长周期光纤光栅

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布拉格与长周期光纤光栅及其传感特性研究

布拉格与长周期光纤光栅及其传感特性研究随着科技的发展，光纤传感技术在各个领域中得到了广泛应用。

光纤光栅作为一种重要的光纤传感元件，具有较好的实时性、远距离传输能力和高灵敏度等优点，在医学、工程、环境监测等领域中具有广泛的应用前景。

本文将对布拉格光纤光栅和长周期光纤光栅及其传感特性进行研究探讨。

首先，我们来了解布拉格光纤光栅。

布拉格光纤光栅由一种周期性的折射率变化构成，可以将输入的连续光信号分成几个离散的波长成分。

通过调控光纤光栅的参数，如折射率调制和周期调制，可以实现对光信号的各种参数的测量。

布拉格光纤光栅传感器的工作原理是利用光纤光栅对周围环境参数的敏感性，通过监测光纤中散射光的强度变化来获得环境参数的相关信息。

布拉格光纤光栅的传感特性主要包括灵敏度、选择性和可靠性。

灵敏度是指传感器对测量目标的响应能力，通过优化光纤光栅结构可以提高传感器的灵敏度。

选择性是指传感器对目标参数的独立测量能力，通过优化光纤光栅的周期和谐振峰可以实现对不同目标参数的选择性测量。

可靠性是指传感器的稳定性和重复性，通过合理选择光纤材料和加工工艺可以提高传感器的可靠性。

接下来，我们来了解长周期光纤光栅。

长周期光纤光栅是一种周期大于波长的光纤光栅，其中周期通常为微米或毫米量级。

长周期光纤光栅的传感特性与布拉格光纤光栅有所不同。

长周期光纤光栅主要应用于抑制或增强特定频率的光信号，具有压力、温度和湿度等参数的敏感性。

长周期光纤光栅的传感特性主要包括增强系数、复合增强系数和等效折射率。

通过调节长周期光纤光栅的参数，如周期、长度和材料等，可以实现对光信号的不同频率成分的调制和增强或抑制。

最后，我们来探讨布拉格光纤光栅和长周期光纤光栅在传感领域的应用。

布拉格光纤光栅主要应用于光纤传感器、光纤通信和光纤激光等领域。

在光纤传感器领域，布拉格光纤光栅可以实现对温度、压力、应变、湿度等参数的实时测量。

在光纤通信领域，布拉格光纤光栅可以实现光纤传感器的远距离传输和分布式传感。

长周期光纤光栅折射率传感的研究概况

不断积累经验。对其进行补充和完善。（作者单位：门市电信分公司）厦
查：在不同媒体上公布不同咨询号码或有奖调查热
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究
明ＰＬＧ对于温度的调协范围约为ＦＧ的７．Ｂ倍而对于外界折射率变化时的谐振峰中心波长移动量也明显高于布喇格光栅。由光纤场分布形式可知．光纤对于包层模的束缚性较芯模为弱．阶模的束高
访问、截访问、户访问、函调查）实验室测拦入回、
试、组合测试等多种；我们可以通过与市场调查公司长期合作。开展全年持续的广告效果调查，包括事前调查以有效选择广告案、事中调查以及时调整广告发布的计划、事后调查以总结经验评估效果；也可通过多种与客户互动的渠道开展市场调查。例
ＬＧ的周期通常为几十到几百微米。Ｐ主要特性是将导波中某频段的光耦合到光纤包层中损耗掉，是一种透射型光纤器件。ＰＬＧ对于温度、应力、外界折射
率等参数的变化都有很高的响应灵敏度。研究表
想和品牌态度。因此品牌效果主要从这三方面来评估。品牌意识方面，主要包括到达率和品牌知名度、品牌识别率等指标。品牌联想方面。主要包括品牌形象评价和品牌理解力等指标。品牌态度方面，主要包括美誉度、偏好度、忠诚度、渗透率等指标。这些指标一般具有动态分析和静态分析两个方面的
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长周期光纤光栅
折射率传感的研究
李杰由光栅周期的不同．纤光栅可分为布喇格光光纤光栅（Ｂ和长周期光纤光栅（Ｐ。Ｂ的周ＦＧ）ＬＧ）ＦＧ期约为几百纳米．主要特性是将某一频段的光反射回去。形成以谐振波长为中心的窄带光学滤波器，

应用800nm飞秒激光制备长周期光纤光栅

ａｈｅｒｈｉｈｔｍｐｅａｕｅｐｒｐｅｔｅｒｖｒｆｅｎｔｓｐａｅ．Ｆｉｓｌａｎｓｒｐｉｎｓｓｅｆｎｄｔｉｇ — ｅｒｔｒｏｒｉｓｗｅｅｅｉｉｄｉｈｉｐｒｒｔｙ，ｎｉｃｉｔｏｙｔｍｏｒｔａｅｎｏｆｂｒｃｒｓｗａｓｇｎｅｓｎｇａｃｍｅａａｄａｌｃｒｃｍｏｎａｆｒｈｅｌｓｒｉｔｉｅｏｅｓｄｅｉｄｕｉａｒｎｎｅｅｔｉｖｉｇｐｌｔｏｍ
应用８０ａ飞秒激光制备长周期光纤光栅０ｍ
苗飞，玲冯德军，张，隋青美，霄，磊，陈贾刘汉平。刘辉兰。，
（．１山东大学控制科学与工程学院，山东济南２０６；山东大学信息科学与工程学院，山东济南２００；５０１２．５１０３德州学院物理系，山东德州２３２）．５０３
摘要：用８０ＢＴ钛蓝宝石飞秒激光器制备了长周期光纤光栅，实验验证了长周期光纤光栅的高温特性。基于摄像利０ＩＩ并头和电动位移平台设计了激光精确对准光纤纤芯的方案；以计算机控制１３ｍｗ飞秒激光，用逐点曝光法在未经载氢．使
第２卷０
第ＯｐｔｃｎｄＰｒｃｓｏｉｓａｅｉｉｎＥｎｇｎｅｒｎｇｉｅｉ
ＶｏＩＯＮＯ．．２４
２１０２年４月
Ａｐｒ２０１．２

