（光学专业论文）基于光折变体光栅的fbg波长解调技术研究.pdf

西 北 工 业 大 学硕 士 学位 论 文 基于光折变体光栅的f b g波长解调技术研究 摘要 木文在研究光折变体光栅特性的基础上， 提出了一种新型的光纤布拉格光栅传感器 解调方法，即利用光折变体光栅的波长选择特性，将光折变体光栅作为一种滤波元件， 对光纤光栅反射的布拉格波长信号进行线性滤波， 达到波长解调的目的。 相对于现有的 解调技术，该解调方案具有很多优点: 可以根据实际测量范围和测量精度制作不同滤波 特性的体光栅，具有很好的灵活性:体光栅可以擦除，可重复使用;在一块光折变晶体 中， 写入多重体光栅就可以实现多个光纤布拉格光栅的波长解调等优点。围绕该种光纤 布拉格光栅传感器解调方法，本文的主要内容如下: ( 1 )对单模光纤中的各种光纤光栅，包括均匀光纤光栅、长周期光纤光栅、p啾 光纤光栅和切趾光纤光栅的光谱特性进行了数值模拟， 研究了光纤光栅光谱与光纤长度 和折射率调制度的关系，并分析和模拟了光纤布拉格光栅对温度和应变的传感特性。 ( z ) 在k o g e l n i k 祸合波理 论的 基础上， 对光折变体光栅的 波长和角度选 择特性以 及两者间的关系进行了理论分析。 进而利用全息干涉法在l in b 0 3 :f e 品体中写入了光折 变体光栅， 并在不同晶体厚度和不同记录夹角条件下， 给出了其角度选择性的实验结果。 ( 3 ) 提出了一种测量光折变体光栅折射率调制度和有效厚度的新方法。 以k o g e l n i k 的体相位光栅祸合波理论为基础， 通过测量光折变体光栅的衍射效率与布拉格偏移角的 关系曲线， 并根据该曲线的3 d b带宽和旁瓣峰值的相对大小及其角度偏移量， 可计算出 光折变体光栅的折射率调制度和有效厚度。 对l in b 0 3 :f e 晶体的实验测量结果很好地验 证了该方法的可行性。 ( 4 ) 根据单轴品体的折射率椭球， 从理论上分析了光折变体光栅的衍射效率与读出 光偏振态的关系。 发现当读出光的偏振态变化时， 折射光线的方向和相应的折射率调制 度都会改变， 导致体光栅衍射效率急剧变化。 这种衍射效率偏振相关效应对于体光栅的 分波方面的 应用是非常不利的。 为此提出了 一种抑制该效应的方法， 用f ,i n b 0 3 :f e 品 体 所做的实验研究结果表明，该方法可以很好地减小光折变体光栅衍射效率的偏振相关 性， 并且不会改变体光栅的衍射特性。同时， 实验测量结果与利用折射率调制度的偏振 相关性计算得到的衍射峰值的相对大小吻合得很好，从而验证了理论推导结果。 ( 5 )利用 “ 两波法” ，对光折变体光栅在近红外区内的角度和波长相关性进行了实 验研究。 进而利用光纤布拉格光栅作为传感元件， 光折变体光栅作为波长解调元件进行 了温度传感实验，从实验上验证了该解调技术的可行性。 关键词:光纤布拉格光栅传感器， 光折变体光栅， 偏振相关衍射效率， 折射率 调制度 西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 r e s e a r c h o n w a v e l e n g t h d e m o d u l a t i o n t e c h n i q u e o f f i b e r b r a g g g r a t i n g b a s e d o n p h o t o r e f r a c t i v e v o l u me g r a t i n g ab s t r a c t a n o v e l w a v e l e n g t h d e m o d u l a t i o n t e c h n i q u e o f f i b e r b r a g g g r a t in g i s p r e s e n t e d i n t h i s t h e s i s o n b a s i s o f a d e q u a t e r e s e a r c h o n t h e d i f f r a c t i o n p r o p e r t i e s o f p h o t o r e f r a c t i v e v o l u m e g r a t i n g . wh e r e , t h e p h o t o r e f r a c t i v e v o l u m e g r a t i n g w o r k s a s a f i l t e r i n g c o m p o n e n t b y m a k in g u s e o f t h e w a v e l e n g t h s e l e c t i v i t y t o r e a l i z e t h e l i n e a r f i lt e r i n g o f b r a g g w a v e le n g t h s i g n a l a n d a c h i e v e t h e p u r p o s e o f w a v e l e n g t h d e m o d u l a t i o n . c o m p a r e d w i t h t h e a v a i l a b