（通信与信息系统专业论文）倾斜光纤光栅传感特性及光纤光栅解调技术的实验研究.pdf

中文摘要 光纤光栅作为一种结构新颖的光无源器件，因具有诸多性能优异的光学性质，使其在 光通信和光传感领域得到了非常广泛的应用。作为光纤光栅家族中的一员，倾斜光纤光栅 以其独特的结构和性能，吸引了人们越来越多的关注。目前倾斜光纤光栅已经成功应用于 增益平坦、传感、光波长解调等诸多领域。 介绍了光纤光栅及其发展历史。重点介绍了倾斜光纤光栅的发展历史及其国内外应用 现状、倾斜光纤光栅在传感领域及光波长解调领域中的应用情况。概述了当前较成熟的三 种光波长解调技术，分析了它们的各自特点。采用耦合模理论对倾斜光纤光栅的传播特性 进行分析，并推导出模式传播的波动方程、模式间的耦合系数及坡印亭矢量。对倾斜光纤 光栅的理论模型进行了系统的整理，在对倾斜光纤光栅的温度特性、应变特性及折射率传 感特性等进行理论分析的基础上进行了较深入的实验研究和探讨。实验结果表明，倾斜光 纤光栅与普通b r a g g 光纤光栅具有相同的温度、应变特性。对倾斜光纤光栅包层模侧辐射 波长解调技术的基本原理进行了分析，并在实验上证明了倾斜光纤光栅的不同入射波长将 对应不同的空间位置。该方法可同时对多个入射波长进行同时解调，且解调系统采用纯光 纤器件，因此该系统结构简单、具有较高的稳定性与重复性。对蓝牙的技术及特点进行了 阐述，并提出一种基于蓝牙技术的无线光纤光栅解调系统，使系统具有无线传输的能力。 关键词：光纤光栅，倾斜光纤光栅，蓝牙，传感，解调 a b s 仃a c t a sn o v e lp a s s i v eo p t i c a lc o m p o n 铋t s ，f i b e rg r a t i n g sh a v eac o m p r e h e n s i v ep r o s p e c t i i lo p t i c a lc o m m u l l i c a t i o na n ds e n s i n gs y s t e m s ，d u et 0t h e i re x c e l l e n to p t i c a lp r o p e r t i e s t i l t e d 舳e rb r a g gg r a t i n g ，锄i m p o n a i l tm e m b e ro f 肋e r 哥a t m g s ，b e c 锄s eo f 瓶s p e c i a l s t r u c t i j r e ，n o to n l yh a sa l lp r o p e r t i e so f 肋e rb r a g gg r a t m g ，b u ta l s oh a s 破o w nu l l i q u e p r o p e r t i e s n o w ag r o u po fr e s e a r c h e r sh a v em a d et l l e i rb e s te 舶r to ni t s 印p l i c a t i o n sa n d i th a v e b e e n u s e di nt i l ea r e ao fg a i l ln a t t e n ， s e n s i i l gs y s t e m粕dw a v e l e n g m d e m o d u l a t i o n ab r i e fi n 仃o d u c t i o no fh i s t o r e s e a r c hs i 印m c 柚c ei sp r e s e n t e d t h r e em a t u r e t e c l l i l o l o 画e s o f w a v e l e n g 吐ld e m o d u l a t i o n ， t 1 1 e i ro 、) mc h a r a c t e r i s t i ch a v e b e e n r e c o m m e n d e d 锄dt h eh i s t o 巧o ft i l t c df i b e rb r a g g 伊纰i n g ，i t ss e n s i n gc h a r a c t e r i s t i ca n d w a v e l e n g t l ld e m o d u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i ch a v eb e e np r e s e n t e dh e r e u s i n gc o u p l e dm o d e m e o r ya n a l v s e dt h em o d e 把m s m i s s i v ec h a r a c t e r i s t i ci l lt i l t c df i b e rb r a g g 掣a t m g t h e w a v ee q u a t i o n s ，m o d e sc o u p l e dc o e 衢c i e n t 锄dp o y n t m gv e c t o r h a v eb e e ng