几种常见光纤光栅传感器工作原理

常见光纤光栅传感器工作原理光纤光栅传感器的工作原理光栅的Bragg波长λB由下式决定：λB=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。

如利用磁场诱导的左右旋极化波的折射率变化不同，可实现对磁场的直接测量。

此外，通过特定的技术，可实现对应力和温度的分别测量，也可同时测量。

通过在光栅上涂敷特定的功能材料（如压电材料），还可实现对电场等物理量的间接测量。

1、啁啾光纤光栅传感器的工作原理上面介绍的光栅传感器系统，光栅的几何结构是均匀的，对单参数的定点测量很有效，但在需要同时测量应变和温度或者测量应变或温度沿光栅长度的分布时，就显得力不从心。

一种较好的方法就是采用啁啾光纤光栅传感器。

啁啾光纤光栅由于其优异的色散补偿能力而应用在高比特远程通信系统中。

与光纤Bragg光栅传感器的工作原理基本相同，在外界物理量的作用下啁啾光纤光栅除了△λB的变化外，还会引起光谱的展宽。

这种传感器在应变和温度均存在的场合是非常有用的，啁啾光纤光栅由于应变的影响导致了反射信号的拓宽和峰值波长的位移，而温度的变化则由于折射率的温度依赖性（dn／dT），仅影响重心的位置。

通过同时测量光谱位移和展宽，就可以同时测量应变和温度。

2、长周期光纤光栅（LPG）传感器的工作原理长周期光纤光栅（LPG）的周期一般认为有数百微米，LPG在特定的波长上把纤芯的光耦合进包层：λi=（n0-niclad）。

Λ。

式中，n0为纤芯的折射率，niclad为i阶轴对称包层模的有效折射率。

光在包层中将由于包层／空气界面的损耗而迅速衰减，留下一串损耗带。

一个独立的LPG可能在一个很宽的波长范围上有许多的共振，LPG共振的中心波长主要取决于芯和包层的折射率差，由应变、温度或外部折射率变化而产生的任何变化都能在共振中产生大的波长位移，通过检测△λi，就可获得外界物理量变化的信息。

长周期光纤光栅的温度特性研究

和包层的热光系数）和光栅的周期（决定其耦合的模式次数）。
【关键词】长周期光纤光栅（ＩＪＰＦＧ）；温度特性；谐振波长；传感【Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｉｔｍａｋｅｓｄｅｔａｉｌｅｄｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｎｕｍｅｉｒｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｈａｒａｃｔｅｉｒｓｔｉｃｓｏｆｌｏｎｇｐｅｉｒｏｄｉｆｂｅｒｇｒａ
ｃｈａｎｇｅ．ａｎｄｔｈｅｃｏｕｐｌｉｎｇｒｅｓｏｎａｎｔｗａｖｅｌｅｎｔｈｇｉｓｎｏｔｏｎｌｙｓｈｉｔｆｔｏｌｏｎｇｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ，ｂｕｔａｌｓｏｔｏｓｈｏｒｔｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｄｅｐｅｎｄｉｎｇｏｎｔｈｅｓｐｅｃｉｉｆｃｉｆｂｅｒｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
ｔｉｎｇｆＬＰＦＧ）．ＴｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｉｔｈａｓｇｏｏｄｌｉｎｅａｒｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｒｅｓｏｎａｎｃｅｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｓｈｉｔｆｃｏｕｐｌｉｎｇｆｒｏｍＬＰＦＧａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ

使用matlab计算长周期光纤光栅的有效折射率

使用matlab 计算长周期光纤光栅的有效折射率近几年来，一种在光纤中写入光栅的技术引起了人们的极大兴趣，光纤光栅的出现，给光通信领域带来了极大的变革，尤其是在滤波和传感方面影响尤为深远。

按照光纤光栅周期的长短，通常周期把小于一微米的光纤光栅称为短周期光纤光栅，又称为布拉格光纤光栅或反射光栅，而周期为几十甚至几百微米的光纤光栅称为长周期光纤光栅，又称为透射光栅。

短周期光纤光栅的特点是传输方向相反的模式之间发生耦合，属于反射型带通滤波器，长周期光纤光栅的特点是同向传输的纤芯基模和包层模之间的耦合，没有后向反射，属于投射型带阻滤波器。

长周期光纤光栅透射谱的理论模拟在我们研究长周期光纤光栅的各方面属性的过程中，耦合模理论提供了精确有效的解，从而被我们广泛采纳。

长周期光纤光栅的模式耦合主要是指纤芯基模和同向传播的包层模之间的耦合，由光纤的模式理论可以知道在包层中存在很多种包层模，为了方便讨论，我们在这一部分只讨论光纤光栅的纤芯基模和一个包层模之间的耦合。

首先，我们定义一下谐振波长，就是在光纤有效折射率调制无穷小的情况下的谐振波长，可以用下面的公式来表示=D eff n λ∆Λ，式子中eff n ∆表示光纤基模和包层模之间的有效折射率之差，即12eff eff eff n n n ∆=-。

第二步，我们来定义一下，直流耦合系数和交叉耦合系数，非别为直流耦合系数 ()eff effeffD n n n δσπλλ∧∆+∆=-交流耦合系数 eff n πδκλ= 第三步，有了上面的定义，我们接着引入直流耦合率和交叉耦合率的概念，，分别为直流耦合率2()222(0)||1cos ))||1z R t R κσ=∧==++交叉耦合率2()22(0)||1)||1z s t R κσ⨯∧==+。

