第7章 光纤光栅
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
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。
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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。
光纤光栅原理
光纤光栅原理
光纤光栅是利用物理光学原理将光纤中的光子转换成特定的频域信号，从而实现无损传输信号、提高系统、应用等性能。
它是一种比较新型的光学元件，具有高灵敏度、高信噪比和高带宽等优点，因此广泛地应用于通信和技术应用领域。
光纤光栅可以分为两种：偏振光纤光栅和非偏振光纤光栅。
偏振光纤光栅是一种能够将偏振光子转换成振动能量的光学元件，可以用来传输偏振光子，它是一种手性受控的元件，可以有效抑制由偏振失实引起的灰度缩放效应。
非偏振光纤光栅是一种光学元件，它能够将非偏振光子转换成电信号，可以有效地扩展信号的传输距离，并具有很高的信噪比，对于具有高速传输需求的系统而言，非偏振光纤光栅是最理想的选择。
光纤光栅的基本原理是光纤光栅是一种特殊的光学元件，它可以中继由光子传输的信号，并将其转换成电信号，从而可以实现无损信号传输、提升系统性能和应用性能。
光纤光栅基本上是由一个光栅尺（也可以叫做光栅），一个光纤和一个检测器组成的，这个光栅尺的位置会发生微小的振动，当光子在光栅尺上经过时，会产生振动，然后由检测器检测出来，这种波形的变化微小，但是可以显著地改善光纤传输的性能。
此外，光纤光栅也具有良好的适应性和灵活性，可以根据实际应用中的需求，对光纤光栅进行优化，以提高系统性能，提升应用性能。
因此，光纤光栅被越来越多地应用在通信技术、汽车电子、空间技术、
军事等众多领域。
总之，光纤光栅是一种物理光学原理，可以将光子转换成特定的频域信号，从而实现信号的无损传输、提高系统性能和应用性能。
它的优点是高灵敏度、高信噪比和高带宽；缺点是价格相对较高。
光纤光栅的广泛应用可以使各类电子系统得到极大的提升。
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。
光纤光栅的应用及原理图
光纤光栅的应用及原理图1. 光纤光栅的概述光纤光栅（Fiber Bragg Grating）是一种利用光纤的光栅结构对特定波长的光信号进行选择性反射的光学元件。
它具有许多优点，如光栅周期可调、紧凑、低损耗、可靠性高等，因此在光通信、光传感、激光器和光纤传感等领域有广泛的应用。
2. 光纤光栅的应用领域光纤光栅在多个领域中得到广泛应用，下面将介绍其中的一些主要领域。
2.1 光纤通信光纤光栅在光纤通信领域中起到重要的作用。
通过光纤光栅可以实现光信号的滤波、波长选择，提高光纤通信系统的传输性能和稳定性。
光纤光栅还可以用于光纤传感和信号调制等应用。
2.2 光纤传感光纤光栅可用于各种光纤传感应用，如温度传感、压力传感、应变传感等。
通过测量光纤光栅中反射的光信号的波长或强度变化，可以实现对环境参数的监测和测量。
2.3 激光器光纤光栅在激光器中广泛应用。
通过光纤光栅可以实现激光器的波长选择和模式控制，提高激光器的性能和稳定性。
光纤光栅还可以用于激光器的频率锁定和频率稳定等应用。
2.4 生物医学光纤光栅在生物医学领域中有重要的应用。
它可以用于生物体内的光纤传感，如检测血压、心率等生理参数。
光纤光栅还可以用于光学成像和光学治疗等应用。
3. 光纤光栅的工作原理光纤光栅的工作原理基于光的干涉效应和衍射效应。
当光信号传输到光纤光栅中时，部分光信号会被光栅的周期结构反射或透射。
光纤光栅的周期性折射率变化会引起光信号的光程差，从而产生干涉现象。
通过调节光纤光栅的周期，可以选择性地反射或透射特定波长的光信号。
