（电路与系统专业论文）基于MZ干涉仪的光纤光栅温度传感解调系统的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 随着光纤光栅制造技术的不断完善和应用成果的不断出现，光纤光栅 已成为目前最具有挑战性和最有发展前途的光纤无源器件之一。开发出高 精度、低成本的f b g 解调器将是f b g 传感器产业化的关键。本文主要研 究基于m z 干涉仪的光纤光栅线性解调技术。 首先，论文系统地介绍了b r a g g 光栅及其传感原理，讲述了光纤光栅 传感器特点及其应用。其次，文中对比分析了多种典型的传感解调技术， 并在传统的线性解调法基础上提出了一种基于m z 干涉仪的线性鳃调法。 该方法主要是基于m z 干涉仪的梳状滤波特性，即在输出光谱的上升或下 降沿两输出臂的功率比值随波长变化很快，通过调整干涉仪臂长差，得到 具有陡峭边沿的滤波器。系统的输出采用一种归一化处理来消除光源波动 的影响。这种方案适用于分布式静态测量，并且易实现全光纤网络的相关 检测。此方法有利于研究具有操作简单、成本低和适用于工程应用的波长 位移检测技术。最后，文中对基于m z 干涉仪的光纤光栅传感解调系统的 光路、光电转换电路、i v 转换电路、运算处理电路、滤波电路以及a d 转换电路进行了设计与参数选择，然后将该传感解调方案应用在温度传感 解调实验上，并给出了温度传感系统的测量灵敏度，证实了本研究方案的 正确性，文章的最后部分对本方案提出了改进措施，此实验表明本方案有 望在工程实际中得到应用。 关键词光纤光栅；传感解调；线性滤波；m z 干涉仪；温度 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e i m p r o v i n gt e c h n i q u e a n dt h e e m e r g e n c eo fm o r ea n dm o r e a d v a n c er e s e a r c hp r o d u c t i o n ，f i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) h a db e c o m eo n eo ft h e m o s ts u c c e s s f u l o p t i cp a s s i v e d e v i c e s o d e v e l o p i n gh i g h - r e s o l u t i o n a n d l o w c o s tf b gd e m o d u l a t o ri st h ek e yi s s u eo ff b gs e n s o r si n d u s t r i m i z a t i o n s t h em a i nr e s e a r c ho ft h ep a p e ri st h el i n e a rd e m o d u l a t e dt e c h n i q u eb a s e do n m zi n t e r f e r o m e t e r a tf i r s t ，f b ga n dt h e t h e o r y o f s e n s i n g w i t hf b ga r ei n t r o d u c e d s y s t e m a t i c a l l yw i t ht h e c h a r a c t e r i s t i c sa n d a p p l i c a t i o n so f f b gs e n s o r s e c o n d l y , c o n t r a s ts t u d yo fs o m et y p i c a ld e m o d u l a t i o nm e t h o d si sm a d e an o v e lf b g l i n e a rd e m o d u l a t i o nm e t h o db a s e do nm a c hz e t m d e ri n t e r f e r o m e t e ro nt h eb a s i s o ft r a d i t i o n a ll i n e a rd e m o d u l a t e dt e c h n i q u ei sp r o p o s e d n es u p e r i o r i t yo ft h e m e t h o di st h ep e c t i n a t ef i l t e rc h a r a c t e r i s t i c ，t h a ti s ，t h ep o w e rr a t i oo ft h et w o o u t p u ta r i l l sc h a n g e sf a s t w i t ht h eb m g gw a v e l e n g t hw h i l ei nt h e r i s i n g o r f a l l i n ge d g eo f t h eo u t p u ts p e c