(完整版)第5讲光纤布拉格光栅(FBG)解读
光纤布拉格光栅FBG
最新进展
布拉格衍射效应在半导体光电器件中的应用与发展
1、为了改善以量子效应为基础的半导体光电子器件的 电学和光学特性，利用X 射线双晶衍射技术来检测器件 的生长结构参数，以便予以控制和优化。
2、分布布拉格反射激光器 在半导体激光器内部建立一个布拉格光栅结构，用光 栅代替激光器的腔面来分布式地反馈光。
实验仪器
本实验采用北京大华无线电仪器厂生产的 DH926AB型微波分光仪，结构图如图所示。
A固定板 B移动板 接收喇叭
发射喇叭
检流计
微波信号源 微波迈克尔逊干涉装置图
实验原理
微波波长通常划定范围为1mm-1m。众所周知，迈 克尔逊干涉实验传统上是用可见光来进行的，而布 拉格衍射则是英国物理学家布拉格父子用X射线在 实际晶体中实现的。本实验是上述两个著名实验在 微波领域的拓展，因此，通过该实验可以很直观地 理解迈克尔逊干涉和布拉格衍射实验。
最新进展
3、可调波长DFB/ DBR激光器 基本工作原理也是以布拉格衍射效应为基础，通过 改变注入到布拉格光栅区的电流，(根据等离子体效 应) 使光栅区的有效折射率发生改变，其布拉格波 长也就会有相应的移动。 4、光纤布拉格光栅( FBG) 采用全息曝光技术在光纤上制作各种波长的布拉格光 栅。
背景介绍
1915年诺贝尔奖授给W.H.布拉 格和W.L.布拉格父子俩，以表 彰他们在的杰出用X射线研究 晶体结构方面所作出贡献。 1912年，W.L.布拉格在德国物理学家 M.von劳厄发现X射 线通过晶体产生衍射的基础上， 进行了一系列实验， 1913年提出布拉格公式。 他们父子二人研究出晶体结构 分析的方法，从理论及实验上证明了晶体结构的周期性 和几何对称性，奠定了X射线谱学及X射线结构分析的基 础，从而为深入研究物质内部结构开辟了可靠的途径
布拉格光纤光栅传感原理
布拉格光纤光栅传感原理
嘿，你知道吗？布拉格光纤光栅，这玩意儿可太神奇了！就好像是光通信世界里的魔法棒！
说起来啊，这布拉格光纤光栅的传感原理就像是一个超级敏锐的侦探。
比如想象一下，你走在路上，能感觉到每一步地面的微小变化，这布拉格光纤光栅就能对光进行这样精细的感知和探测！它能捕捉到光在光纤中传播时极其细微的变化。
咱就拿桥梁监测来举例子吧！它就像是桥梁的贴心小卫士，时刻关注着桥梁的健康状况。
当桥梁出现哪怕一点点的变形或应力变化时，布拉格光纤光栅马上就能察觉到！哇，这多厉害呀！它就这么默默地工作着，不断地给我们传递着重要的信息。
再比如说在石油化工领域，它也能大显身手呢！就像一个经验丰富的老工人，精准地监控着各种设备的运行状态。
你说神奇不神奇？这布拉格光纤光栅简直就是无处不在的小能手呀！
哎呀，真的，要是没有这布拉格光纤光栅，好多事情都没法那么顺利地进行下去呀！它就是科技的力量，就是为了让我们的生活变得更美好，让各
种复杂的工程和系统都能更安全、更可靠地运行。
所以呀，可千万别小瞧了这小小的布拉格光纤光栅，它可有着大本事呢！反正我是对它佩服得五体投地！这就是布拉格光纤光栅传感原理，厉害吧！。
光纤布拉格光栅传感器测量温度和应变的原理
光纤布拉格光栅传感器测量温度和应变的原理光纤布拉格光栅传感器，简称FBG传感器，这可是个神奇的东西哦！它不仅可以测量温度，还能测量应变，简直就是个万能的小助手。
今天，我就来给大家聊聊这个神奇的小家伙是怎么工作的，让我们一起揭开它的神秘面纱吧！我们来了解一下FBG传感器的基本结构。
它是由一系列周期性折射率不同的光纤组成的，这些光纤就像一根根细细的琴弦，当光线通过它们时，会发生折射现象。
而这种折射现象正是FBG传感器测量温度和应变的关键所在。
FBG传感器是如何测量温度的呢？其实，这就要靠那些神奇的光纤了。
当阳光或者光源照射到光纤上时，光纤中的原子会吸收一部分光线，使得光线在光纤内部发生反射。
而反射回来的光线经过多次反射后，最终到达了FBG传感器的检测器。
检测器会根据反射光线的强度和时间变化来计算出光纤的温度。
是不是很厉害啊！我们再来聊聊FBG传感器是如何测量应变的。
其实，这也是利用了光纤的折射现象。
当FBG传感器受到外力作用时，光纤会发生形变，从而导致折射光线的变化。
而这种变化又被检测器捕捉到，从而计算出了应变的大小。
是不是感觉FBG传感器就像一个神奇的变形金刚一样，可以感知到周围的变化呢！FBG传感器有哪些应用呢？其实，它的应用范围非常广泛。
在建筑行业中，它可以用来检测混凝土的结构变化；在医疗行业中，它可以用来监测人体的生理指标；在汽车制造行业中，它可以用来检测车身的变形情况。
只要有需要测量温度和应变的地方，FBG传感器都可以派上用场哦！当然啦，虽然FBG传感器非常神奇，但它也有一些局限性。
比如说，它的灵敏度有限，不能用来检测非常微小的应变；而且，它的精度也有一定的误差。
