（光学专业论文）光纤光栅阵列传感及其解调制技术的研究.pdf

摘要 摘要 光纤光栅是近年来发展最为迅速、应用最为广泛的光纤无源器件之一。由于 它的许多独特的优点，在光纤通信、光纤传感等领域具有广阔的应用前景。以光 纤光栅技术为基础的光纤光栅传感器已经成为传感器研究领域中的一大热点。光 纤光栅作为传感器的突出优点是可复用性，采用多个光纤光栅，可以构成分布式 传感网络，实现多点检测，这在智能和灵巧结构中有着重要的应用。本文的主要 研究内容如下： 1 对光纤光栅的相关理论进行了系统的研究，主要内容包括：光纤光栅的耦合模 理论：光波在光纤b r a g g 光栅的传输特性；光纤b r a g g 光栅的物理特性和传感原 理。并介绍了光纤传感技术在国内外发展的状况及应用。 2 对目前国内外已经研究过的滤波解调制方法进行了简单的归纳和分析，并对匹 配光栅滤波解调制技术进了系统的理论分析和实验研究，实验获得的此滤波解调 制技术的波长分辨率为2 3 3 p m 。 3 在已报道的光纤光栅复用传感系统文献 2 1 2 4 ，3 0 3 9 ，4 2 ，4 4 中，首次设 计并实现了种基于可调谐光纤激光器的光纤b r a g g 光栅波分和时分复用阵列 传感系统，该传感系统具有经济实用性，信噪比高，可复用数目大等特点，对于 多点检测的传感网络具有较大的实用价值。具体的研究内容如下： ( 1 ) 设计了基于可调谐光纤光栅的光纤激光器，可调谐波长范围为1 0 n m ，并 分析了其工作原理。 ( 2 ) 利用单片机和光强度调制器将连续激光调制成时分复用所需要的脉冲光， 与普遍使用的宽带光源相比，其光源的峰值功率很强，经传感网络后信噪 比很高。 ( 3 ) 采用匹配光栅调谐光纤激光器波长扫描寻址的有源解调方案，对四个光纤 光栅组成的两列光栅串成功的进行了波分和时分复用传感研究，应变分辨 率为2 9 “s s t e p 。 关键词传感器；光纤b r a g g 光栅；阵列传感；波分时分复用；匹配光栅滤波 北京t 业大学理学碗i 学位论文 a b s t r a c t o p t i c a lf i b e rg r a t i n gi s ak i n do fo p t i c a lf i b e rp a s s i v ed e v i c e ，i th a sb e e n d e v e l o p e dq u i c k l ya n dw i d e l y u s e di nr e c e n t y e a r s i th a sg r e a ta p p l i c a t i o n p r o s p e c t i v ei no p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o na n do p t i c a ls e n s o rf i e l da n ds oo nf o ri t s m a n yt m i q u em e r i t s o p t i c a lf i b e rg r a t i n gs e n s o r sb a s e do no p t i c a lf i b e rg r a t i n g t e c h n o l o g yh a v eb e c o m et h ef o c u si ns e n s o r ss t u d yf i e l d i t sp r e d o m i n a n tm e r i t si n s e n s o r si sm u l t i p l e x i n gu s e as e n s o rn e tc a nb ec o m p o s e db yu s i n gm a n yo p t i c a lf i b e r g r a t i n g s i tc a l lb ea p p l i e di nd e t e c t i n gm a n ys e n s o rp o i n t se s p e c i a l l yi ni n t e l l i g e n ta n d s m a ns t r u c t u r e o u rm a i nr e s e a r c hw o r ki sa sf o u o w s ： i t h e o r ya n a l y s i so ff i b e rb r a g gg r a t i n g s ( f b g 、a r ep r e s e n t e di n c l u d i n gt h e c o u p l e d - m o d et h e o r yu s e di nf i b e rg r a t i n g ，t h ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fl i g h t w a v ei nf b gt h ep h y s i c sc h a r a c t e r i s t i c so ff b go p