我们可以验证，直流耦合率和交叉耦合率之和等于一，这说明用直流耦合率和交叉耦合率来表示透射谱和反射谱是恰当的。

有了上面一系列的叙述，我们就可以用matlab 对长周期光纤光栅进行模仿，在这一过程中，我们对一些列的参数做如下设定，光纤有效折射率之差120.042eff eff eff n n n ∆=-=，光栅周期350m μΛ=，周期数为N=100，光栅长度35L N mm =Λ⨯=（这相当于公式中的z ），由谐振波长计算公式我们可以得到谐振波长1470D nm λ=。

膜层厚度对长周期光纤光栅谐振波长的影响

和区域三，层厚度的变化引起的谐振波长的变化较小，膜而在区域二，谐振波长对膜层厚度极
为敏感，厚度的小小变化既可引起谐振波长的较大漂移，在这个区域存在一个最优厚度（ｐｉｏｔ・ｍｍｏｅａｉｋｅｓＯＴ，ｕｖｒｙｔｃｎｓ，Ｏ）当膜层厚度等于最优厚度时，振波长对厚度的变化极度敏感。ｌｈ谐关键词：周期光纤光栅（Ｐ；效折射率；层厚度；长ＬＧ）有膜谐振波长
ｔｃｎｅｓｈｉｋｓ．
ＫｅｒｓＬＧ；ｆｃｉｅｉｄｘｏｅｌｙｔｉｋｅｓｒｓｎｎｖｌｎｈｙｗｏｄ：Ｐｅｆｔｎｅ；ｖｒｈｃｎｓ；ｅｏａｔｅｖａｗａｅｅｇｔ
１引言
周期光纤光栅传感器，是在长周期光纤光栅的表就
ｃｎｃｕｅｌｇｈｆｏｓｎｎａｅｎｈＡｐｉｍｏｅａｉｎｓ（Ｏ）ｘｔｉｔｉａｅ，ｄｏｃｅＯａａｓｒｅｓｉｆｅｏａｔｖｌｇ．ｎｏｔａｔｒｗｅｔｍｕｖｄｙｔｃｅｓＯＴｅｉｓｎｈｓｒａａｎｅｔ — ｈｋｓｎｈ
ｔｉｋｅｓｏｈｅｏｎｖｌｎｇｈｏｈｃｎｓｎｔｅｒｓｎａｔｗａｅｅｔｆＬＰＧＳｓｕｅｉｔｄｉｄ．Ｉｏｅｏｈｏｃｕｉｎｔａ．ｅｈｅｏｅｌｙｔｃｎｅｓｔｃｍｓｔｔｅｃｎｌｓｏｈｔｗｈｎｔｖｒａｈｉｋｓ

长周期光纤光栅

长周期耦合模理论1400150016001700-20-15-10-55d bnm长周期光纤光栅的模式耦合主要指是指纤芯基模和同向传输的各阶包层模之间的耦合。

在理想光纤中传输的光的不同模式相互正交，传输过程中不同模式之间没有能量交换，即不同模式的能量保持恒定。

而长周期光纤光栅中周期性的折射率调制使纤芯基模和同向包层摸发生耦合，能量在模式之间发生相互转移。

光纤结构图长周期光纤光栅是纤芯导模与同向传输的包层模之间的耦合，而耦合到包层中的光在经过一段距离传输后，由于包层与空气界面的散射以及光纤弯曲等原因，包层模转化成辐射模而迅速衰减掉。

由于同向传播的导模可以耦合到不同阶的包层模。

从而在长周期光纤光栅的透射谱中可以观察到一系列的损耗峰。

光纤光栅的模式有效折射率变化()eff n z δ可表示为：2()()1cos ()eff eff n z n z vz z πδδ⎧⎫⎡⎤=++Φ⎨⎬⎢⎥Λ⎣⎦⎩⎭()eff n z δ表示直流有效折射率变化，v 是折射率调制的条纹可见度，Λ为光栅周期，()z Φ描述光栅啁啾。

定义长周期光纤光栅的设计波长D eff n λ≡∆Λ长周期光纤光栅的模式耦合方程可近似表示为：ˆ()()dRi R z ikS z dZ σ=+ ˆ()()dSi S z ik R z dZσ*=-+ R 、S 表示纤芯基模和同向包层模的幅度，ˆσ和k 分别表示自耦合系数和模式间的交叉耦合系数。

自耦合率t =和交叉耦合率t ⨯：222222()1cos sin (0)1ˆR z t k R σ===++22222()1sin ˆ(0)1S z t R k σ⨯==+ 谐振波长和带宽交叉耦合率最大时的谐振波长为：112211()2res Dλλσσπ=Λ-- 折射率调制主要发生在纤芯的均匀单模长周期光纤光栅，包层的折射率调制很小，所以上式可近似表示为：1eff resD eff n n δλλ⎛⎫≅+ ⎪ ⎪∆⎝⎭在长周期光纤光栅的写入过程中，损耗峰首先出现在光栅的设计波长D λ处，随着折射率调制的增加，谐振波长向长波方向移动，即均匀长周期光纤光栅的谐振波长由光栅的设计波长D λ（光栅周期Λ）和平均有效折射率调制大小决定。