随着科技的发展，相信这些问题都会得到解决的。
今天关于光纤布拉格光栅传感器测量温度和应变的原理就给大家介绍到这里了。
希望对大家有所帮助哦！下次再见啦！。
光纤Brag光栅(FBG)设计
J I A N G S U U N I V E R S I T Y 光纤Bragg光栅（FBG）设计学院名称：机械工程学院专业班级：光信息学生姓名：学生学号：指导教师：陈明阳目录一、光栅定义和发展历程 (2)1.1、光栅的定义 (2)1.2、光纤Bragg光栅的发现与发展 (2)二、光纤Bragg光栅特点及工作原理 (3)2.1 光纤Bragg光栅的特点 (3)2.2 光纤Bragg光栅的工作原理 (4)三、光纤Bragg光栅的制作方法 (4)3.1 光敏光纤的制备 (4)四、光纤Bragg光栅在光纤激光器里的应用 (5)4.1 光纤激光器简介 (5)4.2 在光纤激光器里的工作原理 (6)4.3 光纤Bragg光栅的设计要求 (7)4.3.1 设计的基本参数要求 (8)4.3.2 设计的基本步骤 (9)五、设计结论及应用前景 (15)5.1 结论及计算结果 (15)5.2 应用前景 (16)参考文献 (17)附程序 (18)一、光栅定义和发展历程1.1、光栅的定义自从19世纪末Henry Rowland发明衍射光栅刻划机和凹面光栅分光装置以来，光栅分光仪器就已成为光谱分析领域的主角。
光栅是光谱分析研究中的重要色散元件，其作用与棱镜相似，但在许多方面光栅的性能更好，并且使用方便。
在许多光谱仪器中，光栅成本仅占总成本的很小部分，但衍射光栅的质量却从根本上决定了整个系统所能达到的光谱性能。
衍射光栅是能对入射光波的振幅和相位或者二者之一进行空间周期性调制的一种光学元件。
通常讲的衍射光栅都是基于夫琅禾费多缝衍射效应进行工作的。
1.2、光纤Bragg光栅的发现与发展光纤布拉格光栅（简称FBG）是在单模光纤的纤芯内通过某种方式对其折射率产生周期性的调制而形成的一种全光纤器件，如图1所示。
图1 FBG的基本结构1978年，加拿大Hill 等人使用如图2所示的实验装置将488nm 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。
光纤布拉格光栅(fbg)反射中心波长
光纤布拉格光栅(fbg)反射中心波长下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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光纤布拉格光栅(FBG)
多功能FBG
研发具有多参量感知能力 的FBG，如同时感知温度 和应变，提高FBG在实际 应用中的多功能性。
耐久性和稳定性
提高FBG的长期稳定性和 耐久性，使其在恶劣环境 下仍能保持可靠的传感性 能。
FBG在物联网领域的应用前景
智能交通
工业自动化
利用FBG传感器监测道路状况、车辆 速度和流量等信息，提高交通管理效 率和安全性。
光纤布拉格光栅(FBG)
contents
目录
• 引言 • FBG的基本原理 • FBG的制造工艺 • FBG的应用案例 • FBG的未来发展与挑战 • 结论
01 引言
FBG的定义与特性
定义
光纤布拉格光栅是一种特殊的光纤结 构，通过在光纤中产生周期性的折射 率变化，实现对特定波长光的反射。
特性
FBG具有窄带反射特性，反射光谱范 围窄、精度高、稳定性好，且易于与 光纤系统集成，适用于长距离、高可 靠性的光信号传输和传感应用。
写入技术
目前最常用的写入技术是 采用紫外激光干涉法，通 过在光纤上产生干涉图案 来形成光栅。
写入速度与精度
提高写入速度和精度是关 键技术难点，这有助于提 高生产效率和降低成本。
FBG的性能参数与测试方法
性能参数
01
光纤布拉格光栅的性能参数包括反射光谱、温度稳定性、机械
稳定性等。
测试方法
02
对光纤布拉格光栅的性能参数进行测试，可以采用光谱分析仪、
优势
FBG具有高灵敏度、高精度、抗电磁干扰等优势，使其在许多领域 中成为理想的选择。
未来发展前景
随着科技的不断发展，FBG的应用前景将更加广阔，其在各个领域 中的价值也将得到更充分的体现。
FBG的未来发展方向与挑战
第5讲光纤布拉格光栅(FBG)解读
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
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
光电子技术精品课程
光纤光栅分类
Ⅰ类光栅