l e d e m o d u l a t i o n t e c h n i q u e s , t h e m e t h o d p o s s e s s e s m a n y m e r it s : d i ff e r e n t p h o t o r e f r a c t i v e v o l u m e g r a t i n g s c a n b e e a s i l y a n d fl e x i b l y d e s i g n e d a c c o r d i n g t o p r a c t i c a l r e q u i r e m e n t s , s u c h a s th e m e a s u r e m e n t r e s o l u t i o n a n d r a n g e ; p h o t o r e fr a c t i v e v o l u m e g r a t i n g c a n b e t h e r m a l ly o r e l e c t r i c a l l y e r a s e d a n d c a n b e r e p e a t e d l y u s e d ; m u l t i p l e p h o t o r e f r a c t i v e v o l u m e g r a t i n g s c a n a l s o b e r e c o r d e d i n t h e s a m e p h o t o r e f r a c t i v e c r y s t a l t o r e a l i z e t h e w a v e l e n g t h d e m o d u l a t i o n s o f m u l t ip l e s e n s i n g fi b e r b r a g g g r a t i n g s ; t h e s i m p l e c o n f i g u r a t i o n a n d c h e a p c o s t a r e a l s o t h e m e r i t s o f t h is k i n d o f f ib e r b r a g g g r a t i n g s e n s o r , a n d s o o n . e n c i r c l i n g t h e d e m o d u l a t i o n t e c h n i q u e , t h e p r i n c ip a l w o r k i n t h e t h e s i s i s a s f o l l o w s : ( 1 ) t h e r e fl e c t iv e s p e c t r a o f f i b e r g r a t i n g s i n s i n g le m o d e s i l i c a f i b e r , i n c l u d i n g u n i f o r m f i b e r b r a g g g r a t i n g , l o n g p e r io d i c f i b e r g r a t in g , l i n e a r l y c h i r p e d f i b e r g r a t i n g a n d a p o d i z a t i o n f i b e r g r a t i n g a r e n u m e r i c a l l y s i m u l a t e d a n d t h e r e la t i o n s h i p s b e t w e e n t h e s p e c t r a a n d t h e l e n g t h o f g r a t i n g a s w e l l a s t h e r e fr a c t i v e i n d e x m o d u l a t i o n a r e i n v e s t i g a t e d . t h e s e n s i n g p r o p e r t ie s f o r t e m p e r a t u r e a n d s t r a i n o f f i b e r b r a g g g r a t i n g a r e t h e o r e t i c a l ly a n a l y z e d a n d n u m e r i c a l l y s i m u l a t e d . ( 2 ) o n b a s i s o f t h e k o g e l n i k s c o u p l e d w a v e t h e o ry , t h e a n g l e s e l e c t i v i t y a n d w a v e l e n g t h s e le c t i v it y o f p h o t o r e f r a c t i v e v o l u m e g r a t i n g a r e t h e o r e t i c