t i c a lf i b e rg r a t i n gs e n s o r m e c h a n i s m t h ed e v e l o p m e n t sa n da p p l i c a t i o no ff i b e rg r a t i n gs e n s o r sa r e p r e s e n t e d 2s e v e r a lt y p i c a ld e m o d u l a t i o nf i l t e rm e t h o d su s i n gi no p t i c a lf i b e rs e n s o rh a v e b e e nd e v e l o p e da r ep r e s e n t e da n dd i s c u s s e d ，a n dw es t u d i e dt h em a t c h e d - g r a t i n g d e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g yt h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y , w a v e l e n g t hr e s o l u t i o n o f 2 3 3 p mi so b t a i n e d 3an o v e lc o m b i n e dw a v e l e n g t h a n d t i m e - d i v i s i o nm u l t i p l e x i n go p e r a t i o nb y u s i n gat u n a b l ef i b e rl a s e r 隅d e m o n s t r a t e ds u c c e s s f u l l ya tf i r s ti nt h er e p o s e d d o c u m e n ta b o u tm u l t i p l e x i n gs e n s o rs y s t e m t h es y s t e mh a sh i g hs i g n a l t o n o i s e r a t i oa n dc a nm u l t i p l e xal a r g en u m b e ro ff b g s ，w h i c hc a nb ee c o n o m i c a la n d p r a c t i c a li ns e n s o ra r r a ys y s t e m ，o u rm a i nr e s e a r c hw o r ki sa sf o l l o w s ， ( 1 ) w ed e s i g n e dat u n a b l ef i b e r l a s e ru s e da s t h es o u r c eo fo p t i c a ls e n s o r s y s t e mw h o s et u n a b l ew a v e l e n g t hi s1 0 n m ，a n da n a l y z e di t so p e r a t i n gp r i n c i p l e ( 2 ) w em o d u l a t e dt h ef i b e rl a s e ro u t p u tt ol i g h t - p u l s e u s e df o rt i m e m u l t i p l e x i n gb yu s i n gac h i pm i c r o c o m p u t e ra n dao p t i c a li n t e n s i t ym o d u l a t o r c o m p a r e dt ot h ec o m m o nb b s ，w h i c hh a sah i g hp e a kp o w e r a n dh i g h s i g n a l t o n o i s er a t i oa f t e ru s i n gi ns e n s o rn e t a b s t r a c t ( 3 ) d e m o d u l a t i o nw a su s e das t e p p e rm o t o rt ot u n et h ew a v e l e n g t ho f f b gt os c a nt h ef i b e rl a s er c o m b i n e d w a v e l e n g t h a n d - t i m e - - d i v i s i o n m u l t i p l e x e do p e r a t i o nb yu s i n gat u n a b l e f i b e r l a s e rw a sd e m o n s t r a t e d s u c c e s s