t r u m d i f f e r e n ts t e e pe d g ef i l t e r sc a l lb eg o r e n b y a d j u s t i n go p t i c a lp a t hd i f f e r e n c e ( o p d ) o f m z i n t e r f e r o m e t e r , a n dt h eo u t p u to f t h e s y s t e ma d o p t sak i n do fn o r m a l i z e dr a t i o t oe l i m i n a t ei n f l u e n c eo fl i g h t s o u r c ed i t h e r i n g i ti sa d v a n t a g e o u st og e taw a v e l e n g t hd i s p l a c e m e n td e t e c t i o n m e t h o dw i t ht h ef e a t u r e sa s e a s y t ob e o p e r a t e d ，l o w c o s t ，a p p l i c a b l e f o r d i s t r i b u t e ds t a t i cm e a s u r e m e n t ，l i a b l et oa c t u a l i z er e l a t i v ed e t e c t i o no f a l l o p t i c a l n e t w o r k ，a n ds u i t a b l ef o re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n f i n a l l y , t h eo p t i c a lu n i ta n d e l e c t r i c c i r c u i t ss u c ha s p h o t o d e t e c t o r , i - vc i r c u i t ，p r o c e s s i n g c i r c u i ta n d l o w p a s sf i l t e rc i r c u i to f t h es y s t e ma r ed e s i g n e da n ds e l e c t e di nt h i sp a p e r , a n d t h e nt h em e t h o di s a p p l i e d t o t e m p e r a t u r es e n s i n gd e m o d u l a t e de x p e r i m e n t f u r t h e r m o r e ，t h er e s o l u t i o no f t h ee x p e r i m e n ts y s t e m a r eg i v e n ，a n dt e m p e r a t u r e d e m o d u l a t i o ne x p e r i m e n ti sd o n et ov a l i d a t et h i ss o l u t i o n i na d d i t i o n ，a p p r o a c h t oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mi sp u tf o r w a r d t l l i st e s t si n d i c a t et h a t t h em e t h o di sa b o u tt ob er e a d yf o re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s i t 摘要 k e y w o r d sf b g ；s e n s i n gd e m o d u l a t i o n ；l i n e a rf i l t e r ；m zi n t e r f e r o m e t e r ； t e m p e r a t u r e i i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的提出与意义 本课题为自选题目。其目的是设计开发一种光纤光栅解调系统。自从 1 9 7 8 年k ，o h i l l 首先发现在掺锗光纤中的光致光栅现象并制造出世界上 第一只光纤光栅以来，世界各地的许多研究机构对光纤光栅产生了极大的 兴趣。光纤光栅传感器具有其它许多传感器无法比拟的优点川，例如，抗电 磁干扰、尺寸小( 标准裸光纤为1 2 5l a m ) 、重量轻、耐温性好( 工作温度上限 可达4 0 0o c 6 0 0o c ) 、复用能力好、传输距离远( 传感器到解调器可达几公 里1 、耐腐蚀、高灵敏度、被动器件、易形变等等，因此在光纤通讯和光纤 传感等领域具有广阔的应用前景。