掺杂浓度较低的光纤内形成 较低UV曝光量 局部缺陷引起折射率变化 折射率变化⊿n～10-5—10-3＞0 温度稳定性较差（300℃） 可使脉冲或连续激光，前者更有效 掺杂浓度较高（eg ＞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 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 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
WDM Transmitters
• Source lasers (CW, DML) • Lithium niobate optical assemblies and modulators • Wavelockers • Tx/Rx modules
WDM Mux/Demux
• Thin film filters • Fibre gratings • Waveguides • Diffr. gratings • Circulators • Interleavers • Mux/Demux modules
光致折射率变化的阈值特性(右上图)
折射率变化的温度稳定性(右下图)
光致折射率变化使光纤处于一种亚 稳态 在一定温度下，折射率变化变小甚 至完全消失
光纤布拉格光栅的解调方法
参 考文 献
［ ａｉ Ｍ Ａ ａ ｈｄ ｆｔｒｉｅｒ ａｏ ｅｈ １ ］Ｄ ｖ ．Ｍ ｔ ｅ － ｌ ｎ ｒ ｇｔｎ ｔ — ｓ ｃ ｉｅ ｔ ｏ ｉ ｃ ｎ ｕ ｏ ｉｅ ｒｇ ｇａ ｎ ａ ａ ［１ ｌ ｔ ｎ ｉ ｅ ｆｒ ｂ ｒ Ｂ ａ ｇ ｒｔ ｇ ｒ ｙ Ｊ Ｅｅ ｒ ． ｑ ｆ ｉ ｒ ． ｃｏ Ｌｔ， ９，１１）２ —２ ． ｅｔ１ ５ （ｏ： ２ ８３ ．９ ３ ８ ［ ａｉ Ｍ Ａ ｅ ｅ ． ｌ ｆ ｅ ｒｇ ｒｔ ２ ］Ｄ ｖｓ ，Ｋ ｒ ｙＡ Ｄ Ａｌｉ ｒＢａｇｇａ ｓ —ｂ —
图 ３非 平衡 Ｍ— Ｚ干 涉仪 法
反射波长重合时 ， 探测器能探测到最大光强 ， 此时 压电陶瓷的驱动电压对应光栅的反射波长 ，进而 得到被测量的大小， 如图 ５ 所示。该方案体积小 、 图 ５ 可调 光 纤 Ｆ Ｐ滤波 器解调 法 — 价格低 ，在 ４ ｒ ０ｎ ｎ的范围内可以得到约 １ｐ ｍ的 ｉ ｒ ｆ ｅ Ｆ－ ｖ ｌｎ ｈ ｉ ｔ ｒ Ｏｐ ．Ｌ ｔ ， １ ９ ， １ ｂ Ｐ ｗａ ｅｅ ｇ ｆ ｅ ． ｔ ｌ ｔ ｅｔ ９ ３ ８ ． 测量分辨率 ， ２— ０ Ｃ 在 ０ ２０ ０范围内温度分辨率可达 ｆ６ ：１ ７ ￣１ ７ １１ ３０ ３２ ０１℃ ， 期 测量 精 度可 达 ± ． ℃； 以直接 输 出 ． 长 Ｏ ２ 可 作 者简 介 ： 张静 （９ １ ） ， 族 ， 北 保 定 １８ 一 女 汉 河 对应于波长变化的电信号 ，可同时对多个光纤光 人， 华北电力大学 ， 助工 ， 硕士， 主要研 究方向 ： 光 栅的反射波长进行解调 。 纤传 感技 术 。 ２结论 陈 于扬 （９ ６ ）男 ， 士研 究生 ， 要研 究方 １８ ， 硕 主 可调光纤 Ｆ Ｐ — 滤波器法精度高、体积小 、 价 现代 传 感与测 量技 术 。 格低 、 定 性好 ， 稳 适用 于 分 布式 测 量 ， 比较 理 想 向 ： 是 的解 调方 法 。
光纤布拉格光栅(fbg)反射谱和投射谱
光纤布拉格光栅(fbg)反射谱和投射谱光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，简称FBG）是一种在光纤中制造的周期性折射率调制结构。
它可以实现对光信号的反射和透射控制，因此在光通信、光传感和光纤激光器等领域有着广泛的应用。
FBG的反射谱和投射谱是FBG的重要特性之一，下面将对其进行详细介绍。
1.反射谱FBG的反射谱是指当光信号入射到FBG上时，被FBG反射的光的频谱特性。
当光信号穿过光纤进入FBG后，根据FBG的周期性折射率变化，会发生部分光的反射。
这些反射光的波长取决于FBG的周期和折射率调制情况。
反射谱可以通过光谱仪或光频谱分析仪来测量和观察。
典型的FBG反射谱是一个窄带滤波器，其反射峰的位置和宽度与FBG的物理参数和环境条件相关。
由于FBG 的周期性调制结构，反射谱通常呈现出周期性重复的特点。
2.投射谱FBG的投射谱是指当光信号经过FBG时，透射到光纤另一侧的光的频谱特性。
由于FBG具有特定的反射特性，它可以作为一个选择性滤波器，在特定的波长范围内使光透射，而在其他波长处进行反射或吸收。
投射谱的形状和特性取决于FBG的设计和制备参数，包括周期、折射率调制情况等。
通过调整这些参数，可以实现不同的投射谱特性，如带通滤波、带阻滤波、多通道滤波等。
3.应用FBG的反射谱和投射谱在许多应用中发挥着重要作用：-光通信：FBG可用作光纤传感器，通过测量反射谱变化来检测温度、压力、形变等物理量。
-光纤传感：利用FBG的反射谱特性，可以实现对光纤周围环境的监测，如油气管道的泄漏检测、结构的应力监测等。