o th e r e 1 1 1 e n s i f l gt l l e o 巧o ft i l t e d f i b e rb r a g g 霉a t i n gi sp r e s e n t e dh e r e t h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho ni t st e m p e r a t u r es e n s i n gc h a r a c t 甜s t i c ， s 们i 1 1 s e n s i n g c h a r a c t e r i s t i ca n dr e 6 a c t i v i 锣s e n s i n gc h a r a c t e r i s t i ch a v eb e e nt a l n t h et i l t e df i b e r b r a g g 伊a t i n gh a st h es 锄et e m p e r a ：t u r es e n s i l l ga n ds 倾h ls e n s i n 莎h a r a c t e r i s t i c a sf i b e r b r a g gg r a t i n g t h e 仃a n s m i s s i o np o w e ro ft h et i l t e d f i b e rb r a g g 伊a t i n gd e c r e 嬲e d l i i l e a u r l yw i t l lt h ee n v i r o n m e n tr e f r a c t i v ec h 锄g e d 肌dt i l es e n s i t i v 时c 锄et 0 1 7l8 肛w ( 10 。3 i n d e xc h a n g e d ) t h e r o e c a l l ya n a l y s i st l l e p r i n c i p l eo fe d g ef i l t e r i n g o ft f b g d u m p e di ng l y c e r i t ew h i c hi su s e d 懿e d g ef i l t e r e r i th a sb e e np r o v e di nt h ee x p e m e n t t h a tt h ed e m o d u l a t i o ns y s t e mw i lt f b gh a sag o o dp r o p e r t ) ro fw a v e l e n g t hl i n e a r l y t h e r ea r ed i 行e r e n tp o s i t i o n sp o i n t i n gt 0t h ed i f l e m e tw a v e l e n g t h so fm e i n c i d e n tl i g h t w h i c hc o m e si n t ot f b g 锄di th a sb e e np r o v e di i lm ee x p e r i m e n t s t h ef b g d e m o d u l a t i o ns y s t e mw i t hs u c hm e t h o dh a st h ea b i l i 够o fs i m p l e ，s t a b l ea n dr e p e a t b l e a b r i e fi n 仃o d u c t i o no fb l u e t o o t l l ，t h i sp 印e rr e s e a c h e so nt h ew i e r l e s ss m a r ts e n s o rs y s 锄：i l w h i c hc o n b i n eb l u e t o o mw i e r l e s ss e n s o rt e c l u l i q u e ，甜l dh a sd e s i n g e daw i r e l e s ss m a r t s e n s o rm o d e l nh a sw i r e l e s sc o n m m u n i c a t i n gb a i l i t y k e yw b r d s ： f i b e rb r a g gg 哪i n g t i l t e df i b e rb r a g g 孕a t i n g b l u e t o o t h s e n s i n g d e m o d u l r c e h e d 曰 p j 彳 s p i 办 c s 邱 品 胁 肼 z 口 6 ，1 0 n c l ，置 刀顶c d 刀簖幽酗够， 刀 蜊 g 8 m 鼹 c 唧l t n 昏 p e 铴 蠡 符号说明 磁场强度 电场强度 电位移矢量 磁感应矢量 感应极化矢量 电流密度矢量 矢量磁位 坡印亭矢量 分子角速度 分子转动角动量 分子转动惯量 普朗克常数 真空中光速 光纤的介电常数 真空中的介电常数 相对介电常数 光纤的磁导率 