随着光纤光栅制造技术的不断完善，应 用成果的不断出现，使光纤光栅成为目前最具有挑战性和最有发展前途的 光纤无源器件之一，它的出现极大地促进了全光纤通讯和光纤传感技术的 发展。 国内对布拉格光栅的研究目前还限于高校或科研院所，基本上处于理 论及实验室研究阶段，现已开始转入实际的应用研究之中，而应用f f p ( f i b e r f a b r yp e r o t ) 进行传感解调的研究更是如此。而且，实验的重点也在于布拉 格光栅的物理特性等方面，少有应用性的研究成果。国内已有一定数量的 论文，对布拉格光栅进行了较为细致的论述。对布拉格波长的测量也进行 了一定深度的研究；实验室内实现了部分测试工作。但总的来说，对布拉 格光栅传感器的研究我国还落后于欧美国家【2 j 。 从国内外在布拉格光栅的研究和应用来看，对布拉格光栅传感器信息 的采集和处理主要还是借助于光谱仪等光学分析仪，并没有针对布拉格光 栅传感器的分析仪器。 设计开发- - 0 e 高精度分布式光纤多f b g ( f i b e rb r a g gg r a t i n g ) 光栅传感 器波长解调系统，使其直接获得标志传感量的信号与数据，进而对其他机 电系统等进行控制，实现光纤光栅传感器的广泛应用，成为当前迫切需要。 综上所述，无论是从科研开发角度，还是从市场分析角度来看，布拉 燕山大学工学硕士学位论文 格波长解调器的研制有着重大意义和远大前景。 1 2 光纤光栅传感器的特点 基于光纤光栅传感器是光纤光栅做敏感元件的功能型光纤传感器，光 纤光栅传感器除了具有普通光纤传感器的许多优点外，还具有以下优点： ( 1 ) 测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等 因素的影响； ( 2 ) 避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固有参考点的需 要； ( 3 ) 能方便地使用波分复用技术在一根光纤中串接多个布拉格光栅进行 分布式测量。另外，光纤光栅很容易埋入材料中对其内部的应变和温度进 行高分辨率和大范围地测量，光纤光栅传感器被认为是实现“光纤灵巧结 构”的理想器件。 基于上述原因，光纤光栅传感器已成为当前光纤传感器的研究热点。 随着光纤光栅制造技术的进步和性能的改善以及应用开发研究成果的不断 涌现，光纤光栅传感器在传感器领域中处于越来越重要的地位。 1 3 光纤光栅传感器国内外研究现状 1 3 1民用结构中的应用 民用工程中的结构检测是光纤光栅传感器应用最活跃的领域。基础结 构的状态、力学参数的测量对于桥梁、大坝、隧道、高层建筑和运动场馆 的维护是至关重要的，通过测量建筑物的分布应变，可以预知局部载荷的 状态。光纤光栅传感器既可以贴在现存结构的表面，也可以在浇筑时埋入 结构中对结构进行实时测量，监视结构缺陷的形成和生长。另外，多个光 纤光栅传感器可以串接成一个网络对结构进彳亍分布式检测，传感信号可以 传输很长距离送到中心监控室进行遥测。因此在民用工程中，光纤光栅传 感器成为结构检测的最重要手段。例如，1 9 9 9 年，美国新墨西哥l a s c r u c e s 1 0 号洲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。 2 第1 章绪论 1 3 2 航空航天业中的应用 航空航天业是一个使用传感器密集的地方，一架飞行器为了监测压力、 温度、振动、燃料液位、起落架状态、机翼和方向舵的位置等，所需要使 用的传感器超过1 0 0 个，因此传感器的尺寸和重量变得非常重要。光纤光 栅传感器只有1 根光纤，敏感元件( 光栅) 制作在纤芯中，从尺寸小和重量轻 的优点来讲，几乎没有其他传感器可以与之相比。因此航空航天业对光纤 光栅传感技术非常重视，仅波音公司就注册了近十个光纤光栅传感器的技 术专利【4 。使用先进的复合材料来制造航空航天结构( 如机翼部件) 是一个必 然的趋势。与金属材料相比，先进的复合材料更能抗疲劳、重量更轻、强 度一重量比更好、能够制作复杂的形状、而且抗腐蚀，尤其是很容易在复合 材料结构的制造过程中埋入光纤光栅传感器，实现飞行器运行过程中机载 传感系统的实时健康和性能啦视，这可以减少飞行器重量、缩短检查时间、 降低维护成本，从而改善其性能。美国国家航空和宇宙航行局对光纤光栅 传感器的应用非常重视，他们在航天飞机x 3 3 上安装了测量应变和温度的 光纤光栅传感器网络【。 1 3 3 船舶航运业中的应用 先进的复合材料越来越多的被引入到船舶的设计和制造中来，它可以 极大的减轻船舶的重量，另外复合材料具有可抗疲劳、抗腐蚀、容易成型 等优点。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。为了获得复合材料结构的强度和成本的优化，必须 了解这种结构的完整性和行为特性，常用的方法是使用模型测量，然后将 测量结果按比例推算到实际船舶。例如：h j e l m e 等人用光纤光栅传感器系 统对一个按比例缩小的双体船模型进行了测量，记录了湿甲板和海浪之间 的冲击力、结构的动态载荷及弯曲力矩。一种干涉探测的1 6 通道波分复用 光纤光栅传感器系统被用来进行复合材料面板的冲击测试【”。这种复合材料 面板将用于设计制造气垫双体船。