光纤光栅剖析

λ=2neffΛ
neff为光纤纤芯有效折射率 Λ为光栅的栅距（光栅周期） 当外界的被测量引起光纤光栅温度、应 力改变都会导致反射光中心波长的变化。
FBG光纤光栅传感器基本原理
布拉格 光栅
施加外力
光栅的间隔 产生变化导 致波长变化
反射相应 变化的光
检测变化 值得出所 需量
温度：T=(λ-λb)*1000/10+T0 应变：με=(λ-λb )*1000/1.2 通过监测布拉格波长的变化即可测出 温度和应变扰动
1 1
2 2 1
能量将耦合至波长与入射波相同的反向传输的散射 中--反射式滤波器FBG
FBG:
length
Period
•光纤光栅的形成： 光纤敏化（载氢或光敏光纤）--紫外光（~244nm） 以光栅条纹方式照射光纤--形成折射率光栅 反射中 心波长
2neff
m 1
长周期光纤光栅的衍射
长周期光纤光栅
长周期光纤光栅
长周期光纤光栅的透射谱
长周期光纤光栅的透射谱
光纤光栅技术简介
光纤光栅各种分类
光纤光栅基本原理
光纤光栅制作技术
各种光纤光栅应用
光纤光栅研究方向
光纤材料的光敏性 光纤光栅中的折射率调制是利用光纤材料 的光敏性产生的; 光敏性－－指掺杂光纤被激光照射时，折 射率随光强的空间分布发生相应的变化， 变化大小与光强成线性关系并可永久保存 下来; 实质上，在纤芯内形成一个窄带的(透射或 反射)滤波器或反射器; 光纤光敏性的峰值位于240nm的紫外区;
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：
光 纤
1 2 3
透 镜
光 栅
1+ 2+ 3
衍射光栅型波分复用器结构示意图
光
1
2 3
纤
棒 透 镜
光 栅
1+ 2+ 3
采用棒透镜的光栅型WDM
光纤光栅FBG
对于同向传输的两个波，如果传播常数满足Bragg条 件，两波之间将发生能量的耦合。 Bragg条件： 2 1 2 光栅周期 特别地，如果满足
Bragg光纤光栅
Bragg光纤光栅
旁瓣效应
光栅中心和两侧对应不同反射峰，光纤光栅的两 端折射率突变引起的F-P效应所致在反射谱线上产 生旁瓣效应。
反射率
两侧反 射谱 中心反 射谱
光栅短波侧旁瓣形成示意图
Bragg光纤光栅的改进
变迹啁啾光纤光栅切趾特性
切趾FBG
切趾FBG－－折射率周期不变，调制幅度变化 目的－－使折射率调制深度由中心向两侧逐渐减小， 与非光栅区平滑过渡，从而抑制反射谱线的旁瓣。 光栅切趾分布函数有很多种，此处介绍常用的： 高斯分布 升余弦分布
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； 但也可以利用均匀相位掩模板： 右图所示为采用光纤弯曲法写入啁啾光 纤光栅，光栅周期如下： ( ) m / cos 光纤弯曲法写入 啁啾光纤光栅
光纤光栅技术简介
光纤光栅各种分类 光纤光栅基本原理 光纤光栅制作技术 各种光纤光栅应用 光纤光栅研究方向
光纤光栅的应用
光纤光栅有如一道道的栅门，一束光经过这 一排栅门，就会被分解成很多道光线，不能 通过栅门的光线就会被打回头； 其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的 （透射或反射）滤光器或反射镜。
θ>0表示正向传输光
θ<0表示反向传输光
普通衍射光栅原理
普通光栅的光栅方程
n1 sin i n2 sin m n1 sin i n2 sin m /
普通透射光栅的工作原理如图所示，1=i对应零级衍射光， 2对应1级衍射光。
i
n1

n2
2
1
m0 m 1
高斯分布切趾FBG 高斯切趾光栅的折射率调制深度分布：
n eff ( z ) n eff
4 ln 2 z 2 exp FWHM 2
其中FWHM是高斯轮廓的半高宽度，一般取光栅 总长度为6×FWHM。 随着FWHM的减小，光纤光栅的反射谱旁ห้องสมุดไป่ตู้受到 明显拟制，但在主反射带短波长边则仍有较大的 旁瓣，主要是由于光致折射率变化为非均匀时， 光纤中的有效折射率随光纤光栅的位置而变化， 使光栅形成自啁啾效应所造成的。
啁啾光纤光栅特性
长周期光纤光栅基本原理
前向传输模式耦合成一个泄漏的包层模 基本特性表现为一个带阻滤波器，阻带宽度一般 为十几到几十nm 1=i和2分别对应0级（为芯层模）和1（为包层模） 级衍射光：
D neff 1 neff 2
i
1
m0
2
变化光栅。 属于波长调制型非线性作用 的光纤传感器
FBG光纤光栅传感器基本原理
当光栅周围的温度、应变、应力或其他 待测物理量发生变化时，将导致光栅周期 或纤芯折射率的变化，从而产生光栅布拉 格信号的波长位移，通过监测波长位移的 情况，即可获得待测物理量的变化情况。
FBG光纤光栅传感器基本原理 反射的中心波长
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Bragg光栅滤波器
光纤光栅在光纤通信系统中的应用
光纤光栅作为一种新型光器件，可构成大量的有源和无源光器件是:
有源器件: 光纤激光器; 半导体激光器; EDFA光纤放大器; Ramam光纤放大器;
无源器件: 滤波器; WDM波分复用器; OADM上下路分插复用器; 色散补偿器; 波长变换器 ；延时器； 光纤光栅编码器。
提高敏化的方法 最广泛采用的载氢技术
氢或氚通过反应并维持更多的缺陷结构来增 加光敏性，n>10-2； 降低了对光纤的选择要求，几乎可以用于任 意光纤； 氢原子只起临时敏化作用，没有参与作用的 氢原子会随着时间慢慢扩散而离开光纤，对 光纤的长期稳定性没有影响；
紫外脉冲光源
准分子激光器－最简单的高能、脉冲光源
掺钕YAG或掺钕YLF四倍频激光器
功率高，比准分子激光器更好的相干性 不能调谐，波长比理想光纤光敏波长偏大
其它方案－－价格、复杂程度、可使用性或相对差的性能导致 没有被广泛的使用
紫外连续光源 244nm倍频氩离子激光器
工作在连续状态，没有很高的峰值功率； 倍频可以直接在激光器内完成，也可通过外 腔得到； 典型功率50~500mW； 成栅时间长；
F