长周期光栅

[ H 2 ] = 3.3 ×10 α1245
−3
进行紫外曝光时，由于光栅区曝光部分B 参加反应的氢分子要比被遮挡部分A 参加反应的氢分子多,在光栅制作完毕后B 区中残留的氢分子要比A区中的少,所以当经历退火后A 区由于氢分子逃逸导致折射率的减小量要比B 区大,这就导致纤芯折射率调制深度的增加，引起谐振峰的较大的变化。为了解决这个问题,作者应用了均匀紫外曝光技术。
3 应力或温度传感器长周期光纤光栅用作传感器不仅具有光纤传感器的一切优点: 如体积小、重量轻、可重复性好等, 而且对温度、应力变化非常灵敏。因此, 它是一种比较理想的温度或应力敏感元件。研究表明 ,长周期光纤光栅温度灵敏度是光纤B ragg 光栅的7 倍。长周期光纤光栅的多个损耗峰可以同时进行多轴应力及温度测量, 也可以将级联的长周期光纤光栅作为传感器阵列进行多参数分布式测量。随着研究逐渐深入, 长周期光纤光栅应用越来越广。就目前所知, 在通信领域中的带通滤波、光上下路复用、光纤光源、光纤耦合、偏振器件等方面都有相关的研究结果。在传感领域, 由于其谱特性对温度、应力、微弯及外部折射率变化相当灵敏, 因此, 能够产生温度、应力、微弯及外部折射率变化的物理量就间接导致其谱特性变化。目前研究结果包括长周期光纤光栅用作温度传感、振动测量、磁场传感、载重传感器、液体气体传感器等。 4 带通滤波器光纤B ragg 光栅带通滤波器一个潜在缺点是产生光反馈或不希望的光谐振。利用长周期光纤光栅组合设计成光学带通滤波器件, 可以避免这一点。原理如图,在四端口的瞬逝型(evanescen t) 单模光纤耦合器两纤芯中分别写入一对相位相反的长周期光纤光栅。将光栅的周期与折射率调制深度设定为特定比率, 这样在耦合作用长度内, 特定波长的光耦合得到抑制, 而其它波长能够进行光耦合, 从耦合器纤芯1 耦合进纤芯2。只有希望的特定波长的光由于耦合极弱, 保

光钎通信器件光纤光栅原理及应用优秀课件

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光纤通信器件
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在光纤通信中的应用
c.光纤光栅外腔半导体激光器
将一个半导体激光器的输出耦合到一支光纤光栅上便可以得到光纤光栅外腔半导体激光器。
多波长输出半导体激光器。
阈值电流低，并且具有极低的温度依赖性，以及很高的边模抑制比，可获得窄线宽稳定激光输出，特别适用于DWDM系统上。
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光纤通信器件
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光纤光栅工作原理
（3）悬梁臂调谐法相对于简支梁结构而言，该结构比较简单，波长调谐范围也较宽，可以达到17nm以上，但是这两种方法都比较难以控制啁啾度，都可以实现啁啾和非啁啾调谐。
P
光纤
光纤光栅
*Hale Waihona Puke 光纤通信器件*光纤光栅工作原理
4. 非轴向应力产生的光纤光栅应变分析（1）纯弯曲情况对于纯弯曲情况，受弯矩M作用的弹性梁表面任一点的轴向应变ε可表示为式中，Z0是考察点距梁中点的距离；E是梁的杨氏模量；I是梁的惯性距。如果光纤光栅沿梁轴向粘贴于表面，则波长漂移量为
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光纤通信器件
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光纤光栅工作原理
（2）纯转动情况对于纯转动情况，在扭转角不大的情况下，光纤光栅的应变可表示为式中，ν是轴距MF作用的梁表面任一点的扭应变，可表示为式中，G、IP和D分别为梁的剪切横量、横截面积惯性矩和横截面外直径。如果光纤光栅沿梁轴向粘贴于表面，则波长漂移量为
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：
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光纤通信器件
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光纤光栅工作原理
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光纤通信器件
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均匀FBG的反射特性
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。

几种常见光纤光栅传感器工作原理

几种常见光纤光栅传感器工作原理光纤光栅传感器是一种利用光纤光栅原理进行测量和传感的设备。

光栅传感器常见的工作原理包括光纤布拉格光栅传感器、光纤长周期光栅传感器和微弯光纤光栅传感器。

光纤布拉格光栅传感器的工作原理是基于布拉格散射原理。

布拉格光栅是一种周期性折射率的光学结构，在光纤中形成了一个周期性的介质折射率变化。

当光线从光纤的一端传输到另一端时，如果入射光的波长与光纤布拉格光栅的周期匹配，一部分光子将被散射回来。

通过测量返回的散射光的波长，可以得到光纤周围环境的物理参数，如温度、应力和应变等。

光纤长周期光栅传感器的工作原理是基于光纤中被定期改变的折射率。

长周期光栅是一种周期性折射率变化的光学结构，在光纤中形成了一个周期性的折射率变化。

当光线从光纤的一端传输到另一端时，由于光纤中折射率的周期性变化，部分光子将被耦合到光纤的芯部分中。

通过监测被耦合到芯部分的光强，可以得到光纤周围环境的物理参数，如温度和应变等。

微弯光纤光栅传感器的工作原理是基于光纤的微弯曲变化。

当光纤受到外力或外部物理参数的作用，如温度、压力和应变等，会导致光纤发生微弯曲。

微弯光纤光栅传感器通过监测微弯光纤的光强变化来测量这些物理参数。

微弯光纤光栅传感器通常由两个光纤光栅组成，一个作为敏感光纤光栅，另一个作为参考光纤光栅。

通过比较敏感光纤光栅和参考光纤光栅的光强变化，可以得到环境物理参数的值。

综上所述，光纤光栅传感器可以基于光栅的布拉格散射原理、长周期折射率变化和微弯光纤的光强变化来实现对环境物理参数的测量和传感。

这些传感器在温度监测、应力分析、应变测量和压力检测等领域具有广泛的应用前景。

长周期光纤光栅传感器的研究

长周期光纤光栅传感器的研究Research of Long-term Optical Fiber Grating Sensors王琦东华大学应用物理系摘要：介绍了长周期光纤光栅的原理、发展历史和现状，重点介绍了长周期光纤光栅的传感原理和技术。