-光纤激光器：FBG可用作激光器的频率选择性元件，调节反射谱特性来实现激光器的单模操作和波长选择。
总之，FBG的反射谱和投射谱是FBG的重要特性之一，它们描述了FBG对光信号的反射和透射特性。
通过测量和分析反射谱和投射谱，可以实现对FBG的性能和应用进行评估和优化，为光纤通信、光传感和光纤激光器等领域的应用提供基础支持。
光纤布拉格光栅-[自动保存的]
![光纤布拉格光栅-[自动保存的]](https://img.taocdn.com/s3/m/bcbf9a81f524ccbff12184ca.png)
要求：严格要求氩离子激光器的后向反射光的隔离度 光纤放在石英管之中隔热（防止泵浦激光的不稳定）
优点：装置简单，方法简单。
缺点：谐振波长与入射光波长一致。折射率改变较小
3.FBG的制作方法
2.FBG的原理
动实考 自惠核 觉的后 去东需 做西要 的员在 ︒工奖 是惩 不上 会跟 主上 光纤布拉格光栅的模式耦合图 ︐
光纤光栅通常以一级衍射为主，取m=-1,
3.FBG的制作方法
（1）高掺锗
原理
自 觉 去 做 的 ︒
光纤的光敏性
（2）硼锗共掺 （3）高压载氢 （4）锡锗共掺
飞秒激光加工：飞秒激光脉冲借助极短的脉冲宽度和极高的峰 值功率，可以在石英光纤内诱导获得较大的折射率调制从而形 成光纤光栅。
光纤光栅
（a）
（b）
动实考 自惠核 觉的后 去东需 做西要 的员在 ︒工奖 是惩 不上 会跟 主上 ︐
Thanks
自 觉 去 做 的 ︒
飞秒激光刻写光纤光栅的原理
3.FBG的制作方法
动实考 自惠核 觉的后 去东需 做西要 的员在 ︒工奖 全息干涉法制作光纤布拉格光栅 是惩 不上 会跟 主上 ︐
相位掩膜法制作光纤布拉格光栅
3.FBG的制作方法
优点： 1.飞秒激光制备光纤光栅具有更好的加工灵活性； 动实考 自惠核 觉的后 去东需 做西要 的员在 ︒工奖 是惩 飞秒激光逐点写入法制作光纤布拉格光栅 不上 会跟 主上 ︐
相位掩膜法制作光纤光栅的实验装置
3.FBG的制作方法
（5）在线成栅
光纤拉丝塔下横向侧面干涉曝光法光纤 光栅在线制作装置示意图
光纤Bragg光栅的光谱特性解析
光纤Bragg光栅的光谱特性光纤Bragg光栅是光纤通信和传感领域最重要的器件之一,也是目前学科前沿的课题之一,由于其插入损耗低、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,被广泛的应用于光通信和光传感的各个环节当中。
随着光通信的逐步发展,不仅对光纤Bragg光栅光谱中的谐振波长、峰值和带宽的要求更加严格,在频谱特性分析与改进方面还有大量的工作要做。
首先简单阐述了光纤光栅的发展历程,介绍了常见光栅的分类与应用。
然后从波动方程出发推导出了适用于光纤Bragg光栅的耦合模方程,介绍了传输矩阵法。
接下来对多相移(MPS)理论进行了简单的描述,并运用传输矩阵法对基于MPS的矩形采样、Sinc采样、高斯(Gauss)切趾光栅的频谱特性图进行了数值模拟,对模拟结果做了分析与讨论。
最后提出了一种设计宽带平坦多信道梳状滤波器的简单方法,根据实际的DWDM系统需要预定设计目标,针对不同的要求给出设计思路并进行了数值模拟与分析。
MPS技术在Sinc采样光栅和Gauss切趾采样光栅中的数值模拟结果表明:Sinc采样光栅带外旁瓣和带内的串扰都会受到折射率变化量的影响,加入多相移之后,扰动就会更加剧烈。
Gauss切趾光栅消光比随切趾参数G的增大而增大,加入多相移之后,消光比都会有一定程度的下降;而信道带宽与信道间隔之间的比值会随着G的增大而增加,当加入多相移后,这个比值会更大。
对宽带平坦多信道梳状滤波器的设计表明:该滤波器整个反射谱的波段范围很广,信道数目成倍增加,且其平坦性会随着折射率变化量的增大而得到改善,信道反射率很高,反相级联体方法的引入可以对滤波器反射谱的消光比和峰值达到很好的改善。
整个设计结果基本满足各项预定的指标要求,对于实际的滤波器应用有一定的参考价值。
...[1]. 陈阳,周长尊.AN采用FBG温度机械合成调谐技术的光滤波器(英文)[J].光子学报, 2002,(12)[2]. 刘文清,夏宇兴,江荣熙.国产HpD在溶液和细胞模式中的光谱特性[J].激光杂志, 1990,(06)[3]. 李国利,刘连新,韩秋静,赵彦涛.双光纤Bragg光栅反射谱叠加特性分析[J].光纤与电缆及其应用技术, 2006,(01)[4]. 吴付岗,姜德生,何伟.基于相关分析的光纤光栅Bragg波长偏移值测量[J].计算机测量与控制, 2007,(05)[5]. 李智忠,杨华勇,刘阳,周伟林.光纤Bragg光栅压力传感机理研究[J].应用光学, 2005,(03)[6]. 蒋泽,付钰.光纤Bragg光栅的电磁波理论及其数值分析[J].