a l l y a n a l y z e d . f u r t h e r m o r e , t h e p h o t o r e f r a c t i v e v o l u m e g r a t i n g s a r e e x p e r i m e n t a l ly r e c o r d e d i n t h e l in b o 3 :f e c r y s t a l s w i t h t h e h o l o g r a p h i c m e t h o d a n d t h e e x p e r i m e n t a l r e s u lt s o f a n g l e s e l e c t i v it y a r e p r e s e n t e d u n d e r t h e c o n d i t i o n s o f d i ff e r e n t c r y s t a l t h i c k n e s s e s a n d r e c o r d i n g a n g l e s . ( 3 ) a n o v e l m e t h o d f o r m e a s u r i n g t h e r e f r a c t i v e i n d e x m o d u l a t i o n d e p t h a n d e f f e c t i v e t h i c k n e s s o f p h o t o r e f r a c t i v e v o l u m e g r a t i n g i s p r e s e n t e d . b y m e a s u r i n g t h e r e l a t io n s h ip o e t w e e n q i t r r a c t i o n e f t c i e n c y a n d b r a g g a n g l e d e v i a t i o n o f v o l u m e g r a t i n g , t h e r e f r a c t i v e i n d e x m o d u l a t i o n d e p t h a n d e ff e c t i v e t h i c k n e s s o f p h o t o r e f r a c t i v e v o l u m e g r a t i n g c a n b e c a l c u l a t e d a c c o r d i n g t o t h e mb b a n d w i d t h , r e l a t i v e p e a k v a l u e o f s i d e l o b e a n d i t s c o r r e s p o n d i n g b r a g g a n g l e d e v i a t i o n i n t h e r e la t i o n s h i p c u r v e . t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s w i t h l i n b 0 3 :f e c ry s t a l a r e w e l l i n a g r e e m e n t w i t h t h e t h e o r e t i c a n a l y s i s ( 4 ) a c c o r d i n g t o t h e r e f r a c t i v e i n d e x e l l ip s o i d o f u n i a x i a l b e t w e e n d i f f r a c t i o n e ff i c i e n c y o f v o l u m e g r a t i n g a n d p o l a r i z a t i o n t h e o r e t i c a l l y a n a l y z e d . t h e d ir e c t i o n o f r e f r a c t i v e l i g h t b e a m a n d c r y s t a l , t h e r e l a t i o n s h i p s t a t e o f r e a d o u t b e a m i s c o r r e s p o n d i n g r e f r a c t i v e 西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 in d e x m o d u l a t i o n w i l l b e b o t h c h a n g e d d u e t o t h e v a r ia t i o n o f p o l a r i z a t i o n s t a t e o f r e a d o u t b e a m . t h i s m a y l e a d t o t h e s t r o n g v a r i a t i o n o f t