详细分析了浓度的变化对透射光谱的影响，以及不同弯曲曲率下，谱形和中心波长的变化，提出并分析了一种新的长周期光纤光栅传感系统。

Abstract:The main principle, developing pand present status of long-term optical fiber grating are introduced.. Long-period fiber grating sensing principles and techniques have been analyzed.The impact on the transmission spectra by change of Concentration of Solution has been analyzed and change of transmission spectra and Center Wavelength of different bending curvatures detailedly, especially for cross-sensitivity of strain and other parameter. The discrimination technologies for cross-sensitivity of strain and temperature have been mainly discussed. The principal solutions of multi-parameter sensing head configurations involving fiber-grating devices have been overviewed and sorted. The multi-functional fiber grating sensing system has been proposed and analyzed.关键词：长周期光纤光栅，传感，透射光谱，弯曲曲率Key words: long period fiber grating, sensing, transmission spectra,bending curvature 一．介绍光纤光栅是一种新型光学器件,它是基于光纤材料的光敏特性,在纤芯内形成的空间相位光栅。

《长周期光纤光栅》课件

长周期光纤光栅的制备方法
1 剪切辊拉伸法
利用剪切辊的力学作用和拉伸力来制备光纤光栅。
2 CO2激光烧蚀法
3 脉冲电弧放电法
使用CO2激光器对光纤进行加工，得到具有周期性折射率变化的光栅。
通过脉冲电弧放电的方式，对光纤进行表面改性，形成光栅结构。
长周期光纤光栅的应用
光纤传感器
利用光纤光栅的特殊结构，实现对温度、压力等物理量的精确检测。
光纤滤波器
利用光纤光栅的滤波特性，实现对特定波长光的选择性传输。
光纤器件
作为光学器件的重要组成部分，应用于光通信、光传输等领域。
总结
长周期光纤光栅是一种非常重要的光学器件，具有广泛的应用前景，在光学、光通信等领域具有重要的意义。
《长周期光纤光栅》PPT 课件
探索长周期光纤光栅的神秘世界
什么是光纤光栅？
光纤光栅是一种利用光纤的自然衍射效应来进行光波编码的光学器件。
长周期光纤光栅的原理
长周期光纤光栅通过在光纤的芯部加入具有周期性折射率变化的光栅来实现光波编码。

长周期光纤光栅理论基础

长周期光纤光栅理论基础1 高频CO 2激光写入光栅的折变机理分析 (1)1.1 高频CO 2激光写入光栅的装置及方法 .................................................................. 1 1.2 高频CO 2激光写入光栅的折变机理 ..................................................................... 2 2 旋转相移长周期光纤光栅的理论分析 . (3)2.1拍频理论 (3)2.2相移理论 ............................................................................................................. 5 2.3旋转相移光纤光栅理论 . (6)在光学层面，已有多种描述光纤光栅的属性和设计的模型，而每种方法通常都提供了一个独特的视角去观察光栅－电场交互作用的物理机理。

在过去十多年中，国内外学者对纤芯均匀折变长周期光纤光栅的理论研究比较多，折变分布在光纤整个横截面且不均匀的光栅却研究得较少，而横截面折变非均匀的光纤光栅是光栅家族中非常重要的一类。

1 高频CO 2激光写入光栅的折变机理分析1.1 高频CO 2激光写入光栅的装置及方法T-LPFG 的制作装置如图1所示：整个系统由一个全功率为10W 的CO 2激光器（CT-LEG10）、宽带光源（SLED1550S5A ）、光谱分析仪(OSA, Agilent 68140A)和一组三维微动台组成。

将一根普通单模光纤呈水平直线状态置于CO 2激光器聚焦透镜的焦点，通过仔细调整微动台使光纤的轴线与CO 2激光的焦斑重合。

为了提高写入效率，通常预先把被加热段光纤的涂覆层剥去50mm 左右，这样，当CO 2激光在光纤上加热时，激光能量可以较容易地透过包层进入纤芯，使之快速成栅。

基于级联长周期光纤光栅的光纤布拉格光栅解调系统

ｅｅｆｌｅｏｅｔｎｖｌｎｇｈｖｒａｉｎｉｏｏｉａｗｅｅｓｒｍｅ，ｔｓｒａｉｉｇａＦＢＧｅ — ｄｇｉｔｒｃｎｖｒｉｇｗａｅｅｔａｉｔｏｎｔｐｔｃｌｐｏｒｍａｕｅｎｔｈｕｅｌｚｎｓｎｓ
Ｌｏ — ｒｏｂｒＧｒｔｎｇｎｇＰｅｉｄＦｉｅａｉ
ＺｕＨｏｇｏ，ＬａｇＤａａＺｎｉ，ｉｎ，ｈｕＹｆｉｏｎｂ２ｉｎｋｉ，ｅｇＪｅＬＫｕＺｏｉｅ
（．ｌｇｆＡｅｏｐｃｇｎｅｉｇ，ＮａｊｇＵｎｖｒｉｙｏｒｎｕｉｓ＆１ＣｏｌｅｏｒｓａｅＥｎｉｅｒｎｅｎｉｉｅｓｔｆＡｅｏａｔｎｃＡｓｒｎｕｉｓｔｏａｔ，Ｎａｊｇ，２０１，Ｃｈｎｃｎｉｎ１０６ｉａ；
ＡｂｔａｔＡｅｄｌｔｎｓｓｅｏｉｅｒｇｒｔｇ（ＢＧ）ｂｓｄｏａｃｄｄｌｎ — ｅｉｄｆｅｓｒｃ：ｄｍｏｕａｉｙｔｍｆｆｒＢａｇｇａｉｏｂｎＦａｅｎａｃｓａｅｏｇｐｒｏｉｒｂｇａｉｇ（ｒｔｎＣＬＰ）ｉｐｅｅｔｄＡｅｎｅｒｇｔｎｏｏｅｔｏｈｓｓｓｅｉＣＬＧｓｒｓｎｅ．ｋｙｉｔｒｏａｉｇｃｍｐｎｎｆｔｉｙｔｍｓＰＧｉｈａｔｓａｗｈｃｃｓａｎ
第４卷第６期３
２１０１年１２月
南京航空
航
天
大Leabharlann 学学报Ｖｏ．３Ｎｏ６１４．

