（光学专业论文）光纤光栅传感系统中光源与检测方法研究.pdf

南开太掌 蕊j = 啦位 e 戋捷要 a b s t r a c t f i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) ，an e w t y p eo fp h o t o n l ee l e m e n t ，i ss e e i n gi t sp o t e n t i a li n f i b e rc o m m u n i c a t i o na n d s e n s i n gf i e l dd u e t oi t sp e r f e c t f i l t e r i n gc h a r a c t e r i s t i ca n dp h o t o i n - s c r i b e dp r o p e r t y + e s p e c i a l l yi nt h e s e n s i n gf i e l d ，ar e v o l u t i o nh a s t a k e n p l a c e d u et ot h e e m e r g e n c eo ff b g c u r r e n t l y ，t h e r ea r eal o to fr e p o r t sa b o u tf b g s e n s o r sf o rs i n g l e p o i n tp h y s i c a lp r o p e r t i e sd e t e c t i o n h o w e v e r , t h es t u d yo nt h e i ra p p l i c a t i o n si ns e n s i n g n e t w o r kh a sj u s tb e e nl a u n c h e d i nt h i st h e s i s ，t h ed e v e l o p m e n to ff b g t e c h n o l o g yi s d e s c r i b e da n dt h ea p p l i c a t i o n so ff b gi nf i b e rs e n s o rs y s t e m sa r es t u d i e d f o c u s i n go n t h ep r i n c i p l eo ff b gf a b r i c a t i o n , i t ss t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c sa n ds e n s i n g p r i n c i p l e ，d e e p r e s e a r c hh a sb e e nc a r r i e do u ti nt h i st h e s i s f u r t h e r m o r e b a s e do nt h ec o m p o s i t i o no ft h e s e n s i n gs y s t e mw i t hm a t c h e df b g s ，t h ef a b r i c 矩o no fb r o a d b a n ds o u r c ea n dt u n a b l e f i b e rr i n gi a s e rw a sp r o p o s e d n ep o s s i b i l i t yo fu s i n gm a t c h e df b g sa s s e n s i n g e l e m e n t si nm u l t i - p o i n ts e n s i n ge x p e r i m e n tw a sa n a l y z e da tt h ee n do ft h et h e s i s n e m a i nc o n t e n t so f t h et h e s i sa r e ： t s u m m a r yo f t h er e c e n td e v e l o p m e n to ff b gi nt e l e c o m m u n i c a t i o na n d s e n s i n gf i e l d w a s g i v e n i n t r o d u c t i o no f t h e m e c h a n i s mo ff b gf a b r i c a t i o na sw e l la st h ef u n c t i o n p r i n c i p l ea n d t h et a m a b l em e t h o d sw a sl a u n c h e d 2 a n a l y s i so f t h ef u n c t i o n a lm e c h a n i s mo ff b g b yc o u p l e dm o d et h e o r yw a sg i v e n 。 