调谐 后为啁啾光纤光栅？
当一束宽谱带光波在光栅中传输时，入射光在相 应的频率上被反射回来，其余的不受影响从光栅的另 外一端透射出来。
光纤光栅起到了光波选频的作用，反射的条件称 为布拉格条件。由光纤光栅相位匹配条件得到反射中 心波长（布拉格波长）表达式：
B 2n
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光纤通信器件
光纤光栅工作原理
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光纤通信器件
光纤光栅工作原理
3. 机械调谐法 机械调谐法是基于折射率与应力的依赖关系。
各种纵向应力（使光纤光栅轴向拉伸或压缩）、横 向应力（使光纤光栅侧向弯曲）、扭转应力（使光 纤光栅产生形变）都可以实现光纤光栅的波长调谐。 基于机械方法实现调谐的不同途径，可以分为以下 几种： （1）轴向应力机械调谐 a. 梯度应变调谐
1. 掺杂光纤光敏性机理
➢掺杂物质与SiO2混合时形成的结构缺陷 ➢外界光场作用下通过单光子或双光子吸收过程使错位键破裂 形成色心
➢标准光纤：GeO2 ➢其它掺杂：Erbium（铒）, Europium（铕）, Cerium（铈） 2. 影响光纤光敏性的因素
➢掺杂种类与掺杂浓度
➢预制棒
➢拉纤速度影响光纤光敏性
➢光纤光敏性与曝光时所施加的应力有关
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光纤通信器件
光纤光栅的封装工艺与技术
3. 增加光纤光敏性的方法
（1）低温载氢处理 ➢压力：20~750atm(典型150atm)，温度：20~75℃， 时间：数十小时至数天 ➢形成Ge-H，Si-H，Ge-OH，Si-OH ➢有效增加标准单模光纤的光敏性 ➢标准单模光纤损耗增大 ➢光敏性变化大 ➢退火及老化处理
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光纤光栅的封装工艺与技术
4. 混合掺杂
（1）掺Boron（硼）
➢降低折射率，可提高Ge掺杂浓度
➢光纤的光敏性增加3倍
➢30min@400℃退火可使折射率变化减半
➢1500nm窗口付加损耗～0.1dB/m
➢双折射效应
（2）掺Tin（锡）
➢较B-Ge光纤的光敏性增加3倍
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光纤光栅工作原理
均匀FBG的反射特性
峰值反射率： Rma xtan 2khL
反射带宽：
neff
neff
B
由以上两式可知，光栅互耦合系数k（正比于折 射率调制深度）与长度乘积kL越大，则峰值反射率 越高；折射率调制深度越大，则反射带宽越宽。
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光纤光栅工作原理
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（2）高温载氢处理
➢在含氢1mol%环境下，使用CO2激光将光纤加温 至600℃ ➢短时间（10秒）内增加光纤的光敏性 （3）火焰热处理 ➢氢气火焰+少量氧气将光纤加热至1700℃ ➢持续20分钟 ➢光纤的光敏性增加10倍，折射率变化＞10-3 ➢高温对光纤造成损伤，引起可靠性等方面问题
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第四章 光纤光栅原理及应用
一、光纤光栅的工作原理
入 射 光
包 层
透 射 光
反 射 光
Λ
纤 芯
光纤光栅的最基本原理是相位匹配条件：
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β1、β2是正、反向传输常数，Λ是光纤光栅的
周期，在写入光栅的过程中确定下来。
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光纤光栅工作原理
光纤布拉格光栅(FBG)的工作原理
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光纤光栅工作原理
2. 热调谐法 热调谐法是基于折射率与温度的依赖关系，实
验证明：光纤布拉格光栅波长的温度灵敏度为0.011 nm/oC（或者0.015nm/oC ）。热调谐的方法可以使 光纤光栅波长的调谐量达到30nm，但是调谐温度不 易控制，容易受应力的交叉影响，而且热传递速度 缓慢决定调谐过程缓慢，以至于适用价值不是很大。
磁致伸缩棒置于非均匀磁场中，则磁致伸缩棒 表面不同位置产生的应力大小也不同，使得光纤光 栅上不同位置的栅格间距（光栅常数Λ）被拉伸或挤 压的程度也有区别，折射率变化程度也不一致，使 得原本均匀周期的光纤光栅变为非均匀周期的啁啾 光纤光栅。磁场梯度为23mT/cm时，带宽为0.92nm 的光纤光栅被调谐成1.63nm的啁啾光纤光栅。
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光纤光栅工作原理
长周期光纤光栅的光谱特点
包层
纤芯
基模至包层模的转换谱（ ˆ 是自耦系数，k是互耦系数）：
峰值转换率：
7
Tt2 1ˆ2si2n k2ˆ2 1k2
Tma xsi2 nkL
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光纤光栅的封装工艺与技术
二、掺杂光纤的光敏性