（光学专业论文）光纤光栅传感阵列无线数据接收处理系统.pdf

南开大学硕士研究生毕业论文 摘要 光纤光栅传感技术和无线数字移动通信技术都是在近几十年间逐步发展起 来的先进技术手段，在不同的应用领域分别体现出了他们各自优越的性能。 光纤光栅( f i b e rg a t i n g ) 是一种新型的光无源器件。它是利用光纤材料的光敏 特性在光纤的纤芯上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方式。除具有普通光纤的特性之外，光纤光栅作为传感元 件还具有一些独特的性质，例如：抗电磁干扰能力强、尺寸小、重量轻、耐温性 好、复用能力强、易与光纤连接、低损耗、光谱特性好、耐腐蚀、高灵敏度、易 形变等等。目前，以布拉格光纤光栅( f b g ：f i b e rb r a g gg r a t i n g ) 为传感元件的传感 器已成为研发主流。 无线数字移动通信技术是实现远程监控的一种可靠手段。为了及时发现和排 除远方桥梁、建筑物可能出现的故障，需要对一些相应物理量进行实时监控。有 些待监测点位置偏远，大多不具备利用有线通讯的条件，因此要实现远程监控就 只有采用无线通讯的方式。g s m 无线数字移动通信网覆盖面广，通讯质量可靠， 相对资费较低，为那些位景偏远、架设通讯线路困难的站点提供了一种可靠的无 线数据传输通道。 本课题大胆的提出了将g s m 与光纤光栅传感技术相结合的可能性。初步完 成了光纤光栅无线传感系统的研制，并将其应用于悬臂梁应变测量试验中。 论文主要涵盏以下几方面内容： 1 简要介绍光纤光栅发展的历史、分类及制作方法。分析光纤光栅目前的 应用情况及其今后的发展方向。提出本课题的创新点和主要研究内容。 2 详细介绍光纤光栅传感理论的几种分析方法，用不同的方法解释相应光 纤光栅的传光原理。 3 介绍光纤光栅传感的基本原理，从理论上全面系统地分析从传感、解调 到光纤光栅复用以及光电检测等一系列基本技术。 4 概述g s m 无线通信系统的原理及其特点，集中阐述g s m 网络的接口和编 码技术。 5 详细介绍本课题设计并制作的光纤光栅无线数据监控系统模型，着重阐 南开大学硕士研究生毕业论文 述了我在这个项目中所进行的相应工作传感数据无线接收系统的硬件与软 件的研究以及对接收所得数据的数值分析。最终将该系统应用于悬臂梁的应变实 验。分析试验所的数据，对该系统的性能参数做出相应的计算。 关键词：光纤光栅，传感，双折射光纤环镜，无线移动通信，g s m ，应变 攻读硕士学位期间参加的科研项目 1 天津市自然科学基金重点项目“光纤光栅阵列传感器及检测技术研究” ( 0 1 3 8 0 0 5 11 ) 2 教育部博士点基金“基于g s m g p r s 的光纤光栅阵列传感器技术” ( 2 0 0 2 0 0 5 5 0 3 6 ) 3 天津市建工集团资助项目“光纤光栅传感器测试建筑结构应变技术” n 堕茎查堂堡主堕塞圭兰些丝塞 a b s t r a c t f i b e rg r a t i n gs e n s o rt e c h n o l o g ya n dg s mc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya r et o w a d v a n c e dt e c h n o l o g i e st h a th a v ed e v e l o p e di nt h er e c e n ts e v e r a ld e c a d e s i nv a r i o u s a p p l i c a t i o nf i e l d s ，t h e yh a v ed i s p l a y e dt h e i rr e s p e c t i v eo u t s t a n d i n gf u n c t i o n s f i b e rg r a t i n gi san e w - c u l t i v a t e dp a s s i v eo p t i c a lc o m p o n e n t w h i c hu t i l i z e st h e u n i q u e n e s s o ff i b e r g r a t i n gm a t e r i a l s ，b u i l d i n gu p t h e p e r i o d i c a l d i s t r i b u t i o no f r e f r a c t i o ni n d e xi nf i b e rc o r e i t p l a y s t h er o l eo fc h a n g i n go r c o n t r o l l i n g t h e t r a n s m i t t i n gm e t h o do fo p t i ci nt