t h er e f l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o nf o r m u l a sw e r ed e d u c e d a sw e l la st h ee x p r e s s i o no f t h eh a l fw i d t hf u l lm a x i m u mb a n d w i d t h t h es p e c t r a lp r o p e r t y o fs u p e r - s t r u c t u r e d f i b e rg r a t i n g ，w h i c hi sah o tt o p i co fc u r r e n tr e s e a e c h ow a sa n a l y z e dw i t hf o u r i e r t r a n s f o r m a t i o n 。i t sc o n c l u s i o nw a st h e nc o m p a r e dw i 出t h er e s u l t sb yc o u p l e dm o d e t h e o r y 硼1 ct w oo u t c o m e sw e r eu n i f i e dw i t he a c ho t h e ri nm a n ya s p e c t s w h e nt 】l e r e f l e c t i v er a t i ow a sl o we n o u g h f u r t h e r m o r e w ef o u n dt h a tt h es p a c i n g b e t w e e n t w or e f l e c t i v ep e a k so f s a m p l e d f i b e rg r a t i n gw a sr e l a t e dn o to n l yt ot h ep e r i o d p o f g r a t i n g b u ta l s oc l o s e l yt os a m p l i n gr a t e t n l er e s u l th a sa l r e a d yb e e n p r o v e db y e x p e r i m e n t 3 as c h e m eo fu s i n gc o n t i n u o u s l yt u n a b l el a s e ri n s t e a do fc o n v e n t i o n a lb r o a d b a n d s o u r c ea st h el i g h ts o u r c eo f t h ea r r a ys e n s o rs y s t e mw a s b r o u g h to u t ，a sar e s u l tt h e s i g n a lt on o i s er a t i o n ( s n r ) w a sg r e a t l yi m p r o v e d b a s e do nt h ea n a l y s i s o ft h e s p o n t a n e o u se m i s s i o no fe r - d o p e df i b e r , w h i c h s h o w e dt h ec r i t i c a lf a c t o r s ，as a m p l e o fp r o g r a m m a b l ec o n t i n u o u s l yt u n a b l ef i b e ri a s e rw a sf a b r i c a t e ds u e c e s s f u l l y i t sl i n e w i d t hw a s0 0 4 n m ，o u t p u tp o w e rw a s4 2 8 r o w ，a n di th a sat u n a b l es p a no f4 6 n m ， p o w e rs t a b i l i t yw a s 0 。0 3 d b ，a n ds l o p ee 毯c i e n c yw a s7 31 ， 4 s u m m a r i z a t i o no f c u r r e n t l ye x i s t i n gd e m o d u l a t i o n m e t h o d si nt h ef b g - b a s e ds e n s i n g s y s t e mw a sc a r r i e do u t b a s e do nt h ec o m p a r i s o no f t h e s em e t h o d s ，an e ws c h e m e i i 南开夫掌硕士卷位论文捕要 u s i n g c a n t i l e v e rb