光纤光栅的特性
光纤布拉格光栅理念原理与技术特征
光纤布拉格光栅理念原理与技术特征
光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）是一种利用光纤中的
布拉格光栅实现光波频率选择与调制的技术。它在光通信、传感器等领域
具有广泛的应用。本文将从原理和技术特征两个方面来详细介绍光纤布拉
格光栅技术。
光纤布拉格光栅的原理可追溯到布拉格散射理论。布拉格散射是指当
一束光波经过一个均匀光周期结构时，会在每个周期出现反射或透射，形
成和入射光波相干的反射光波。布拉格光栅是一种具有空间周期结构的光
学元件，由一系列等距离的折射率变化组成。光纤布拉格光栅则将布拉格
光栅结构移植到了光纤中，形成了一种具有周期性折射率变化的光纤元件。
光纤布拉格光栅一般采用两种方法制备，即直写法和光干涉法。直写
法是指通过高能激光束直接照射在光纤的芯部，通过光纤材料的光学非线
性效应和热效应来形成布拉格光栅结构。光干涉法是指将两束光波通过干
涉结构产生干涉现象，经过光纤芯部后，在折射率变化的作用下形成布拉
格光栅。
1.高可靠性：光纤材料的插入损耗低，与光纤之间的耦合效率高，使
得光纤布拉格光栅具有较高的传输效率，并且能够长时间保持稳定的性能。
2. 宽带性：光纤布拉格光栅的制备工艺已经趋于成熟，能够制备出
能够覆盖整个光通信波段（1260~1650 nm）的宽带布拉格光栅。
3.稳定性：光纤布拉格光栅在光纤中的固定度较高，不易受到外界环
境的干扰，能够长时间稳定地工作。
4.温度和应变传感：由于光纤布拉格光栅的折射率与温度和应变有关，因此可以通过测量布拉格光栅的中心波长偏移来实现温度和应变的传感。
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。
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: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}{1ϕ
∂∂+∂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:
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}{1ϕ∂∂+∂Φ∂∂∂=Φ∇Φ
r r r r r t
…………………………………
啁啾光纤光栅特性及应用
啁啾光纤光栅特性及应用
光纤光栅是一种利用光纤中的周期性折射率变化来实现光的分布式反射和耦合
的光学器件。它可以通过改变光纤中的折射率分布来实现光的选择性反射和耦合，从而实现光的分布式传输和处理。光纤光栅具有许多优良特性和广泛的应用领域。
1. 特性：
光纤光栅具有很多特殊的特性，使其在光学器件中得到广泛应用。
（1）完全内反射：光纤光栅可以实现光的完全内反射，使光在光纤中分布非常均匀，降低光线的损耗和失真。
（2）波长选择性耦合：利用光纤光栅的周期性折射率变化，可以实现对特定波长的光线的选择性耦合，使光纤光栅成为波分复用和光通信中的重要组件。
（3）光纤传感：光纤光栅可以通过改变光纤中的折射率分布来实现对光线的敏感性，可以用于测量温度、压力、形变等物理量的传感器。
（4）光谱分析：光纤光栅可以通过对光在光纤中的反射和耦合的特性进行分析，实现光谱分析和光谱测量。
2. 应用：
光纤光栅具有广泛的应用领域，以下是其中一些典型的应用。
（1）光通信：光纤光栅在光通信中有广泛的应用，可以用于实现波分复用、光纤传感、光纤光栅滤波器等。比如，光纤光栅滤波器可以实现波分复用中的光信号的分离和提取，提高光通信系统的传输性能。
（2）光纤传感：利用光纤光栅的敏感性，可以实现对温度、压力、形变等物理量的测量。光纤光栅传感器具有实时、分布式和高精度等特点，被广泛应用于工业、环境监测、化学生物等领域。
（3）光谱分析：光纤光栅可以通过对光谱的分析，实现对光信号的光谱分析和光谱测量。光纤光栅光谱仪可以用于光谱分析、化学测量、生物医学等领域。