h i sa r e a a p a r tf r o mt h ef u n c t i o n so fc o m m o nf i b e r , a ss e n s o r c o m p o n e n t ，f i b e rg r a t i n ga l s op o s s e s s e so t h e rs p e c i a lf u n c t i o n s f o re x a m p l e ， h i g ha b i l i t y o f r e s i s t i n ge l e c t r o m a g n e t i s md i s t u r b ，s m a l l s i z ea n dw e i g h t ，h i 曲 t e m p e r a t u r e p r o o f , h i g ha b i f i t yo fm u l t i p l e x ，b e i n gl i a b l et oc o n n e c tw i t hf i b e r , l o w l o s s ，g o o ds p e c t r u mc h a r a c t e r i s t i c , e r o s i o n - p r o o f , h i 曲s e n s i t i v i t y , b e i n gl i a b l e t o d e f o r ma n ds oo n a tp r e s e n t , t h es e n s o rt h a t a d o p t sf b g ( f i b e rb r a g gg r a t i n g ) a s s e n s o r c o m p o n e n t s h a sb e c o m et h em a i ns t r e a mo f d e v e l o p m e n t a n dc u l t i v a t i o n w i r e l e s sd i g i t a lm o b i l ec o m m u n i c a t i o ni sar e l i a b l em e a n so fr e a l i z i n gd i s t a n t s u p e r v i s i o n i no r d e rt od i s c o v e ra n de x c l u d et h ee l i o r st h a tm a ya p p e a ri nd i s t a n t b r i d g e sa n db u i l d i n g s ，w en e e ds u p e r v i s et h er e l e v a n tp h y s i c a lq u a n t i t y b e c a u s e s o m es u p e r v i s i n gs u b j e c t sa r ef a ra w a ya n dm o s to ft h e md o n th a v et h ec o n d i t i o no f u s i n g w i r ec o m m u n i c a t i o n ，w eh a v et oa d o p tt h em e a n so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt o r e a l i z ed i s t a n ts u p e r v i s i o n d u et ot h ev a s tc o v e r a g ea r e a , r e l i a b l ec o m m u n i c a t i o n q u a l i t ya n d l o w c o s to fg s m ( g l o b a l s y s t e m f o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) ，i t p r o v i d e s ak i n do fr e l i a b l ew i r e l e s sd a t a t r a n s m i t t i n gc h a n n e l t h i ss t u d yr a i s e st h ep o s s i b i l i t yo fc o m b i n i n gg s mw i t hf i b e rg r a t i n gs e n s o r t e c h n o l o g y p r i m a r i l yi td e v e l o p e d f i b e rg r a t i n gw i r e l e s ss e n s o rs y s t