半导体光电, 2006,(03)[7]. 毕卫红,张闯.光纤Bragg光栅的反射特性研究[J].传感器技术, 2003,(08)[8]. 贾宏志,李育林,忽满利,张培琨.光纤Bragg光栅温度和应变的灵敏度分析及应用探讨[J].激光杂志, 1999,(05)[9]. 傅思镜,梁丽贞,曹惠英,刘惠子.光纤Bragg光栅及其光学特性测量[J].中山大学学报(自然科学版), 1999,(06)[10]. 苏立国,刘振宇,朱燕杰,董小鹏.基于光纤Bragg光栅的滤波技术[J].光机电信息, 2001,(07)【关键词相关文档搜索】：通信与信息系统; 光纤Bragg光栅; 采样光栅; 光谱特性; 多相移技术(MPS); 光滤波器【作者相关信息搜索】：西南交通大学;通信与信息系统;潘炜;刘海涛;。
一布拉格光纤光栅原理
λ1增加
到 λ2 时，减少的透射强度及反射或阻挡的光波强度
Ir 会相应地增加。这是对布拉格光纤光栅进
行解调的最简单和最低廉的方式，但最大的缺点是它一次只能解调一个光栅。
●广泛使用的方法是通过一个窄带可调光源照射布拉格光纤光栅， 产品的根本。此方法在 “波分复用 ”章节进一步进行介绍。
这个是 Smart Fibres 公司当前
λB ≈1550 nm 的
典型光栅，应变和温度的灵敏度分别约等于
1.2 pm/ με和 10 pm/ oC。
尤为重要的是，等式（ 2）的两项条件是独立的，这意味着布拉格光纤光栅（
FBG ）可通
过将光纤与应变隔离， 从而进行温度的测量； 而具有温度补偿的应变测量可在温度确定的情况下
进行，这种温度的确定通常来源于另一种应变隔离式布拉格光纤光栅（
波分复用设备工作原理示意图
注解： a）光源， b）扫描滤波器， c）扫描发生器， d） 1-4 通道的耦合网络， e）布拉格光纤光
栅阵列， f）光电检测器， g）处理器， h）通道 4上的检测器的时间变化，时间 ti 转化成布拉格
波长 λλi
扫描发生器用于调节光源， 将光源在光纤上传播的任何给定波长范围内进行扫射。
一．布拉格光纤光栅原理 布拉格光纤光栅（ FBG ）是一种使用强烈的紫外线激光以空间变化的方式而刻录在标准、单
模光纤中心的光学传感器。
UV Beam -- 紫外线激光束；
FBG Region -- 布拉格光纤光栅区域；
Fibre Core -- 光纤中心；
FBG period Λ -- 布拉格光纤光栅周期；
时的波长。当然，也可使用高速分光计。
时分复用（ TDM ）设备的工作原理示意图。顶部：来自光源（
光纤布拉格光栅FBGppt课件
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
实验原理
1、微波迈克尔逊实验
接收喇叭接收到两列同频率、同振动方向的微波， 当两列波的位相差为：
的偶数倍：干涉加强
A固定反射板
的奇数倍：干涉减弱
发射喇叭
A板固定，B板移动，到接收喇叭电流计表 头从一次极小变到又一次极小时，则B板移 动/2的距离，由此可求得平面波的波长
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
最新进展
3、可调波长DFB/ DBR激光器 基本工作原理也是以布拉格衍射效应为基础，通过 改变注入到布拉格光栅区的电流，(根据等离子体效 应) 使光栅区的有效折射率发生改变，其布拉格波 长也就会有相应的移动。
4、光纤布拉格光栅( FBG) 采用全息曝光技术在光纤上制作各种波长的布拉格光 栅。
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
实验仪器
本实验采用北京大华无线电仪器厂生产的 DH926AB型微波分光仪，结构图如图所示。
A固定板 发射喇叭
B移动板
接收喇叭
检流计
微波信号源
微波迈克尔逊干涉装置图
图2、布拉格衍射实验原理图
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
实验内容
1、测量微波迈克尔逊干涉过程中B板每次移动的 位移值及对应的接收信号强度，要求B板移动每次以 尽可能小（如1mm）的步长移动，但总移动距离应 尽可能大，使干涉极大和极小出现的次数多些。然 后用不同级的干涉极大或极小根据公式求微波波长。
(完整word版)光纤布拉格光栅(FBG)介绍
光纤布拉格光栅(FBG)介绍1 介绍FBG是Fiber Bragg Grating的缩写，即光纤布拉格光栅。
在纤芯内形成的空间相位周期性分布的光栅，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。
目前应用主要集中在光纤通信领域(光纤激光器、光纤滤波器)和光纤传感器领域(位移、速度、加速度、温度的测量)。