美国海军研究实验室已经开发了用于各 种结构中多点应力测量光纤光栅传感技术，这些结构包括桥梁、大坝、船 体甲板、太空船和飞机。 燕山大学工学硕士学位论文 1 3 4 石油化工业中的应用 石油化工业属于易燃易爆的领域，电类传感器用于诸如油气罐、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本质安 全性非常适合在石油化工领域里应用。例如：“边钻边测”系统对钻井作业 非常有利，w i s 等人1 6 用光纤光栅制作了一个井下光纤光栅调制器，用于 跟踪钻井过程中绞盘头的幅度变化。美国马里兰州大学工程学院灵巧材料 和结构研究中心用光纤光栅开发了一个分布式氢气泄漏传感系统，系统中 有4 0 个光纤光栅氢气传感器。 1 3 5 医学应用 目前广泛用于医学的绝大多数传感器都是电气有源传感器，因此不适 合大量的医学领域，尤其在高频微波领域，即超声波及与高温手术有关的 激光辐射环境。由于传感头的局部发热和存在着金属导体以及导体中电流 与电压的电磁干扰，导致错误的读数。而光纤传感器是介电体，故它可以 克服这些问题。利用f b g 传感器独有的复用性质，用一根光纤就能实现准 分布传感。新加坡总医院将南洋理工大学生物医学工程研究中心研制成的 一种光纤光栅压力传感器用于外科校正，以便帮助医生监视患者的健康。 埋有光纤光栅阵列的脚压传感垫配以绘图设备可以绘出外科校正压力的空 间图形，能用于监视患者站立时的脚底压力分布。 1 3 6 核工业中的应用 核工业是个高辐射的地方，核泄漏对人类是一个极大的威胁，贝尔格 利核电站泄漏的影响至今还没有消除，因此对于核电站的安全检测是非常 重要的。由于核装置的老化，需要更多的维护和修理，最终必须被拆除， 所有这些都不能在设计时预见。因此需要更多的传感器以便遥控设备，处 理不确定情况。同时核废料的管理也变得越来越重要，需要有监测网络来 监视核废料站的状况，对监视网络长期稳定的要求也是前所未有的。日本 核能研究院1 9 9 9 年4 月至2 0 0 0 年3 月的年度报告中提到，他们正在日本 测试反应堆，通过辐射环境测试确保光纤光栅用于核电厂设备和管道的传 4 第1 苹绪论 感，并能在几乎整个反应堆寿命期间忍耐核辐射。 1 3 7 其它方面的应用 如同其它光纤传感器一样，f b g 由于其抗电磁干扰能力，用于电力工 业也是十分理想的。由于f b g 可刻写在标准的1 5 5p m 波长的通信光纤上， 且光传输损耗低，因此可进行远距离遥测。有人己经开始研究用f b g 传感 器来测量高压线负荷、变压器线圈温度以及大电流等。f b g 传感器也可用 于化学传感，基本原理是通过f b g 与周围化学物质之间的损耗场相互作用， f b g 的中心波长随折射率( 即化学浓度) 变化而变化。在其它领域，光纤光栅 传感器还可在气体管道、自来水管道及地质勘测中发挥重要作用。随着应 用的增加，制作成本也将迅速下降，将使光纤光栅传感器应用于更多的新 领域。 国内在光纤光栅传感器方面的研究主要集中在理论分析和误差计算方 面，也有少量关于系统和技术研究方面的报道，如南开大学董孝义教授2 0 0 2 年博士生的课题就是研究了光纤光栅的调谐技术及应用【_ 1 ；重庆大学光电仪 器系提出了“一种基于成像光谱技术的w d m ( w a v e l e n g t hd i “s i o n m u l t i p l e x i n g ) 解调方案”，该方案是将来自反射光栅的光摄入工业摄像机的 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 面阵上，经图像卡数字化处理后，可得光纤光 栅成像位置和光纤应变的关系 引。近两年来，光纤光栅传感器在学术和基础 研究方面已有了很大进展，但与先进国家相比还有相当的距离，而光纤光 栅分布式传感技术的研究还处于起步阶段。 1 4 论文的主要内容及结构安排 本课题为自选课题，论文的研究内容为设计了一套基于非平衡 m z ( m a z h z e l l l l d e r ) 干涉仪的光纤光栅线性解调装置。论文中提出了此方案 的工作原理，然后对此原理进行了分析和验证。为此，本论文的工作为： f 1 1 对光纤光栅的传感理论进行分析； 但) 在分析的基础上提出基于m z 干涉仪的光纤光栅的线性解调方法； ( 3 ) 对本解调系统的组成进行设计； ( 4 ) 应用本解调方案进行光纤光栅温度传感实验，并对结果作了分析。 燕山大学工学硕士学位论文 第2 章光纤光栅及光纤光栅传感理论 2 1 光纤光栅的制作与应用 2 1 1 光纤光栅的制作方法 1 9 7 8 年，加拿大的k o h i l l 及其同事在实验中观察到氖离子激光在光 纤中相向传输并形成驻波，形成折射率周期分布的光栅f 9 ，称之为“h i l l 光 栅”。这种光栅在光纤中起到布拉格反射器的作用，它可将满足布拉格条件 的前向传输光变作反向传输光，其反射率在长时间光照达到饱和时可达到 1 0 0 f l o l ，带宽却很窄。反射波长与光栅栅格常数和折射率有关。光照除去 后，光栅还存在。1 9 8 9 年，美国的m e l t z 等人发明了紫外侧写入技术，他 们利用两束干涉的紫外光从光纤的侧面写入了光栅 1 h 。