真空中的磁导率 相对磁导率 光纤极化系数 光纤纤芯半径 光纤包层半径 光纤固有折射率 光纤包层折射率 光纤纤芯折射率 光纤纤芯模有效折射率 光纤第f 阶包层模有效折射率 纤芯平均折射率变化量( 直流分量) 倾斜光纤光栅栅面倾角 写制倾斜光纤光栅时紫外光的倾角 传播常数 光纤光栅周期f 顷斜光纤光栅栅格周期 倾斜光纤光栅沿纤芯方向栅格周期 写制光纤光栅紫外光波长 倾斜光纤光栅纤芯模谐振峰布拉格波长( 中心波长) 倾斜光纤光栅第f 阶包层模谐振峰布拉格波长( 中心波长) 光栅布拉格波长漂移量 光纤有效弹光系数 光纤热膨胀系数 光纤热光系数 v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导帅指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，沦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：苤盗盘堂或其他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己在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 彳亨签字日期：r 年f 月沙日 j 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘茎有关保留、使用学位论文的规定。特 授权叁鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行榆索，并 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期： o p 年f 月彻日 导师签名：渺竹多久 签字日期伽口s 年月哆日 第一章绪论 第一章绪论 传感器在当代科技领域及工程应用中占有十分重要的地位，各种类型的传 感器在诸多领域已经有了广泛的应用。1 9 7 0 年低损耗光纤的研制成功，极大地 改变了传感器的设计方式，为研制新型传感器光纤传感器提供了物质基础。 光纤因其具有灵敏度高、频带宽、抗电磁干扰、柔韧灵巧、可远程感测、易埋 植、易贴敷等优良特性而被用于多种传感器的设计。近些年来，各种类型的光 纤传感器不断涌现，许多已在多领域得到了广泛的实际应用。 1 1 光纤光栅传感技术概述 1 1 1 光纤光栅概述 光纤光栅( f g ：舶e r 伊a t i n 曲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设置的一种具有空间周期性折射率分布的特种光纤， 其作用在于由被测参量改变或控制光在该区域的光本征参量( 波长漂移) ，实现 光在该区域的传播行为方式的改变与控制。通过适配的解调系统获取感知的被 测信息，从而实现对被测量的可靠测量。它的出现，使许多复杂的全光纤通信 网络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，由此产生了 许多重要的应用。 1 9 7 8 年，加拿大的h i l l 等人首次观察到掺锗光纤中因光诱导产生光栅的效 应。他们利用4 8 8 n m 氩离子激光照射掺锗的光纤，在光纤中产生驻波干涉条纹， 制成纤芯折射率沿轴向的周期性分布的光纤光栅。这是世界上第一只被称为 “h i l l 光栅”的光纤光栅，并由此开辟了光纤光栅传感器研究与应用的新领域。 此后，由于受写入效率低等因素的影响，在相当一段时间内，其进展缓慢。 但在1 9 8 9 年，美国的m e l t z 等人发明了紫外光侧面写入光敏光纤的技术，这项 技术不仅有效地提高了光纤光栅的写入效率，而且还可以通过改变两束相干光 的夹角对光纤光栅波长进行调控，为光纤光栅实用化开辟了一条可行的道路。 1 9 9 3 年，h i l l 等人提出了位相掩模写入技术，极大地放宽了对写入光源相 干性的要求，使光纤光栅的制作更加灵活并使光栅的批量生产成为可能。此后， 第一章绪论 世界各国对光纤光栅及其应用的研究迅速开展。光纤光栅的制作及光纤光敏化 技术不断取得新的进展，其制作技术也不断提高和完善。随着研究的不断深入， 光纤光栅的优良特性也逐步展现出来，如成本低，稳定性好，体积小，抗电磁 干扰，感应信息被波长编码等，尤其传感器本身就是由光纤制作而成，便于与 光纤结合，使得全光纤化的一维光子集成测控系统成为可能。光纤 光栅的研制成功，成为继掺杂光纤放大器技术之后，光纤领域的又一重大突 破。 1 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，可分为蚀刻型光栅和折射率调制型相位光栅两类。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 的是折射率调制型相位光栅。 一、根据光敏机制的不同，可将光纤光栅分为以下三种类型：i 型、型和 i n ( i i i ) 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 传统意义上的光折变光栅被称之为i 型光栅。 