近年来，随光纤光栅的重要性被人们所认识，各种光纤光栅的制作方法层出不穷，这些方法各有其优缺点，下面分别进行评述。
2光纤光栅制作方法2.1光敏光纤的制备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上不同程度的写人光栅。
所谓光纤中的光折变是指激光通过光敏光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应的变化，如这种折射率变化呈现周期性分布，并被保存下来，就成为光纤光栅。
光纤中的折射率改变量与许多参数有关，如照射波长、光纤类型、掺杂水平等。
如果不进行其它处理，直接用紫外光照射光纤，折射率增加仅为(10的负4次方)数量级便已经饱和，为了满足高速通信的需要，提高光纤光敏性日益重要，目前光纤增敏方法主要有以下几种：1)掺入光敏性杂质，如：锗、锡、棚等。
2)多种掺杂(主要是B/Ge 共接)。
3)高压低温氢气扩散处理。
4)剧火。
2.2成栅的紫外光源光纤的光致折射率变化的光敏性主要表现在244nm紫外光的错吸收峰附近，因此除驻波法用488nm可见光外，成栅光源都是紫外光。
大部分成栅方法是利用激光束的空间干涉条纹，所以成栅光源的空间相干性特别重要。
目前，主要的成栅光源有准分子激光器、窄线宽准分子激光器、倍频Ar离子激光器、倍频染料激光器、倍频OPO激光器等，根据实验结果，窄线宽准分子激光器是目前用来制作光纤光栅最为适宜的光源。
光纤布拉格光栅介绍
光纤布拉格光栅介绍光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）是一种利用光纤自身制作的光学滤波器，具有狭窄的光频选择性和温度、应变等参数的灵敏度。
它在光通信、传感、光谱等领域有着广泛的应用。
本文将对光纤布拉格光栅的工作原理、制备方法以及应用进行详细介绍。
光纤布拉格光栅是通过在光纤的折射率分布中形成周期性的折射率变化来实现的。
这种周期性变化的折射率分布可以实现光的反射，产生一个特定的波长范围内的反射光谱特征。
光纤布拉格光栅的工作原理可以用光波的布拉格反射（Bragg reflection）来解释。
布拉格反射是指当光波从两个折射率不同的介质交界面垂直入射时，会产生一定的反射光。
而在光纤布拉格光栅中，通过周期性的折射率变化，可以形成类似的反射波。
当光波传输到光纤布拉格光栅中时，一部分光波会被布拉格光栅反射，形成特定波长的反射光谱特征。
这个特定波长与布拉格光栅的周期性折射率变化以及入射光波的角度和波长等因素有关。
制备光纤布拉格光栅的方法有多种，常见的方法包括干涉法、相位控制法、光刻法等。
其中，干涉法是最常用的一种方法。
该方法使用两束光波的干涉产生布拉格光栅的周期性折射率变化。
通过调节其中一束光波的频率或角度，可以实现所需的布拉格波长。
相位控制法则是通过对光纤进行局部加热或拉长控制相位的变化，从而形成周期性的折射率变化。
光刻法是将光敏感材料涂覆在光纤表面，利用光的曝光和显影过程形成布拉格光栅。
光纤布拉格光栅在光通信领域的应用非常广泛。
它可以用作滤波器，实现波分复用技术，将多个波长的光信号传输在同一根光纤中。
同时，光纤布拉格光栅还可以用于光纤传感。
由于其具有温度、应变等参数的灵敏度，可以通过监测光纤布拉格光栅的反射光谱变化，实现对环境参数的实时监测。
光纤布拉格光栅传感技术已广泛应用于温度、压力、应变、流速、湿度等传感领域。
除了光通信和传感领域，光纤布拉格光栅在其他领域也有重要的应用。
例如，在激光器中，光纤布拉格光栅可以用作模式锁定元件，实现激光的稳定输出。
光纤布拉格光栅fbg补偿色散的原理
光纤布拉格光栅fbg补偿色散的原理
光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）可以通过调制
光纤的折射率周期性变化来实现光的反射和传输。
它的主要原理是利用光纤独特的色散特性，通过FBG对光信号进行调制，从而实现对光信号的补偿色散。
光纤的色散是指光在光纤中传播时由于不同波长的光速度不同而产生的相位差。
波长较短的光速度较快，波长较长的光速度较慢。
这种波长对光速度的依赖关系导致了光在传播过程中的时间延迟现象，即不同波长的光在传输过程中到达目的地的时间不同。
这种时间延迟会导致光信号在传输过程中发生色散，即不同频率的光在传输过程中的相对相位差发生变化。
FBG是一种光纤中周期性改变折射率的结构，可以通过调制
折射率的周期变化来对不同波长的光进行反射和传输。
当光信号经过FBG时，不同波长的光会被不同的光栅反射，而波长
与光栅周期之间的匹配情况会决定反射的强度。
在补偿色散的过程中，输入的光信号会经过FBG反射出来，
然后再次经过FBG传输到目的地。
通过调整FBG的反射波长
以及FBG的衍射效果，可以实现对光信号的调制和对色散的
补偿。