h e d i ff r a c t i o n e ff i c i e n c y o f v o l u m e g r a t i n g . t h is k i n d o f p o l a r iz a t i o n d e p e n d e n t d i f f r a c t i o n e f f i c i e n c y o f v o l u m e g r a t i n g i n a n i s o t r o p y c r y s t a l i s e x t r e m e l y d i s a d v a n t a g e o u s f o r s o m e a p p l i c a t i o n s . a m e t h o d t o s u p p r e s s t h e p o la r i z a t i o n d e p e n d e n t d i f f r a c t i o n e f f i c i e n c y w i t h d o u b l e v o l u m e g r a t i n g s i s p r e s e n t e d , a n d t h e e x p e r i m e n t s w i t h l i n b 0 3 :f e c r y s t a l a r e a l s o d e m o n s t r a t e d . t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h i s m e t h o d c a n w e l l s u p p r e s s t h e p o l a r i z a t i o n d e p e n d e n t d i ff r a c t i o n e f f i c i e n c y o f v o l u m e g r a t i n g . f u r t h e r m o r e , t h e d i ff r a c t i o n p r o p e r t i e s o f d o u b l e v o l u m e g r a t i n g s a r e a l m o s t i n d e p e n d e n t o f t h e p o l a r i z a t i o n s t a t e o f r e a d o u t b e a m . t h e r e l a t i v e v a l u e s o f d i ff r a c t i o n p e a k s a r e c a l c u l a t e d o n t h e b a s i s o f t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n i n d e x m o d u l a t i o n a n d p o l a r i z a t i o n s t a t e . t h e e x p e r i m e n t a l v a l u e s a r e w e l l i n a g r e e m e n t w i t h t h e t h e o r e t i c a n a l y s e s . ( 5 ) t h e a n g l e a n d w a v e l e n g t h s e l e c t i v i t y o f p h o t o r e f r a c t i v e v o l u m e g r a t i n g f o r n e a r - i n f r a r e d w a v e l e n g t h i s e x p e r i m e n t a l l y r e s e a r c h e d b y u s i n g t w o - la m b d a m e t h o d . t h e te m p e r a t u r e s e n s i n g i s e x p e r i m e n t a l l y d e m o n s t r a t e d w i t h f i b e r b r a g g g r a t i n g a s s e n s i n g c o m p o n e n t a n d p h o t o r e f r a c t i v e v o l u m e g r a t i n g a s d e m o d u l a t i o n c o m p o n e n t , a n d t h e f e a s i b i l i t y o f w a v e l e n g t h d e m o d u l a t i o n i s e x p e r i m e n t a l l y c o n f i r m e d . k e y w o r d s : f i b e r b r a g g g r a t i n g s e n s o r , p h o t o r e f r a c t iv e v o l u m e g r a t i n g , p o l a r i z a t io n d e p e n d e n t d i ff r a c t io n e f f i c i e n c y , r e f r a c t i v e i n d e x m o d u l a t i o n i i i 西 北 工 业 大 学硕 士 学 位 论 文 第 1 章绪论 1 . 