a s e dm a t c h e df b g sa st h e s e n s i n g e l e m e n tw a sd e s i g n e d t h f e t i c 越d e d u c t i o nw a sl a u n c h e da lt h es a m et i m e s i n u s o i d a ls i g n a lw a sf e dt ot h e s e n s i n gh e a d v i b r a t i o ns i g n a l s o fa f r e q u e n c yu p t o3 0 0 h zw e r em o n i t o r e d s u c c e s s f u l l y t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sw e r ei n v e r yg o o da c c o r d a n c ew i t h t h e t h e o r e t i c a lc u r v e + 5 t h e o r e t i c a la n a l y s e sw e r em a d ei nt e r m so f s e n s i n gs y s t e mw i m m o r et h a n2 s e n s i n g e l e m e n t s u s e f u ld i s c u s s i o nw a sg i v e no nt d ma n dw d m s e n s i n gs y s t e m an e w s c h e m eo f s e n s i n ga r r a y w i t hf o u rf b g sw a s p r o p o s e d k e y w o r d s ：f i b e rb r a g gg r a t i n g , l i g h ts o u r g e ，f i b e rl a s e r ，d e m o d u l a t i o n ，s e n s i n ga r r a y i 南开大掌硕士掌位论文第章绪论 第一章绪论 1 1 光纤光栅概况 光纤光栅是一种新型的光子器件，其结构是在光纤中建立起一种空间周期性的 折射率分布，使光在其中传播的行径得以改变和控制。这种无源器件对在其轴向旌 加的应力或温度变化极为敏感。 1 9 7 8 年，加拿大的k 0 h i l l 及其同事在实验中观察到氩离子激光于光纤中相 向传输形成驻波时，在光纤中形成的折射率周期分布的光栅。这种折射率周期分 布的光栅也称作“h i l l 光栅”，在光纤中作为布喇格反射器使用。它可将满足布喇 格条件的前向传输光变作反向传输光，反射波长与光栅栅格常数和折射率有关。光 照去除后，光栅还存在，其反射率在长时间光照达到饱和时可达1 0 0 ，带宽却很 窄，如图1 1 所示。 反射光 ，、 避射光 l 图1 1 光纤光栅反射特性图 从发现光纤光栅的最初十年中，对它的研究一直集中在加拿大进行。直到了1 9 8 9 年，m e l t z 发明了紫外侧写入技术f 2 】，才在世界范围内引起对光纤光敏性及光纤光 栅研究的广泛关注。m e l z t 将紫外光分束再将两束光汇聚形成干涉，光纤纤芯置于 干涉区内，这种周期分布的光场导致了纤芯中永久性的折射率周期分布，形成了光 栅。这种方法简便、有效，写入光栅极为灵活。可以通过调整两束光的夹角来改变 干涉条纹间距，形成不同周期的均匀光纤光栅，调整光纤相对于干涉条纹的位置。 还可形成闪耀光栅、啁啾光栅等多种形式的新颖光纤光栅。自此以后，各地对光纤 光栅的研究迅速开展起来：光栅的写入法不断得到改善，光纤的光敏性逐渐提高， 一些特种光栅也相继问世。随着光纤光栅技术的日益成熟，基于光纤光栅的器件也 不断地被开拓研究出来，并被广泛应用于光纤通信、光纤传感和光信息处理等各个 领域。 为了提高光纤i 约光敏性以制作不同类型的光纤光栅，研究者对掺杂不同物质， 如掺c e h 、掺t b 3 + 和掺杂磷的光纤进行了研究p 4 1 ，实验结果表明。这些掺杂光纤 都具有一定的光敏性。 在这之前，l e m a i r e 提出了一种新的光纤增敏技术高压“载氢”技术。利用 南井太掌司e 吐? 拳位谶? 菖： 第一j 聱蜘障 此碧申方法聪a t & t 公司制戆的标准必纤( 掺锗浓度3 ) 避于亍高压载氢( 浓度3 3 ) 处瑷后，用2 4 8 n m 的紫外光侧直弼入，光纤折射率变化峰峰值w 达5 9 1 旷鬣 级i 润。 而在掺锗光纤中，通过增加掺锗浓度w 大大增加光纤的光敏性，当所粥光纤的 掺镄量达1 l 时，折射率变化为1 8 xl o 。i ”。其它方法如常温载氨加热法州，火焰处 理法嘲，也在一定程度上掇尚了光纤光敏住。以上方法的掇出大大提高了掺杂光纤 的光敏性，增加了在紫外光照射下光纤折射潦的改交攫，使光栅的写入更加褰易。 i 2 光纤光栅写入技术 光纤巍鼹痒兔馁惑元傍其有其窀簧感嚣茏可毙羧豹挽虑，嚣魏，光纾必撵是一 种很有发展潜力的新型传感元件f 9 1 。