长周期光纤光栅模式与耦合系数的研究

长周期光纤光栅模式与耦合系数的研究谢中;冯双磊;周艳明;李科;马扬昭【摘要】从耦合模理论出发,采用三层介质光纤模型,用数值计算的方法分析了长周期光纤光栅纤芯模和包层模的有效折射率,一阶低次包层模的耦合系数随波长以及阶次的变化关系,研究发现,低次包层模的最大耦合系数对应的模次随波长增大而减小,不同光纤参数下耦合系数随波长变化的规律不同.耦合系数直接影响到光栅透射谱损耗峰峰值,这对长周期光栅的设计有一定的参考价值.%Based on the three-layer fiber model and the coupling theory, the effective refractive index of the core mode and the cladding modes were numerically calculated in Long-period grating (LPG).and the changing relation of the coupling coefficient of the cladding modes at the lowest few ones with varying wavelength were analyzed. It is revealed that the mode number of the maximum coupling coefficient of the cladding modes decreases with wavelength, the coupling coefficient with wavelength is different in different fiber parameters. These results are valuable for the design of long period grating, since the coupling coefficient directly affects the peak loss of the grating transmission spectrum.【期刊名称】《湖南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(039)006【总页数】5页(P58-62)【关键词】长周期光纤光栅;光纤参数;波长;耦合系数【作者】谢中;冯双磊;周艳明;李科;马扬昭【作者单位】湖南大学物理与微电子科学学院,湖南长沙410082;湖南大学物理与微电子科学学院,湖南长沙410082;湖南大学物理与微电子科学学院,湖南长沙410082;湖南大学物理与微电子科学学院,湖南长沙410082;湖南大学物理与微电子科学学院,湖南长沙410082【正文语种】中文【中图分类】TN929.11长周期光纤光栅（LPG）具有插入损耗小、带宽宽、后向反射低、制作简单、成本低而且比Bragg光栅的灵敏度更高等优点［1］，已广泛应用于通信、传感等领域.长周期光纤光栅的周期比光纤布拉格光栅的周期大得多，在几十到几百微米之间.这样的结构使前向传输的纤芯基模与同向传输的各阶次包层模之间发生耦合.在透射谱中，一些波长符合长周期光纤光栅相位匹配条件的模的强度大为减弱，就形成了一系列的损耗峰［2］.长周期光纤光栅包层模与纤芯模之间的耦合系数是影响损耗峰峰值的重要因素之一.关于耦合系数已有大量的研究，其中有文章［3－4］报道，包层模与纤芯模之间的耦合系数随波长增大而减小.随着全光网络的提出、光器件设计理论和制备工艺的发展、以及对器件工作性能和能量消耗等要求的提高，减小器件尺寸、提高集成度，将光子器件与微电子、光电子器件在纳米尺度上混合集成已成为必然趋势，这就要求光波导线宽度向亚波长和纳米尺寸发展.本文针对这一发展趋势，对半径较小的光纤长周期光栅的耦合系数进行了研究.运用耦合模理论和常用的3层光纤模型和Math－CAD计算得出了在不同光纤参数下包层模与纤芯模之间的耦合系数随波长变化的规律，对耦合系数随波长的变化进行了全面的数值分析.计算模拟的结果表明：与以前研究结果［3－4］不同，包层模与纤芯模之间的耦合系数随波长的增大而增大.当改变光纤其他参数时包层模与纤芯模之间的耦合系数随波长变化亦有不同的规律.这些结果可为今后长周期光纤光栅器件微型化设计提供参考.1 长周期光纤光栅纤芯模和包层模有效折射的分析1.1 纤芯基模特征方程纤芯基模特征方程［5－6］如下：式中：V＝（2π／λ）a1，为归一化频率；b＝（－）／（－），为归一化有效折射率；λ为光波波长；a1为光纤纤芯半径；n1和n2分别为光纤纤芯、包层的折射率；为纤芯基模的有效折射率；J0，J1和K0，K1分别为0阶、1阶第一类贝塞尔函数和0阶、1阶第二类虚宗量贝塞尔函数，解方程（1）可得出纤芯基模的有效折射率.1.2 包层模的本征方程包层模的本征方程如下：方程中的各参数参看文献［6－7］，解超越方程（2）可得出一阶各次包层模的有效折射率.图1为一阶前20次包层模有效折射率随波长的变化曲线.计算采用的光纤参数：纤芯折射率n1＝1.458，包层折射率n2＝1.45，纤芯半径a1＝2.625μm，包层半径a2＝62.5μm，包层外折射率n3＝1.图1 有效折射率随波长的变化Fig.1 The effective refractive index with wavelength从图1中可知一阶各次包层模的有效折射率随波长的增加而减小，而且模次越大的模对应的有效折射率随波长减小得越快，另外奇次和奇次包层模、偶次和偶次包层模有效折射率的纵向间距随波长的增大而增大.2 一阶各次包层模耦合系数的研究本文用三层光纤模型和耦合模理论研究阶跃单模光纤中写入的均匀长周期光纤光栅的纤芯基模与一阶各次包层模之间的耦合.纤芯基模与一阶各次包层模耦合的耦合系数公式为［6］：式中：σ（z）为纤芯平均折变量，对于均匀的长周期光纤光栅σ（z）为常数；表示总功率为1W所表征的一阶v次包层模式的归一化常量，可以通过解光纤归一化功率模型得出［8］：式中：Pco，Pcl，Pex分别为某一包层模式在纤芯、包层、环境层中的功率；，表示磁场幅角方向、径向分量的复共轭；，表示电场幅角方向、径向分量，这些分量均与有关.求出的代入式（2）即可求得耦合系数的值.2.1 波长对耦合系数随模次变化的影响图2为在上述光纤参数下计算得出的不同波长时耦合系数随包层模模次的变化. 图2 不同波长下耦合系数随模次的变化Fig.2 The coupling coefficient of different wavelengths with mode number从图2中可知，奇次包层模（HE模）的耦合系数远大于偶次包层模（EH模）的耦合系数，且偶次包层模耦合系数随模次的变化很小.各波长下奇次包层模的耦合系数随模次先增大后减小，随着波长的增大奇次模的耦合系数随模次增大得越来越慢，波长为1.52μm，1.60μm时耦合系数随模次先增大后减小，另外最大耦合系数对应的模次随波长的减小而增大.因为一阶低偶次模和一阶高次模的能量相对较小，所以下文分析长周期光栅的模式耦合时可只考虑纤芯基模与一阶低奇次包层模之间耦合，而忽略纤芯基模与其他次包层模（一阶低偶次包层模和一阶高次包层模）之间的耦合［9］.2.2 光纤参数对耦合系数随波长变化的影响影响长周期光纤光栅包层模耦合系数的光纤参数主要有纤芯和包层的半径a1和a2，纤芯和包层的折射率n1和n2，包层外介质的折射率n3（设n3＝1）.把以上光纤参数代入式（3），通过数值计算得出耦合系数随波长变化的情况，光纤初始结构参数取值同前.研究长周期光栅透射谱时一般只考虑前5个奇次包层模和纤芯基模的耦合，因此计算时只提取了模次v＝1，3，5，7，9次包层模的耦合系数，波长范围为1.2～2.0μm.