1光纤传感器的研究现状 光纤传感技术是2 0 世纪7 0 年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的， 以光 波为载体，光纤为媒质， 感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。 作为被测量信号 载体的光波和作为光波传输媒质的光纤， 具有一系列独特的、 其它载体和媒质难以相比 的优点。光波不产生电磁干扰，也不怕电磁干扰，易被各种光探测器件接收，可方便地 进行光电或电光转换， 易与高度发达的现代电子装置和计算机相匹配 光纤工作频带宽， 动态范围大， 适合于遥测遥控， 是一种优良的低损耗传输介质。 在一定条件下， 光纤特 别容易接受被测量或场的加载， 因而又是一种优良 的敏感元件。光纤本身不带电， 体小 质轻，易弯曲，抗电磁干扰，抗辐射性能好， 特别适合于易燃、易爆，空间受严格限制 及强电磁干扰等恶劣环境下使用。 因此， 光纤传感技术几乎在各个领域都得到研究和应 用， 成为传感技术的先导， 推动着传感技术的 蓬勃发展 。 光纤传感器按照光纤在传感器中的功能可以分为两类: 功能型 ( 传感型) 传感器和 非功能型 传光型) 传感器。 功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件， 被测量对光纤内的传输光波进行调制，使传输光波的强度、相位、频率或偏振态等特性 发生变化， 再通过对被调制过的信号进行解调， 从而得出被测物理量的值。 非功能型传 感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化， 光纤仅作为信息的传输介质。由于光纤传 感器的独特优点， 人们投入了大量的人力、 物力进行研究。国外一些发达国家对光纤传 感技术的应用研究己取得丰硕成果， 不少光纤传感器系统已经实用化， 成为替代传统传 感器的产品。 美国是研究光纤传感器起步最早， 水平最高的国家， 在军事和民用领域的 应用方面的进展都十分迅速。 在军事应用方面， 他们研究和开发了一系列用于水下探测、 航空监测、核辐射检测等的光纤传感器。 这些研究分别由美国空军、海军、陆军和国家 宇航局 ( n a s a )的有关部门负责，并得到许多大公司的资助。美国也是最旱 将光纤传 感器用于民 用领域的国家， 如运用光纤传感器监测电力系统的电流、电压、 温度等重要 参数， 监测桥梁和重要建筑物的应力变化， 检测肉类和食品的细菌和病毒等。 美国的很 多大学、 研究单位和公司都开展了光纤传感器的研究和开发， 如斯坦福大学、 弗吉尼亚 理t大学、 b a b o c k 测 量 结 果 具 有良 好 的 重 复 性 ; 履于 构 成 各 种 形 式 的 光 纤 传 感 网 络 、 以 此 可 用 于 对 外界 参量的 绝对测量等等d 1 1 。 因此， 光 纤光栅传感器被 认为是替 代传统的电 学机 械 式传感器的新一代传感器。 光纤布拉格光栅及其它一些光栅装置在分布式传感领域具有 明显的竞争优势。由于光纤光栅传感器是基于被测量对传输光波的波长进行调制， 这使 得该分布式传感系统可以很方便地利用现有光通信领域内的波分复用技术， 将多个被测 信号复合进一根单模光纤，尤其是在材料的复合式植入领域因为创造了 “ 灵巧结构” 而 倍受瞩目 ! 2 1 3 1 。 带 有传感器阵列的 光纤可以 植入材 料内， 用以 测量注入负 载、 应力、 温 度以 及振动等参量，可以 对其结构健全度进行实时的跟踪与评估。 随着光纤光栅的产业化生产，大大地推动了光纤光栅传感器的发展， 为规模化生产 奠定了良 好的基础， 并且已经取得了 较大的进步。 根据o f s( 光学光纤传感器会议) 的 统计数据显示，光纤光栅传感器的 研究已占了 整个光学光纤传感器行业的4 4 .2 % 1 14 ) . 由于光纤光栅传感器具有上述诸多优点， 因此已经得到了广泛的应用， 特别是欧美 等发达国家己经将光纤光栅传感器用在大型民用工程建筑中，来对建筑物进行健康监 测。 加拿大卡尔加里附 近的b e d d in g t o n t 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( 1 9 9 3 年) 1 3 ,1 5 1 ， 1 6根光纤光栅传感器贴在预应力混凝土支撑的 钢增强杆和 炭纤复合材料筋上，对桥梁结构进行长期监测， 这在以前被认为是不可能。1 9 9 9 年夏， 在美国新墨西哥l a s c r u c e s 1 0 号州际高速公路的一座钢结构桥梁上， 安装了1 2 0 个光纤 光 栅 传感 器， 创 造了 当 时 在一 座 桥梁 上使 用 光 纤 光 栅传 感 器 最多 的 纪 录! 13 1 。 