e ma n d a p p l i e di t i n t ot h e e x p e r i m e n to f t h ec a n t i l e v e rb e a ms t r a i nt e s t t h et h e s i sc o n t a i n st h ef o l l o w i n g a s p e c t s ： 1 i n t r o d u c i n gt h eh i s t o r y , c l a s s i f i c a t i o na n dp r o d u c i n gm e t h o do ff i b e rg r a t i n g d e v e l o p m e n tb r i e f l y a n a l y z i n g t h e p r e s e n ta p p l i c a t i o n s i t u a t i o na n df u t u r e d e v e l o p m e n td i r e c t i o no ff i b e rg r a t i n g b r i n g i n gf o r w a r d st h ei n n o v a t i o na n d i n 南开大学硕士研究生毕业论文 m a i nc o n t e n t so f t h et h e s i s 2 i n t r o d u c i n gs e v e r a la n a l y s i sm e t h o d so ff i b e rg r a t i n gs e n s o rt h e o r yi nd e t a i l a n d e x p l a i n i n g t h ep r o p e r p r o d u c i n gp r o c e s so f f i b e r g r a t i n g i nd i f f e r e n t w a y s 3 i n t r o d u c i n gt h eb a s i ct h e o r yo ff i b e rg r a t i n gs e n s o ra n da n a l y z i n gt h eb a s i c t e c h n o l o g i e so fs e n s o r , d e m o d u l a t i o na n d f i b e r g r a t i n gm u l t i p l e xs y s t e m a t i c a l l y 4 s u m m a r i z i n gt h ep r i n c i p l e a n df e a t u r e so fg s mw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e ma n de x p l i c a t i n g t h ei n t e r f a c ea n d c o d i n gt e c h n o l o g y o fg s mi n t e r a c t 5 i n t r o d u c i n gt h ef i b e rg r a t i n gw i r e l e s sd a t as u p e r v i s i o nm o d e lt h a tt h es m d y d e s i g n s ，a n da p p l y i n gi t i n t o e x p e r i m e n to ft h ec a n t i l e v e rb e a ms t r a i n t e s t a n a l y z i n gt h e d a t at h a t g e t s f r o me x p e r i m e n ta n dc a l c u l a t i n gt h ef u n c t i o n p a r a m e t e r o ft h es y s t e m k e yw o r d s ：丘b 豇g r a t i n g , s e n s o r , b i r e f r i n g e n c e f i b e r s a g n a cl o o pm i r r o r , w i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，g s m ，s t r a i n i v 南开大学硕士研究生毕业论文 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2 0 世纪6 0 年代末至今在不n 3 0 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1 9 7 8 年，加拿大的i c o h i l l 1 1 在掺锗光纤 中，用4 8 8 n m 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b r a g g 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。 