f u l l y s t r a i nr e s o l u t i o no f2 9 “s t e pi so b t a i n e d k e yw o r d ss e n s o rf | b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) ：s e a s o ra r r a y ；w a v e l e n g t h a n d t i m e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ：m a t c h e d - g r a t i n gf i l t e r i l i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：同期 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名 导师签名 日期：哩! ，j 畔 绪论 第1 章绪论 1 1 光纤光栅的诞生与发展 1 9 6 6 年，高锟博士提出了带有薄层材料的石英玻璃光学纤维的传输损耗低 于2 0 d b k m ，可以用它作为通信的媒质；1 9 7 0 年，美国康宁公司成功的研制出损 耗为2 0 d b k m 的光纤，从而奠定了光纤通信的基础。随着各种低损耗的光纤的出 现，使得光纤通信成为现代通信的一个主流。 1 9 7 8 年，加拿大k e nh i l l 及其他科研人员首次在实验中观察到了掺锗石英 光纤的紫外光敏特性一光诱导产生b r a g g 光栅效应。十余年后，在1 9 8 9 年美 国的g e r ym e l t z 等人发明了紫外光侧面写入光敏光栅技术1 1 。紫外侧写入技术 的问世大大提高了光栅写入效率，世界各国对光纤光栅及其应用的研究迅速开展 起来。1 9 9 3 年，k 0 h i l l 等人提出了位相掩模写入技术0 1 ，利用紫外激光经过 位相掩模衍射后的正负1 级衍射光形成的干涉条纹对光纤曝光写入光纤光栅，此 技术使得光纤光栅的制作更加容易，使得光纤光栅的批量生产成为可能。同年， p j l e m a i r e 等人提出了一种提高光纤增敏性的简单有效方法一低温高压载氢 技术“1 ，使得光纤的增敏特性提高了两个数量级，此技术的出现使得光纤光栅的 制作成本大大的得到降低，人们可以不必使用价格昂贵的高浓度掺锗光纤，在普 通的通信光纤上就可以很容易的写制出高反射折射率的光纤靠拉格光栅。髓着光 纤光栅写入技术的不断完善，世界各国掀起了光纤光栅技术的研究热潮。 光纤光栅作为一种新型的光无源器件，它的出现使许多复杂的全光纤通信和 传感网络成为可能，并极大地拓宽了光纤技术的应用范围，因而在光子学研究领 域受到普遍关注并得到了迅速发展，诸如光纤光栅激光器，光纤光栅滤波器，分 接头，波分复用器等器件的研究都取得了相当快的进展，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“3 已经引起科学界极大关注并成为研究 热点。“3 s ”指s m a r tm a t e r i a l 、s m a r ts t r u c t u r e 、s m a r ts k i n ，即把高超的 光纤光栅技术、光神经网络、光纤致动仪器有机地融为一体，利用掩埋或贴附技 术把它们复合到制造现代运载体( 如飞机、舰船、坦克等) 或各种建筑体( 如桥 北京工业大学理学硕士学位论文 墩、大坝、楼房等) 的框架、承力件外蒙皮的复合材料中，制成灵敏材料、灵敏 结构和灵敏表皮形成智能传感系统。“3 s ”系统概念的提出与研发，是自光纤 光栅出现以来在理论、方法、技术与应用等诸方面重大的综合集成，标志着光纤 光栅技术及应用已经进入了新的历史发展阶段。专家们预言，光纤光栅的出现将 使光纤通信，光纤传感，光计算机和光信息处理的整个光纤领域发生一次变革性 飞跃。光纤光栅技术是继掺铒光纤放大器( e d f a ) 技术之后光纤技术发展的又个 新的里程碑。光纤光栅技术使得全光纤器件的研制和集成成为可能。如果说二极 管和三级管的出现是电子学时代的转折点，那么我们可以说光纤光栅的出现将是 光子学时代的转折点。 1 2 光纤光栅传感技术的应用和发展 随着光纤通信技术的发展，光纤通信中的一些技术逐渐为传感领域中的应用 提供了技术平台，光纤光栅就是其中之一。以光纤光栅技术为基础的光纤光栅传 感器正成为传感器研究领域中的又一大热点。 1 2 1 光纤光栅传感的优势 目前，光纤光栅传感技术已经成为国内外传感研究领域中的一个热点，采用 光纤光栅作为传感元件，这与它的优点”1 是分不开的，同传统的电传感器相比， 光纤光栅传感器在传感应用中具有明显的技术优势： ( 1 ) 可靠性好，抗干扰能力强。 ( 2 ) 传感头结构简单，细小柔软，适合各种应用场合，尤其适合于埋入材料内 部构成所谓的智能材料或结构，对其内部的应变和温度进行高分辨率和大范围地 测量。 ( 3 ) 抗电磁干扰、抗腐蚀、能在恶劣的化学环境下工作。 ( 4 ) 可复用性强，采用多个光纤光栅传感器，可以构成分布式传感网络，实现 多点检测。