德国 德累 斯 顿附近 a 4高速公路上有一座跨度 7 2 m的预应力混凝土桥， 德累斯顿大学的m e i s s n e r 等人将布拉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， 并且用常规的 应变测量仪器作了 对比 试验， 证实了 光纤光栅传感器的应用可行性 16 1 近几年国内对光纤光栅传感器的研究也非常活跃， 中 科院半导体所、 大连理工大学、 吉林大学、通大学等多家单位均已 能 够成功制作光纤光栅 1 7 -2 0 1 ， 光纤光 栅传感器 也己经成功应于大型建筑物的监测中。 例如， 上海紫珊光电的光纤光栅传感产品应用 于松花江斜拉桥、 济南黄河公路大桥、 上海卢浦大桥。 利用该公司的光纤光栅传感网络 西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 其中相当数量的研究成果具有很高的实用价值， 有的达到世界先进水平。 但与发达国家 相比，我国的研究水平还有不小的差距，主要表现在商品化和产业化方面，大多数技术 仍处于实验室研制阶段，不能投入批量生产和工程化应用2 1 1 .2光纤光栅传感器及其发展趋势 自1 9 8 9 年m o r e y j3 1首次 报 道 将 光纤 光 栅 用作 传感以 来， 受 到了 世 界范 围内 的 广 泛 重 视， 并且已经取得了持续和快速的发展。 光纤光栅传感器作为光纤传感器中的一个非常 重要的分支， 逐渐成为传感器研究的焦点与热点 量 应 v 4 -71. 温 pt -$1. 压 力 9 q 液 位 。华 钊 塑 碧 量 感 器 的 优点 外 还 具 有以 下 独 特的 优彭 拜 王 _v l 1 。 现在光纤光栅传感器己广泛地用于测 o - 4 -1 红 光 栅 传 感 器 除 了 具 有 一 般 光 纤 传 、 传感探头结构简单、 且 尺 寸 小 ; 测 量 结 果 具 有良 好 的 重 复 性 ; 履于 构 成 各 种 形 式 的 光 纤 传 感 网 络 、 以 此 可 用 于 对 外界 参量的 绝对测量等等d 1 1 。 因此， 光 纤光栅传感器被 认为是替 代传统的电 学机 械 式传感器的新一代传感器。 光纤布拉格光栅及其它一些光栅装置在分布式传感领域具有 明显的竞争优势。由于光纤光栅传感器是基于被测量对传输光波的波长进行调制， 这使 得该分布式传感系统可以很方便地利用现有光通信领域内的波分复用技术， 将多个被测 信号复合进一根单模光纤，尤其是在材料的复合式植入领域因为创造了 “ 灵巧结构” 而 倍受瞩目 ! 2 1 3 1 。 带 有传感器阵列的 光纤可以 植入材 料内， 用以 测量注入负 载、 应力、 温 度以 及振动等参量，可以 对其结构健全度进行实时的跟踪与评估。 随着光纤光栅的产业化生产，大大地推动了光纤光栅传感器的发展， 为规模化生产 奠定了良 好的基础， 并且已经取得了 较大的进步。 根据o f s( 光学光纤传感器会议) 的 统计数据显示，光纤光栅传感器的 研究已占了 整个光学光纤传感器行业的4 4 .2 % 1 14 ) . 由于光纤光栅传感器具有上述诸多优点， 因此已经得到了广泛的应用， 特别是欧美 等发达国家己经将光纤光栅传感器用在大型民用工程建筑中，来对建筑物进行健康监 测。 加拿大卡尔加里附 近的b e d d in g t o n t 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( 1 9 9 3 年) 1 3 ,1 5 1 ， 1 6根光纤光栅传感器贴在预应力混凝土支撑的 钢增强杆和 炭纤复合材料筋上，对桥梁结构进行长期监测， 这在以前被认为是不可能。1 9 9 9 年夏， 在美国新墨西哥l a s c r u c e s 1 0 号州际高速公路的一座钢结构桥梁上， 安装了1 2 0 个光纤 光 栅 传感 器， 创 造了 当 时 在一 座 桥梁 上使 用 光 纤 光 栅传 感 器 最多 的 纪 录! 13 1 。 德国 德累 斯 顿附近 a 4高速公路上有一座跨度 7 2 m的预应力混凝土桥， 德累斯顿大学的m e i s s n e r 等人将布拉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， 并且用常规的 应变测量仪器作了 对比 试验， 证实了 光纤光栅传感器的应用可行性 16 1 近几年国内对光纤光栅传感器的研究也非常活跃， 中 科院半导体所、 大连理工大学、 吉林大学、通大学等多家单位均已 能 够成功制作光纤光栅 1 7 -2 0 1 ， 光纤光 栅传感器 也己经成功应于大型建筑物的监测中。 例如， 上海紫珊光电的光纤光栅传感产品应用 于松花江斜拉桥、 济南黄河公路大桥、 上海卢浦大桥。 利用该公司的光纤光栅传感网络 西 北 工 业 大 学硕 士 学 位 论 文 分 析 仪， 完 成桥梁的动态应变测试 2 1 1 。 北京品 傲光电 科技 有限公司的 分布式光纤光 栅传 感器应用于深圳会展中心， 整体结构中共布设了3 5 0 个监测点， 实时测量结构内的应变、 温度、 裂纹、形变等参数，探测疲劳损伤。该系统也是国内最大的光纤光栅传感监测系 统2 2 1 。当 前光纤光栅传感器的发展趋势及在实际应用中需要解决的问题有2 3 1 . ( 1 )光源:光纤光栅传感器需要大功率宽带光源或可调 谐光源。