这项技术不仅大大 提高了光栅的写入效率，而且可以通过改变两束相干光的夹角从而达到控 制布拉格波长的目的。紫外侧写入技术问世后世界各国对光纤光栅及其应 用研究迅速开展起来，光纤光栅的制作及光纤光敏化技术不断发展。 1 9 9 3 年，k o h i l l 等人提出了位相掩模写入技术，利用紫外激光经过 位相掩模衍射后的1 级衍射光形成的干涉条纹对光纤曝光写入光纤光栅 口 1 2 1 。此技术的提出极大地放宽了对写入光源相干性的要求，使得光纤光 栅的制作更加容易，并使得光纤光栅的批量生产成为可能。该方法不足之 处是必须严格控制相位掩模光栅的刻蚀深度和占空比。同年，p j ，l e m a i r e 等人提出了一种提高光纤敏感性的简单有效方法一低温高压载氢技术。 他们将光纤浸入2 0 7 5 0 个大气压、2 0 - 7 5o c 的氢气中使得氢分子充分扩散 进入光纤纤芯内部。然后再用紫外光写入光纤光栅，这样可以使光纤敏感 性提高近两个数量级。载氢技术极大地降低了光纤光栅的制作成本，人们 可以不必使用价格昂贵的高浓度掺锗光纤，在普通通信光纤上就可以很容 易地写制出高反射率的光纤布拉格光栅【l 引。 随着光纤光栅写入技术的逐渐完善，世界各国掀起了光纤光栅技术研 究的热潮，各种基于光纤光栅的有源和无源器件也不断涌现，光纤光栅被 广泛应用于光纤通信、光纤传感和光信息处理等各个领域口4 】。 6 第2 章光纤光栅及光纤光栅传感理论 2 1 2 光纤光栅的种类 f b g 是- 4 十沿光纤长度方向折射率的周期扰动形成的元件。由于光纤 光栅的形成基于光纤光栅的光敏性。不同的曝光条件、不同类型的光纤可 产生多种不同折射率分布的光纤光栅”】。下面对几种典型的折射率调制光 纤光栅及其光谱特性和应用进行分析和比较。 2 1 2 1 均匀b r a g g 光栅均匀b r a g g 光栅( 短周期光纤光栅) 的折射率分布 ( 如图2 - 1 所示) 可以表示为式( 2 1 ) ，它的反射光谱如图2 - 2 所示。 丌 r t ( 2 ) = ，? o + a n 1 + v c o s ( 等- ：) ( 2 - 1 ) 图2 - 1 折射率分布图 f i g 2 - 1d i s t r i b u t i o no f r e f l e c t i v i t y 图2 - 2f b g 反射谱 f i g 2 - 2r e f l e c t i n gs p e c t r u mo f f b g 式( 2 1 ) 中，为紫外曝光前的有效折射率；a n 为在整个光栅周期内折射率 变化的平均值；v 为折射率调制系数；a 为光纤光栅折射率的调制周期；z 为光纤光栅轴向方向的位置坐标。从图2 - 2 可以看出，一定带宽九的谐振 峰两边有一些旁瓣，这是由光纤光栅两端折射率突变引起的f a b r yp e r o t 效 应所致。这些旁瓣分散了光能量，不利于光纤光栅的应用。本实验中选用 燕山大学工学硕士学位论文 的布拉格光栅边摸抑制效果较好。 由于均匀b r a g g 光纤光栅在其b r a g g 波长处有一带宽很窄的反射峰， 故可作为滤波器，用于多波长网络系统中的滤波以及放大系统中自发辐射 源a s e ( a m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o n ) 的噪声抑制和光子控制等；可以作 为光纤激光器的端面反射镜，制成各类光纤激光器 可以用作密集波分复 用系统d w d m ( d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 中的复用解复用 器、波长转换器以及光栅路由器等；利用光纤光栅的温度、应力特性还可 以制成不同的光纤传感器。另外，它在非线性光纤光学领域、光纤光学开 关等方面也有较好的应用前景。 2 1 2 - 2 长周期光纤光栅l p g ( l o n g p e r i o dg r a t i n g ) 顾名思义，长周期光 纤光栅的周期可达到几百微米远远大于一般光纤光栅的周期。对于均匀折 射率调制的长周期光纤光栅来说，其纤芯折射率分布与短周期的一样，但 是由于其周期a 较大，此时发生的耦合是纤芯基模与同向传输的包层模之 间的耦合。长周期光纤光栅的相位匹配条件可表示 卢。一卢d ”= 2 7 r a( 2 - 2 ) 式中，p 。为前向传输纤芯基模传播常数；尚“为各阶包层模式传播常数。 只有满足相位匹配条件的特定波长才能由纤芯耦合进包层，然后被很快衰 减掉，如图2 3 所示。 波长n m 图2 - 3l p g 的透射谱 f i g 2 - 3t r a n s m i t t i n gs p e c t r u m o f l p g 由上述分析可知，长周期光纤光栅是一种性能优异的波长选择性损耗 元件，可以通过选择适当的光栅周期，使得光栅将一定波长的光耦合迸包 层而迅速损耗掉，并且不存在反射。因此l p g 是光放大器增益平坦的理想 8 第2 章光纤光栅及光纤光栅传感理论 元件”“。另外，它也可以作为一种带阻滤波的传输型全光纤器件，可应用 到光分插复用器或光交叉互联单元等波长路由器件中。