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
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。
光栅的特性及应用
光栅的特性及应用
一、光栅的基本特性
光栅主要有四个基本性质:色散、分束、偏振和相位匹配，光栅的绝大多数应用都是基于这四种特性。
光栅的色散是指光栅能够将相同入射条件下的不同波长的光衍射到不同的方向，这是光栅最为人熟知的性质，它使得光栅取代棱镜成为光谱仪器中的核心元件。光栅的色散性能可以由光栅方程推导出来，这个问题我们将在后面作更为详细的分析，推导出光栅的广义色散公式。
光栅的分束特性是指光栅能够将一束入射单色光分成多束出射光的本领。应用领域有光互连、光藕合、均匀照明、光通讯、光计算等。其性能评价指标有:衍射效率、分束比、压缩比、光斑非均匀性以及光斑模式等。目前较常用的光栅分束器有:Dammann光栅分束器、Tablot光栅分束器、相息光栅分束器、波导光栅分束器等。另外，位相型菲涅耳透镜阵列分束器、Gbaor透镜分束器等透镜型的分束器也是相当常用的。
在标量领域范围内，光栅的偏振特性往往被忽略，因此，光栅的偏振性在以前不被人广知。但是理论和实验都证明，一块设计合理、制作优良的光栅可以被用来做偏振器、1/2波片、1/4波片和位相补偿器等。光栅的偏振特性需要用光
栅的矢量理论才能分析得到，我们将在后面章节对光栅的偏振特性进行理论分析。
光栅的相位匹配性质是指光栅具有的将两个传播常数不同的波祸合起来的本领。最明显的例子是光栅波导祸合器，它能将一束在自由空间传播的光束祸合到光波导中。根据瑞利展开式，一束平面波照射在光栅上会产生无穷多的衍射平面波，相邻衍射波的波矢沿x方向的投影之间的距离是个常数，等于光栅的波矢，即平面波可以看作是电磁波在无源、均匀媒质中的一种模式，因此光栅有能力把波矢沿着固定方向而投影相差光栅波矢整数倍的不同平面波耦合起来。
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。
光纤光栅法
光纤光栅法
光纤光栅法是一种基于光纤光栅技术的测量方法，主要用于测量物体的位移、应变、温度等物理量。光纤光栅是一种在光纤中通过光栅刻蚀技术形成的周期性结构，具有对光的相位和强度敏感的特性。通过测量光栅反射光强度随外界物理量的变化，可以实现对被测量的位移、应变、温度等参数的测量。
光纤光栅法的主要应用领域包括航空航天、土木建筑、能源电力、交通运输、生物医学等。在航空航天领域，光纤光栅法可以用于飞机结构的在线监测，以检测飞机结构的位移、应变、温度等参数；在土木建筑领域，光纤光栅法可以用于桥梁、隧道、高层建筑等结构的在线监测，以检测结构的位移、应变、温度等参数；在能源电力领域，光纤光栅法可以用于发电机、变压器、输电线路等设备的在线监测，以检测设备的位移、应变、温度等参数；在交通运输领域，光纤光栅法可以用于汽车、火车、飞机等交通工具的在线监测，以检测交通工具的位移、应变、温度等参数；在生物医学领域，光纤光栅法可以用于人体组织的位移、应变、温度等参数的测量，以实现对疾病的早期诊断和治疗。
光栅光纤
光栅光纤温度传感器
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。传感器，是属于光纤传感器的一种，基于光纤光栅的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格（Bragg ）波长的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器。Bragg 光纤光栅是指单模掺锗光纤经紫外光照射成栅技术而形成的全新光光纤型Bragg 光栅，成栅后的光纤纤心折射率呈现周期性分布条纹并产生Bragg 光栅效应，其基本光学特性就是以共振波长为中心的窄带光学滤波器，满足如下光学方程：