光纤应力拉伸法：通过机械结构的设计， 沿光纤轴向产生线性变化的应力，写入光 光纤拉伸法写入 栅，当应力释放后即得到啁啾光栅。 啁啾光纤光栅
光纤光栅的温度稳定性
光纤光栅的中心波长对外界温度和应力的变化非 常敏感，基本呈线性关系：
B
B
(1 pe ) ( )T
光纤的热膨胀系数 ~ 0.5 10 6 / O C 为光纤的热光系数 ~ 7 10 6 / O C
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光纤光栅各种分类
光纤光栅基本原理
光纤光栅制作技术
各种光纤光栅应用
光纤光栅研究方向
光纤光栅的光学特性
由普通光栅的光栅方程得到光纤光栅的光栅方程： neff 2 neff 1 m 2 2 1 m
其中：
neff 2 n2 sin , neff 1 n1 sin i 2 neff
普通衍射光栅原理
衍射光栅原理
短周期光纤光栅基本原理
基本特性表现为一个反射式的光学滤波器 1=i和2=-1分别对应0级和1级衍射光，二者传播 常数相同,得到FBG的反射波长(Bragg波长)：
B 2neff
i
2 m 1
1
m0
短周期光纤光栅的衍射
闪耀光纤光栅特性
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；
2.5 光纤光栅
光纤光栅技术简介
光纤光栅各种分类
光纤光栅基本原理
光纤光栅制作技术
各种光纤光栅应用
光纤光栅研究方向
体光栅工作原理
1＋ 2 光栅周期 1 成像平面
2

反射光栅
当以角度d衍射的射线满足下面的光栅方程时，在成像平面 内就会产生波长上的相长干涉，即：(sini－sind)=m 式中m是光栅阶数，一般只考虑m=1的一阶衍射条件。 由于对于不同的波长，可以在成像面内的不同点满足光栅 方程，所以光栅可分离出单独的波长。
FBG光纤光栅传感器基本原理
反射光进入 可调谐窄带 光纤F-P滤 波器
改变滤波器中 F-P的腔长来改 变 F-P滤波器的 导通频带
扫 描 光 栅 反 射 谱
变量
耦合器导引
电控压电 陶瓷
电信号 转为数 字信号
A/D转换
将反射 光变为 电信号
光电探 测器
检测导通中心 波长与某一光 纤光栅的 布拉 格波长相等
Pe为有效弹光系数 ~ 0.22，与光纤的弹光效应有 关
为光纤光栅的轴向应变
光纤光栅的封装技术
可通过控制应力来补偿温度对Bragg波长的影响
机械封装： • 为补偿波长随温度的漂移，应在光纤光栅轴向附加应变量进行补偿。 • 结构相对复杂，但可通过精密调节使光栅达到很高的精度和调谐范围 负温度系数材料封装： • 材料可控性差，成型后无法进一步调节。 • 为了保证长时间的稳定性，树脂型热粘结胶比较常用，如353ND， UV固化胶等。
工作波长193-248nm，工作功率0.3-100mW 相对较短的时间相干性和空间相干性，适合相移掩模法和逐点写入 法 成栅时间短
掺钕YAG泵浦染料激光器
发出可见光~484nm，然后倍频到~248nm 可调谐、高相干性 能量低于准分子激光器，但高相干性可聚焦得到高峰值光密度
纤芯的有效折射率
光栅 周期
基本结构
光纤光栅的优势 全光纤结构
低插入损耗
低成本优势 偏振相关性较低，其可靠性较高 能灵活实现所需的光谱特性
许多物理参数可以调整
光纤光栅的分类
光纤光栅的结构参数
光栅周期－－光栅折射率调制的距离 光栅长度 调制深度－光栅中折射率差.(折射率的变化) 折射率分布
1 ）折射率随波长呈非线性变化，色散系数与折射 率的二阶导数成正比，称为材料色散； 2 ）传播常数与波长呈非线性关系，色散系数与传 播常数的二阶导数成正比，称为波导色散。
色散产生原理示意图
啁啾光栅－色散补偿
long short
Chirped Bragg grating
••• 优点： 补偿色散在一个很短小的栅区内形成，器件损耗低，在强信号功率下无 非线性问题； 沿光栅精确改变啁啾量可补偿波长依赖色散； 偏振不敏感； 时延抖动小； 良好的温度特性好，成本低； 缺点： 光栅长度与补偿带宽呈线性关系，对窄带补偿有利，对宽带器件困难； 光栅局部周期缺陷和切趾缺陷使得光栅的色散存在相位畸变；