这是光纤光栅作为传感元件最突出的优点。 ( 5 ) 具有比其他传感器高得多的灵敏度，一旦形成智能材料，便可以对各种检 测对象进行高精度自诊断和自治愈功能。 绪论 1 2 2 光纤光栅传感技术的应用 光纤光栅传感器目前正在趋向于实用化，具有广阔的应用前景，其应用主要 集中在以下几个领域： ( 1 ) 民用工程结构中的应用 民用工程中的结构监测是光纤光栅传感器应用最活跃的领域。目前用于民用 工程结构监测的光纤光栅传感器已经商品化，例如，美国的b l u er o a dr e s e a r c h 就生产商用的光纤光栅传感器。他们生产的埋有横向光纤光栅传感器的承重元件 可用于桥梁、隧道、公路的结构应变监测，同时可；受0 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，这种传感器做成u 形导管，u 形导管底部埋 有横向光纤光栅应变传感器，导管空着或装有水时，车辆的压力传不到底部光纤 光栅应变传感器中，如果公路结冰，车辆的压力就会传到光纤光栅传黪器中”。 在英国，s m a r tf i b r e sl t 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。新加坡的i n v e n t i v ef i b e r 。3 也 生产用于结构监测的光纤光栅应变传感器。 ( 2 ) 在航天器及船舶中的应用 为了监测一架飞行器的应变、温度、振动、起落驾驶状态、超声波场和加速 度情况，通常需要i 0 0 多个传感器，故传感器的重量要尽量轻，尺寸尽量小，因 此最灵巧的光纤光栅传感器是最好的选择。另外，实际上飞机的复合材料中存在 两个方向的应变，嵌入材料中的光纤光栅传感器是实现多点多轴向应变和温度 测量的理想智能元件。如美国国家宇航局在其x 一3 3 原型机上安装了光纤光栅多 方向应变和温度测量系统“”。 为了全面地衡量船体的健康状况，需要了解其不同部位的变形力矩、剪切压 力、甲板所受的抨击力，对于普通船体大约需要1 0 0 个传感器，因此具有复用能 力的光纤光栅传感器最适合于船体的检测。在美国，g c r m t c 已经在o r l e a n s 大 学研制成功用于船舶损伤监测的大规模光纤光栅传感系统。 ( 3 ) 电力工业中的应用 光纤光栅传感器因不受电磁场干扰和可实现长距离低损耗传输，且可以在高 北京工业大学理学硕士学位论文 压下工作，从而成为电力工业应用中的理想选择。电线的载重量、变压器绕线的 温度、大电流等都可利用光纤光栅传感器测量。 h a m m o n 等人“”演示了用光纤光栅传感器测量高压变压器的绕组温度，长期 监测的精度已达到3 。如果将波分复用技术用于此系统，则可进行实时多点 测量。德国西门予公司正在将光纤光栅传感器用于气冷涡轮发电机定子温度的测 量“，他们用环氧树脂将光纤光栅埋入定子中，光纤光栅经过特殊的封装，以保 证在真空和4 i 0 5 p a 压强下没有形变，并且对1 6 0 c 温度下环氧树脂中的化学和 物理变化不敏感，他们的目标是连续测量范围从2 0 到1 6 0 。c ，测量精度小于l 。 ( 4 ) 石油化学工业中的应用 石化工业属于易燃易爆的领域，电类传感仪器用于诸如油气罐、油气井、油 气管等地方的测量存在不安全的因素。光纤光栅传感器因其抗电磁干扰、唰高温、 长期稳定并且抗高辐射非常适合于井下传感。“，挪威的o p t o p l a n “”正在开发用 于永久井下测量的光纤光栅温度和压力传感器。美国的c i d r a “”和英国的s m a r t f i b r e sl t d 都在将光纤光栅传感技术用于海洋石油平台的结构监测。 光纤光栅周围化学物质浓度的变化通过倏逝场影响光栅的句喇格波长，利用 这一事实通过对光纤光栅进行特殊处理，可以制成探测各种化学物质的光纤光栅 化学传感器。1 9 9 6 年，m e l t z 等人“”报道了这种光纤光栅化学传感器。 ( 5 ) 医学中的应用 光纤光栅传感器不仅不会受到电磁场的干扰而且它具有很小的尺寸，它能 够通过最小限度的侵害方式对人体组织功能进行内部测量，提供有关温度、压力 和声波场的精确局部信息。光纤光栅传感器对人体组织的损害非常之小，足以避 免对正常医疗过程的干扰。 一种光纤光栅阵列温度传感器“73 被设计用来测量超声波、温度和压力场，内 部实地的研究病变组织的超声和热性质，传感器的分辨率为0 1 ，精度为0 2 ，测量范围为3 0 6 0 。 随着光纤光栅传感器技术的发展，很多新的应用j 下随之出现，如光纤光栅传 感器在加速器领域。，核领域“，安全识别1 领域等的应用。 绪论 1 2 3 光纤光栅传惑技术在国内外的发展状况 随着光纤光栅写入技术的研发与应用，光纤光栅在传感方面便引起了人们的 关注，各国研究者积极开展有关研究。国外对光纤光栅传感器的研究已经基本实 现了商品化和工程化，如b l u er o a dr e s e a r c h 、c i d r a 、m o i 等。