4. 光纤光栅的原理图下图是光纤光栅的简化原理图：_______________| |Input ---> | 光纤光栅 | ---> Output|_______________|图中，“Input”表示输入的光信号，“Output”表示输出的光信号。
光纤光栅通过光信号的反射或透射实现对特定波长的选择性。
5. 总结光纤光栅作为一种重要的光学元件，具有广泛的应用前景。
光纤光栅的工作原理
光纤光栅的工作原理
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反射、吸收或传输的光学元件。
其工作原理基于光在光纤中的传播和与光纤中的周期性折射率变化相互作用。
光纤光栅一般由一段光纤中的折射率周期性变化的区域组成。
这种周期性折射率变化可以通过在光纤中引入周期性的折射率变化或者对光纤进行一定的处理来实现。
这样，光纤光栅中的折射率会周期性地增大或减小。
当光线进入光纤光栅中时，它会受到光纤中折射率的周期性变化的影响。
根据光的本征性质，只有当光的入射角等于光纤光栅中某个特定波长的布拉格反射角时，光才能被光纤光栅反射。
换言之，光线与光纤光栅中的折射率变化发生布拉格散射，并被反射出来。
根据布拉格散射的原理，被反射的光的波长和入射波长满足布拉格散射公式：2sinθ = mλ，其中θ为反射角，m为整数，λ
为光的波长。
因此，通过合理设计和制造光纤光栅的折射率周期性变化，可以实现对特定波长的光进行选择性反射。
这一特性使得光纤光栅在光通信、光谱分析、传感器等领域有着广泛的应用。
除了反射，光纤光栅还可以实现光的吸收和传输。
通过调整光纤光栅的折射率分布，可以改变光线传输的路径和强度分布，实现对光的吸收和调控。
综上所述，光纤光栅利用光纤中的周期性折射率变化来实现对光的反射、吸收和传输。
通过精确控制光纤光栅的折射率变化，可以实现对特定波长的光的选择性反射，并且还可以调控光的传输路径和强度分布，从而实现光信号的处理和调控。
光纤光栅结构
光纤光栅结构
光纤光栅结构：光纤纤芯、光纤包层、外包层以及折射率周期变化;它们是构造光纤光栅的主要结构。
光纤光栅的原理：光纤光栅是通过光敏性材料将外界射入光纤内部的光线与内部的纤芯所含有的离子混杂，发生互相作用，使患上光纤线芯产生折射，致使其折射的变化周期有了波动(或者呈规律性波动，或者呈不规律性波动)，在光纤光栅的内部构成1个相对于而言的栅位，使其充当1个狭小的滤光器或者者反射器，至于究竟是反射器仍是滤光器，这要取决于这个窄带究竟起的是投射仍是反射的作用。
光纤光栅是1种通过必定法子使光纤纤芯的折射率产生轴向周期性调制而构成的衍射光栅，是1种无源滤波器件。
因为光栅光纤拥有体积小、熔接消耗小、全兼容于光纤、能埋入智能材料等优点，并且其谐振波长对于温度、应变、折射率、浓度等外界环境的变化比较敏感，因而在光纤通讯以及传感领域患上到了广泛的利用。
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。
光纤光栅的结构组成及原理
光纤光栅的结构组成及原理光纤光栅是一种用于光纤通信和光纤传感器等领域的关键器件，具有在光纤中生成光子晶格，实现光波衍射和光传输控制的能力。
其结构组成主要包括光纤、光栅及反射镜等部分。
下面将详细介绍光纤光栅的结构组成和工作原理。
光纤光栅的主要结构组成包括光纤、光栅及反射镜等部分。
（1）光纤：光纤是光纤光栅的基础材料，一般由二氧化硅（SiO2）等材料制成。
光纤的核心是一条细长的光导波导，用于传输光信号。
光纤具有高纯度和透明度好的特点，能够有效地抑制光信号的衰减和传输损耗。
（2）光栅：光栅是光纤光栅的核心部分，由一系列周期性变化的折射率形成。
光栅一般由光纤纵向沿着一定间隔刻蚀或局域增或者减材料的方式制作而成。
常见的刻蚀方法有光纤短脉冲激光和激光干涉技术等。
通过调控光栅的周期和折射率，可以实现对光波的衍射和传输控制。
光栅的周期一般在纳米级别，可以提供极高的分辨率和控制能力。
（3）反射镜：光纤光栅一端通常与反射镜相连，用于反射光信号并引导光信号进入光纤光栅中。