为此，先简要介绍光纤光栅的写入技术。目前 光纾兜掇戆写入技零均瘟用紫终光侧写入，搜紫癸毙在光磐纾芯中澎藏周期变化救 光强分布，从而引发光纤中折射率的周期扰动，形成相位型的光纤光栅。 一、癌写入技术 1 9 7 8 年，h i l l 等人首次在实验中发现，并利用内写入技术制作比世界上第一报 走野毒喇格先撵。实验孛，h i l l 等入褥4 8 8 r t m 豹氢褒子激光入麓刭掺镶毙缮孛，褒 察列入射光与反射光在光纤中形成的驻波干涉条纹能够导致纤芯折射率沿光纤轴向 戆躅期性交耽，形戏龙壤。秘瘸该技术铡掺戆毙终宠援戆毒溺掇波长与写入激光豹 波长相同，在长时间光照达到饱和时，其威射率可达1 0 0 。但这种光栅的入射效 事低，特别是其确残波长受写入激光波长嫩剃，固致这静技术己不褥被人们采用。 二、侧写入技术 光纤光栅铡写入技术主要有以下四种： 1 摆位掩模技术( p h a s e ，m a s kt e c h n i q u e ) i ”。” 相位掩模技术怒k 0 h i l l 等人于1 9 9 3 年首先提出的。相位穗模是蚀剿于硅纂 片裘面的一维周期性浮雕裂光栅，它实际上是一种矮有抑制零级衍射能力的光学衍 射元件如图1 2 所示。紫外光通过相位掩模后，其能量童要集中于l 缴衍射您 u v b e a m k 【f 埘= - l 簪耐z 图1 2 相位模板结构示意图 2 南开大学硕士掌位论文 第一窜绪论 孛( 大予入瓣兜总憝量鹣7 0 ) ，零缀褥封必一簸小予入射必总貔量的5 。将光敏 光纤赦在泰他距离内不同的位置，利用1 缀衍射淞干涉形成的周期性明暗相间的 壹条绞对光纤进行繇毙，可以在光终中建立不羁周期的光掇，光纤光据弱躅期为掩 模周期的一举。 掇据光纤与掘撼掩模之溯的掘对位置情况，楣键掩模渡又分为接触式写入法和 非接触式写入法两种。 接触式写入法是指将光绎与相位掩模直接接触，利用近场干涉对光纾进行曝 光成栅。这种成栅方法静优点是： 成搬装置简单、抗振性好，对诱导 光源的褶予性要求不高，一般的穗 分子激光便熊满足耍求。其不足之 处愚：成掇辩，竞纾免撵带喇格波 长的可调性差，即使对光纤采用预 应变调谐技术】，也是齄获得2 3 r i m 的波长调节麓。图1 3 为接触式写入 竞纾毙撵装爨示意鞠。 非接触式写入法是指光纤与棚 匡孓部 删带 图1 3 接触式光纾光栅写入装置示意罄 拉掩模扳不接触，l 级衍射光经避定光程嚣再捐遇干涉对光纾进行曝巍，如图 1 4 所示”2 1 。非接触式写入法的优点是：通过调节士1 级衍射光之闻的变南，可以 较大范覆遗调节光终光援弱布喇穆波长。其缺点是：易受振动影响，对成 瓣装置的 机械稳定性和诱导光源的摆干性要臻较高。 稳经掩貘法是爨翦使照最普遍的方法，它具窝操作简便、造价低廉，对光源 的时间相干性要求不高，邋于大批濑生产等一系剜优点。 躅1 4 非接触式写入法示意豳 2 振幅掩模技术( a m p l i l u d e - m a s kt e c h n i q u e ) 3 龠5 t - 大掌硕士学位 i x 第一j t 爿n 仑 振幅掩模是指表面沉积有周期性排列的线形遮光板的石英片或蚀刻有许多周期 性排列的透光狭缝的具有良好散热性能的金属薄片。写制光栅时，使紫外光入射到 振幅掩模板，利用聚焦透镜将振幅掩模成像于待写光纤上，对光纤曝光成栅，如图 1 5 所示f j 5 1 。这种技术得到的光纤光栅的周期较大，无法制作出一阶反射波位于 1 5 5 0 n m 附近的光纤布喇格光栅，但非常适合于长周期光纤光栅的制作。 3 逐点写入技术( p o i n tb yp o i n tt e c h n i q u e ) 1 1 6 1 图1 ，5 振幅掩模写入光纤光栅装置示意图图1 6 逐点写入法成栅装置示意图 逐点写入技术就是利用狭缝截取脉冲光源发出的綮外光束，再利用聚焦透镜 将狭缝成像于待写光纤上，然后沿轴向移动光纤，对光纤逐点曝光建立光栅。其成 栅装置示意图如图1 6 所示。这种技术的优点是：可根据需要有效地控制光纤光栅 的长度、周期和折射率轮廓，具有较强的灵活性。其不足之处与振幅掩模法相同， 即得到的光纤光栅的周期较大，无法制作出一阶反射波位于1 5 5 0 n m 附近的光纤布 喇格光栅，但比较适合于长周期光纤光栅的制作。 4 全息成栅技术( e x t e r n a lh o l o g r a p h i cw r i t i n gt e c h n i q u e ) 全息成栅技术是指利用两束相干光在空间相干叠加形成的周期性干涉条纹从侧 面对光纤曝光形成光栅的技术f 1 7 1 。于1 9 8 9 年由g m e l t z 等人首先提出。从获得相 干光的方法看，全息成栅技术又可分为分振幅法和分波阵面法。 分振幅法成栅装置如图1 7 所示。这种方法的优点是需要的激光能量低， 建立的光栅比较稳定，并且可通过两束相干光的交角，灵活地控制光纤光栅的布喇 格波长。但该方法中光束在空气中传播的距离较长，易受气流和空气振动的影响。 另外，分束镜和反射镜等光学器件的亚微米级振动都将导致于涉条纹的漂移。 