国内在光纤光 栅传感器方面的研究工作也取得了一定成果，其中一部分已经转化为产品，如上 海紫珊光电技术有限公司，北京品傲光电公司，南开大学，中科院半导体所，武 汉理工大学，哈尔滨工业大学及黑龙江大学等。 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( 扭应力) 、加速度、电流、电压、磁场、频率、浓度等多种物理量的检测之 中，各种光纤纤光栅传感器件及系统也应运而生，其应用领域不断扩展。以f b g 为传感基元的传感器仍为研发主流，并且，已有一定数量的光纤光栅传感器开始 从实验室走向实用化和商品化。但是由于光纤光栅性能的稳定、温度与应变的交 叉敏感效应、增敏与去敏封装技术、感测信号解调的光电转换及性价比等一系列 问题还未有效地解决，致使多数研究成果仍处于实验室研究阶段。 在光纤光栅阵列传感的研发领域，光源、解调方案及复用技术一直是研究的 重点内容。下面分三部分分别进行说明： ( 1 ) 在光纤阵列传感系统中，光源的好坏直接影响系统的各部分的性能。 目前，单光栅传感系统大部分采用宽带光源作为传感光源，其输出峰值功率一般 为一2 5 d b m 左右：而在复用传感系统中，如果采用宽带光源，则复用的传感光栅 的数目不能太多，同时检测的信嗓比较低，也就增加了信号的解调处理难度。因 此获得高功率、多波长输出、稳定可靠的光源在阵列传感系统研究中显得比较重 要。目前，多波长光纤激光器是获得此光源的有效途径，但是，在技术上还存在 者许多要急需解决的问题比如它的稳定性，可靠性及造价高等制约着它的实用 化。 ( 2 ) 对于光纤光栅传感网络最为重要的技术是解调问题，如何将多路光栅 进行解调是光纤光栅传感技术的关键光纤光栅传感网络更加适用于大型和复杂 的结构监测，可以实时监控建筑和构件的健康状况，对建筑和构件的使用更加安 北京工业大学理学硕士学位论文 全可靠经济方便。虽然光纤光栅传感器相对来说价格较为低廉，但传统上使用的 光纤光栅检测设备是光谱仪，这种设备不仅体积庞大笨重不适合在现场的监测 而且也十分昂贵不适合产品化生产。随着经济的发展，技术的进步，对各种分散 的重要建筑设施以及公路桥梁的实时监测与维护越来越重要。因此，探求一种方 便有效的解调制系统是光纤光栅传感器的核心部分，也是当今国内外研究的热 点。进入9 0 年代以来，人们已经提出了多种解调方案，但是能够实际应用的解调 制产品并不多，而且价格昂贵。目前限制光纤光栅传感器大量实际应用的一个障 碍就是传感信号的解调制。 目前，人们已经发展了滤波法、干涉法、色散法、可调谐窄带光源法等传感 解调技术，并获得了很高的精度。滤波解调制技术是比较主要的技术方案，所采 用的滤波器包括传统的体滤波器、可调声光滤波器、光纤光栅滤波器、可调光纤 f a b r y p e r o t ( f - p ) 滤波器等。滤波解调制技术的特点是实验装置简单，操作方便， 其测量分辨率主要取决于滤波器的性能。如采用匹配光栅滤波器解调法“”1 ，应 变分辨率达到4 1 2 雕。利用可调谐f - p 腔滤波器解调技术“”在四个光栅组成的 阵列探测中，可得3 加的应变分辨率。 可调谐光源解调制法也在被广泛的研究。b a l l 等人。”利用定标后的可调激 光器作为f b 6 传感器光源，当光源的输出波长与某一f b g 布喇格波长相等时，探 测器上会接收到对应波长强烈的反射信号，从而实现波长检测。这一技术的波长 分辨率可达2 3 p m ，温度分辨率可达0 2 c 。缺点是激光器工作的稳定性不理想， 在一定程度上限制了该方案朝实用化发展。l i s s a kb 等人。”和p u t n a mm a 等 人“采用锁模光纤激光器作为光纤光栅传感器光源，在3 k h z 频率下，动态应力 测量的灵敏度为4 5 口s 上七。 在现有的各种解调制技术中，干涉检测技术的波长分辨率最高。k e r s e y 等 人啪”3 用非平衡马赫一曾德尔( m - z ) 光纤干涉仪作波长检测器，对传感光栅发生的 波长漂移进行解调制。这一技术具有极高的波长分辨率，在频率为5 0 0 h z 的动态 情形下应变分辨率为0 6 n s t r a i n 肫，时分复用传感的应变分辨率为 2 n s t r a i n 胁( 1 0 h z 的动态情况下) 。d a v i s 等人3 则采用m i c h e l s o n 光纤干涉 绪论 仪配置，利用快速傅立叶变换来分析各传感元的光谱变化，得到的波长分辨率为 o 0 1 5 n m 。 ( 3 ) 在复用技术方面，分布式传感和传感器的复用是光纤传感器所独有的 技术，用波分复用、时分复用和空分复用及它们组合而成的复用技术，可以组成 多点阵列分布传感系统，实现多点、多参量信号检测、分离、识别和处理。光纤 光栅传感网络的主要结构形式是：波分复用( w d m ) 、时分复用( t d m ) 和空分复 用( s d m ) ，以及由这几种复用结合而成的复杂传感网络：t d m + s d m 、w d m + s d m 、 s d m + w d m 十t d m 等。 波分复用传感的实验装置较为简单，已有的各种光纤光栅传感解调制方案都 可以实现波分复用传感汹”1 。对于时分传感复用系统，利用反射光脉冲在时域 上的分布分辨传感器的位置”“1 。