光纤光栅技术与应用课件.ppt

1 光纤光栅技术与应用 From GDFT 2 内容 光纤光栅技术与应用 3 Part1光纤及光通信技术简介 4 通信波段划分及相应传输媒介 频率Hz 5 光纤及光通信技术简介 光纤光栅技术与应用 光通信用光波载运信息 实现通信光纤通信以光波载运信息 用光纤作传输媒体 实现通信光纤通信的优点频带宽 信息容量大传输损耗低 无中继距离远材料丰富抗电磁干扰光纤间串话小 保密性好耐腐蚀 耐高压体积小 质量轻 6 光通信的发展 光纤光栅技术与应用 光通信的发展过程 雏形 古代烽火 手旗 灯光 7 光纤基本理论 光纤光栅技术与应用 菲涅耳定律 n1sin 1 n2sin 2 结论 若要实现全反射 则必须有n1 n2 8 9 可见 光纤的数值孔径 NA 仅取决于纤芯的折射率的大小及包层相对折射率差 而于光纤的直径无关 标准多模光纤的NA公称值一般为0 2 对应的孔径角约为11 5 标准单模光纤的NA公称值一般为0 1 0 15 对应的孔径角约为5 7 8 6 10 光纤结构 光纤结构 光纤光栅技术与应用 11 光纤结构 光纤光栅技术与应用 两种常用光纤的结构及其折射率分布 12 机械手Mechanicalhandle 13 光缆构成 光纤光栅技术与应用 常用光缆的典型构成 14 国外光纤技术发展情况 光纤技术发展概况 光纤光栅技术与应用 20世纪60年代中期 所研制的最好的光纤损耗在400dB以上1966年英国标准电信研究所高锟及Hockham从理论上预言光纤损耗可降至20dB km以下日本于1969年研制出第一根通信用光纤损耗为100dB km1970年康宁公司 Corning 采用 粉末法 先后获得了损耗低于20dB km和4dB km的低损耗石英光纤1974年贝尔实验室 Bell 采用改进的化学汽相沉积法制出性能优于康宁公司的光纤产品 到1979年 掺锗石英光纤在1 55 m处的损耗已经降到0 2dB km 这一数值已经十分接近由Rayleigh散射所决定的石英光纤理论损耗极限 15 光纤技术发展概况 光纤光栅技术与应用 1963年开始光通信的研究1977年 第一根短波长 0 85mm 阶跃型石英光纤问世 损耗为300dB km1978年 阶跃光纤的衰减降至5dB km 研制出短波长多模梯度光纤 即G 651光纤1979年 研制出多模长波长光纤 衰减为1dB km 建成5 7km 8Mb s光通信系统试验段1980年1300nm窗口衰减降至0 48dB km 1550nm窗口衰减为0 29dB km 1981年多模光纤活动连接器进入实用1984年武汉 天津34Mb s市话中继光传输系统工程建成 多模 1990年 研制出G 652标准单模光纤 最小衰减达0 35dB km1992年降至0 26dB km 国内现状 16 1991年 研制出G 653色散位移光纤 最小衰减达0 22dB km1997年 研制出G 655非零色散位移光纤 六五 七五 八五 铺设 八纵八横 光纤线路总长约七万公里 光纤技术发展概况 光纤光栅技术与应用 虽然光纤光缆的研制仅短短的20多年 其应用却已相当普遍 迄今 已敷设光缆长度超过100万km 光缆已敷设到世界屋脊西藏 生产光缆的厂家有200多家 每年所用光纤的数量超过400万km 在实际网络中 无论是核心网还是接入网 目前主要应用的还是G 652光纤 在核心网中新建线路已开始采用G 655光纤 在接入网中已开始应用光纤带光缆 我国光通信领域已掌握了光纤 器件 系统等各方面的关键技术 逐渐走进了国际光通信的先进行列 尤其在主要技术上 都有了自己的特色和创新 17 中国网通公司光纤通信网络 采用铁道部光纤连接成环 总长3400km 江苏 安徽 上海 江西 浙江 福建6省市 17个节点 52个传输站 系统容量16 2 5 400Gb s 应用IPoverSDH WDM技术 2000年底开通运行 上海 石家庄 18 光纤通信系统方框图 19 时分复用TDM TimeDivisionMultiplexing OpticalFiber 20 Lucent公司研制的单波长速率320Gb sOTDM试验系统是目前单波长速率最高的系统 在发送端 20Gb s电信号经光调制器输出光信号 再经由20GHz驱动的半导体电吸收光调制器 再生器使20Gb s的光信号的脉冲宽度压缩变窄 之后采用延迟插入和极化正交的光时分复用OTDMMUX 产生出320Gb s光信号 21 波分复用WDM WavelengthDivisionMultiplexing n 1 2 n 3 Demultiplexer Multiplexer 1 2 3 22 Nortel和Worldcom公司联合对1Tb sWDM系统进行现场试验 从美国Dallas到Longview市 全长200公里 采用单纤双向传输 23 密集波分复用 DWDM DenseWavelengthDivisionMultiplexing 当波分复用的峰波长之间的间隔为1 6nm 0 8nm或更低时 对应的约为200G 100GHz或更窄的带宽 频分复用 FDM