nA b 2=λ
式中：为Bragg 波长，A 为光栅周期，n 为光栅模式的有效折射率。
光纤光栅温度检测系统主要是由光栅光纤解调器（宽带光源、光纤耦合器、波长的监测与处理)、光纤光栅传感器，传输用的光纤，光栅光纤解调器用于对光纤光栅传感器的信号检测和数据处理，以获得测量结果，传输光纤用于传输光信号，光栅光纤传感器主要用于反射随温度变化中心波长的窄带光，如图所示：
光栅光纤传感器一般利用掺杂锗、磷等光栅的光敏性，通过某种工艺方法使外界入射光子和纤心内的掺杂例子相互作用导致纤心折射率沿纤轴方向周期或非周期行的永久变化，在纤心内形成空间相位光栅。光纤光栅解调器主要是检测光纤光栅相应波长的移动当外界温度发生变化时，引起光纤光栅耦合波长移动，通过测量波长的移动来对温度进行检测。
光纤光栅特性及其在光通信中的应用
（Ａ Ｍ ＯＤ ）、光滤波 器 、色散 补偿器 等光 通信 关键 元件 中有着 重要 的应 用 ［— １ ６ ，在光 通 信发展 中 同样 起着 重要 的作 用 。 ］ １光 纤光曩 的 光学特 性 光 纤光栅 是 利用光 纤材 料 的光 敏性 （ 界入射 光 子和 纤芯 内锗 离子 相 外 互 作用 引起 折射 率 的永久 性 变化 ） ，在纤 芯 内形 成空 间相 位 光栅 ，其 作 用 实 质上 是在 纤心 内形 成 一个 窄带 的 （ 透射 或 反射 ）滤 波器 或 反射 镜 。光 纤 光 栅的Ｂ ａｇ ｒｇ 反射 波长 可表 示为 ： 日＝２ 。人 。 五 ｎ 其 中 ｎｆ为光 纤 的有效 折射 率 ；Ａ为 光纤 光栅 周期 。如 果折 射率 按正 ｅ 弦规 律变 化 ，反 射频 谱的 带宽 △ 可 以表 示为
图２ ２ 定 向耦合 器 型光纤 光栅滤 波器 ×２
输出
基 于２ 定 向耦 合器 型光 纤 光栅 滤 波器 原 理 ：当入 射 波长 远 时 ， ×２ 该滤波 器 与普 通２ 定 向耦合 器一 样 ，即 将光 纤 １ ×２ 中的光 波耦 合 到光 纤２ 、
３ｈ ｈ传输 ，然后 从其 输 出端输 出 ；当入射 波长 接近 时 ，入射光 从光 纤１ 耦
【 高新技术产业发展 】
鹱一
光 纤 光 栅 特 性 及 其 在 光 通 信 中 的 应 用
光纤光栅和分布式光纤
光纤光栅和分布式光纤
一、光纤光栅技术
光纤光栅是一种通过在光纤中引入周期性的折射率变化或反射率变化而产生的光学元件，
具有很好的传感性能和调制特性。光纤光栅可以分为两种类型：反射型和透射型。反射型
光栅和透射型光栅的基本原理如下：
1. 反射型光栅
反射型光栅是通过在光纤的芯片中引入周期性的折射率变化来实现的。当光信号通过光纤
光栅时，会被反射并发射出去。反射型光栅的工作原理是利用入射光与光栅的折射率变化
的相互作用来实现光的反射和传输。通过调节折射率变化的周期、幅值和相位等参数，可
以实现对入射光信号的调制和控制。
2. 透射型光栅
透射型光栅是通过在光纤的芯片中引入周期性的反射率变化来实现的。当光信号通过光纤
光栅时，会被反射或透射。透射型光栅的工作原理是利用入射光与光栅的反射率变化的相
互作用来实现光的透射和传输。通过调节反射率变化的周期、幅值和相位等参数，可以实
现对入射光信号的调制和控制。
光纤光栅技术具有很好的传感性能和调制特性，被广泛应用于光通信、光传感、光学成像
等领域。其中，光纤光栅传感技术可以实现对光信号的高精度测量和控制，广泛应用于温度、压力、应变、光谱等物理量的测量。
二、分布式光纤技术
分布式光纤技术是一种通过在光纤中引入周期性的光反射点或光散射点来实现的光学传感
技术，可以实现对光信号沿光纤长度的实时监测和控制。分布式光纤技术主要有两种类型：光时间域反射分布式光纤传感技术（OTDR）和分布式光栅传感技术。它们的基本原理如下：
1. 光时间域反射分布式光纤传感技术（OTDR）
OTDR技术是利用脉冲光激发光纤中的散射光信号，通过检测和分析光信号的时间延迟和
如何进行光纤光栅的特性测试