空分复用技术可以大大增加光纤光栅复用的数 目，可以与波分和时分复用技术相结合形成传感网络”。目前，基于光纤光栅 的复用技术的研究仍然是光纤光栅传感领域的一个研究热点。国内已经取得了一 定的进展，如黑龙江大学的余有龙教授。用非平衡m i c h e l s o n 干涉仪解调，4 根 光栅的时分复用系统分辨率达到6 n 6 。目前，在我们国内如上海紫杉公司已经应 用可调光纤f - p 滤波器的解调方法制成了实用化的光纤传感网络监测系统。国外 已经开展了广泛而深入的研究，取得了很多重要的研究成果。1 9 9 3 年a d k e r s e y 等人。”利用可调光纤f - p 滤波器检测的方法来实现光纤光栅波分复用传感，对四 个光栅构成的阵列用可调f - p 滤波器检测的应变分辨率可达+ - - 3 j 馏。1 9 9 6 年， y j r a o 等人。”将波分、时分和多路复用技术相结合，组成光纤光栅传感网络， 实现了对应力的分布式测量。 1 3 本课题的主要研究内容 1 3 1 光纤光栅理论和光纤光栅传感技术发展的研究 论述了光纤光栅的相关理论，主要内容包括：光纤光栅的耦合模理论；光波 在b r a g g 光纤光栅的传输特性；光纤b r a g g 光栅的物理特性和传感原理。并介绍 了光纤传感技术在国内外发展的状况及应用。 北京工业大学理学硕士学位论文 1 3 2 光纤光栅传感信号解调制技术的研究 对目前国内外已经研究过的滤波解调制方法进行了简单的归纳和分析，并对 匹配光栅滤波解调制技术进行了系统的理论分析和实验研究，实验获得的此滤波 解调制技术的波长分辨率为2 3 3 p m 。 1 3 3 基于可调谐激光器的复用传感系统的研究 设计并实现了一种基于可调谐光纤激光器的波分和时分复用传感系统。在 已报道的光纤光栅复用传感系统文献 2 1 2 4 ，3 0 3 9 ，4 2 ，4 4 中首次采用 可调谐光纤激光器对有四个光栅组成的两个光栅串成功地进行了波分和时分 复用传感研究。 1 4 本课题来源 本文受北京市教委资助项目( o o k g 0 4 0 ) ，教育部博士点基金( 2 0 0 2 0 0 5 5 0 3 6 ) ， 天津市自然科学基金重点资助项目( 0 1 3 8 0 0 5 1 1 ) 资助。 第2 章光纤光栅传感理论 第2 章光纤光栅传感理论 耦合模理论是分析光纤光栅的最基本的方法，就目前公认的理论而言，它能 够比较全丽、细致地描述光波耦合行为过程。基于耦合模理论，本章对光纤光栅 理论进行了系统的论述，并分析了光波在b r a g g 光纤光栅的传输特性。最后分析 了b r a g g 光纤光栅的物理特性和光纤光栅传感的基本原理。 2 1 光纤光栅理论 2 1 1 光纤光栅耦合模理论 波导相当于一个调制光场，可对进入该波- 9 区域的光波产生扰动，使之产生 耦合效应而转变为另一种形式的光波，而光纤光栅是一种折射率周期或非周期变 化的光波导。耦合模理论可以精确分析光波- g e p 传播模式之f 、日j 的耦合现象。对于 均匀周期的布拉格光栅，可p _ i 通过耦合模理论得到解析表达式和精确的结果。下 面从麦克斯韦方程出发，推倒光纤光栅的耦合模理论。 光波也是电磁波，因光波导中不存在自由电荷，故j = 0 ，由麦克斯韦方程 和物质方程可得： v m 叫等( 2 - 1 ) v 耻e d 研( 2 - 2 ) 石= 岛秀+ 芦= ( f + f ) 否= g 一e ( 2 3 ) 式中：是光在不规则波导中的介质极化矢量，占君是理想波导对电位移矢量西的 贡献，4 s 云是波导的不规则部分对五的贡献，占是不规则波- 9 的介电常数。把 ( 2 - 3 ) 式代入( 2 - 2 ) 式，得： v 屉岛等+ 箸 a ) 对( 2 一1 ) 式两边求旋度，即可得到： v ( v 蔷) 卅盈= 一丢( v 耳) ( 2 - 5 ) 北京t 业大学理学硕士学位论且： 在无源情况f ，有： v 豇0( 2 - 6 ) 根据( 2 - 3 ) 式，p , p 有： v ( 占7 z ) = s ( v 营) + 西- ( v s ) = 0 ( 2 - 7 ) 式中：西( v 一) 表示波导的不规则性对波传播的影响。如果可把波导的不规则性 看作理想波导的微扰，则有： i v 7 | 占7 ( 2 8 ) 于是由( 2 7 ) 式可知v - 舌= 一吉 霹( v s ) * o 则方程( 2 - 5 ) 可写成如下形式： v 2 即m 。掣+ 掣 。， 总介质极化矢量可写为两项之和： ( _ r ) = 巧( ，r ) + 耳( ，t ) ( 2 一l0 ) 式中： 巧( 圳) = p ( ，) 一岛 吾( ，i f ) ( 2 1 1 ) 它是在介电常数为s 0 的非微扰波导中由露( ，r ) 所感应的极化矢量，微扰极化量 巧( ，) 由( 2 1 0 ) 式所定义。把( 2 一l o ) 和( 2 1 1 ) 式代入方程( 2 9 ) ，可得： v 2 b 一胆争= 皤 咖) ， ( 2 _ 1 2 ) 在直角坐标系中，层和e 有类似的表达式。