分波阵面法成栅装置如图1 8 所示，( a ) 图采用棱镜干涉仪作为成栅装置【l ”，( b ) 图采用l l o y d 干涉仪作为成栅装置。与分振幅成栅法相比，分波阵面成栅法只需 要一个光学元件，而且光束在空气中的传播距离很短，因此光路稳定性大大增加。 其缺点是光纤光栅的写入长度以及布喇格波长的可调性受到限制。 全息成栅技术要求紫外激光光源有较高的时间相干性和空间相干性。 南井大掌司e 士掌位呛文 ( a ) 1 6 d 1 | c 图1 7 分振幅法全息成栅装置示意图 b r t g gg | 恤 r a 、 u vl # t r b m 嫡 r e n e c 皿 i r “出n m t m a s 山i 图1 名分波前法全息成栅装置示意图 m 馨伪蛆唱 r 价 1 3 利用光纤光栅可以制作的功能性器件 光纡光栅按其周期分布可分为均匀周期和非均匀周期光纤光栅。均匀周期光纤 光栅是最早发展起来的一种光栅，它具有较窄的反射带宽0 1 一l n m ，其带宽和反 射率可根据需要，通过改变写入条件而加以灵活地调节，因此，这也是应用最广泛 的一种光栅。由于其自身的特性，目前已经制造出很多性能优良的光纤光栅器件。 并在光纤通信和传感领域发挥了重要作用。光纤光栅的出现使各种全光纤器件的研 制成为可能，因而所谓的全光纤一维光子集成也将成为现实，这将是光纤技术的又 一次新的飞跃。目前国内外对光纤光栅的研究正如火如荼地进行，利用不同的制作 工艺可以制作出不同种类的光纤光栅，应用于各个领域，目前见诸报道的有： 一均匀周期光纤光栅( u n i f o r mg r a t i n g ) 1 光纤布喇格光栅( f i b r eb r a g gg r a t i n g ) 光纤布喇格光栅是最普遍的一种光纤光栅，其光栅周期与折射率调制深度均为 南井大掌司e 士掌位呛文 ( a ) 1 6 d 1 | c 图1 7 分振幅法全息成栅装置示意图 b r t g gg | 恤 r a 、 u vl # t r b m 嫡 r e n e c 皿 i r “出n m t m a s 山i 图1 名分波前法全息成栅装置示意图 m 馨伪蛆唱 r 价 1 3 利用光纤光栅可以制作的功能性器件 光纡光栅按其周期分布可分为均匀周期和非均匀周期光纤光栅。均匀周期光纤 光栅是最早发展起来的一种光栅，它具有较窄的反射带宽0 1 一l n m ，其带宽和反 射率可根据需要，通过改变写入条件而加以灵活地调节，因此，这也是应用最广泛 的一种光栅。由于其自身的特性，目前已经制造出很多性能优良的光纤光栅器件。 并在光纤通信和传感领域发挥了重要作用。光纤光栅的出现使各种全光纤器件的研 制成为可能，因而所谓的全光纤一维光子集成也将成为现实，这将是光纤技术的又 一次新的飞跃。目前国内外对光纤光栅的研究正如火如荼地进行，利用不同的制作 工艺可以制作出不同种类的光纤光栅，应用于各个领域，目前见诸报道的有： 一均匀周期光纤光栅( u n i f o r mg r a t i n g ) 1 光纤布喇格光栅( f i b r eb r a g gg r a t i n g ) 光纤布喇格光栅是最普遍的一种光纤光栅，其光栅周期与折射率调制深度均为 南评大攀耐士尊啦论文 常数，光掇波矢方惫与光纤辘线方囊一致。它是一种性能线异豹窄带反射滤渡器佟。 设入射波矢、反射波矢和光栅波必分别为k - 、k 和置，则其反射波长由布喇格条 件夤，+ 譬= 露，给凄，布喇格光掇瓣反射、透射特经及其瓠嚣李分布如图1 9 所示。 w l v e j 哪hw 怫l 钾e 图1 9 光纤布喇格光栅的折射率分布及其反射和透射特性 这静光橱程光纾激光器、池纾通馕领域帮光纾转感领域均有广泛褥重要构成用【2 0 】。 2 闪耀光纤布喇格光栅( b l a z e df i b e rb r a g gg r a t i n g ) 阗耀兜纤毒臻播毙栅的餍蘩与折射率疆裁深度均势鬻数，但其光掇渡矢方磨 与光纤轴线方向不一致，有一定的交角，如图1 1 0 所永。这种光栅不但能引起反 惫导波攘疆台，嚣显还姥将基摸疆台到包层摸中蔹耗捧。基予闪耀光纾毒喇格必 栅的包层模耦合形成的宽带损耗特性，可将其用于掺铒光纤放大器( e d f a ) 的增 豢乎坦驯。当毙攫黪法臻与光终辘囱夹角较小辩，还可将其终为宅间模式藕合器， 将一种导波模耦含到另一种导波模中口。 o l a dh 蹿c d i i g | l t b i a 辞di n d c xk d d u i a i o n o 代 阔1 1 0 闪耀光纤布喇格光栅的折射率分布及布喇格条件永意图 3 。长震攒光纾毙瓣( l o n g - p e r i o d f i b e r g r a t i n g ) 长周期光纤光栅是指栅格周期太子1 0 0 z m 的光纤光栅。长周期光纤光栅的工 佟豢理不嚣于毙绎毒嚷格竞臻，宅是一耱透菇遂卷野毙露，茭终露是将导波中巢 波段的光波耦合到包层中损耗掉，而不产生反射。它是种理想的e d f a 增益平 坦元箨j 。实验涯疆，长周期必绥光秘的传输黪性会困岁 赛应力、温度等显素幻变 6 南开大掌硕士掌位论文 第一章绪论 化而改变，而且较f b g 的反应更加敏感，是一种理想的传感元件。