图3（a）为初始结构参数下耦合系数随波长变化的曲线，由图可知，v＝1，3，5次包层模的耦合系数随波长的增大而增大；v＝3，5次模的耦合系数随波长而增大得越来越慢；v＝7，9次包层模的耦合系数则随波长的增大先增大后减小.当纤芯折射率n1＝1.46，其他光纤参数为初始结构参数时，耦合系数随波长变化如图3（b）所示，由图中可知v＝1，3，5，7，9次包层模耦合系数随波长的增大而增大；v＝7，9次包层模的耦合系数随波长的增大变化得越来越慢，且各次模对应的耦合系数比图3（a）要小约0.05.图3 不同光纤参数下耦合系数随波长的变化Fig.3 The coupling coefficient with wavelength in different optical fiber parameters图3（c）显示了包层折射率n2＝1.453，其他光纤参数为初始结构参数时，包层模耦合系数随波长变化的关系，图中v＝1包层模的耦合系数随波长增大一直增大且增大得越来越慢；v＝3，5，7次包层模的耦合系数随波长增大先增大后减小，且增大比减小的慢；模次v＝9的耦合系数随波长的增大不断减小，且各次模的耦合系数比图3（a）中的大约0.1图3（d）为纤芯半径a1＝4.15，其他光纤参数为初始结构参数时，耦合系数随波长变化的规律.图中各次包层模的耦合系数随波长的增大先减小后增大，这与上述3种情况下各次包层模耦合系数随波长变化的规律恰好相反，而且耦合系数随波长减小比增大的快.图3（e）为用文献［3］中光纤参数计算得出的包层模耦合系数随波长变化曲线.图中v＝1，3，5，7，9次包层模的耦合系数随波长增大而增大，这与文献［3］中v＝1，3，5，7，9次包层模的耦合系数（即交流耦合系数）随波长增大而减小的研究结果不同，原因是文献［3］应用的耦合系数的计算公式［10］与本文应用的耦合系数的计算公式［3］不同.经软件模拟仿真与运用公式计算结果进行对比，作者发现运用文献［6］中公式计算所得的长周期光纤光栅包层模耦合系数更为合理.2.3 耦合系数对光栅透射谱的影响设光栅长度均为2cm，折射率调制均为0.000 2，依照图3中各光纤参数，运用OptiGrating4.2模拟的光栅透射谱如图4所示，图4（a），（b），（c），（d），（e）.分别对应图3（a），（b），（c），（d），（e）.对长周期光栅透射谱而言，包层模耦合系数越大，损耗峰波长在该模次的透射率就越小，即损耗峰峰值就越大.从图4（a）中很明显看出7次模对应的损耗波长的透射率最小，这是因为图3（a）中7次模对应的损耗波长的耦合系数比其他模次对应的损耗波长的耦合系数都大，图3（c）中3次模在波长为1.5μm处的耦合系数比1次模和5次模在波长分别为1.3μm和1.95μm处的耦合系数都大.图4 不同光纤参数下均匀长周期光纤光栅透射谱Fig.4 The transmission spectrum of LPG in different optical fiber parameters由以上计算模拟结果可知光纤参数对耦合系数随波长变化的规律有很大影响，耦合系数的大小又直接影响到光栅透射谱损耗峰的峰值，因此选取合适的光纤参数对长周期光纤光栅的设计至关重要.3 结论本文着重研究了小芯径长周期光纤光栅的一阶低奇次包层模的耦合特性.基于耦合模理论，对一阶低奇次包层模有效折射率、耦合系数及光栅的透射谱进行了计算模拟.结果表明，不同波长下包层模最大耦合系数对应的模次随波长的增大而减小，包层模与纤芯模之间的耦合系数随波长的增大而增大.当改变光纤其他参数时，包层模与纤芯模之间的耦合系数随波长变化亦有不同的规律.这些结果对进一步研究长周期光纤光栅的透射谱特性及今后长周期光纤光栅器件微型化设计有重要参考价值.参考文献［1］ JAMES S W，TATAN R P.Optical fiber long－period grating sensors：characteristics and application［J］.Meas Sci Technol，2003，14：R49－R61.［2］张自嘉.光纤光栅理论基础与传感技术［M］.北京：科学出版社，2009：138.ZHANG Zi－jia.Long optical fiber grating theoretical basis and sensor technology［M］.Beijing：Science Press，2009：138.（In Chinese）［3］崔春雷，刘伟平，黄红斌，等.长周期光纤光栅包层模特性及其对传输谱的影响［J］.光子学报，2005，34（10）：1569－1572.CUI Chun－lei，LIU Wei －ping，HUANG Hong－bin，et al.Cladding modes characteristic and its effects on transmission spectrum of long period fiber gratings［J］.Acta Photonica Sinica，2005，34（10）：1569－1572.（In Chinese）［4］黄桂岭，赵启大，刘松，等.长周期光纤光栅透射谱与结构参数关系的研究［J］.光电子·激光，2007，18（5）：519－522.HUANG Gui－ling，ZHAO Qi －da，LIU Song，et al.Study of the relation between the transmissionspectra and the structural parameters for a long－period fiber grating ［J］.Journal of Optoelectronics，Laser，2007，18（5）：519－522.（In Chinese）［5］ GLOGE D.Weakly guiding fibers［J］.Appl Opt，1971，10：2252－2258.［6］ ERDOGAN T.Cladding－mode resonances in short and longperiod fiber grating filters［J］.J Opt Soc Am A，1997，14（8）：1760－1773. ［7］ ERDOGAN T.Cladding－mode resonances in short and long－period ber grating fiters：errata［J］.J Opt Soc Am A，2000，17（11）：2113. ［8］ PERAL E，CAPMANY J.Generalized bloch wave analysis for fiber and waveguide grating［J］.Light－wave Technology，1997，15（8）：1295－1302.［9］饶云江，王义平，朱涛，等.光纤光栅原理及应用［M］.北京：科学出版社，2006：260－266.RAO Yun－jiang，WANG Yi－ping，ZHU Tao，et al.Long period fiber grating principle and application［M］.Beijing：Science Press，2006：260－266.［10］何万迅，施文康，叶爱伦，等.长周期光纤光栅模式与耦合的研究［J］.光子学报，2003，23（3）：302－306.HE Wan－xun，SHI Wen－kang，YE Ai－lun，et al.Modes and couplings of long period fiber grating［J］.Acta Optica Sinica，2003，23（3）：302－303.（In Chinese）。