直至1 j 1 9 8 9 年，美国的m e l t z 等人【2 】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b r a g g 光纤光栅滤波器。a r c h a m b u l t 等人也报道了用单 个准分子激光器制作近1 0 0 反射率的b r a g g 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( e d f a ) 技术之后光 南开大学硕士研究生毕业论文 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【3 捌。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3 s 系统( s m a r tm a t e r i a l ，s m a r t s t r u c t u r e ，s m a r ts k i n ) 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。3 s 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： 根据成栅机镱4 光栅可以分为三种类型，分别称之为i 型、i i 型和型( i i a 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 传统意义上的光折交光栅被称之为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 i i 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【6 j ai i 型 光栅的主要特点体现为：对蓝、绿光不敏感，带宽较大( 1 - - 5 n m ) ；具有很强的将 2 南开大学硕士研究生毕业论文 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 布喇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8 0 0 口( 2 环境中 放置2 4 小时后其反射率无明显变化，在1 0 0 0 环境中放置4 小时后大部分光栅 才消失，这个特点使i i 型光栅可以工作在极其苛刻的温度环境中。 3 型光纤光栅：又称i ia 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叽其反射率可达1 0 0 。区别于i 型、i i 型光栅的是： 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m 型光栅 介于i i 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： 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( f b g ) 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、t a p e r e d 光纤光栅及m o i r e 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( f b g ) 【8 】 均匀周期光纤布拉格光栅( f b g ) 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【9 1 。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 ( f b g ) 折射率调制深度一般为l o 一l o 一，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。 i n d e xm o d u l a t i o n w a v e l e n g t h 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 3 南开大学硕士研究生毕业论文 2 长周期光纤光栅t l o - n 所谓长周期光纤光栅，是指它的栅格周期远远大干一般的光纤光栅，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1 1 2 1 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【1 3 1 5 】和分段啁啾光栅f 1 7 】两大类别。 