通信与信息工程专业论文-光纤光栅传感技术应用设计

天津理工大学2004届毕业设计

第一章绪论

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性在光纤内建立的一种空间周期性折射率分布，其作

用在于改变或控制光在该区域的传播行为与方式。作为一种新型的光学器件，光纤光栅已

经在诸多方面得到了不同的应用。相信在不久的将来随着光纤光栅与其他技术的进一步结合，其可应用前景会更为广阔。

1.1光纤光栅的发展历史

光纤技术自20 世纪60 年代末至今在不到30 年的时间里以惊人的速度发展成为信息技

术领域中的支柱性高新技术。然而, 随着现代社会对信息技术的更新更高的要求, 光纤通信、光纤传感技术正面临着新的挑战。传统光学器件由于制作的复杂性和体积大而笨拙等原因无法适应新技术的要求。因此光纤光栅应运而生。

光纤光栅是利用石英光纤的紫外光敏特性将光波导结构直接写在光纤中形成的光纤波导器件。该技术最早出现于1978年，加拿大的K.O.Hill在掺锗光纤中，用488nm氩离子激光在光纤中产生驻波干涉条纹，首次发现了在掺锗光纤中的光致光栅现象，并制造出世界上第一条光纤光栅。从此开创了光纤光栅发展的历史。这种方法制作的Bragg光纤光栅反射滤波器的线宽可以很窄，反射率也较高，但只能制作反射波长和写入波相同的光纤反射器，通过加外力的方法使光栅的调谐范围较小，大大限制了他的应用。此后由于制作工艺及应用的局限这项技术一直未得到进一步的发展，历经十年进展缓慢。

直到1989年，美国的Meltz等人利用两束干涉的紫外光从光纤的侧面成功地写入了光栅，研制成功Bragg光纤光栅滤波器。Archambult等人也报道了用单个准分子激光器制作近100%

反射率的Bragg光纤光栅滤波器的方法。这标志着光纤光栅技术进入了快速发展的阶段。此后随着写入方法的不断改善；光敏性的逐渐提高；各种特种光栅也相继问世；同时光纤光栅的应用前景也得到了广泛的关注。特别是近年来光纤光栅在光通信、光纤激光器和光纤传感器等领域的应用越来越受到人们的重视，取得了令人瞩目的成就。随着光纤光栅技术的不断成熟和商用化, 专家们预言, 从光纤通信、光纤传感到光计算机和光信息处理的整个光纤领域将发生一次变革性飞跃。光纤光栅的出现将改革人们在光纤技术应用中的传统设计思想, 可以说光纤光栅技术是继掺铒光纤放大器(EDFA ) 技术之后光纤技术发展的又一个新的里程碑。

光纤光栅在应用上的一个重大突破就是使各种光学器件的全光纤化和集成化成为可能。诸如光纤光栅激光器、光纤光栅滤波器、分接头、波分复用器及解复器等器件的研究

都取得了相当快的进展。光纤光栅以其造价低、稳定性好、体积小、抗电磁干扰等优良性能，被广泛应用于光纤通信和光纤传感等各个领域。尤其是它易于集成的特性，使得全光

纤一维光子器件集成成为可能。此外, 作为信息摄取的光纤光栅传感器及其应用——即3S

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系统（Smart Material, Smart Structure, Smart Skin）已经引起科学界极大关注并成为研究热点。这是一种将光纤光栅技术、光纤神经网络、光纤致动仪器有机的结合为一体，把光纤光栅埋入或贴附在飞机、船舶、坦克等运载体表面或建筑体（楼房、桥梁、大坝等）承力件外蒙皮的复合材料中，可制成灵敏材料、灵敏结构和灵敏皮肤的智能传感系统。这些研究成果对全光信息发展的巨大推动作用可能会大大超出人们的想象。3S系统的出现标志着对光纤光栅技术的研究又进入个一个崭新的时代。

1.2光纤光栅的分类

光纤光栅是光纤导波介质中物理结构呈周期性分布的一种光子器件，根据物理机制的不同，可分为蚀刻光栅和折射率调制的位相光栅两类。前者在光纤结构中形成明显的物理刻痕，后者主要在纤芯中形成折射率周期分布。在学术研究和实际应用等各方面后者均占主导地位。因此，通常所说的光纤光栅指的是折射率调制的位相光栅。依据不同的分类标准可以把光纤光栅分类如下：