l p g 的另个重要 应用是作为应力或温度传感器 t 7 1 ，它比f b g 有高得多的温度和应力灵敏， 它的多个损耗峰不仅可以同时进行多轴应力及温度测量，而且也可以将级 联的l p g 作为传感器阵列进行多参数分布式测量。 2 1 2 3 啁瞅光栅c f g ( c h i r p e df i b e r g r a t i n g ) 1 9 7 5 年，h k o g e l i n k 第一 次提出【l8 j 啁啾和渐变的概念。光栅折射率调制深度不变，其周期沿光栅轴 向逐渐变化，即a ( z ) ，称为啁啾；而光栅波纹深度和光栅强度的逐渐变化 称为渐变。它们最后都反映到耦合系数_ ( = ) 函数上。啁瞅光栅折射率分布 为： ，开 n ( z ) = n o + 行酊 i + p c o s 专= z + 9 ( z ) j ( 2 3 ) 、0 式中，a 是光栅中点处周期。对线性啁啾光栅来说，其相位函数满足下式： p 7 2 妒( z ) = 二 ( 2 - 4 ) l 式中，为啁啾系数；为光栅长度。啁啾光栅的反射谱如图2 - 4 所示。 糌 接 堪 踱长v a n 图2 4 啁啾光栅反射谱 f i g 2 - 4r e f l e c t i n gs p e c t r u mo f c f g 由图2 2 和图2 - 4 可以看出，c f g 比f b g 反射带宽较宽，但存在较大 的波动。啁啾光栅最重要的应用是色散补偿，但由于其反射谱有较大的波 动，使色散特性非常不平坦，不适合实际应用，因此提出了用切趾函数进 行切趾处理，通过切趾处理，其反射谱波动性得到了明显地改善，但是在 反射谱变得平滑的同时其反射峰值和反射带宽都下降了。其原因是由于光 栅调制折射率变化量在沿光栅两端逐渐减少时导致了光栅平均耦合系数的 9 燕山火学工学硕士学位论文 减少，所以峰值反射率就降低。这就是所谓的变迹啁啾光栅。 2 1 2 4 相移光栅p s f g ( p h a s e d s h i f t e df i b e rg r a t i n g ) 相移光栅和多相移 光栅相当于在几段均匀b r a g g 光栅间引入单个或多个相移矩阵只。，它的 显著特点是折射率分布的不连续性，每个不连续点就是所谓的相移点。相 移矩阵【”j 可表示为： f s h m = e x p 半 o 0 e x p 婴 化一5 ) 式中，吼是相移角。如果只在光栅中心处有一个相移点并且取相移角为9 0 。 时，则其反射谱如图2 5 所示。 踱长n m 图2 - 5 相移光栅反射谱 f i g 2 - 5r e f l e c t i n gs p e c t r u mo f p s f g 由图2 - 5 可知，相移的存在导致反射谱阻带中出现了极窄的通透窗口。 若将相移角取不同的值，则会在反射谱阻带中的不同位置打开透射窗口， 使得阻带所对应的波长范围中的某一波长的光完全透过，而其它波长不能 透过。由于相移光栅具有可改变阻带中通透窗口的特性，所以在多通道光 波系统中，可被用来选择通道；它也被用于窄线宽单频光纤激光器中【2 叫， 由于它的通透带宽极窄，所以能很方便地联入环形光纤激光器的环路中， 在很大程度上减小了激光的输出带宽；由于相移光栅通透窗口的通透宽度 和通透率可人为设计，所以可望将相移光栅的反射谱加以调整，以实现掺 铒光纤增益曲线的平坦化。 2 1 2 5 超结构光栅s f b g ( s u p e r s t r u c t u r e f i b e rb r a g g g r a t i n g ) s f b g 也叫 取样光栅，是对均匀光栅按照一定的规律在空间上进行采样，其折射率分 布为： 第2 章光纤光栅及光纤光栅传感理论 n ( z ) = n o + a n c o s 2 ( 兰；) 【1 + c o s ( 皇z ) ( 2 ，6 ) an 式中，d 为取样周期。由于能用采样函数周期性地调制f b g ，所以s f b g 可将前向传输三r ，模耦合到一系列的后向传输三只，模，引入了一系列的窄 带反射峰，其反射谱如图2 - 6 所示。从f b g 的结构可知，s f b g 相当于周 期为d 的长周期光纤光栅。因此它可将前向传输模厶r 。耦合到包层模，产 生宽带透射谱。利用它的反射谱和透射谱特性，s f b g 不仅可用于光纤温度、 应力双参量的测量【2 1 , 2 2 】，而且还可用于光纤梳状滤波器、光纤激光器、波 分复用系统以及光信号处理等领域。 波长n m 图2 - 6 超结构光栅反射谱 f i g 2 - 6r e f l e c t i n gs p e c t r u m o f s f b g 光纤光栅的不同折射率分布和不同结构可实现各种反射、滤波、带通 和色散补偿功能，形成各种不同功能的光纤光栅器件。这些器件具有体积 小、损耗小、使用方便以及可集成化等优点，它们将在当前的高速宽带通 信、光纤传感以及未来的全光化系统中发挥重要作用。 2 1 - 3 光纤光栅的应用 光纤光栅制作简单、性能稳定可靠、体积小、易于集成，又因为它本 身就是一段光纤，所以易与其它光纤器件、系统连接，耦合损耗小。光纤 光栅在光纤激光器、光纤通信及光纤传感等高新技术领域中有广泛的应用。 