线性啁啾光纤光栅纤芯的折射率在整个区域内沿轴向单调、连续、准周期线 性变化，折射率调制深度为常数，如图i 2 所示。该类型的啁啾光纤光栅能产生 大而稳定的色散，在光通讯中被用作色散补偿器来补偿光传输中的色散；此外， 它还可作为测量温度和应变的传感器。 图1 2 线性啁啾光纤光栅栅格分布及光谱特性示意图 分段啁啾光纤光栅的栅格周期沿纤芯轴向在分段区域内单调、连续、准周期 线性变化，两折射率调制深度为常数。 无论是线性还是分段啁啾光栅都具有一个普遍的特点：反射带宽远远大于均 匀周期光栅的带宽，有的甚至可宽达几十纳米，因此啁啾光栅在色散补偿、光纤 放大器的增益平坦和光纤激光器的性能优化等多方面得到了广泛的应用。 4 南开大学硕士研究生毕业论文 5 相移光纤光栅【1 7 】 相移光栅是在常规均匀周期光纤光栅的某一特定部位引入一定的相移，产生 两个相互异相的光栅。相移光栅的主要特点是可以在周期性光栅光谱阻带中打开 透射窗口，允许某一波长的光注入到均匀光栅的阻带。这就意味着这类光栅可对 某一波长或多个波长进行选择。相移光栅的这个显著特点被充分应用于滤波、波 分复用、单频光纤激光器以及铒光纤增益平坦等研究领域。 6 超结构光纤光栅【1 8 】 超结构光纾光栅及取样光栅是利用方波函数对光纤布拉格光栅或啁啾光栅 的折射率分布进行调制而形成的光栅，因此它既有布喇格光栅或啁啾光栅的反射 特性，又具有长周期光栅的包层模耦合特性。其反射谱具有一组分立的反射峰。 由光纤布喇格光栅调制而成的超结构光纤光栅可应用于梳状滤波器、多波长光纤 激光器及光纤传感等多个领域的研究。而由啁嗽光纤光栅调制而成的超结构光纤 光栅，在色散补偿方面具有更广泛的研究前景。 除上述六种类型的光纤光栅以外还存在着其他均匀或非均匀的光纤光栅，如 t a p e r e d 光纤光栅口9 1 、m o i r e 光纤光栅 2 0 - 2 ”、重叠写入光栅等等。这些不同种 类的光栅都具有自己独特的性能特点，在光纤通信、光纤传感等诸多领域中扮演 着不同的角色。推动了全光技术的迅速发展。 1 3 光纤光栅的写入技术 自1 9 7 8 年人们首先在掺锗光纤中成功地写入光纤光栅后，光纤光栅的制作 正式开始。1 9 8 9 年g m e l t z 2 3 】等人首次以2 4 4 n m 的倍频染料激光器为光源，用 全息曝光的方法制作出b r a g g 波长位于通信窗口上的光纤光栅，对光纤的光敏特 性和增敏方法以及各种光纤光栅紫外写入技术的研究逐步受到国际光纤研究领 域的普遍重视，近年来得到了迅速的发展。随着光纤光栅紫外写人技术的日趋成 熟，学术界已逐渐认识到从光纤通信、光纤传感到光计算和光学信息处理的整个 光纤领域都将由于光纤光敏性的实际应用而发生革命性的变化。目前，光纤光栅 制作技术已取得飞跃性的进展。发展具有高度灵活性和有效性的光纤光栅紫外写 入技术目的仍是光纤光栅领域的研究热点。有关这方面的研究成果也不断有文献 报道。目前，在b r a g g 光纤光栅成栅技术中，比较典型的有：双光束干涉写入技术： 相位掩膜写入技术：逐点写入技术：在线成栅技术等。 5 南开大学硕士研究生毕业论文 ( 一) 双光束干涉写入法 图1 3 双光束干涉写入 双光束干涉【2 4 】写入如图1 3 所示，两相干紫外光束相交于光纤上。相干涉得 出的光栅周期( 栅距) 为人= l 九0 2 n o s i no 式中凡。为紫外光波长，n 0 为空气折射 率，l 为光栅极数，e 为入射角。可见，只要改变光束的入射角。就可以得到不 同周期的光栅。光源一般为准分子激光器，经倍频后提供2 4 0 n m 波长附近的紫外 光，并被分成二束等强度光束，重新汇合后在纤芯产生干涉条纹。干涉条纹垂直 于光敏光纤，经一对透镜后其强度得到加强。干涉型技术的特点在于可随意调节 b r a g g 波长。但要得到较高的反射率的光栅，则对光源有较高的要求。 ( 二) 相位掩模法 相位掩模法亦称相位光栅衍射相干法，由h i l l 等人最早提出瞄】。利用相位 掩膜写入光栅是目前极有前途的一种方法。国内也开展了这项研究a 成栅机制： 入射的紫外光经相位模板空间调制，在模板后形成不同周期的衍射条纹，使纤芯 的折射率形成周期性分布。相位掩膜具有压制零级，增强一级衍射的功能。经紫 外光曝光后便可写入周期为掩膜周期一半的b r a g g 光栅。相位掩膜光栅衍射图样 不依赖于入射光波长，只与相位光栅的周期有关。因此，对光源的相干性要求不高， 缺点是制作掩膜复杂。优点：稳定，重复性好，对光源的相干性要求较低，适于 大规模生产。缺点：每块模板只能制作固定( 或稍有差异) 周期的光纤光栅且 须严格控制相位模板的亥b 蚀深度和占空比，高质量的模板造价高。应用：主要用 于制作光纤布喇格光栅。此法目前广为采用且最有发展潜力，有接触式与非接触 式两种成熟的制作技术。