反射镜一般由高反射率的薄膜材料制成，具有良好的反射能力。
通过调整反射镜的位置和角度，可以实现对入射光信号的控制和调制。
光纤光栅的工作原理主要涉及光波衍射和光传输控制两个方面。
在光波衍射方面，当光波穿过光栅时，光波会与光栅产生相互作用，其中一部分光波会被散射、折射或反射，形成多个衍射波。
这些衍射波会相互干涉，形成一定的光传输特性和衍射谱。
通过调整光栅的周期和折射率，可以控制衍射波的方向和干涉强度，实现对光信号的调制和控制。
在光传输控制方面，光纤光栅的光栅结构可以起到光波传输的控制作用。
光栅的周期性变化可以引起光波传播速度的周期性变化。
当光波经过光栅时，会受到光栅引起的相位变化和模式耦合效应的影响，从而控制光波的传输和耦合行为。
通过适当调整光栅的参数，可以实现对光波的衍射调制、透射特性的改变以及不同模式的耦合和传输等。
总之，光纤光栅通过光纤、光栅和反射镜等部分的协同作用，实现对光波的衍射和传输控制。
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
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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。
光纤通信系统-光栅
S = K K ( / 2)
*
2 2
2
Rmax = tanh ( K L) = tanh ( nL / lB )
设两列波沿着同一方向传播，其传播常数分别为β0和β1，
如果满足布喇格相位匹配条件：
2 0 1 =
波中去。
（7.7）
其中Λ为光栅周期， 则一个波的能量可以耦合到另一个
前向和后向两种模式间的耦合波方程为
dA+ dz = iKA exp( i z ) dA = iK * A+ exp( i z ) dz
A+(0)=1、A-(L)=0
解耦合方程可得光纤光栅的反射率为
A ( 0) K * Ksh2 ( SL ) R= = 2 2 A+ (0) S ch ( SL ) + ( / 2) 2 sh 2 ( SL )
线性啁啾光栅 （折射率沿光栅轴向周期性变化,有 较宽反射带构成宽带滤波器,用于色 散补偿）
Taper型光栅 （ 消除折射率突变,反射谱不存在 旁瓣构成各种滤波器、波长变换 器和OADM）
Moire型光栅 （有效抑制了旁瓣效应,存在多个 透射窗口构成滤波器、色散补偿 器和信道选择器）
2 n( z cosq ) = n0 + n 1 + cos( z cosq L0
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。
光纤光栅原理
光纤光栅原理光纤光栅是一种利用光纤和光栅结构相结合的光学器件，它可以实现对光信号的调制、解调和滤波等功能。
光纤光栅原理的研究和应用已经成为光通信、光传感等领域的热点之一。
本文将对光纤光栅的原理进行详细介绍，以便读者更好地理解和应用这一技术。
光纤光栅的原理主要涉及到光纤和光栅两个方面。
首先，我们来看光纤的作用。
光纤是一种能够传输光信号的细长光导纤维，它具有低损耗、大带宽、抗干扰能力强等优点。
光纤光栅利用光纤的这些特性，可以实现对光信号的长距离传输和精确控制。
其次，光栅是光学中的一种重要元件，它具有周期性的折射率变化结构，可以对光信号进行衍射和干涉，实现光波的频率选择和空间调制。
在光纤光栅中，光纤起到了光传输的作用，而光栅则起到了光信号的调制和解调作用。
光纤光栅的工作原理可以简单描述为，当光信号进入光纤光栅时，首先经过光纤的传输，然后进入光栅结构，在光栅的作用下，光信号会发生衍射和干涉现象，进而实现对光信号的调制和解调。
通过改变光栅的周期、折射率变化等参数，可以实现对光信号的频率选择和相位调制，从而实现对光信号的精确控制。
光纤光栅的原理虽然看似复杂，但其实质是基于光学原理和光纤特性的相互作用。