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纤芯纤芯
涂覆层
计算公式

光纤特性

Δn =1.45851-1.451225=0.007285
仿真
波长扫描
1 LP01 0.9 LP02 total power 0.8
0.7
0.6
power
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0 1.25
1.3
1.35 wavelength(μm)
1.4
1.45
Λ=179.822μm,��=1.31μm
长周期耦合模理论 ——研究长周期光纤光栅的基本理论
包层
长周期光纤光栅的模式耦合主要指是指纤芯基模和同向传输的各阶包层模之间的耦合。在理想光纤中传输的光的不同模式相互正交，传输过程中不同模式之间没有能量交换，即不同模式的能量保持恒定。而长周期光纤光栅中周期性的折射率调制使纤芯基模和同向包层摸发生耦合，能量在模式之间发生相互转移。
0.8
0.7
0.6
power
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0 1.25
1.3
1.35 wavelength(μm)
1.4
1.45
N=1.449
长周期光纤光栅
作者：常丽军
长周期光线光栅
Hale Waihona Puke 根据光纤光栅周期的长短不同，可将周期性的光纤光栅分为短周期（Λ<1μm）和长周期（Λ>1μm）两类。小于1μm的短周期光纤光栅称为光纤布拉格光栅或反射光栅，其传输方向相反的模式之间发生耦合，属于反射型带通滤波器，又称为布拉格光栅；而周期为几十至几百微米的长周期光纤光栅，同向传输的纤芯基模和包层模之间的耦合，无后向反射，属于透射型带阻滤波器。
1 LP01 LP02 0.9 total power
0.8
0.7
0.6
power
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0 1.25
1.3
1.35 wavelength(μm)
1.4
1.45
Λ=182μm
1 LP01 LP02 0.9 total power
0.8
0.7
0.6
power
0.5
0.4
0.3

均匀周期光纤光栅
典型折射率分布函数:
2 n( z ) ncore n (1 cos( z ))
长周期光纤光栅
LPFG的制作

1、紫外光写入法

2、CO2激光写入法
3、腐蚀刻槽法 4、电弧放电法

5、离子束注入法
6、飞秒激光写入法 7、机械微弯变形法
8、相位掩膜法
0.2
0.1
0 1.25
1.3
1.35 wavelength(μm)
1.4
1.45
Λ=179μm
1 LP01 LP02 0.9 total power
0.8
0.7
0.6
power
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0 1.25
1.3
1.35 wavelength(μm)
1.4
1.45
N=1.451
1 LP01 LP02 0.9 total power

长周期光线光栅的优点及应用

优点：插入损耗小、与偏振无关、带宽宽、后向反射低、对外界环境变化的反应灵敏度高、制作简单、成本低廉、全兼容于光纤、体积小、能埋入智能材料等应用：1.在通信领域主要用作EDFA增益均衡器、ASE噪声滤波器、光纤耦合器、束状滤波器以及WDM通道隔离器等 2.在传感领域，由于LPFG的周期相对较长，满足相位匹配条件的是同向传输的两个模式，这一特点决定了LPFG的谐振波长和峰值对外界环境变化非常敏感，具有比布拉格光栅更好的温度、应变、弯曲、扭曲、横向负载、浓度和折射率灵敏度。