如果略去导模与辐射模之间的耦 合，则可用非微扰波导的本征模场( 导模) 表示微扰波导中的场。对t e 模柬说， 可写成： e ，( ，r ) = 丢一。g 域_ g k ( 儿 “) + c 矗( 2 - 1 3 ) 式中：研表示本征模的模序数，c c 代表复共轭，而本征模场应满足非微扰波导 的波动方程： 第2 章光纤光栅传感理论 f 鲁以2e y ( x ) + c o2 6 ( r ) e y g ) ：。 1 4 ) 式中：窖( r ) = ”2 ( r ) ，而n 是介质的折射率。把近似展开式( 2 一1 3 ) 代入方程 ( 2 1 2 ) ，得： e 1 “莓r 争f 一成2 b _ ，+ 筝+ 埘z 胪( ，慨t m ， 。帆： + 三( z 识- 峨g - + 挚p m c = 7 乩( z - 1 5 p p ( r , t ( z - 1 ) 2 p 否 耻 1 由( 2 1 4 ) 式可以看出，( 2 1 5 ) 式中左边第一个括号中的三项之和为零。另 外，假定彳，( z ) 是缓变函数，即微扰使电场振幅沿z 轴缓慢地变化，因而得到下 式： 倒“以引 i 出2l “j 出f ”7 越样就可以略去( 2 1 5 ) 式对a 。的二次导数项，从而得到方程： ；陋警彰也“胙训卜= 簧呲 r ) 】， ( 2 _ 忉 在( 2 1 7 ) 式的两边都乘以，“g ) ，并在全空间积分，可得如下方程： 垦掣。枷一一蔓掣。船圳一 = 五i 矿d2 限( ，) j ，易扛胁 ( 2 1 8 ) 式( 2 1 8 ) 中对用的求和包含两项，对应同一个m ，其中上标为( 一) 的项表示沿 一z 方向传播，而上标为( + ) 的一项表示沿+ z 方向传播。 对于周期性皱纹波导，其介电常数的变化可以表示为8 p ) = 岛一2 ( ，) ，因 此微扰极化强度矢量可以表示为： 搬抗( ，) = 血2 ( ，) 岛承r ) ( 2 1 9 ) 因加2 ( ，) 是标量，可知该周期性结构仅能使t e 模向t e 模耦合或使t m 模向 北京工业大学理学硕士学位论义 d 1 4 ie i ( “啡) 一堡笠e ，( 州，) - - c , c ：d z j ：；鲁善 4 d z 。! 。z g ，。) e ，c m ，( 。域。，【。) 函。r “w n ：，+ 。 2 2 。) 上式的右边可以看作是引起前向波与后向波a i 的波源a 只有满足频率匹 配条件和相位匹配条件时才能保证光波的f 常传播。为了将第m 个模耦合到第5 个模中，必须使上式中的乘积a n 2 ( x ，z ) e x p ( - + i f l z ) 包含有正比于e x p ( _ 识z ) 或 e x p “t 反z ) 的项。对于第一种情况，受微扰而同步驱动的是前向模，而第二种情 况，被驱动的是后向模因此，模式耦合的选择是由a n 2 x ，z 1 与z 的关系决定的。 设微扰”2 ( x ，z ) 的周期为人，且使研，az 晟，其中? 是楚数。于是a n 2x ，z ) 可以 础力耐b ，差叩x 降 刁( 2 - 2 1 )；ol j 现在( 2 2 0 ) 式的右边含有正比于e x p i ( 2 l n a 一鼠z ) 】的一项( = - ，册 = s ) ，而马三一p ，* 卢；，因此该项能够同步驱动( 2 2 0 ) 式左边的振幅 4e x p ，z ) ，将( 2 2 1 ) 式代入( 2 2 0 ) 式可得： 警= 竽蛳x p i ( 2 1 x a - 屈z 巾2 ( x 炒泔出( 2 - 2 2 ) 类似的，可以得到对应另一方程，于是由a n 2 g ，z ) 的第个谐波引起的后向 波巧和前向波钟2 f 日q 耦合关系为： | 警：k 群p 2 i 啦 j 出 5 1 肇叫巧严 屯3 方程组( 2 - 2 3 ) 即为周期性波导中传播的前向模和后向模的耦合模方程。其 中卢满足卢= ，一成= ，一f 州人，r ，称为耦合系数，并有： 第2 章光纤光栅抟感理论 k = 三z 坩。口，幽2 g 牡，g 圩出 c z 捌) 2 1 2 光纤布拉格光栅传输特性“ 对于布拉格光纤光栅，我们可以由耦合模理论求出具体结果。 卜 占( o ) - - 0 图2 - 1 布拉格光纤光栅示意图 f i g u r e2 - is c h e m a t i co ff i b e r b r a g gg r a t i n g 图2 - 1 是一个简单的光纤光栅示意图，其周期为a 。对光栅其折射率调制 可表示为： 州= 瓦e 警州砷l 协：， = 瓦 1 + v 孵州 ) 其中的五五为平均折射率变化，又称为折射率调制深度，通常为1 0 一- 1 0 ，v 定义为折射率调制清晰度，其中的( z ) 表示引入的任意空间相位。a 为栅格间距。 对均匀周期的布拉格光栅，( z ) 可以取为0 。 以( = ) = 疗+ h ( ：) ( 2 - 2 6 ) 其耦合模方程为： 在耦合模公式中b + 和a + 分别代表前向波和后向波，可以表示成为 a + ( z ) 2 a ( z ) e x p ( 万d 2 一矿( 2 ) 1 2 ) ( 2 2 8 ) l b + ( z ) = b ( z ) e x p ( - i 以：+ e ( z ) 2 ) 屯 佗 协 沁 砌 矿 r r 叫 甜一出一出 北京工业大学理学硕士学位论文 弘f 一三警 ( 2 _ 2 9 ) 驴一吴= z 嘞 去一寺 。