2 型光纤光栅：用单脉冲成栅时，不断提高脉冲能量，发现存在一个取 决于光纤中锗浓度的阈值( 1 j c m 2 ) ，低于该阈值时形成的光栅均为i 型光栅， 而高于该阈值时写入光栅的调制度变得非常大，反射率接近l o o ，称此时的光 栅为i i 型光栅。 3 i 认型光纤光栅：是在i 型光栅的基础上，随着曝光时间的进一步增加而 形成的，此类光栅的折射率调制深度随曝光量呈现负增长趋势，需要较高的u v 曝光量( 5 0 0 j c m 2 ) ，或者在掺杂浓度较高的光纤( 例如高掺锗或硼锗共掺光纤) 内形成结构重构引起折射率变化，其温度稳定性较好，可达5 0 0 0 c 。 二、根据折射率的变化导致的结构差异，即光纤光栅空间周期分布及折射 率调制深度分布是否均匀，可以将其分为均匀光纤光栅和非均匀光纤光栅两大 基本类型。 ( 一) 均匀光纤光栅：指栅格周期沿纤芯轴向均匀且折射率调制深度为常数的 2 第一章绪 论 一类光纤光栅。从光栅周期的长短及波矢方向的差异等因素考虑，这类光纤光 栅的典型代表有光纤布拉格光栅、长周期光纤光栅和倾斜光纤光栅等。 l 、光纤布拉格光栅( f b g ：纳e rb r a g g 鲫i n 曲：栅格周期一般为1 0 2 l l i n 量 级，折射率调制深度一般为l o 。3 1 0 一，光栅波矢方向与光纤轴线方向一致，如 图1 1 所示。这种光纤光栅具有较窄的反射带宽( 可达1 0 。1 1 1 1 1 ) 和较高的反射率( 可 达1 0 0 ) ，其反射带宽和反射率可以根据需要，通过改变写入条件而加以灵活 地调节。这是最早发展起来的一类光纤光栅，目前在光纤通信及光纤传感领域 应用极其广泛。 h l d a 【m o d u l a t i o n w 打e l g 吐l 图卜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 2 、长周期光纤光栅( l p g ：1 0 n gp e r i o d 黟a t m g ) ：栅格周期远大于布拉格光栅 的栅格周期，一般为几十到几百微米，光栅波矢方向与光纤轴线方向一致。与 光纤布拉格光栅不同，长周期光纤光栅是一种透射型光纤光栅，它不是将某个 波长的光反射，而是耦合到包层中损耗掉。 3 、倾斜光纤光栅( t f b g ：t i l t e d 舫e rb r a g gg r a t i n 曲：当光栅制作时，紫外 侧写光束与光纤轴不垂直时，造成其折射率的空间分布与光纤轴向有一个小角 度，形成倾斜光纤光栅。这种光栅不但可以将入射光部分耦合为后向传导的导 模，而且还可将一部分入射光耦合为后向传导的包层模。这部分包层模不仅受 纤芯有效折射率的影响，还要受到包层有效折射率的影响。 ( 二) 非均匀光纤光栅：栅格周期沿纤芯轴向不均匀或折射率调制深度不为常 数。从栅格周期与折射率调制深度等因素考虑，这类光纤光栅的典型代表有线 性啁啾光纤光栅、分段啁啾光纤光栅以及非均匀特种光纤光栅等。 第一章绪论 1 、线性啁啾光纤光栅：栅格周期沿纤芯轴向在整个区域内单调、连续、准 周期线性变化，折射率调制深度为常数。这种啁啾光纤光栅可视为仅对光栅周 期进行线性调制的情况。 2 、分段啁啾光纤光栅：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，而折射率调制深度为常数。 这两种啁啾光纤光栅具有的共同特点是：反射带宽远大于均匀周期光栅的 带宽，可达几十纳米，主要用于色散补偿和光纤放大器的增益平坦。 3 、非均匀特种光纤光栅：采用特定形式的函数对光纤光栅的栅格周期或折 射率调制深度进行调制，将得到具有特殊性能的啁啾光纤光栅。 1 2 倾斜光纤光栅概述 对于普通的布拉格光纤光栅( f b g ) ，由于它的栅面与光纤轴向垂直，一部 分入射光由于满足b r a g g 条件，耦合为反向传导的纤芯模。其入射光与反射光均 在纤芯中传播。对于倾斜光纤光栅( t f b g ) 由于栅面倾斜了一定的角度，前向 传导的入射光除一部分耦合为后向传导的纤芯模外，部分还将耦合到包层中， 形成后向传导的包层模。由于单模光纤仅允许l p 0 1 模传输，因此包层模在传播 过程中迅速损耗，最终形成一系列包层模透射峰。由于t f b g 具有一系列包层 模，因此与f b g 相比具有很多得天独厚的优势。 ( a )( b ) 图卜2 ( a ) f b g 原理图( b ) t f b g 原理图 1 2 。1 倾斜光纤光栅发展简史 由于t f b g 结构相对复杂，且受光纤光敏性及光栅写制技术的限制，在第 一根光纤光栅写制成功后的很长一段时间内t f b g 一直没有引起人们的注意， 4 第一章绪论 直到1 9 9 0 年，m e k 等人在o f c 会议上第一次提出了t f b g 的模型。从此以后， 作为光纤光栅的一个分支，t f b g 引起了人们的广泛关注。 首先引起人们关注的是t f b g 在掺铒光纤放大器增益平坦中的应用。1 9 9 3 年，k a s h y a p 等人在掺铒光纤中直接写入t f b g ，实现了掺铒光纤在c 波段3 0 n m 带宽范围内的增益平坦。 由于t f b g 要求光纤具有很高的光敏性，且对写制精度要求很高，因此早 期的工作主要集中在理论分析上。