在光纤光栅中，光纤和光栅相互配合，共同完成对光信号的处理和控制。
光纤光栅的原理不仅可以应用于光通信领域，还可以应用于光传感、光谱分析等领域，具有广泛的应用前景。
总之，光纤光栅是一种重要的光学器件，其原理涉及光纤和光栅两个方面，通过光纤的传输和光栅的调制，可以实现对光信号的控制和处理。
光纤光栅的原理不仅具有理论意义，还具有重要的应用价值，对于推动光通信、光传感等领域的发展具有重要意义。
希望本文对读者对光纤光栅的原理有所帮助，也希望能够引起更多人对光纤光栅技术的关注和研究。
光纤光栅工作原理
光纤光栅工作原理
光纤光栅是一种通过周期性的折射率变化来调制和操控光信号的装置。
它通过在光纤中引入一定间隔的折射率变化，使得光信号在光栅区域内发生衍射和干涉，从而实现光的调制和传输。
光纤光栅的工作原理基于光的衍射和干涉效应。
当光信号经过光栅区域时，光波会与光栅的周期性折射率变化发生相互作用。
这种相互作用导致光波被分成多个不同波矢的分波，并且这些分波之间会相互干涉。
光纤光栅中最常见的一种类型是光纤布拉格光栅，它的工作原理是利用布拉格衍射。
在布拉格光栅中，光信号经过光纤表面的周期性折射率变化时，会产生由Brillouin区反射的衍射光。
当输入波长满足波矢的布拉格条件时，光信号会被布拉格光栅反射到特定的角度，从而实现光信号的反射和传输。
另一种常见的光栅类型是光纤长周期光栅。
与布拉格光栅不同，长周期光栅的折射率变化周期较长，通常在几毫米到几厘米的量级。
它通过对光的相位进行调制，从而实现光的传输和调制。
长周期光栅通常用于光纤滤波器、传感器和其他光学器件中。
总结来说，光纤光栅利用光的衍射和干涉效应来调制和操控光信号。
通过调节光栅的折射率变化周期和幅值，可以实现对光信号的控制和调制。
这种特性使得光纤光栅在光通信、光传感和光学器件等领域有着广泛的应用。
光纤光栅的原理
光纤光栅的原理
光纤光栅是一种利用光纤中的光学相互作用产生的特殊结构。
它由一系列等间距的折射率变化组成，用于操控光波的传播和耦合。
光纤光栅的原理基于光的干涉效应和光纤的光栅效应。
在光纤中引入一定的折射率变化，可以导致光波的反射、折射和耦合等现象。
这种折射率变化可以通过各种方法实现，如热处理、紫外辐照、光刻等。
当光波传播过光纤光栅时，通过光纤与光栅之间的相互作用，光波与光栅之间产生干涉。
这种干涉效应可使得光波在光栅中发生反射和透射。
反射光波将返回原来的传播方向，而透射光波则继续向前传播。
光纤光栅的关键在于折射率的变化。
通过调整光栅中的折射率和折射率变化的情况，可以控制光波在光栅中的传播特性。
例如，光栅中的折射率变化可以使得某个特定波长的光波发生衍射，即只有这个特定波长的光波会被传播或反射，其余波长的光波则被抑制或衰减。
光纤光栅有着广泛的应用，包括光通信、光传感、光谱分析等领域。
它可以实现对光波的分析、调制、调制和过滤等操作，同时具有体积小、重量轻、灵活性强等优点。
因此，光纤光栅在光纤通信和光学传感等领域中有着重要的应用前景。
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光纤光栅的应用实例：
• 半导体激光器：在输出部分加Bragg单模激光 • 光纤激光器：波长相同的Bragg可以形成腔镜，提供波长 选择反 馈。 • 光纤放大器：反射泵浦,增益平坦,增益锁定等功能 • 光纤滤波器：基本滤波器、干涉带通滤波器、F-P滤波器， 内耦合器Bragg光栅滤波器 • 波分复用/解复用器 • 色散补偿：啁啾光纤光栅色散补偿 • 光学信息补偿：作为相位调节器，光学Fourier变换器和 相位阵列天线 • 光纤传感器：波长编码，绝对测量，可检测应力、应变、 温度、压力、振动、磁场、电流等学院 11
光纤光敏性分析（2）
• 虽然Ge原子与Si原子同为四价元素，可以代替Si原子在石 英玻璃中四面体中的位置，但是Ge的掺入仍将对石英玻璃 的分子结构产生干扰并不可避免地形成缺陷中心 ——色心。
• 包层发生了什么?