目 前一般采用的 侧面发光二极管 e l e d )功率较低，而激光二极管 ( l d )的带宽则较窄: ( 2 )解调技术:实验中通常采用光谱分析仪。但它价格昂贵、体积大，机械稳定 性差。因此需要研究出高效低成本的解调系统; ( 3 ) 光纤光栅基本性质的研究: 包括光纤材料光敏特性的机理、 光纤光栅灵敏度、 动态范围的提高途径等; ( 4 )波分复用、时分复用的多路传感网络的研究:实现多参量、多变量同时测量 的智能化遥测是发展的重点; ( 5 )进一步完善现有的光栅写入方法和封装技术，发展新的写入方法，尤其是aj im 啾光栅的写入方法，降低光纤光栅的成本，提高其使用寿命。 1 .3光折变体光栅及其研究进展 伴 随 掺 饵 光 纤 放 大 器( e d f a ) 的 实 用 化 ，一 辛 戴夏 波 夯 复 角 ( d w d m ) 技 术 在 近 年 来得到了迅速发展。 然而现有光通信系统常用的各种波分复用器件目 前都存在着各自 的 缺陷，如熔融拉锥型波分复用器的隔离度差，一般不能用于d wd m系统;介质薄膜型 波分复用器 ( d i e l e c t r i c t h i n f i l m f i l t e r s , t f f s )的插入损耗随着通道数的增加而增加， 并且由于镀膜工艺的限制，使得该方法很难制作通道间隔小于 5 0 g h z的密集波分复用 器 件; 阵列波导光栅型 ( a r r a y e d w a v e g u i d e g r a t i n g s , a w g s ) 波分复用器存在偏振相关 损耗大和 温度稳定较差性的缺点; 光纤布拉格光栅型 ( f i b e r b r a g g g r a t i n g s , f b g s ) 波 分复用器必须与其它器件 ( 比如环形器) 连接在一起才能实现波分复用功能，因而导致 成本高、 插入损耗大2 4 1 。为此，近年来人们又将注意力投向了 光折变体光栅器件2 5 1 光折变效应是指光折变材料在光辐射下，折射率随光强的空间分布而发生变化的现 象。 最初由a s h k i n 等人于2 0 世纪6 0 年代在l i n b 0 3 和l i t a 0 3 晶 体中发现2 6 1 。 光折变 材料的特性是可以通过光辐照对材料的折射率进行调制。 通常写入多重光折变体光栅可 以 采用角 度复用和波长复用等方法2 7 -2 9 1 。 光折变体光栅器件具有体积小、 制作简单、 易 擦除、可以实时处理、衍射效率高、温度稳定性好、可以进行窄带滤波等优点， 在滤波 方面有着极大的潜在应用前景。 然而， 很难找到一种光折变材料能在近红外区通信窗口 具有足够的光折变灵敏度。一些掺有第二族到第六族元素的特殊半导体材料在 1 5 5 0 n m 显示出一定的光折变性质， 例如掺钒的筛化锅 ( c d t e : v ) 中记录体光栅的折射率调制度 理论上可以 达到1 0 -3 3 0 ,3 1 ， 但是实验中的测量值却远小于该值，无法制作能 够实 用的体 光栅器件。 所以 通常采用“ 两波法， 来克服该问 题3 2 1 ， 它既可以 利用可见光区 光折变材 西 北 工 业 大 学硕 士 学 位 论 文 分 析 仪， 完 成桥梁的动态应变测试 2 1 1 。 北京品 傲光电 科技 有限公司的 分布式光纤光 栅传 感器应用于深圳会展中心， 整体结构中共布设了3 5 0 个监测点， 实时测量结构内的应变、 温度、 裂纹、形变等参数，探测疲劳损伤。该系统也是国内最大的光纤光栅传感监测系 统2 2 1 。当 前光纤光栅传感器的发展趋势及在实际应用中需要解决的问题有2 3 1 . ( 1 )光源:光纤光栅传感器需要大功率宽带光源或可调 谐光源。目 前一般采用的 侧面发光二极管 e l e d )功率较低，而激光二极管 ( l d )的带宽则较窄: ( 2 )解调技术:实验中通常采用光谱分析仪。但它价格昂贵、体积大，机械稳定 性差。因此需要研究出高效低成本的解调系统; ( 3 ) 光纤光栅基本性质的研究: 包括光纤材料光敏特性的机理、 光纤光栅灵敏度、 动态范围的提高途径等; ( 4 )波分复用、时分复用的多路传感网络的研究:实现多参量、多变量同时测量 的智能化遥测是发展的重点; ( 5 )进一步完善现有的光栅写入方法和封装技术，发展新的写入方法，尤其是aj im 啾光栅的写入方法，降低光纤光栅的成本，提高其使用寿命。 1 .3光折变体光栅及其研究进展 伴 随 掺 饵 光 纤 放 大 器( e d f a ) 的 实 用 化 ，一 辛 戴夏 波 夯 复 角 ( d w d m ) 技 术 在 近 年 来得到了迅速发展。 然而现有光通信系统常用的各种波分复用器件目 前都存在着各自 的 缺陷，如熔融拉锥型波分复用器的隔离度差，一般不能用于d wd m系统;介质薄膜型 波分复用器 ( d i e l e c t r i c t h i n f i l m f i l t e r s , t f f s )的插入损耗随着通道数的增加而增加， 并且由于镀膜工艺的限制，使得该方法很难制作通道间隔小于 5 0 g h z的密集波分复用 器 件; 阵列波导光栅型 ( a r r a y e d w a v e g u i d e g r a t i n g s , a w g s ) 波分复用器存在偏振相关 损耗大和 温度稳定较差性的缺点; 光纤布拉格光栅型 ( f i b e r b r a g g g r a t i n g s , f b g s ) 波 分复用器必须与其它器件 ( 比如环形器) 连接在一起才能实现波分复用功能，因而导致 成本高、 插入损耗大2 4 1 。