1 9 9 6 年，e r d o g a n 与s i p e 一起利用耦合模理 论对相位模板写制的i f b g 进行了理论分析，他们推导出了栅面倾角与模间耦 合系数之间的关系，并且模拟出不同倾角t f b g 的反射谱图及不同倾角下的透 射损耗。从此，人们对t f b g 的认识有了新的方向，越来越多的人开始从事t f b g 的研究工作。 在2 0 0 0 年之前，t f b g 的相关报道较少，且多数集中在理论方面。2 0 0 0 年 之后，人们开始转向t f b g 的应用研究。2 0 0 0 年，r h e lp a r k e r 等人发现了对 t f b g 扭转时，它的部分包层模的强度将发生变化，他们应用模式耦合理论对这 种现象进行了理论解释；2 0 0 1 年，l a 仃o n t 等人提出了通过测量t f b g 包层模的 数量与归一化包层模包络面积实现了一种浓度传感器；同年，m i h a i l o v 等人提 出了使用t f b g 作为偏振相关损耗均衡器；2 0 0 2 年，s e u n g i nb e a k 等人对不同 微弯方向的t f b g 的透射谱进行分析归类，通过对t f b g 透射谱l p l l 模谐振峰 强度的检测实现了一种微弯传感器。 2 0 0 3 年之后，t f b g 的发展进入了一个新的阶段，英国a s t o n 大学光子学课 题组起到了关键性的作用。在此之前，人们仅对t f b g 的透射谱或反射谱进行 研究。这一年，该课题组的z h o u 等人发现，当t f b g 浸没到环境折射率大于光 纤包层折射率的溶液中时，它的包层模将不再在光纤中传播，而是耦合到外界 环境中，形成辐射模。从此，人们对t f b g 的研究进入了一个新的阶段，b g 的辐射模引起了人们的浓厚兴趣。随后，2 0 0 4 年，该课题组的s i l l l p s o n 等人发 现，当t f b g 入射光波长不同时，其辐射模在空间中将具有不同的辐射方向。 他们使用柱透镜将t f b g 的辐射模从溶液中耦合出来，并汇聚到表面镀有 y 2 0 2 s ：e r ，y b 的线阵c c d 上。不同的入射波长将对应于线阵c c d 的不同位置； 通过检测c c d 的空间信息即可得到光波长信息，这就是包层模侧辐射光波长解 调技术。该技术的提出是对光谱成像法光波长解调技术的一个重要突破。以往 的光谱成像法光波长解调技术均需要将光信号从光纤耦合到光纤外的色散器 第一章绪论 件，不仅耦合效率低，而且工艺复杂。采用包层模侧辐射光波长解调技术无需 将光纤中传播的光信号耦合至外界的色散器件中，色散器件与光导波器件是一 个整体，很容易实现光波长解调系统的全光纤化。 1 2 2 倾斜光纤光栅的国内外研究现状 国外倾斜光纤光栅的相关研究工作起步较早，无论理论研究还是实验研究， 工作均开展的比较深入。人们首先在理论方面对t f b g 进行研究，这方面美国 罗彻斯特光学所开展的工作相对较早，并且取得了很多成绩。该研究所的 e r d o g 锄等人采用耦合模理论对1 1 f b g 中模式传播特性进行了推导，并且计算出 栅面倾角对光栅反射率的影响，并且对，r f b g 包层模谐振模式进行了分析。之 后，该所的“y u f e n g 等人采用体电流法对t f b g 进行了分析，推导出了光波在 光栅中传播的坡印亭矢量的表达式，并且对不同偏振态的辐射密度进行了分析。 关于t f b g 实验方面，比较有代表性的是l o s h y a p 等人，他们第一次将t f b g 应用于实验研究，成功的将t f b g 应用于掺铒光纤放大器的增益平坦。另外， 更值得一提的是a s t o n 大学的光子学课题组。他们发现了当t f b g 浸没在折射率 匹配液中，其包层模可以从光栅侧向耦合到外界环境中，并通过使用c c d 对光 栅侧向耦合的包层模空间位置的探测，实现了t f b g 入射光波长的解调，从而 提出了一种全光纤化的光谱成像光波长解调方法。 在国内，t f b g 相关工作开展的较少。2 0 0 0 年，刘崇琪对盯b g 的反射特 性进行了简单的理论研究，推导出了栅面倾角对光栅反射率的影响；2 0 0 4 年， 吉林大学的z h a oz h i y o n g 等人通过在同一根光栅上写制多个倾角的t f b g ，实 现了一种特定反射谱的光栅，该光栅在1 5 5 1 n n l 一1 5 5 5 衄之间具有平坦的反射 峰。 1 2 3 倾斜光纤光栅在传感方面的应用 t f b g 具有与普通f b g 相同的性质，它们在纤芯处具有均匀周期的折射率 调制，因此当外界环境改变栅格周期或改变纤芯折射率时，t f b g 与f b g 的纤 芯模均会受到影响，表现出来的是纤芯模谐振峰波长的漂移。因此，f b g 所具 有的传感特性b g 也将全部具有。因此，t f b g 可应用于温度、应变等常规环 境参量的感测。 6 第一章绪论 由于t f b g 栅面具有一定的倾角，它除了将正向传导的纤芯模耦合为反向 传导的纤芯模外，部分还将耦合为反向传导的包层模。包层模不仅与栅格周期、 纤芯的有效折射率有关，还与包层的有效折射率有关，而包层的有效折射率受 外界环境的影响，因此，t f b g 的包层模能够在一定范围内感测环境浓度与折射 率的变化。