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光敏光纤
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光纤光栅在传感领域的应用
光纤光栅用于智能结构（smart structure）和光纤传感器， 主要用于结构内部应变、压力、温度、振动、载荷疲劳、结 构损伤等参数的监测。光纤传感器优点： 1、抗干扰能力强：普通传输光纤不会影响光波的频率特性 (忽略非线性效应)；光源强度的起伏、光纤微弯效应引起的
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载氢增敏技术（1）
• 1、载氢增敏技术 1993年 AT &T Bell实验室的P. J. Lemaire发明了掺锗光纤 的载氢增敏技术。 掺锗3％光纤被放入气压为2.0-76MPa，温度为20－75℃ 的氢气中，形成载氢光纤。 载氢光纤在紫外光照射或加热时将引起氢气和掺锗石英光 纤之间产生化学反应，即H2分子在Si-O-Ge区发生变化， 形成与折射率有关的Ge-OH,Si-OH,Ge-H,Si-H等化学键和 缺氧锗缺陷中心，从而产生光致折射率变化，光敏性可提 高1－2个数量级，折射率变化提高两个数量级。还有载氘 光纤。
(n 2 2)(n 2 1) V R V n [ X 1] 6n V R V
• 玻璃的折射率变化不仅仅与玻璃吸收系数有关，还与体积 有关（光致密化和光致热膨胀效应）。
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光纤的光敏性
• 标准掺锗光纤中锗的含量是3％－5％，锗氧缺陷 很少，为了增加光纤的光敏性，需要提高锗的含 量；高掺锗光纤，折射率变化很小，不能满足对 光纤光栅的制作要求。
4、便于构成各种形式的光纤传感网络，尤其是采用波分复用 (WDM)技术构成分布式光纤光栅传感器阵列，进行大面积的 多点测量。 5、测量结果具有良好的重复性；
6、光栅的写入工艺己较成熟，便于形成规模生产（商品化）。
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二、光 纤光栅的发展历史
• 1978年，由加拿大通讯研究中心(CRC)的K.O. Hill.率先报道了光纤的光敏特性，利用驻波法制 造了第一支光纤光栅（FBG）。 • 1989年， G.Melts 报道了从光纤的侧面用激光干 涉曝光制作了光纤光栅（FBG），使光纤光栅得 到迅速发展。 • 1993年， K.O. Hill提出的相位掩模制造法使光纤 光栅的制造技术得到重大发展，使光纤光栅的大 批量制造成为可能（FBG）。
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• 色心模型认为，在紫外光照射下电子在不同位置上的重新 分布是掺锗石英光纤折射率改变的主要原因。 • 色心模型由于结构清晰，并得到很多实验事实的支持，可 给出光致折射率改变的数量级，模型还不完善。
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锗硅光纤的光敏性模型
2、密致模型
• 玻璃的光敏性不仅与玻璃中缺陷有关，在紫外光照射下光 纤材料中的局部应力和密度将发生变化。 • 掺锗石英玻璃的折射率与其密度呈线性关系，因此这种应 力和密度的变化被认为是光纤材料中光致折射率的一种可 能的机制－密致模型。
第7章 光纤光栅
一、光纤光栅的定义 二、光纤光栅的发展历史 三、光纤的光敏性 四、光纤光栅的写入方法 五、光纤光栅的光学特性 六、光纤光栅在光纤传感器中应用
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一、光纤光栅的定义
• 光纤在紫外光照射下产生的光致折射率变化的效 应，在纤芯上形成周期性的折射率调制分布，从 而对入射光中相位匹配的频率产生反射。
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根据光敏性光纤光栅分类
• ⅡA（Ⅲ）类光栅 –掺杂浓度较高（＞25mol% GeO2)的光纤内形成 –较高UV曝光量（＞500J/cm2)， –结构重构引起折射率变化 –折射率变化⊿n＜0 –温度稳定性较好（500℃） –可使脉冲或连续激光 • Ⅱ类光栅 –极高UV曝光量，瞬间局部温度达上千度 –物理破坏引起折射率变化(融化石英基质，物理性损伤） –折射率变化⊿n可达10-2 –温度稳定性好（800℃） –只能使用脉冲激光
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载氢增敏技术（2）
• 特别说明，载氢光纤形成的折射率变化是持久的，由于光 纤中存在未反应的氢，使光纤光栅的折射率随时间变化而 变化，引起紫外写入光栅的Bragg波长的变化。室温条件 下放置2个星期下降11％。