相位模板复制时与光纤成一倾斜角，可制作非均匀周期 光纤光栅( 如啁啾光纤光栅) 。 6 南开大学颈士研究生毕业论文 c 三) 逐点写入法嗍 逐点写入法是利用精密机构控制光纤运动位移，每隔一个周期a 曝光一次，通 过控制光纤移动速度可以写入任意周期的光栅。该方法对光栅的周期容易控制， 但是由于写入光束必须聚焦到很紧密的一点，因而一般只适于写入长周期光栅，目 前所能达到的最短周期的光栅是三级光栅。优点：灵活性高，光栅参数( 长度、 周期及折射率轮廓) 可调控，适用于在线写入。缺点：需要复杂的聚焦光学系统 和精确的位移移动技术，光栅制作耗时长，成栅效率较低：与振幅掩模法相同， 无法制作出一阶反射波位于1 5 5 0 n t o 附近的光纤布喇格光栅。目前已有基波写入 式和谐波写入式两种方式。 ( 四) 在线写入法【2 7 】 在线写入法是全息相干法与逐点写入法的有机组合。这是最新出现的一种成 栅方法。它是在光纤拉制过程中对没有包层的裸光纤直接写入光栅。在光纤拉制 过程且纤芯未包层之前将光栅写入光纤。改变脉冲激光功率、干涉光束的交角及 光纤拉制速度，可灵活地调控光栅参数。该项技术一旦成熟，就可以实现大批量 生产，从而大大推动光纤光栅技术实用化的进程。该项技术的关键是要对所使用 的准分子激光器输出光束截面进行改进才能满足实用的要求。这是目前正值得研 究的一个课题。 1 4 光纤光栅的应用及发展方向 一、光纤光栅的应用 随着光纤光栅制作技术的日趋成熟，从光纤通信、光纤传感到光计算和光信 息处理的整个领域都将由于光纤光栅的实用化而发生革命性的变化，目前光纤光 栅已被广泛应用于光研究领域的各个角落，下面着重介绍光纤通信及光纤传感这 两个光纤光栅应用的主导方向。 1 光纤光栅在光纤通信领域的应用 ( 1 ) 光纤滤波器 用b r a g g 光栅做滤波器的优点是，能对光纤透射频谱中的任一波长进行 窄带滤出随着光纤通信和光纤传感技术的迅速发展，光纤光栅反射滤波器 在光纤通信领域中的作用越来越重要。控制光栅周期，可以灵活写入任何波 长的带通滤波器。反射带宽从0 0 5 n m 的周期光栅到1 2 n m 的c h i r p 光栅都已 7 南开大学硕士研究生毕业论文 见报导1 。主要可应用滤波器有：( a ) 窄带带阻滤波器，可用于波分复用器， 反射分离不同的波长。在分辨率和体积尺寸方面，它比传统的光栅及棱镜波 分复用器优异得多。( b ) 宽带带阻滤波器，可用于激光放大器泵浦光反射镜， 提高泵浦效率，又可降低输出光中泵浦光对信号光的干扰。( c ) 梳状带阻滤 波器，可用于波分复用器，反射分离不同的波长。( d ) 窄带带通滤波器，除可 用作带通滤彼器外，还可用于窄带隔离器，波长选择器、色散补偿器等。( e ) 在一个迈克尔逊干涉仪的两干涉臂上对称写入同样的b r a g g 光栅，可得到高 回波损耗( 3 0 d b ) 、窄带全光纤型带通b r a g g 滤泣器 2 9 1 ，此滤波器设计可用 于密集波分复用中。 除上述几种常见滤波器以外，光纤光栅还被应用于f - p 型带通滤波器、 光纤横向滤波器等各种类型的滤波器中，在通信领域发挥着重要的作用。 ( 2 ) 光纤激光器 光纤光栅激光器的优点是光栅与光纤的兼容性、输出稳定性及光谱纯度 都比半导体激光器的好。与半导体激光器相比，光纤激光器具有较高的输出 光功率，较低的相对强度噪声( r i n ) ，极窄的线宽以及较宽的调谐范围。光 纤激光器的单模输出可达l o m w 以上，线宽可做到小于2 5 k h z ，显然优于线 宽i o m h z 的分布反馈激光器。w d m 传输系统一个很熏要的参量就是可调谐性， 光纤激光器不但很容易实现调谐，而且调谐范围可达5 0 h m ，远大于半导体 激光器( 1 2 n m ) 。光纤光栅激光器的调谐可通过对光栅加纵向拉伸力、改变 沮度或改变泵浦激光器的调制频率来实现。 普通的光纤光栅半导体激光器存在功率波动，有模式眺动。为了减小这 种模式跳动，必须减小激光器中半导体芯片的前端面反射使用一个半导体 光放大器，并使其波导与芯片解理面成一定角度 3 0 1 ，这样来自涂镀端面的反 射光不耦合进入光纤光栅谐振腔，输出激光就不产生跳模，从而实现了在无 需冷却情况下的波长稳定，能在温度为1 5 4 5 的范围内、电流在9 5 m a 之 内保持激光单频输出。 ( 3 ) 光纤光栅分布反馈( d f b ) 激光器 把光纤b r a g g 光栅作为半导体二极管的外腔反射镜，可以制出性能优异 的光纤光栅d f b 激光器。 8 南开大学硕士研究生毕业论文 在1 5 5 0 n m 波长附近的单频激光器是大容量彼分复用系统的关键部件。 虽然光纤激光器有输出激光的线宽窄，易与光纤耦合，通过对光栅加纵向拉 伸力就能控制输出激光的波长和模式等优点，但其长激光腔对温度敏感，容 易产生纵模跳动要产生稳定的单模激光输出，可采用d f b 激光器1 3 1 1 激光 腔由一个2 5 m m 长的光栅构成，该光栅在1 5 4 6 n m 处反射率为9 9 5 ，带宽 0 3 n m 。