当输入光信号经过FBG反射出来后，利用色散器将其
分解为不同波长的光，然后再将分解后的光重新聚焦到光纤上。
经过这样的处理，不同波长的光分量的传播时间延迟可以被补偿，从而达到补偿色散的目的。
通过光纤布拉格光栅的补偿色散原理，可以实现对光信号的高质量传输和处理，提高光纤通信系统的性能和传输距离。
光纤布拉格光栅传感器
(8.3-16)
由于掺杂成分和掺杂浓度的不同，各种光纤光栅的压力灵敏度差别较大。
8.3.2 解调技术
解调方法 高折射环形镜 边缘滤波法
匹配光纤光栅 滤波法
优点
可进行静态和动态应变的测量
反射方式:系统结构简单、造价低 廉； 透射方式：信号光利用率高，分辨 率比前者高
缺点 分辨率较低 反射方式：系统信噪比较低；
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 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
KT B / T ( ) B
(8.3-5) (8.3-6)
8.3.1.2 应变传感原理 应变影响 Bragg 波长是由于光栅周期的伸缩和弹光效应引起的。 假设光纤光栅仅受轴向应力作用，温度场和均匀压力场保持恒定。轴向应力会引起光栅栅距的改变
有效折射率的变化为
z
(8.3-7)
[P12 (P11 P12 )] z
(
1 ne2ff
)x, y,z
[P12 [P12
(P11 P12 )] z 2P12 ] z
x方向 y方向 z方向
(8.3-8)
式中，Pij 是弹光系数，ν 是纤芯材料泊松比（下同）。
沿 z 轴方向传播的光波所经受的折射率的变化为
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)。
光纤布拉格光栅的透射光谱
光纤布拉格光栅的透射光谱
光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）是一种在光纤中引入周期性折射率变化的光学结构。
它具有反射谱和透射谱两个主要的光谱特性。
透射谱是指那些没有被布拉格光栅反射的光的光谱分布。
当光波长与布拉格条件不匹配时，光将透过布拉格光栅，并形成透射谱。
透射谱的形状与反射谱相对应，在未被反射的波长存在透射峰。
通常情况下，布拉格光栅的反射谱和透射谱以对称的方式分布在光谱上。
透射谱在光纤通信和滤波应用中具有重要作用。
通过调节布拉格光栅的设计参数，包括周期、折射率调制深度等，可以实现特定波长范围的光滤波和干涉效应。
透射谱的特性可以用于波长分复用（WDM）、光纤激光器和光信号处理等领域。
在实际应用中，透射谱的具体形状和特性取决于布拉格光栅的制备工艺和设计参数。
通过对布拉格光栅的优化设计，可以实现特定波长范围内的高透射率和高反射率，从而满足不同应用场景的需求。
光纤布拉格光栅的透射光谱是指在特定波长下，光通过布拉格光栅后的光谱分布。
它反映了布拉格光栅对光的传输特性，并在光纤通信和滤波等领域具有广泛的应用价值。
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最大反射率为 R(l, ) tanh2 (l)
反射谱带宽为
Bs
(
n 2 n0
)
2
(
1 N
)2
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光纤的光敏特性
❖ 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：GeOx ▪ 其它掺杂物质：Erbium（铒）, Europium
▪ 倍频氩离子激光器 ▪ 准分子激光器 ▪ 倍频铜蒸气激光器 ▪ 倍频可调谐染料激光器 ▪ 倍频可调谐OPO ▪ 三倍频YAG激光器 ▪ Alexandrite(紫翠玉)激光器
❖ FBG写入技术分类
▪ 内部写入法 ▪ 双光束干涉法 ▪ 掩模法 ▪ 模板+双光束干涉法 ▪ 逐点写入法 ▪ 其它写入法
FBG写入技术
（铕）, Cerium（铈）
❖ 影响光纤光敏性的因素
▪ 掺杂种类与掺杂浓度 ▪ 预制棒：缩棒后光敏性高于缩棒前 ▪ 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
❖ 增加光纤光敏性的方法 ▪ 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
❖ ⅡA（Ⅲ）类光栅
▪ 掺杂浓度较高（eg ＞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 ▪ 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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光致折射率变化的特性