， 其中的九= 2 n a 我们定义为布拉格波长( 该波长的确定是在相位匹配时即 以= o 时的波长) 。复耦合系数f 代表光栅的吸收损耗，已是光栅失谐度表示的 能量交换速率。而p 表示一个光栅的啁啾特性，它与光纤失谐有同样的效应，对 均匀周期布拉格光栅有咖d z = 0 。对一个单模的布拉格光栅有如下关系： f ：冬瓦 ( 2 _ 3 1 ) 茁= r + = 要j 瓦 ( 2 3 2 ) 这样，上面的耦合模传输方程，就可化为常系数的微分方程，利用边界条件 求解后。我们可以得出反射比p 和反射率只，为： d ：尘熊一 二竺! 坐! 丝兰箜垡 ( 2 3 3 ) b + ( o f + s i n h i 五了r 二丽+ f r2 一f ”c o s h 石五而+ 上) 2 月：p z ：磐鲨型二堕：垡一 ( 2 _ 3 4 ) 一 + 。0 s h 2 ( 碰) 2 一+ 三) 2 由反射率公式可以看出，峰值反射率发生在当f + = 0 时，又因却d z = 0 ， 由公式( 2 2 9 ) 可得以+ f = 0 ，再根据公式( 2 3 0 ) 和公式( 2 3 1 ) ，可求出最 r 一= t a n h 2 ( 碰) ( 2 - 3 5 ) 一；( 1 + a n g e r ) 2 d ( 3 6 2 - 3 6 ) 一= ( 1 + d () 注意到中心波长五。与乃并不相等。而是受调制深度血珂影响有一个偏差。 第2 章光纤光栅传感理论 ( 2 3 4 ) ，令i i 了二丽= i z ，再联立公式( 2 3 1 ) 、( 2 3 2 ) 和( 2 3 3 ) 可求得带宽表达式： a a o ：s a n e r 1 + f 一丝一1 2 ( 2 3 7 ) 丑 门础v、s 胛斫。 光栅反射率较弱时，既s 勘口 ”，带宽近似为： 5 _ x o ：s a n e y 疗玎 2 2 光纤光栅传感基本原理 2 2 1 b r a g g 光纤光栅特性 ( 2 - 3 9 ) b r a g g 光纤光栅是指单模掺锗光纤经紫外光照射成栅技术形成的全新光纤型 b r a g g 光栅，其结构如图2 2 所示。成栅后的光纤纤蕊折射率呈现周期性分布条 纹并产生b r a g g 光栅效应。其栅格周期与折射率调制深度均为常数，光栅波矢 图2 - 2b r a g g 光纤光栅的折射率分布及光谱特性 f i g u r e2 - 2r e f r a c t i v ei n d e xd i s t r i b u t i o na n ds p e c t r a lc h a r a c t e ro f f b g 方向与光纤轴线方向一致。其栅格周期一般为1 0 2 n m 量级，折射率调制深度一般 为l o 、1 1 0 一，它具有较窄的反射带宽1 0 1 r i m 和较高的反射率1 0 0 。这种光 北京工业大学理学硕士学位论文 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，像镜子一样工作， 它只反射b r a g g 中心波长的光，而对所有其它的波长进行传输。它满足如下 光学方程： 2 日= 2 n 够a ( 2 - 4 0 ) 式中九为b r a g g 中心波长，即后向反射波长；a 为光栅栅距或光栅周期( 也 就是周期折射率的两个相邻最大点间的距离) ；n 。，为光纤模式的有效折射率。其 反射谱主要由b r a g g 光栅的带宽和峰值反射率决定。而这些参数又是光栅长度、 折射率调制系数和b r a g g 波长的函数。 光纤光栅是一种波长选择反射器，它的反射信号的波长，即布拉格波长会受 施于其上的温度和应变的影晌而发生变化，这种反射波长的变化称之为波长位 移。采用光纤光栅的温度和应变两种效应，即光纤光栅作敏感元件，可以传感其 他许多物理量。光纤光栅传感器的传感原理如图2 3 所示。光纤光栅的中心波长 互 i 囤一匝囹 图2 - 3 光纤光栅传感器结构圈 f i g u r e2 - 3s t r u c t u r eo ff i b e rg r a t i n gs e n s o r 会随温度和应变而变化，当光纤光栅受到外部物理场的作用时，如果外部场使得 a 或者n 发生变化，就导致了布拉格波长发生了偏移。利用检测技术将波长的偏 移量测出来，就能根据偏移量推得外部场( 如应力、应变、温度、位移、电流、 电压、振动强度、加速度、流量等) 的有关性质，从而实现了光纤光栅传感。 第2 章光纤光栅传感理论 大量实验和理论分析表明，外界参量( 如温度、应变等) 的改变会对光纤光 栅的有效折射率n 。和栅格周期人产生影响a 光纤光栅的中心波长随温度及应变的变化而变化，在光通信领域中，这成为 光纤光栅应用的难题之一，而在传感领域，它又成为必要的技术基础。 2 2 2 应力对布拉格波长的影晌 应力引起布拉格波长的改