因此长周期光 纤光栅在传感领域有着广泛的应用b “1 。 二。非均匀周期光纤光栅( n o n u n i f o r mg r a t i n g ) 1 啁啾光纤光栅( c h i r pg r a t i n g ) 啁啾光纤光栅的栅格周期不是常数而是沿轴向变化的，最常用的啁啾光纤光栅 是线性啁啾光纤光栅，这辛巾光栅的纤芯折射率沿轴向呈线性单调变化，如图1 1 1 所示。由于不同的栅格周期对应于不同的反射波长，因此线性啁啾光纤光栅能够形 成很大的反射带宽和稳定的色散，其宽度足以覆盖整个脉冲的谱宽，从而被广泛应 用于波分复用( w d m ) 通信系统的色散补偿 2 8 - 3 0 i 。 = 号钜 二二 衄叮工口 二二! 玲卜 r、l 0 ，l 一上 b r 。l d 。 s h o n 二二二二二) l c 函i n g l 。n g x - 二= 二二二= 二二= = 二j 图11 1线性光纤啁嗽光栅栅格分布不意图 2 相移光纤光栅( p h a s e - s h i f t e df i b e rg r a t i n g ) 相移光纤光栅就是通过一些方法破坏光纤光栅折射率分布的连续性，在均匀周 期光纤光栅的某些特定点上引入相移，而形成的光栅。相移布喇格光纤光栅的特点 是，能够在其布喇格反射带中打开透射窗口，使光栅具有更高的波长选择性9 ”。而 且窗口的位置可以随相移量的大小而改变，因此它在波分复用光通信系统中的波长 解复器方面有着潜在的应用价值p 2 i 。相移长周期光纤光栅具有丰富的光谱特征，通 过选择适当的相移点位置和相移量，能使长周期光纤光栅更好地满足e d f a 增益平 坦的需要 3 3 , 3 4 1 。 3 莫尔光纤光栅( m o i r ef i b e rg r a t i n g ) 所谓莫尔光纤光栅是采用两组具有微小周期差异的紫外条纹对光纤同一位置进 行二次曝光所得到的光栅。其光谱特征是在反射带中开个很窄的透射窗口，它实 际相当于一个 4 相移光栅瞰l 。 4 t a p e r e d 光栅 t a p e r e d 光栅是采用特定的函数形式对光纤布喇格光栅的折射率调制深度进行 调制而形成的光栅。根据需要，通过改变其调制函数及有关参数可咀控制其反射谱 的形状，t a p e r e d 光栅可以用于光纤通信系统中的色散补偿及多波长激光器的制作 p 甜 南升大掌硕士掌位论文 如今人们又在均匀周期光纤光栅的基础上研制出了超结构光纤光栅。所谓超结 构光纤光栅( s u p e r - s t r u c t u r e df i b e rg r a t i n g ) 是对均匀光纤布拉格光栅外加一个周期 性采样函数调制而形成的光栅，它的反射谱为多个往能基本相同的窄带反射峰，如 图1 1 2 所示。多个反射峰是由于取样函数的作用而产生的，各反射峰间隔和总带 宽 总的可用通道数) 分别与取样周期l s 和光栅 段长度l g 成反比。由于它特殊的反射特性，其在 光纤通信系统中的应用日益广泛，它可以用作密集型 波分复用系统( d w d m ) 中的多波长、窄线宽光源l 以及上1 下载复用器( a d m ) 等。研究发现s b g 也 可用于色散补偿，通过在s b g 的取样函数和光栅 周期中引入啁啾，它不但可以用作补偿色散器，还 能用作色散斜率和偏振模色散补偿器9 圳。 l4 目前国内外光纤光栅的研究进展 i 。 - 一 图1 1 2 取样光纤光栅反射谱 1 4 ，1 光纤光栅在光纤通信中的应用 光纤光栅在新一代光纤通信系统的出现过程中起到了推波助澜的作用。由于光 纤通信采用频率高达1 0 0 t h z 的光波作载波，信号带宽可达t h z 量级以上，大力发 展光纤通信技术可以满足通信容量和通信速率不断增长的需求。光纤通信系统的商 业应用紧随研究与开发的步伐：1 9 7 8 年工作在o 8 m 波段的第一代光纤通信系统 投入使用，第二代工作在l - 3 爿m 的系统8 0 年代早期出现，目前第三代工作在15 5u r f i 的系统已开始使用。但这些系统对于通信容量及通信速率的改善已不能满足日益增 长的通信要求。以波分复魇增加通信速率，以掺铒光纤放大器( e d f a ) 或掺铥光 纤放大器( t i ) f a ) 】增加中继距离的光纤波分复用( w d m ) 通信系统已经成为现在 的发展目标。无论对长途干线通信系统增加信道速率及信道容量，或局域网增加服 务项目，实现i s d n 通信，都起着重要的作用。 光纤光栅在点点传输结构，广播式通信网络以及光波分复用通信系统路由结构 中都有重要应用。在点点传输结构中，传统的复用解复用器件都是由结构复杂的滤 波器构成的，它们工艺要求高，插入损耗大，而利用光纤光栅作分光器件，由于光 纤光栅与常规通信光纤的天然兼容性，其插入损耗小，结构简单，而且很容易实现 窄的信道间隔。光纤布喇格光栅作为重要的光子器件已经在许多有关的通信领域得 到广泛的应用，如波长稳定激光器“】、光纤激光器o 。4 “、喇曼放大器1 4 5 j 、无源光网 ( 被动光网) f “、渡分复用器与解复器”、上下载复用器”、增益平坦装置4 ”、 色散补偿装置咖1 、相位变换器【5 1 1 以及波长转换器等。 