用紫外光照射光栅的中心段，使纤芯的平均折射率改变，从而使光 在b r a g g 光栅的中心处产生2 相移。在2 相移前，激光在两个模式 下振荡，间距0 0 7 n m 经2 相移后，激光器阈值可从7 0 m w 下降到1 0 m w ， 并使激光器输出单频激光。这种激光器与上面提到的那种相比有更大的输出 功率，并且也能得到单频输出。 ( 4 ) 色散补偿器 色散，损耗是限制光通信系统容量的主要因素，现已有不少色散补偿的 方法。对于普通单模光纤，在1 5 5 0 n m 处，色散值为正，处在反常色散区， 蓝移分量较红移分量传播的快。这种光通过一段普通单模光纤传轴后，则发 生展宽。光纤光栅补偿色散的原理是：在c h i r p 光栅的不同反射点有不同的 反射波长，在1 5 5 0 n m 负色散区，蓝移分量快于红移分量，若使光栅周期大 的一端在前，即使红移分量在光栅前端反射，而蓝移分量在光栅的末端反射。 蓝移分量比红移分量多走了2 l 的距离，这样便在红蓝移分量之间产生一时 延差，经光栅后，滞后的红移分量便会赶上蓝移分量。光纤b r a g g 光栅色散 补偿器与其它方法相比，具有全光纤型、损耗低、体积小、重量轻、成本低、 灵活方便等优点。 通常光栅的色散补偿只能是窄带的，要求光栅与光源匹配，要用多个这 样的光栅才能对多信道进行色散补偿，如果采用c h i i r p 光线b r a g g 采样光 栅就可以克服这些缺点，对w d m 进行宽待色散补偿【3 2 l ( 5 ) 波分复用解复用器 在同一根光纤中复用多个波长间隔排列紧密的信道。可极大地增加光通 信的容量。以干涉臂上有两个相同的b r a g g 光橱的m a c h - - z h n d e r 干涉仪为 基础的w d m 器件，可以把一个波长信道从传输线路上分离出来【3 3 l 。利用干涉 仪的对称性，也可把一个波长信道加入到传输线路上去，此时装置用作彼分 9 南开大学硕士研究生毕业论文 复用器。如果在干涉臂上加上与原光栅对共振波长不同的光栅对，还可同时 插入和解出多个不同波长的信道，并可消除复用、解复用信号间的干扰。复 用解复用器与输入光的偏振状态无关，对外界温度变化也不敏感，能在 1 5 5 0 n m 波长处，对信道间距为i o o g h z 的信号进行有效的波分复用解复用。 ( 6 ) 光纤放大器和增益平坦器 光纤放大器和光纤激光器是新型的有源光纤器件，它们的差别是前者除 泵浦光外，还有信号光输入。泵浦光和信号光通过光纤合波器( w d m ) 耦合 到掺杂光纤( 如e d f ) 中。如果泵浦光功率足够强，光纤中就有足够的掺杂 离子激发到上能级形成粒子数反转，信号光通过时就能得到放大。长周期光 栅或闪耀光栅i 3 4 】均可用来制作增益平坦器i 竭。 将光纤布拉格光栅插入e d f a 光路中用来反射泵浦残余光，既可提高泵 浦效率，又可有效地阻止残余泵浦光在系统中继续传输p q 。一般要求光纤布 拉格光栅具有宽带、高反射率。在光纤喇曼放大器( f i b e rr a m a na m p l i f i e r ) 中f b g 也有同样应用。 利用光纤布拉格光栅还可以实现e d f a 的增益控制吲。用两个波长相同 的f b g 或个f b g 的环形腔结构在e d f a 内形成激光，可以自动调节e r 离子 上能级粒子数分布，在信号功率突变时保持相对稳定的增益，从而实现e d f a 的增益控制和锁定。 ( 7 ) 模式转换器 在光纤中的两个传导模的传辕常数相差时，导模便从一个模式转移到另 一个模式，利用此原理可以制作模式转换器。 2 光纤光栅在传感领域的应用 光纤光栅的应用主要集中在通信领域和传感器领域。近年来，光纤光栅在传 感器领域中的应用引起了人们极大的兴趣，这种用紫外光在光敏光纤纤芯中制作 的光栅被认为是实现“光纤灵巧结构”的理想器件【3 8 】。光纤光栅传感器具有诸 多优点，例如：抗电磁干扰能力强、尺寸小( 标准裸光纤为1 2 5 um ) 、重量轻、 耐温性好( 工作温度上限可达4 0 0 c 6 0 04 c ) 、复用能力强、易与光纤连接、低 损耗、光谱特性好、传输距离远( 传感器到解调端可达几公里) 、耐腐蚀、高灵敏 度、被动器件、易形变等等。除上述特点外作为传感元件，它还具有其它传感器 i o 南开大学硕士研究生毕业论文 无可比拟的优点，即感应的信息用波长编码，而波长这个绝对参量不受光源功率 的波动及连接或耦合损耗的影响。还特别容易在一根光纤中连续制作多个光栅， 所制得的光栅阵列轻巧柔软，与时分复用和彼分复用技术相结合，很适于作为分 布式传感元件埋入材料和结构内部或贴装在其表面，对它们的温度、压力、应变 等实现多点监测，这对于目前国际上热门研究的智能材料、灵巧结构有非常重大 的意义。 