为此，近年来人们又将注意力投向了 光折变体光栅器件2 5 1 光折变效应是指光折变材料在光辐射下，折射率随光强的空间分布而发生变化的现 象。 最初由a s h k i n 等人于2 0 世纪6 0 年代在l i n b 0 3 和l i t a 0 3 晶 体中发现2 6 1 。 光折变 材料的特性是可以通过光辐照对材料的折射率进行调制。 通常写入多重光折变体光栅可 以 采用角 度复用和波长复用等方法2 7 -2 9 1 。 光折变体光栅器件具有体积小、 制作简单、 易 擦除、可以实时处理、衍射效率高、温度稳定性好、可以进行窄带滤波等优点， 在滤波 方面有着极大的潜在应用前景。 然而， 很难找到一种光折变材料能在近红外区通信窗口 具有足够的光折变灵敏度。一些掺有第二族到第六族元素的特殊半导体材料在 1 5 5 0 n m 显示出一定的光折变性质， 例如掺钒的筛化锅 ( c d t e : v ) 中记录体光栅的折射率调制度 理论上可以 达到1 0 -3 3 0 ,3 1 ， 但是实验中的测量值却远小于该值，无法制作能 够实 用的体 光栅器件。 所以 通常采用“ 两波法， 来克服该问 题3 2 1 ， 它既可以 利用可见光区 光折变材 西 北 工 业 尺学 硕 士 学 位 论 文 料的高光折变灵敏度， 又可以实现在近 _ 红外区通信窗口中使用体光栅。 几乎在光折变效 应刚刚发现之时，l i n b 0 3 , s b n , b a t i o 3 等晶体就用作信息存储，人们对光折变光栅 的 研究一直延续至今。其中，由于l in b 0 3 :f e 晶体在 1 5 5 0 n m通信窗口处几乎没有光吸 收，巨 光折变灵敏度很低，因而是光折变体光栅应用于光通信系统的首 选材料3 3 1 早 在k u k h t a r e v 等给出描述光折变过 程的带输运模型以前3 4 1 ，已 经有了 关于品 体中 相位栅写入时间特性的大量报道， 并给出了光折变晶体内空间电荷场随时间线性变化的 规律及记 录光栅的暗光保存时间等。 近十多年来， 人们对多重光栅写入技术进行了深入 研究.提出了多重体光栅的复用技术、曝光技术、定影技术等。 1 .3 . 1多重光折变体光栅 用 吵351 在光折变材料中记录多重全息图， 大大提高了其存储信息的容量，为使这些全息图 在读出时互不干扰，人们提出了多种复用方法。 将页面信息的傅里叶变换全息图阵列记 录在光折变材料的不同空间区域， 称为空间 复用。空间复用技术是发展最早的复用技术，目 前的应用主要针对薄层光折变材料。 体光栅全息图的角度选择性使不同的信息页面可以非相干地叠加在同一空间区域， 存储在光折变材料的同一位置， 相互之间用不同的参考光入射角度加以区别， 这种复用 方 式 称为 角 度复 用， 它 是 使 用最早 、 研究 最 充分 的 复 用 技 术。 m o k 3 6 1等 人用 这 种复 用方 法在 几何 尺寸为2 0 x 1 5 x 1 0 m m 3 的l i n b 仇:f e 晶 体中 存储了5 0 0 0 幅高分 辨率的图 像， 其 中参考光的 角度复用间隔为。 0 1 % 波长复用是指在记录多重全息图的过程中， 保持参物光夹角不变， 每个全息图用各 自 不同波长的光波进行写入和读出。 该复用方法通过改变记录波矢的长度同时保持其方 向 不变来实现波矢空间的复用。 除此之外， 还有相位复用技术和混合复用技术等。 1 . 3 .2多重光折变体光栅的曝光技术 在光折变材料中记录多重体光栅时， 后一重体光栅的写入过程必然会对已 经写入的 光栅有擦除作用， 因此记录多重体光栅的一个非常重要的问题就是采用一定的曝光技术 使各重体光栅的衍射效率均衡。 日 前成熟的曝光方法有两种: 时间递减法和增量曝光法。 时间递减法是指侮一重体光栅的记录均一次曝光完成， 并且体光栅的记 录时间随其 曝光顺序的增加而减少，即第一重体光栅的曝光时间最长，后续各体光栅的曝光时间依 次减少。 在过去的2 0年里， 人们通过使用不同的方法导出时间递减的曝光时 序，用来 补 偿记 录 过 程中 的 擦 除效 应的 影 响 3 7 ,3 8 1 二 该 方 法 存 在的 主 要问 题是 光 折 变 材料 特征参 量 起伏都可能够导致不均匀的 衍射效率， 并且前儿个体光栅山于长时间曝光会引 起光折变扇形效应及记 录光束之间的祸合，以 及显著的布拉格波长偏移， 这会导致所能 达 到 的 折 射 率 调 制 度 低 于 理 论 值 。 而 采 用 峭曝 光 法 39、 以 避 免 这 些 问 题 。 增 量 曝 光 法 中，整个记 录过程被分成一系列相同的循环过程。 每个循环过程中， 所有的多重体光栅 均被依次记 录， 并且每重体光栅均采用相同的曝光时间。 经过许多次循环后， 记录过程 趋于饱和， 这时每重体光栅的衍射效率可以非常均衡。 虽然采用增量曝光法记 录书重体 西 北 工 业 尺学 硕 士 学 位 论 文 料的高光折变灵敏度， 又