❖ 光致折射率变化的各向异性
▪ 光纤光栅双折射～10-6 ▪ 侧向写入制成的光纤光栅双折射要
大2个数量级 ▪ 双折射与UV激光的偏振方向有关：P
方向小，S方向大，可相差10倍 ▪ 双折射与UV激光的波长有关：193nm
较240nm UV激光产生更大的双折射
❖ 光致折射率变化的阈值特性(右上图)
设光纤纤芯折射率为 n(z) n0 n cos(2z / )
由耦合模理论得到光栅的反射光谱为
R(l,
)
k
2
2 sinh 2 (sl) sinh 2 (sl) s2 cosh
2
(sl)
k k / k 2n0 /
s2 2 k 2 M p 1V 2
n
M
p
V (2a / )(nc2o nc2l )1/ 2
• 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
▪ 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
▪ 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
• Source lasers (CW, DML)
• Lithium niobate optical assemblies and modulators
• Wavelockers • Tx/Rx
modules
WDM Mux/Demux
WDM Amplifiers
WDM
Switching
• Thin film filters • Fibre gratings • Waveguides • Diffr. gratings • Circulators • Interleavers • Mux/Demux
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FBG原理与特性
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纤芯模式与后 向传输的纤芯模式之间发生耦合，而使前向传输的纤芯模式的能量传递给后向 传输的纤芯模式，形成对入射波的反射。其反射波长即布拉格波长为λB=2neffΛ， 其中，Λ为光栅周期，neff为纤芯等效折射率。
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第5讲:光纤布拉格光栅(FBG) --基础与应用
电子科学与技术 精密仪器与光电子工程学院
李恩邦
FBG的发现与发展
光纤布拉格光栅（简称FBG）是在 单模光纤的纤芯内通过某种方式 对其折射率产生周期性的调制而 形成的一种全光纤器件 (如右图 所示)。
1978年，加拿大Hill 等人使用如左图 所示的实验装置将488nm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。
❖ 双光束干涉法
❖ 掩模法
UV beam Phase Mask
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❖ 波分复用与解 复用
❖ 波长锁定 ❖ 光纤放大器增
益平坦
❖ 色散补偿 ❖ 上下路复用与
解复用
❖ 光CDMA
FBG在光通信中的应用
Components and Modules in DWDM Networks
WDM Transmitters
• 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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光纤光栅分类
❖ Ⅰ类光栅
▪ 掺杂浓度较低的光纤内形成 ▪ 较低UV曝光量 ▪ 局部缺陷引起折射率变化 ▪ 折射率变化⊿n～10-5—10-3＞0
▪ 温度稳定性较差（300℃） ▪ 可使脉冲或连续激光，前者更有效
❖ 折射率变化的温度稳定性(右下图)
▪ 光致折射率变化使光纤处于一种亚 稳态
▪ 在一定温度下，折射率变化变小甚 至完全消失
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❖ FBG制作对UV激光器的要求
▪ 输出波长及其稳定性 ▪ 空间及时间相干性 ▪ 输出功率或脉冲能量及重复率 ▪ 光斑质量 ▪ 偏振特性 ▪ 光束指向稳定性
❖ 用于FBG制作的UV激光器
题
❖ 混合掺杂 ▪ 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
▪ 掺Tin（锡）
• 较B-Ge光纤的光敏性增加3倍 • 热稳定性优于B-Ge光纤
▪ 掺N2（氮气）