最初光纤光栅传感器技术的发展和实用化是极其缓慢的，其主要原因是，虽 然光纤光栅传感器具有其它许多传感器无法比拟的优点，但是光纤光栅的制造成 本和可靠性一直制约着它的大规模应用。随着通信技术的迅速发展，对于光纤 b r a g g 光栅的需求激剧增加，同时，光纤光栅的制造技术也日趋成熟和可靠，这些 因素促进了光纤光栅的成批量生产的出现，也使光纤光栅传感器的制作成本大幅 下降，可靠性得到提高，光纤光栅开始走向实用化。 光纤光栅传感机制是当光栅周围的温度、应变、应力或其它待测物理量发生 变化时，将导致光栅周期或纤芯折射率的变化，从而产生光栅中心波长的位移， 通过监测中心波长位移情况，即可获得待测物理量的变化情况。根据这个特性， 人们已研n , m 基于布拉格、长周期、啁啾、超结构等多种结构的光纤光栅传感器， 通过检测光纤光栅波长的漂移量或带宽变化量，可以推测出待测物理场的状态。 目前，光纤光栅传感器已应用于温度、应变、应力、位移、压强、扭角、扭矩、 加速度、电流、电压、磁场、频率、浓度等多种物理量的检测之中。 对于光纤光栅传感器的应用领域主要有以下几方面： ( 1 ) 光纤光栅在民用结构中的应用 一 早在1 9 8 8 年，光纤光栅就成功地在航空、航天领域中用于有效的无损检测技 术。最近应用的焦点集中到了民用工程领域，例如建筑物、桥梁、水坝、容器、 高速公路、机场跑道等，测定其结构的完整性和内部应变状态的可能技术，从而 建立灵巧结构。 在民用建筑领域，嵌入式传感器的应用可分为三个方面：( 1 ) 结构监测和损坏 检测。( 2 ) 实验应力分析。( 3 ) 系统和服务设施的管理和控制。首先，光纤光栅传 感器被嵌入混凝土结构组件，诸如梁架、圆柱、弧形平板和其它形状组件中，以 便使混凝土中的应力、应变、弯皓、固化、裂缝和滑塌等得到实时监测。同时可 南开大学磺士研究生毕业论文 测量结构整体的位移、倾斜和弯曲。在实验应力分析领域，光纤可制成灵敏的、 多用途的传感器。用于在实验研究中测量结构成员的力学性能，利用这些信息可 确定更精确的设计因素，使结构设计更安全。应用的第三方面主要考虑建筑物服 务设施，利用光纤传感器监测适当参量的工作状态，可使他们工作在更有效和更 经济的状态下，以便于构成“灵巧建筑”。 目前，应用光纤光栅传感器最多的领域当数桥梁的安全监测。1 9 9 3 年建造 的加拿大卡尔加里附近的b e d d n g t o nt r a i l 大桥是最早使用光纤光栅传感器进行 测量的桥梁之一【3 9 】，对桥梁结构进行长期检测，这在以前被认为是不可能。1 9 9 7 年，在美国俄亥俄州的巴特勒县建造了一座全复合材料的桥梁，其中埋入了光纤 光栅应变传感器，通过互联网监视桥梁的荷载响应。德累斯顿大学的m e i s s n e r 等人在德国德累斯顿附近的一座跨度7 2 米的预应力混凝土桥上，将布喇格光栅 埋入桥的混凝土棱柱中，测量荷载下的基本线性响应，并作了对比试验，证实了 光纤光栅传感器的应用可行性【加】。 为了获褥受损桥梁应变分布的更详细信息，美国海军研究实验室在一座1 4 比例桥梁模型中埋入了6 0 个光纤光栅的传感系统，对模型进行了破坏测试【4 1 】。 d o w y n t e r - - m a r f y 等人【4 2 】制作了一种变形仪进行混凝土应变和裂缝的探测测量。 一根光纤光栅附着在一根金属传感棒上，传感棒被固定在建筑物上进行测量。 美国联邦公路局研究发展计划 4 s l 中的一部分就是光纤传感器的应用研究。弗 吉尼亚t u m e r f a i 广_ b a n k 公路研究中心和美国海军研究实验室合作研制出光纤 光栅结构监测系统，这种系统正被安装在凡座桥梁的增强混凝土构件中，对应变 和车辆载重进行监测。 在地下工程和采矿业中，岩石形变的静态测量受到特别的关注。德国的g f z p o t s d a m 珥1 开发了一种地下岩石挖掘过程中测量应变的光纤光栅传感器一f b x 地 脚螺栓。这种新型的传感器是在一根玻璃纤维增强聚合物岩石地脚螺栓中埋入光 纤光栅，用于探测岩石构成和岩石工程结构中的应变。在欧洲的s t a b i l o s 计 划中，一种基于宽带掺铒光纤光源和可调f - p 滤波器的光纤光栅传感系统设计用 于矿井土梁的长期静态位移测量湖。瑞士的m o n t - - t e r r i 隧道用滚动干涉滤波器 进行解调的光纤光栅传感网络用来监视。 目前用于民用工程结构监测的光纤光栅传感器在国外已经商品化，商家生产 1 2 南开大学硕士研究生毕业论文 的埋有横向光纤光栅传感器的承重元件可用干桥梁、隧道、公路的结构应变监测， 同时可测量车速，控制交通。他们还开发了一种监测公路结冰的传感器【4 7 】。在 英国，s m a r tf i b e r sl i d 将光纤光栅传感器埋进复合材料中，制成各种灵巧结构， 这些结构可用于民用工程中的许多方面。相信随着光纤光栅技术的进一步成熟， 在民用工业方面还会有突破性的发展。 ( 2 ) 光纤光栅在航空航天业中的应用 航空航天业是