如何进行光纤光栅的特性测试
光纤光栅是一种重要的光学器件，在光通信和传感领域有着广泛的应用。为了确保光栅的性能和质量，特性测试是必不可少的一项工作。本文将介绍如何进行光纤光栅的特性测试，包括光栅的光谱特性、反射特性和传输特性。
一、光栅的光谱特性测试
光栅的光谱特性是指光栅对入射光的谱响应情况。通过测量光栅在不同波长或频率下的反射光和透射光的功率谱，可以了解光栅的光谱特性。
在进行光谱特性测试时，需要使用一台高精度的光谱仪。将光栅安装在适当的平台上，并保持稳定。通过调整入射光的波长或频率，并记录反射光和透射光的功率，即可得到光栅的光谱特性曲线。
光栅的光谱特性曲线通常表现为频率或波长与反射光、透射光功率的关系。根据测得的光谱特性曲线，可以评估光栅的谐振峰宽度、谐振峰间隔和透射带宽等参数。光栅的光谱特性测试可以帮助我们了解光栅的滤波性能和散射特性，为后续的应用提供基础数据。
二、光栅的反射特性测试
光栅的反射特性是指光栅对入射光的反射效果。通过测量光栅的反射率和反射光的波长分布，可以了解光栅的反射特性。
在进行反射特性测试时，同样需要使用一台高精度的光谱仪。将光栅与一束入射光垂直放置，并调整入射光的波长。同时记录反射光的功率，并根据光谱仪的波长分辨率得到反射光的波长分布。
通过分析反射特性曲线，可以计算出光栅的反射率、反射带宽和反射峰值等参数。此外，还可以测量光栅的反射光的偏振状态，了解光栅对不同偏振光的反射效
果。反射特性测试可以帮助我们了解光栅的反射效率和反射频率范围，为光学系统的设计和优化提供参考。
第9章 光纤光栅
光纤光栅
1
3
1978年，加拿大Hill 等人使用如左图所示的实验装置将
488nm（后来他人用514.5nm）的氩离子激光注入到掺锗光纤中，首次观察到入射光与反射光在光纤纤芯内形成的干涉条纹场而导致的纤芯折射率沿光纤轴向的周期性调制，从而发现了光纤的光敏特
性，并制成了世界上第一个光纤布拉格光栅（FBG ）。
FBG是在光纤纤芯内形成的空间相位光栅，通过光栅前向传输的模式与后向传输的模式之间发生耦合，而使前向传输的模式的能量传递给后向传输的模式，形成对入射光波的反射。其反射波长即布拉格波长为λ
B
=2n effΛ，
其中，Λ为光栅周期，n
eff
为纤芯等效折射率。
输入谱传输谱反射谱应变引起波长移动
I I I
4
二、光纤光栅的写入方法
用掺杂光纤制作光栅的方法主要有内写入法和外写入法。
内写入技术是一个全息制作过程，它利用光在纤芯内传播时形成驻波所产生的双光子吸收的原理。
外写入技术则主要有相位掩模法、逐点写入法、干涉法、成栅技术等。
内写入法
利用菲涅尔反射，使得反射光与入射光在适当条件下干涉，在纤芯
内部形成驻波。由于光致折射效应，在沿光纤长度的方向通过曝光可以
诱导出周期性的折射率变化形成光栅。
这样制作的光栅，曝光时对装置的稳定性要求很高，得到的折射率
的变化较小，仅为10-6，而且Bragg波长不易改变。由于该技术的写入
效率低，写入的Bragg波长受激光写入波长限制等原因，制作的光栅性
能太差，所以该方法已较少使用。
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四、应变和温度的同时测量
1、温度减敏和补偿封装
①由于光纤光栅对应力和温度的交叉敏感性，在实际应用中，经常在应力传感光栅附近串联或并联一个参考光栅（只感受温度变化），用于消除温度变化的影响。这种方法需要消耗更多的光栅，增加了传感系统的成本。
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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: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}{1ϕ
∂∂+∂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)