人们通过对包层模包络有效面积的检测实现环境浓度、折射率的解 调，这方面的工作是由法国l a 筋n t 等人首先提出的。之后，由于b g 栅面结 构具有不对称性，人们通过对t f b g 包层模包络变化特性的检测实现了扭转传 感器与微弯传感器。2 0 0 5 年，c h e nx i a l l f e n g 等人对多模光纤上写制的t f b g 进 行腐蚀，通过对低阶包层模的漂移量的检测实现了一种折射率传感器；2 0 0 6 年， z h a oc h u n l i u 等人使用一根3 0 倾角的t f b g 实现了温度与折射率的同时测量。可 以说，t f b g 传感方面的工作均围绕t f b g 包层模展开的。对于普通的f b g 而 言，是不具备上述特性的。因此t f b g 在传感方面有着很广阔的应用前景。 1 2 4 倾斜光纤光栅在光波长解调方面的应用 由于t f b g 栅面倾斜，因此它会将部分前向传导的纤芯模耦合为后向传导 的包层模；当外界环境的折射率大于光纤包层的折射率时，它的包层模在包层 中的传播条件将遭到破坏，进而被耦合到外界环境中。对于不同的入射光波长， t f b g 的包层模将具有不同的出射方向，也就是不同的波长将应对于不同的空间 信息；通过对空间光信号位置的检测实现盯b g 入射光波长的解调。 事实上，当1 1 f b g 浸没在折射率大于光纤包层折射率的环境中时，它的透 射谱具有一段范围很宽且线性度很好的下降沿与上升沿，因此，可以将盯b g 用作边沿滤波器件，应用边沿滤波法实现其入射光波长的解调。 1 3 光纤光栅解调技术 光纤光栅传感信号解调技术，是将光纤光栅传感器检测到的传感信息从以 波长编码的传感信号中解调出来，然后转换为电信号以进行显示和计算的技术。 测量波长变化量的经典方法是直接采用光谱仪测量和使用多波长计两种方法。 但这两种方法所需设备体积大，成本高，仪器价格昂贵，故仅适合在实验室中 使用。 7 第一章绪论 为此，除上述两种方法外，人们又提出了多种解调办法。其中比较典型的 解调办法如干涉法、可调谐滤波法、边沿滤波法、成像光谱法、匹配光纤光栅 法等。 表1 1 列出了典型的光纤光栅传感信号的解调方法。 表卜l 典型光纤光栅解调方法 = 淡 精度解调速度解调范围稳定性 解调方法 干涉法 极高( 0 0 l p m )快( 1 m s )大( 1 0 0 衄1 ) 差 可调谐滤波法 高( 1 p m )慢( 1 0 0 m s )较大( 5 0 m ) 好 边沿滤波法 高( 0 1 p m )快( 1 l n s )小( 2 0 n m )较差 光谱成像法 低( 5 0 p m )快( 1 m s )较大( 4 0 n m ) 好 匹配光纤光栅法 高( 0 1 p m )慢( 1 0 0 0 m s )小( 2 0 n f n ) 较好 下面仅对几种常用的解调方法予以介绍。 1 3 1 可调谐滤波法 光纤f p 滤波器具有类似万函数的性质，其干涉原理如图1 3 所示。 部分透射反射镜 图卜3 光纤f p 滤波器原理 出射光 - - - - - + 设f - p 腔长度为z ，入射光功率为，出射光功率为l ，腔镜的反射率为疋，则 f p 滤波器的透射率最可表示为： 砭2 詈2 一 1 ) 式中万表示谐振腔中每个波和它前一个波的相位差，表示为： 第一章绪论 万：型c o s p + 2 ( 1 2 ) d = 一c o s 谚十z 9 l 。z ， 五 式中刀为f p 腔中介质的折射率；，为f p 腔的腔长；名为入射波长；只为入 射至f p 腔光线的入射角，当光线垂直入射时e = 0 ；矽为光线在腔内反射时的 相移，常可忽略。 由上两式可知，f p 滤波器的透射率与腔长，及入射光波长名有关，因此它具 有波长选择透过的能力，通过调节f p 滤波器的腔长可以选择不同的透射波长。 若使用压电陶瓷改变f p 滤波器的腔长，则可通过在压电陶瓷上施加周期性驱动 电压实现一定范围内波长的选择。 图1 4 为采用可调谐光纤f p 滤波法实现b r a g g 光纤光栅波长的解调系统原 理图。宽带光源发出的光经耦合器进入传感器阵列，反射光经耦合器耦合至可 调谐光纤f p 滤波器，当锯齿波驱动f p 滤波器使其透射波峰与光纤光栅反射 峰重合时，即可由此时的f p 滤波器驱动电压一透射波长关系测得光纤光栅反 射峰位置。但由于透射谱是反射谱与f p 滤波器透射谱的卷积，会使带宽增加， 分辨率降低。为此，在扫描电压上加一小的抖动电压。抖动信号与f p 输出信号 经混频器、低通滤波器后输出。当低通滤波器输出信号为零时，所测即为光栅 的反射峰值波长，此方法可提高系统的分辨率。 扫描电压 抖动信号 图卜4 采用可调谐卜p 滤波法实现b r a g g 光栅波长解调原理图 1 3 2 边沿滤波器法 边沿滤波器是指具有一定单值边沿的滤波器。它的单值边沿一般比较宽( 十 几纳米或几十纳米) ，因而可将传感光纤光栅的反射谱( 谱宽一般为o 2 m ) 视为类 硒数。 9 第一章绪论 图1 5 为基于边沿滤波器的线性解调原理示意图。这种边沿滤波器输出光强 ，与波长五成线性关系，即 ，= j i 五+ c ( 1 - 3 ) 式中七、c 为滤波器对应线性段的斜率和截距，可以通过实验测定，一般为 常数。