一、根据成栅机制的不同分类：

根据成栅机制光栅可以分为三种类型，分别称之为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型（ⅡA型）光纤光栅。

1. Ⅰ型光纤光栅：连续或者能量较弱的多个脉冲光波在光敏光纤中形成的传统意义上的光折变光栅被称之为Ⅰ型光栅。它有较理想的透射谱，反射率可以达到百分之几十，满足布拉格条件时短波一侧没有明显的的耦合损耗，但由于在比较低的温度下光栅会开始变弱或消失，因此热稳定性差。

2. Ⅱ型光纤光栅：由单个能量密度很高的光脉冲曝光形成。能量非均匀的激光脉冲被纤芯石英强烈放大造成纤芯物理损伤，从而产生了光栅现象。Ⅱ型光栅的主要特点体现为：对蓝、绿光不敏感，带宽较大(1～5nm)；具有很强的将光能耦合到包层或辐射模中的能力，但也因此造成较大的插入损耗；同时在满足布拉格条件时反射谱短波一侧有很强的传输损耗。但，相对Ⅰ型光纤光栅这种类型的光栅在应用领域具有一个显著的优点——很好的热稳定性，在800℃环境中放置24小时后其反射率无明显变化，在1000℃环境中放置4小时后大部分光栅才消失，这个特点使Ⅱ型光栅可以工作在极其苛刻的温度环境中。

3. Ⅲ型光纤光栅：又称ⅡA型光纤光栅。在对Ⅰ型光栅进行过量曝光时发现了这种类型的光栅[7]。其反射率可达100％。区别于Ⅰ型、Ⅱ型光栅的是：Ⅲ型光纤光栅随着曝光量的增加其折射率呈负增长趋势。在热稳定性方面Ⅲ型光栅介于Ⅱ型光栅与Ⅰ型光栅之间，同样适用于高温工作环境。

二、根据空间周期和折射率分布的不同分类：

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根据空间周期和折射率分布特性大致可将光纤光栅分为以下几种类型：均匀周期光纤布拉格（FBG ）光栅、长周期光纤光栅、闪耀光纤光栅、啁啾光纤光栅、相移光纤光栅、超结构光纤光栅、Tapered 光纤光栅及Moire 光纤光栅。下面分别阐述这些光纤光栅的定义及其特性：

1. 均匀周期光纤布拉格光栅（FBG ）

均匀周期光纤布拉格光栅（FBG ）是一种单模掺锗光纤经紫外光照射成栅技术形成光纤型布拉格光栅。成栅后的光纤纤芯折射率呈现周期性分布条纹并产生布拉格光栅效应。其结构、折射率分布与光谱特性如图1.1所示。这种光栅的基本光学特性就是以共振波长为中心的窄带光学滤波器。均匀周期光纤布拉格光栅（FBG ）折射率调制深度一般为10-3～10-5，它具有较窄的反射带宽和较高的反射率。而且，它的反射带宽和反射率可以根据需进行相应的调节。

2. 长周期光纤光栅

所谓长周期光纤光栅，是指它的栅格周期远远大于一般的光纤光栅，可达到几十到几百微米。与布拉格光栅不同它是一种透射型的光纤光栅，所起的作用不是将光反射回去，而是将其耦合到包层中损耗掉。长周期光纤光栅除具有插入损耗小、易于集成等优点外，还是一种性能优异的波长选择性损耗元件，对环境的变化反应较其他的光栅也更加灵敏。

3. 闪耀光纤光栅

闪耀光栅与前两种光栅的明显不同在于其光栅平面与光纤轴向有一定的夹角。这主要是由于在光栅制作过程中，紫外侧写光束与光纤轴不严格垂直所导致的。由于当夹角很小时该种光栅可以将一种导模耦合到另一种导模之中，因此常用来制作模式转换器。

4. 啁啾光纤光栅

啁啾光栅是一种非均匀光纤光栅，栅格间距不等，光栅周期具有非均匀特性。进一步可将其分为线性啁啾光栅和分段啁啾光栅[17]两大类别。

Wavelength T r a n s m i s s i o n Λ λbroad - λB λbroad λB Bragg grating Fiber core Cladding K k f k i Index modulation 图1.1 均匀周期光纤布拉格光栅的结构、折射率分布及光谱特性