)(1z A 则表示与),(1y x φ相联系的全部随z 变化的关系。本节讨论省去了所有对结论无影响的)exp(t j ω的因子。
其中),(1y x φ满足方程：0}),({2
2202=-+∇l t aver t y x n k φβ…………………………(2.4)
将∑⋅=
Φl
l l
A
φ代入2.1中，并利用2.4消去含有l t φ2∇的项，并按模式耦合理论的一般方法
进行处理,化简时略去高次项,则可以得到一个正向传输模与同一反向传输模间的模式耦合方程:
)2exp(2)2exp(21111z i a D
dz da z i a D
dz da ββ
ββ
--=-=--……………………………………………（2.5）
ηφφβ
βaver aver A A aver n n n ik dA dA
n n ik D co
2)()(222
202
22
220-=-=⎰
⎰∞
…………………………(2.6) 其中dA
dA
A A co
⎰⎰∞
=
2
2
φ
φ
η…………………………………………………………（2 .7）
是芯层中的功率百分比。在阶跃折射率剖面光纤中,基模可以用高斯函数近似代替,代入2.7式中得：21
1V
-
=η，其中V 为光栅的结构常数。
其中βββ=-=-11 为传播常数。根据射线理论，光纤中模场的传播常数
λπβ/2n =。在单模光纤中n 近似等于原纤芯折射率)0(1n 。
由于)cos(222
2
222z n n n n n n n n n n n n n n aver aver aver
aver aver
aver aver aver aver θ∆=-=-≈-=-……（2.8） 其中：Λ
=π
θ2 所以
)cos(2)cos(20z n i z n ik D θηλ
πθηβ∆=∆=……………………………………(2.9) 令耦合系数ηλ
π
n C ∆=
………………………………………………………………(2.10) 将2.8,2.9代入2.5和2.6得：
)
2exp()cos(2)
2exp()cos(21111z i z a C i dz
da z i z a C i dz da βθβθ⋅-=⋅-=--………………………………………………（2.11）
又)(21)2cos()cos(22Λ-Λ+=Λ=π
π
πθi i e e z z 代入2.6，并省略高次项])(2exp[z i βπ
+Λ
则 ]2exp[]2exp[11
11
z i a iC dz
da z i a iC dz
da ββ∆-⋅-=∆⋅-=--………………………………………………………（2.12）
其中Λ
-
=
∆π
ββ
设折射率扰动区间)(2,1Z Z ,长度为L ，不难得到边界条件：在1Z 处L ＝0，1)0(1=a ，在2Z 处，0)(1=-L a 。利用此边界条件，可解出方程2.7
)]
(sinh[)]cosh()[sinh()
exp()()]}
(cosh[)](sinh[{)]
cosh()sinh([)
exp()(11L z S SL iS SL z i C Z a L z S iS L z S SL iS SL z i Z a --∆-⋅=-+-∆-∆∆-=
-ββββ(2.13)
其中：2
2
2
β∆-=C S
因此得到端口处( z = 0) 当2
2
β∆≥C 时入射光的反射率为：
)
(cosh )(sinh )
(sinh )0()0(),(2222222
11SL S SL SL C a a L R +∆==-βλ…………………………… (2.14)
当0=∆β，即Λ=n 2λ时，满足相位匹配条件，2.9可以化为：
)(tanh 2max CL R =
当2
2β∆ QL k QL C a a L R 2 22222 11cos )(sin )0()0(),(-∆==-βλ…………………………………………（2.15） 其中2 2 2 C Q -∆=β