通过测量输出光强，即可获得波长信息，其测量范围与探测器的分辨率 成反比。 1 3 3 光谱成像法 图卜5 边沿滤波解调原理图 成像光谱技术是将图像传感器置于单色仪的光谱像面上，用其各光敏元获 取各谱线信息，从而省去了单色仪的机械扫描机构，既减小了体积，简化了结 构，又提高了稳定性与可靠性，更提高了测量速度，可以实现多根光栅同时测 量。其结构原理如图1 6 所示。光纤光栅传感器反射回的信号光经3 d b 耦合器 和透镜入射到一个标准的色散光栅上，经色散光栅衍射后，不同波长的信号光 在空间传播时将具有不同的衍射角。传感光栅不同的波长值，经色散光栅后对 应不同的衍射角。在固定位置用电荷耦合器件( c c d ) 或光电二极管阵列( p 小阵 列) 接收来自传感光栅的信号，随着波长的变化，出现耦合的位置也会相应的变 化，两者间呈线性关系。该传感系统的传感精度不仅取决于色散光栅的质量、 c c d 或p i n 阵列的空间分辨率，还与两者的距离有关。 c c d 或h g 啦s 阵列的探测系统由于具有反应速度快、无活动件和尺寸小 等特点，受到人们的关注。一些基于c c d 或h g a a s 阵列的探测系统也已实现 l o 第一章绪论 商业化，如日本横河公司( 7 0 3 7 5 3 波长监控器) 、美国p m c c t o n 公司( 0 c m h r ) 、 美国b a y s p e c 公司( o c p m - 1 0 0 g d ) 和荷兰a v 觚t e s ( a v a s p e c 一2 0 4 8 ) 等。然 而，由于光电探测器等元件结构的限制，它们的检测灵敏度普遍偏低，平均为 5 0 p m 。因此，如何将这种解调技术和其它解调技术相结合，发挥各自的优点是 成像光谱技术发展的一个重要方向。 阵列探测器 f b ( j n 一- 一_ _ _ i * 图1 - 6 采用光谱成像技术实现b r a g g 光栅波长解调原理图 1 4 本文的主要内容及创新点 1 4 1 本论文的主要内容 本论文是在天津市教委资助项目( 项目编号2 0 0 6 0 6 0 9 ) “倾斜光纤光栅传感 特性及解调技术的研究”课题的资助下完成的。本文主要以倾斜光纤光栅及光 纤光栅解调技术为研究对象，其中对倾斜光纤光栅的传感技术、解调技术及蓝 牙技术在光纤光栅解调系统中的应用等进行了理论和实验研究。 全文共分五章，主要内容包括： 第一章：概括介绍了光纤光栅传感技术、倾斜光纤光栅传感技术及光波长 解调技术的发展历程及研究现状。 第二章：介绍了倾斜光纤光栅的基本分析方法，并用耦合模理论和体电流 法推导出模式传播的波动方程、模式间的耦合系数及坡印亭矢量。 第一章绪论 第三章：阐述了倾斜光纤光栅的写制过程，对倾斜光纤光栅的温度、应变、 等传感特性进行了深入的理论分析与实验研究。 第四章：阐述了倾斜光纤光栅在光波长解调方面的应用。 第五章：阐述了蓝牙技术在光纤光栅网络解调系统中的应用。 1 4 2 本论文的主要创新点 一、采用倾斜光纤光栅作为传感单元，进行增敏研究，通过光强的检测实 现折射率的测量，检测中无需复杂的波长解调设备，故系统结构更加简单实用， 易于工程化，在折射率检测方面具有广泛的应用前景。 二、将蓝牙技术应用于光纤光栅网络解调系统，不但使该系统的连接方便， 而且系统的灵活性得到了很大的提高。 1 2 第二章倾斜光纤光栅基本理论研究 第二章倾斜光纤光栅耦合模的理论研究 对于普通的单模阶跃光纤，假设包层半径无限大。设电磁场谐振于角频率国， 波导中的电场可写为： 层= e ( r ) e x p ( 一泐) + c c ( 2 - 1 ) 设光纤轴向方向为z 轴方向，为了书写方便，在下面的推导中，将e x p ( 一f 耐) 项省略掉。则沿z 轴传播的电场可表示为： e ( x ，y ，z ) = ( z e 。( x ，y ，z ) + 腰y ( x ，y ，z ) ) e 。【p ( 一f 仍) ( 2 - 2 ) f 、，分别为x 、少方向的单位矢量。 对于磁场，采用相同的办法，因此将光纤中传播的电磁场统一定义为 f ( 而弘z ) ： f ( x ，y ，z ) = e 。( x ，y ，z ) 日。( x ，y ，z ) e ( z ，y ，z ) 日7 ( x ，y ，z ) ( 2 3 ) 对于理想的光纤，折射率仅在x 7 平面变化，也可以认为沿0 f 可变化。 因此将光纤中的模式标注为( 口，p ) ，硪示径向模数，p 表示圆周方向的模数。 因此沿+ z 轴传播的电磁场方程可表示为： 嘭( x ，y ) ( x ，y ) 磁( x ，y ) 蹋( x ，y ) e x p ( 概z ) = ，( x ，力 ( x ，y ) p 三f p ( x ，y ) 磁p ( x ，少) e x p ( 吃z ) = 局( x ，y ) e x p ( f 尾z ) ( 2 _ 4 ) 对应的，沿嵋轴传播的电磁场方程可表示为： f ，砺( x ，y ) i 啄( x ，y ) i 磁( 而y ) 。 