• 主要方法： （1）加速老化，用事后热处理来稳定波长； （2）载氢光纤先经均匀曝光处理再写入光栅。
三、光纤光敏性
• 所谓光敏性，就是指当材料被外部光照射时，引起 该材料物理或化学特性的暂时或永久性变化的一种 特性。 • 光纤光敏性通常是特指光纤纤芯折射率在外部光源 照射时发生改变的特性。在一定条件下，变化的大 小与光强成线性关系并可保存下来。 • 光纤光敏性是十分活跃的领域，是一个十分复杂的 过程，目前不能给出完全定量化的描述。其中，色 心理论是一个解释之一。 • 色心一般是指缺陷的吸收带，是导致光纤传输及光 敏性的重要原因。
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锗硅光纤的光敏性模型
• 这种色心缺陷粒子数的变化将永久地改变光纤的紫外吸收 谱，从而引起掺锗石英玻璃中引起折射率的改变，其改变 的具体数值如下式： • Kramers－Kronig关系：
( )d n( ) 2 0 '2
'
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光纤光栅的主要应用领域：
• 光纤光栅对光纤通信和光纤传感技术产生了重大影响,使 各种全光纤器件成为现实。它促进了光通讯容量的提高, 尤其是促进了WDM复用的迅速发展。 • 光纤光栅现在成为了光纤通信和光纤传感领域中必不可少 的基础性元件。
• 它作为高性能的滤波元件,在光纤光栅激光器、光纤放大 器、密集波分复用器(DWDM)、光分/插复用器(OADM)、 光交叉连接器(OXC)和偏振模色散补偿器等全光网络关键 元器件中获得了重要应用,在全光网络的发展中起着重要 作用。
随机起伏等都不可能影响传感信号波长特性。光纤光栅传感 系统具有很高可靠性和稳定性。
2、光纤光栅传感器是自参考的可以绝对测量，不必如基于
条纹计数的干涉型传感器那样要求初始参考。
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光纤光栅在传感领域的应用
3、传感探头结构简单、尺寸小(其外径与光纤本身等同)，适 于各种场合，尤其是智能材料和结构。便于埋入复合材料构 件及大型建筑物内部，对结构的完整性、安全性、载荷疲劳、 损伤程度等状态进行连续实时监测。
• 采用适当的光源和光纤增敏技术，可以在几乎所 有种类的光纤材料上不同程度地写入光栅。
• B和Ge共掺光纤可提高光纤的光敏性，折射率变 化较大。
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光纤材料的紫外增敏技术
• 标准单模通信光纤掺有3％的锗，典型的折射率变化是 3X10-5，提高锗掺杂浓度可达到5X10-4 • 增加掺杂锗浓度提高了纤芯和包层折射率之差，要减小纤 芯，造成普通光纤和光敏光纤的匹配性能下降。 • 因此要寻找增敏新方法，主要考虑： （1）提高缺陷浓度； （2）在光纤中掺杂紫外吸收系数大的杂质； （3）纤芯或包层中掺入适当杂质，尽可能增大二者之间的 热特性失配度； 主要增敏方法：载氢技术、光纤还原法、多种掺杂、预加 应力增敏技术。
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光纤光敏性分析（1）
• 光纤的光敏性与掺杂有关。石英材料的分子结构通常为四面 体结构，每个Si原子通过形成共价键与四个氧原子相连。由 于纯石英的吸收带位于160nm处，对波长在190nm以上一直 到红外区的光具有大于90％的透过率。这些波长的光不会对 石英材料的性质产生任何形式的影响。因此，光纤的光敏性 与掺杂有关。
• 掺铈光纤、掺铒锗光纤、掺锗硼光纤、掺氟锆光 纤、掺铕光纤。 • 在通信中应用最广泛的是纤芯掺锗光纤。 • 在光纤材料中掺入 Ge 以后将产生位于195nm、 213nm、240nm、281nm、325nm、517nm等 多个附加吸收带，其中240nm、195nm为强吸收 带。
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光纤光栅的图示:
~ 200 µ m (Long-period grating:LPG) ~ 500 nm (Bragg grating:FBG)
Cladding 8µ m
Core
1 mm to 1500 mm
Singlemode fibre
Regions with higher refractive index than that of core’s
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光纤材料的还原性处理（1）
2、光纤材料的还原性处理 • 通过在光纤拉制中完成后用氢灯对所要曝光的光纤段进 行“焰刷”处理。1993年，F.Bilodeau等人把拉制好的 标准通信锗光纤拟写入光栅的一段放在~1700oC的氢氧 焰下灼烧，使光纤在240nm处的吸收增加。该作用指发 生在含GeO的纤芯，对包层没有影响。紫外照射灼烧后 的光纤可得到大于10-3的折射率变化，使光纤材料的光 敏性提高了一个数量级。