光纤光栅的一个重要应用是使各种全光纤器件，如光纤激光器、光纤调制 器、光纤滤波器、光纤波分复用和解复用器、光纤光栅色散补偿器等的研 制成为可能，同时也可将各种全光纤器件集成在一根光纤里，形成诸多集 成型光纤通信系统。将来光通信系统中如果没有光纤光栅就如同电子回路 燕山大学工学硕士学位论文 中没有电子器件，传统光学系统中没有镜片一样难以令人置信。 2 1 3 1 光纤激光器光纤激光器有环型腔和线型腔两种结构，它们输出激 光的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 激光器具有较高的光功率输出，较低的相对强度噪声限i n ) ，极窄的线宽， 以及较宽的调谐范围。光纤激光器的输出功率可达2 0m w 以上，其r i n 为 发射噪声极限。光纤激光器的线宽可做到小于2 5k h z ，优于线宽1 0m i - i z 的分布反馈激光器。通过对光栅加纵向拉伸力、改变温度或改变泵浦激光 器的调制频率很容易对光纤光栅实现调谐，而且调谐范围可达5 0n m ，远大 于半导体激光器( 1 2r i m ) 。 除全光纤激光器外，若把光纤光栅作为半导体激光二极管l d ( l a s e r d i o d e ) 的外腔反射镜，就可以制出性能优异的d f b ( d i s t r i b u t e df e e d b a c k ) 光 纤光栅分布反馈式激光器。满足适当条件时可以进行激光锁模；若f b g 远 离l d ，则它提供非相干反馈，使得激光器工作在完全不同的模式，该技术 便被称为相干崩溃技术。 2 1 3 2 用于光纤通信主要有以下几个方面的应用： f 1 ) 波分复用解复用器光纤光栅的一个基本特性就是以共振波长为 中心的一个窄带光学滤波器，它具有很好的选频作用，所以它可以被用作 密集波分复用系统的解复用器。由于复用和解复用的固有对称性，也可以 使用这种器件作为波分复用器。 ( 2 ) 光纤放大器e d f a ( e r b i u r n d o p e df i b e ra m p l i f i e r ) 目前海底和陆上 长途光纤传输系统中正在普遍使用e d f a ，它既可以在输入端进行功率提 升，也可以作中继放大和前置放大。光纤光栅在e d f a 中的应用表现在稳 定频率、提高泵浦效率、平坦增益等方面。 ( 3 ) 光纤滤波器利用光纤布拉格光栅反射布拉格共振波长附近光的特 性，可以做成波长选择分布式反射镜或带阻滤光器。如果在一个2 2 光纤 耦合器输出侧的两根光纤上写入同样的布拉格光栅，则还可以构成带通滤 波器，利用这种原理也可以制成f p 标准具型带通滤光器。 ( 4 ) 色散补偿器众所周知，色散是限制超高速光通信容量的主要因素， 虽己有不少色散补偿的方法，但光纤啁啾光栅色散补偿器与它们相比，具 第2 章光纤光栅及光纤光栅传感理论 有全光纤型、损耗低、体积小、重量轻、成本低和灵活方便等优点。实验 表明，采用1 0c m 长的线性调制光纤啁啾光栅，对1 0g b i t s 的光信号传输 了4 0 0k m 的非色散移位光纤的色散进行了补偿。 ( 5 ) 超窄光脉冲产生光时分复用要求光源能够提供1 0g b i v s 以上、占 空比相当小的超窄光脉冲输出，利用调整线性调制光纤光栅的色散值对电 吸收调制器输出的光脉冲形状进行修正，可以产生脉宽为5 8p s 、占空比为 6 3 的1 0g h z 的光脉冲。 2 1 _ 3 3 用于光纤传感光纤光栅传感技术的发展和实用化受到通信领域 应用需求的推动，其应用前景将是十分广阔的。关于这方面的应用第一章 已经简单介绍了，这里就不再复述了。 2 2 光纤布拉格光栅 目前，均匀周期光纤布拉格光栅是光纤传感应用最多的光纤光栅，下 面对其基本光学性质进行具体分析。 光针币拉格光栅反射翠r 和透射翠， r _ r ：些塑! ! ：二盟： c o s h 2 ( kz _ 0 - 2 ) 一乏 r _ - r ：! 型型苎：二盟： 一。0 s h z ( 工k ：一i ：) + 乓 ( k 2 一d2 0 )( 2 - 7 ) ( k2 1 9 2 0 )( 2 - 8 ) = l 一代 【z y j 式中有关参数定义如下： 自耦合系数：毒；以+ 仃一i 1 宰，i 1 宰描述光栅的啁啾程度； za zza z 知缉沪卢一吴= z 吲妻一寺； 光栅峰值波长：a d = 2 n 酊a ； 燕山大学工学硕士学位论文 交叉耦合系数：k = 石y 锄盯旯。 若光栅沿轴向均匀，则咖d z = 0 ，k ，盯，盯2 中心波长a 一吲 k 。：( 1 + 堕) 如 ”e l f 反射带宽九 乐磊，2 ，渤够均为常数。 f 2 - 1 0 ) ( 2 1 1 ) 对于弱光栅，y 历够 扎l ，折射率变化很大，a z ow ! ；等。 7 咿 布拉格条件 a 口= 2 酊a ( 2 1 2 ) 2 3 光纤光栅传感理论 传感原理如图2 7 所示。如果用一宽光谱光源注入光纤，则满足布拉格 条件的反射光被反射而其余波长的光照常传输。图2 7 同时显示出该光栅的 传输谱与反射谱。当温度、应变等原因作用在光纤光栅上时，光纤光栅的 反射波长将发生相应的移动上，通过测量此波长的移动可以实现传感。 输jji!