1 4 2 光纤光栅在光纤传感中的应用 一、光纤光栅的敏感性 南升大掌硕士掌位论文 如今人们又在均匀周期光纤光栅的基础上研制出了超结构光纤光栅。所谓超结 构光纤光栅( s u p e r - s t r u c t u r e df i b e rg r a t i n g ) 是对均匀光纤布拉格光栅外加一个周期 性采样函数调制而形成的光栅，它的反射谱为多个往能基本相同的窄带反射峰，如 图1 1 2 所示。多个反射峰是由于取样函数的作用而产生的，各反射峰间隔和总带 宽 总的可用通道数) 分别与取样周期l s 和光栅 段长度l g 成反比。由于它特殊的反射特性，其在 光纤通信系统中的应用日益广泛，它可以用作密集型 波分复用系统( d w d m ) 中的多波长、窄线宽光源l 以及上1 下载复用器( a d m ) 等。研究发现s b g 也 可用于色散补偿，通过在s b g 的取样函数和光栅 周期中引入啁啾，它不但可以用作补偿色散器，还 能用作色散斜率和偏振模色散补偿器9 圳。 l4 目前国内外光纤光栅的研究进展 i 。 - 一 图1 1 2 取样光纤光栅反射谱 1 4 ，1 光纤光栅在光纤通信中的应用 光纤光栅在新一代光纤通信系统的出现过程中起到了推波助澜的作用。由于光 纤通信采用频率高达1 0 0 t h z 的光波作载波，信号带宽可达t h z 量级以上，大力发 展光纤通信技术可以满足通信容量和通信速率不断增长的需求。光纤通信系统的商 业应用紧随研究与开发的步伐：1 9 7 8 年工作在o 8 m 波段的第一代光纤通信系统 投入使用，第二代工作在l - 3 爿m 的系统8 0 年代早期出现，目前第三代工作在15 5u r f i 的系统已开始使用。但这些系统对于通信容量及通信速率的改善已不能满足日益增 长的通信要求。以波分复魇增加通信速率，以掺铒光纤放大器( e d f a ) 或掺铥光 纤放大器( t i ) f a ) 】增加中继距离的光纤波分复用( w d m ) 通信系统已经成为现在 的发展目标。无论对长途干线通信系统增加信道速率及信道容量，或局域网增加服 务项目，实现i s d n 通信，都起着重要的作用。 光纤光栅在点点传输结构，广播式通信网络以及光波分复用通信系统路由结构 中都有重要应用。在点点传输结构中，传统的复用解复用器件都是由结构复杂的滤 波器构成的，它们工艺要求高，插入损耗大，而利用光纤光栅作分光器件，由于光 纤光栅与常规通信光纤的天然兼容性，其插入损耗小，结构简单，而且很容易实现 窄的信道间隔。光纤布喇格光栅作为重要的光子器件已经在许多有关的通信领域得 到广泛的应用，如波长稳定激光器“】、光纤激光器o 。4 “、喇曼放大器1 4 5 j 、无源光网 ( 被动光网) f “、渡分复用器与解复器”、上下载复用器”、增益平坦装置4 ”、 色散补偿装置咖1 、相位变换器【5 1 1 以及波长转换器等。 1 4 2 光纤光栅在光纤传感中的应用 一、光纤光栅的敏感性 南升大掌硕士掌位论文 如今人们又在均匀周期光纤光栅的基础上研制出了超结构光纤光栅。所谓超结 构光纤光栅( s u p e r - s t r u c t u r e df i b e rg r a t i n g ) 是对均匀光纤布拉格光栅外加一个周期 性采样函数调制而形成的光栅，它的反射谱为多个往能基本相同的窄带反射峰，如 图1 1 2 所示。多个反射峰是由于取样函数的作用而产生的，各反射峰间隔和总带 宽 o ，卢， 勘国】e 冲( 秘) = - 枷s i n h f l u ) e x p 卜i ( f l a + 妒) 】 ( 彤) 五i = - x 日s i t f i a ( y a ) e x p i ( f l a + 妒) 】“，留) ( 2 8 1 ) ( 2 8 - 2 ) ( 2 8 3 ) 2 = c o s h ( m ) 一i a f l a s i n h ( 彤) ( ，a ) 】e x p ( 一f l a ) ( 2 8 4 ) 式中，2 = r 2 + 攀严，攀= f l - z t h ，夕= 2 翮够朔，势转攥霉数，擎荛毙攘提蕴。 f 矩辉是个么模矩阵，满足旧= 曩，如：一互。如。= 1 。对光栅性能的分析可从f 矩阵 入羊。 妖度为b 的非曝光区对健输光模式的影响仅仅是造成捆馑延迟，因此其传输矩 阵可写成： 艮峭01 2 l o。诤| ( 2 9 ) 则光波在经邋第t 葭b r a 醑光榜后变为： 磊b , j l = l g 。o j l = f 乏 = s 乏 c s 。， 经过n 段b r a g g 老糖氇羲虽经过整个辍样光瓣后豹竞渡霹囊t 述关焱式表示： 鼢s 黝毋1s f a 0 例， 勰：阱y 瞄 ( 3 2 ) 只考虑羲萋岛毙渡戆壤援下，反囱传竣模式壤盔t ) 仅为兹囱传输摸式焉p ，z ，f ) 的魇射光波，丽在z = l ( l 为取样光栅总长发) 时，巩( 五f ) = o ，所以取样光栅反射 率黼数可以写为 r - i r j 2 = 溉盈i 2 ( 3 3 ) 要求解( 3 3 ) 式中的反射率r ，只鼹求得( s “) “即可。