l 畦( x ，y ) e x p ( 一0 眈z ) = 一嘭( 工，少) ( x ，力 ( 石，y ) 一( x ，y ) e x p ( 一识z ) = 磊( x ，y ) e x p ( 一识z ) ( 2 - 5 ) 第二章倾斜光纤光栅基本理论研究 式( 2 3 ) 满足m a ) 【w e u 方程： i v e ( 置) = f 囝日( 皿) 【v 日( 足) = 一泐岛瑶o ，y ) e ( 足) 如果考虑介质仅在7 = 处存在极化强度： p ( 欠) = p ( x ，y ) 万( z z ) 尸( x ，y ) = p ( x ，y ) + 印2 ( x ，力 膏为7 轴方向的单位矢量；万( 力是单位阶跃函数，满足如下定义： l 万( 力= o ( ? o ) t e 犯) 出= l m a ) 【w e l l 方程变为： i v e ( r ) = f 够日( r ) 【v 日( 足) = 一f 彩岛露 ，少) e ( r ) 一御( r ) 由于仅在7 = 处存在极化强度，上式的解可以表示为： e ( r ) = 占0 一z ) e + ( 置) + 占0 7 一z ) e 。( 且) + 万0 一z ) 肛d ，y ) 日( r ) = 占( z 一7 ) 日+ ( r ) + s ( 少一力日。( 足) 占( 力是单位阶跃函数，满足如下定义： r 0z o ，b 0 各模式谐振峰将向长波方向漂移；由于瓯与 靠很小，因此可以近似认为当温度变化时耶b g 各模式谐振峰具有相同的温度 漂移置。 一pj畜；o正 第三章倾斜光纤光栅传感特性的实验研究 3 22 倾斜光纤光搬温度特性的实验研究 对用于温度实验的t f b g 的透射谱图进行了归一化处理，处理后的谱图如 图3 3 所示。从图中可以看出，该光栅不仅具有个纤芯模( l p o i 模) ，还具有 一系列的包层模( l p ，。模) 。将盯b o 放置于一温度可调的温控箱中，使用 s h 暇0 公司j c s 铂电阻温控表控制温箱的温度，控温精度为工0 i ( 如图3 _ 4 所示) ；自制s l e d 作为光源；光谱分析仪用于检测t f b g 的透射谱。 1 0 。1 5 5 4 01 5 1 5 1 0 w a 垤k n g 小f nm ) 图3 3 温度实验t f 陆透射谱圈 实验时室温为2 7 。因此从3 5 开始升温，每隔5 记录1 阳g 透射谱图； 每次记录均等待温度稳定后1 5 分钟后再记录数据；至8 0 为止。1 下b g 透射谱 图变化如图3 4 所示( 图中为3 5 与8 0 的透射谱图比较) 。 为了便于对比，在众多包层模谐振峰中任选一个谐振峰l p ，。从图中可以看 出，当温度从3 5 升高至8 0 时，仆b g 透射峰幅度几乎不发生变化；纤芯模 谐振峰与包层模谐振峰均向长波方向漂移且具有相同的温度漂移量，即当温 度变化r = 4 5 时，芯模谐振峰与包层模谐振峰均向长波方向漂移了 = 0 4 8 n m 。将r 与丑带入( 3 1 ) ，可得1 r b g 的热光系数与热膨胀系数之 和为6 8 8 l 旷k 一，与理论值符合的很好。1 下b g 的波长漂移量为l o 7 p i n ， 与普通f b g 温度特性基本一致。 一pl-oil 第三章倾斜光纤光栅侍感特性的实鞋研究 像 lj ! | f | ri ￥ i j i ， ； l ；i ： 国3 4t f b g 温度实验框图 6 0 8 51 s 1 s w 吾v e i e n g 们 n m ) 图3 53 5 与8 0 t f b g 透射谱图对比 对l n 模与l p 。，模在不同温度下对应的谐振波长值进行数据分析，如袁3 - 1 所示，并对其进行线性拟舍处理，绘制出温度一波长关系曲线，如图3 6 所示。 图中黑点为实验结果，直线是用曲线拟合理论得到的结果。两条曲线的线性拟 台度均在0 - 9 9 8 以上，说明他们的温度一波长曲线均具有很好线性特性：两条拟 台曲线具有相同的斜率，可以认为当温度变化时l p 0 1 模谐振峰与l p l 一模 第三章倾斜光纤光栅传感特性的实验研究 表3 一l 不同温度下对应的纤芯模与包层模波长 谐振峰将具有相同的漂移量，也就是说b g 的包层模与纤芯模具有相同的温 度特性，当温度变化时它们将向相同的方向漂移，且具有相同的波长漂移量。 5 d 7 0 5 07 0 t e m p e 暗t u 悖 t e m p e 髓t u 悖 图3 6t f b g 温度一波长关系曲线( a ) l p o 。模( b ) l p ，模 由上面的分析可以整理出该t f b g 纤芯模谐振峰温度变化曲线表达式为： 如熘2o o l 升1 5 7 2 7 8 ( 3 - 6 ) 第f 阶包层模谐振峰温度变化曲线表达式为： 五= d 卿增，f2 0 o l 丁+ 1 5 5 9 9 l( 3 - 7 ) 因此，当t f b g 不受应变影响时，可以通过t f b g 纤芯模或任一包层模透 射峰的漂移量与该峰的拟合曲线计算出温度的变化，进而实现对环境温度的感 8 7 6 5 4 3 觚 弧 鼬 啪 鼬 鲫 一p暑c一工_西cmo，w；一尸cc一工甚c母一o，毋； 第三章倾斜光纤光栅传感特性的实验研究 测。 3 3 倾斜光纤光栅温度增敏的传感特性研究 耵氆g 温度增敏的传感器实验装置原理如图3 7 所示。在封装过程中，必须对1 r i m g 施 加适当的预应力，以使光栅的波长不发生漂移。然后