譬霞委囤二mm=m=ppum；西面霜+传输信号,ql-+ 墼鬯塑堑墼垦+ 传输信号 反射信号 + i o + ；旁芷喇 图2 7f b g 的传感原理 f i g 2 - 7p r i n c i p l eo f b r a g gg r a t i n g ss e n s o r 1 4 巫 a 一 = 0 无 第2 章光纤光栅及光纤光栅传感理论 2 3 1 光纤光栅的应变敏感特性 已有研究证明，温度产生的热效应和应变产生的力效应可认为是相互 独立的f 2 4 1 。假设光纤光栅仅受轴向应变作用，温度保持不变，则由式( 2 1 2 ) 可得轴向应变引起的光栅布拉格波长变化为 九日；= 2 a a n 口+ 2 ”a ( 2 - 13 ) 在具体讨论之前，有必要提出以下几点假设【2 5 】： ( 1 ) 光纤光栅作为传感元，其自身结构仅包括纤芯和包层两层，忽略所 有外包层的影响。这一假设是有意义的，首先从光纤光栅的制作工艺来说， 要进行紫外曝光必须去除光纤外包层以免除它对紫外光的吸收作用，所以 直接获得的光纤光栅本身就处于裸纤状态；其次，对裸纤结构的分析能更 直接的反映光纤本身的传感特性，而不至于被其它因素所干扰。 f 2 ) 由石英材料制成的光纤光栅在所研究的应力范围内为一理想弹性 体，遵循胡克定理，且内部不存在切应变。该假设与实际情况也非常接近， 只要不接近光纤本身的断裂极限，都可以认为该假设是成立的。 ( 3 ) 紫外光引起的光敏折射率变化在光纤横截面上均匀分布，且这种光 致折变不影响光纤本身各向同性的特性，也即光纤光栅区仍满足弹性常数 多重简并的特点。 f 4 ) 所有应力问题均为静应力，不考虑应力随时间的变化情况。 基于以上几点假设，可以建立均匀轴向应变作用下光纤光栅应变传感 模型。均匀轴向应变是指对光纤光栅只受到拉伸或压缩应变，则轴向应变 可表示为2 6 1 占：= 业三= a a ( 2 。1 4 ) 利用材料张量占。与应变系数s “的关系 2 7 1 b o = l s f = l 三，则得 a n 咿= 一岛以2 ( 2 1 5 ) 把式( 2 - 1 4 ) y r l l ( 2 - 1 5 ) 代入式( 2 1 3 ) 中，有 ”3， 旯口。= 2 a 一等= ) 】+ 2 ”盯a ： ( 2 - 1 6 ) 二 n e y 由材料的光弹性质有如下关系 燕山大学工学硕士学位论文 a b l a b 2 a b 3 a b 4 z l b 5 a b 6 ( 2 1 7 ) 式中，只。、只：、只。为光纤的光弹系数，且匕= ( 只，e ：) 2 。 由于切应变为零，即s 。= 岛= s 。= 0 ，则依据式( 2 - 1 7 ) ，应变张量矩阵s ， 可用轴向应变；表示为式( 2 1 8 ) 形式 ，= 1 - a * ：一肛：s ：0 0 o j 2( 2 1 8 ) 式中，“为纤芯材料的泊松比。最后得到轴向应变引起的b r a g g 波长的相 对变化为 a 加a b 。= ( 1 一只) s ：( 2 - 1 9 ) 式中，只为有效弹光系数，且 1 = 【置2 一p ( e - + 鼻z ) 】 ( 2 2 0 ) 上 对掺锗石英光纤，有b l = 0 1 2 1 、毋2 = o 2 7 0 、p = 0 1 7 、”。= 1 4 6 ， 由式( 2 2 0 ) 可得ezo 2 2 。则式( 2 1 9 ) 可写成 a 口。a 口。= 0 7 8 e ：( 2 - 2 1 ) 由式( 2 - 2 1 ) 可见，b r a g g 相对波长漂移的应交灵敏度系数为o 7 8 ，为常 数，所以恒温条件下b r a g g 波长漂移与轴向应变呈理想线性关系。光纤光 栅所允许的应变可达到1 ，即1 0 4 “s ，当超过5 时，光纤即发生断裂。 2 3 2 光纤光栅的温度敏感特性 前面已经提到过，光纤光栅的布拉格波长漂移不仅受应变的影响，也 受温度变化的影响。温度通过热光效应和热膨胀效应分别影响有效折射率 和光栅周期，进而使光栅中心波长产生漂移。为了能得到光纤光栅温度传 感更详细的数学模型，在此有必要对所研究的光纤光栅作以下假设 2 8 】： ( 1 ) 仅研究光纤自身各种热效应，忽略外包层以及被测物体由于热效应 而引发的其他物理过程。很显然，热效应与材料本身密切相关，不同的外 1 6 仉忪忪 o o o o o 气 o o o o o o o o o o 吃吃o 0 o 玮o o o 昂乇吃o o o 第2 章光纤光栅及光纤光栅传感理论 包层、不同的被测物体经历同样的温度变化将对光栅产生极为不同的影响， 所以在此仅对光纤光栅自身进行研究。 ( 2 ) 仅考虑光纤的线性热膨胀区，并忽略温度对热膨胀系数的影响。由 于石英材料的软化点在2 7 0 0o c 左右，所以在常温范围完全可以忽略温度对 热膨胀系数的影响，认为热膨胀系数在测量范围内始终保持为常数。 ( 3 ) 认为热光效应在我们所采用的波长范围和所研究的温度范围内保持 一致，也即光纤折射率温度系数保持为常数。 ( 4 ) 仅研究温度均匀分布情况，忽略光纤光栅不同位置之间的温差效应。 因为一般光纤光栅的尺寸仅1 0m m 左右，所以认为它处于同一均匀温度场， 并不会引起较显著的误差，这样就可以忽略由于光栅不同位置之间的温差 而产生的热应力影响。 基于以上几点假设，我们将得出光纤光栅的温度传感数学模型。 设温度变化为丁，