对于么模矩阵s 一，利用切 比雾夫( c h e b y s h j e v ) 等式f 1 3 l ，可以把矩阵圆一) 简化为： 妒尸= 瞄黔 蠢。u 篇。： 婵， 式中，u 1 = s i n ( + 1 ) k a s i nk a ，本程僮x 灞足： 宣翌盎垒堡查坚些堡当薹三主煎笠当塑鳃毽鲨垒羞壅盏蕉爨堕垂塑 = c o s - i ( a + 。) ，2 】= c 。s 。 堡蓝量二塑竿三划 ，根据边界条件： b = 0 和( 3 4 ) 式，式( 3 2 ) 可写成： 乏=：蠢un_t-一u一2。，。bu。一n：+氐=：。4(4，u。u_i-。ucuu d u u 0 c u u ，一2 e s s ，嗡jl 一 巩一。一：j 【j 【 山 。，j 所以r 魏表达式为； 昱= 盼 袅a u2=ba-sinnka蒜sin(nll “o |d u 2 |+ 1 ) a | ( 3 6 ) 采用数值法解方程组得到的超结构光纤光栅的反射谱如图2 6 所示。计算中取 ! ”。丛 i _ n 口n o fa1 a = o 3 r a m ，l = i 5 m m p = i ，o m m 一 k 。jl。j fc ) a - - - o ，l m i l l z = 1 5 r a m 。p = o ，5 r a m mu bul j工 w 肭h m m m e ) 籼5 ，= l s m m ，p = i 5 m m 8 | | 。jljjl j _ 喇 1 m fb1 a = o 1 m m 1 = 1 5 r a m p = i o m m 。jl ol j l q w ( f ) a = o 1 ，l = 2 0 m m ，p 1o m m 图2 6 理论计算得到的取样光纤光栅的反射谱 | x * 宣翌壅兰塑主些塑塞蔓三! 娄堑娄塑丝墨鲨垫羞壅垡墨生笪垂旦 幽= 5 o x l 0 4 ，哳= 1 4 6 ，k = 1 5 5 0 m 。光纤光栅总长度l ，取样周期p ，以及每一段 布拉格光栅曝光长度n 分别如图2 4 所示。从图2 6 中可以看出，取样光纤光栅的 反射谱呈现多个分立的反射峰。通过对( a ) 、( b ) 两图的分析可以得到如下结论： 1 ) 曝光长度a 越大，反射峰的均匀性越差，反射峰值随着其中心波长远离布拉格波 长而迅速下降：另外，由于光纤光栅的有效长度增加，其反射率变大。 2 ) 超结构光纤光栅的反射峰数目与取样率t ( t = 兰) 的大小有关，当t s 0 5 时， p r 越小，反射峰数目越多，反射峰间隔a 越小，形状越尖锐。这可以通过比较( a ) ( b ) - - - 图看出。关柏欧博士对超结构光纤光栅进行的实验结果也证明了这个结论 的正确性。因此，在r 较小时，超结构光纤光栅的反射峰间隔a 与取样率r 有 关j ，这个结论与一般文献 1 3 , 1 5 1 中提到的不同。比较( b ) ( c ) ( e ) 三图可得如下结论： 3 ) 反射峰数目随着取样周期p 的增加而增加。通道间隔a 明显变小。 4 ) 随着p 值的增加，反射峰的均匀性逐渐变差。比较图3 ( b ) ( d ) ( f ) 可得： 5 ) 反射率随着光栅总长度l 的增加而提高，但l 不影响反射峰的数目。 6 ) 随着l 的增加，反射谱的谱宽飘逐渐减小，光谱变得尖锐。 7 ) 相同的p 值基本对应相同的波长间隔五，并且p 基本上不影响取样光栅的反射 蜂谱宽懿和反射率的大小。 从数值法解方程知，r 值的大小影响反射率的大小，而当tso 1 时，反射率较 低，反射峰间隔 基本和丁无关，而由p 决定，即在反射率较低的条件下，傅立 叶变换和耦合模理论所得的结果相符，也就是以上第1 ) 、3 ) 、5 ) 、6 ) 个结论与傅立 叶变换的结论一致。需要强调的是在对光现光栅的分析中傅立叶变换只是一种近似 的研究方法，如果精确求解必须用耦合模理论进行分析。 2 3 光纤光栅传感原理 光纤光栅在温度和应力作用之下，其有效折射率和栅格常数将发生变化，导致 光纤光栅的峰值反射波长( 或透射峰值波长) 发生移动，这种光纤光栅的峰值反射 波长( 或透射波长) 随外晃物理量变化而移动的现象可应用于传感领域。下面我们 在理论上对f b g 的传感机制给以分析。 光纤光栅峰值反射波长满足关系式 1 九= 2 a ( 3 7 ) 由上式可知峰值反射波长随折射率和栅格常数的变化而变化。而外界的应力导致的 宣翌壅兰塑主些塑塞蔓三! 娄堑娄塑丝墨鲨垫羞壅垡墨生笪垂旦 幽= 5 o x l 0 4 ，哳= 1 4 6 ，k = 1 5 5 0 m 。光纤光栅总长度l ，取样周期p ，以及每一段 布拉格光栅曝光长度n 分别如图2 4 所示。从图2 6 中可以看出，取样光纤光栅的 反射谱呈现多个分立的反射峰。通过对( a ) 、( b ) 两图的分析可以得到如下结论： 1 ) 曝光长度a 越大，反射峰的均匀性越差，反射峰值随着其中心波长远离布拉格波 长而迅速下降：另外，由于光纤光栅的有效长度增加，其反射率变大。 2 ) 超结构光纤光栅的反射峰数目与取样率t ( t = 兰) 的大小有关，当t s 0 5 时， p r 越小，反射峰数目越多，反射峰间隔a 越小，形状越尖锐。这可以通过比较( a ) ( b