FrequencyDivisionMultiplexing 更为密集的波分复用 波分复用系统的主要缺点是由于WDM的插入损耗减小了系统的可用功率 信道间的串扰也会恶化接收机的灵敏度 最关键的是波分复用器件的价格仍太高 24 时分 波分复用Time FrequencyDivisionMultiplexing 25 Lucent公司研制的3 28Tb s试验系统是目前容量最大的试验系统 系统速率为40Gb s 共82个波长光滤波器波长间隔为100GHz 系统工作于C和L两个波段分别容纳40和42个波长通道波分复用 后采用时分复用 26 Part2光纤光栅 2019 12 20 27 可编辑 28 光纤光栅简介 光纤光栅技术与应用 光纤光栅是在光纤纤芯内介质折射率呈周期性调制的一种光纤无源器件 它是利用掺杂 如锗 磷等 光纤的光敏性 通过某种工艺方法使外界入射光子和纤芯内的掺杂离子相互作用导致纤芯折射率沿纤轴方向周期性或非周期性的永久变化 在纤芯内形成空间相位光栅 29 K O Hill等人实验原理示意图 30 光纤光栅有如一道道的栅门 一个波长的光线经过这一排栅门 就会被分解成很多道波长比较短的光线 不能通过栅门的光线就会被打回头 由另一个仪器收集后交给接收者 其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的 透射或反射 滤光器或反射镜 光纤光栅简介 光纤光栅技术与应用 31 根据光纤光栅周期的长短及均匀性的不同 光纤光栅可分为短周期光栅 BraggGrating 也称光纤反射光栅 长周期光栅 LongPeriodGrating 也称光纤透射光栅 和啁啾光栅 ChirpedGrating 又称为非周期光栅 32 FBG有较小且均匀的周期 一般约为0 5 1 m 具有反射固定波长之特性 多用于温度 应力以及以此为基础而发展出的振动 流量 载荷疲劳 结构损伤 腐蚀等方面的分布式检测系统 光纤布拉格光栅 33 啁啾光栅 34 啁啾通常是指一种频率变化的现象 如果Bragg光纤光栅的周期或折射率沿长度方向发生一定变化 则其Bragg频率沿长度方向也会发生一定变化 即发生了啁啾 这种光纤光栅就称为啁啾光纤光栅 啁啾可以是线性的也可以是非线性的 周期沿长度方向线性变化的光栅称为线性啁啾光栅 35 色散产生原理示意图 波长色散的起因有两个 1 折射率随波长呈非线性变化 色散系数与折射率的二阶导数成正比 称为材料色散 2 传播常数与波长呈非线性关系 色散系数与传播常数的二阶导数成正比 称为波导色散 36 37 长周期光栅 光纤光栅技术与应用 LPG周期在100 m以上 其主要特性则是透射光在耦合的波长下将耦合到光线薄层中去损耗掉 而不是被反射 这样在某些不需要回波 甚至尽量避免回波的场合 长周期光栅将一展身手 另外 长周期光栅对环境的变化与FBG相比更加敏感 但是 在实际应用中 长周期光栅还存在着一些局限性 比如 它对弯曲过于敏感 一个很小的弯曲会将他的峰值波长向短波方向移动 另外 由于它的透射谱具有几个峰 且每个峰都有一定的带宽 这限制了LPG在准分布式传感系统中的应用 38 Part3光纤光栅应用 39 3S SmartSkinSmartMaterialSmartStructure 40 分布式光纤传感器测量是运用光纤的一维特性进行测量的技术 它可同时获得被测量的空间分布状态和随时间变化的信息 它可以在整个光纤上对沿光纤分布的环境参数进行连续测量 在理论上 它可以把被测量作为光纤位置长度的函数 能得到任意大小的分辨率 分布式光纤传感系统 41 1 反射法 利用光纤在外部扰动作用下产生的Reyleigh Raman Brillouin等效应进行测量的方法 2 偏振光时域反射法 POTDR 利用后向散射光的偏振态信息进行分布式测量的技术 3 波长扫描法 WLS 用白光照射保偏光栅 运用快速Fourier算法来确定模式耦合系数的分布 4 干涉法 利用各种形式的干涉仪或干涉装置把被测参量对干涉光路中光波的相位调制进行解调 从而得到被测参量信息的方法 42 准分布式光纤光栅传感结构 准分布式光纤光栅传感系统 光纤光栅技术与应用 43 1 在光敏光纤同一位置重叠写入两个具有不同Bragg波长的光栅来区别温度和应变效应 2 利用同一光纤Bragg光栅的一阶和二阶衍射效应来区别出温度和应变效应 3 采用特殊封装 埋入方式的方法来消除温度 应力的交叉敏感问题 光纤光栅温度去敏 光纤光栅技术与应用 光纤光栅的温度去敏 44 光纤光栅温度补偿装置结构 45 采用空心玻璃球提高光纤光栅压力灵敏度 46 准分布式光纤光栅的信号解调 准分布式光纤光栅传感 光栅复用技术 是光纤传感器独有的技术 能实现沿光纤铺设路径上分布场的测量 显著降低系统成本 减少引线 光纤光栅通过波长编码易于实现复用 这种复用光纤光栅传感器在大型结构 如水坝 桥梁 建筑物及飞行器等 的安全监测方面有极为广阔的应用前景 47 多波长移动探测解调技术1 利用光谱仪进行反射波长的扫描 2 通过匹配光栅法检测光纤光栅的反射波长 3 利用 可调谐法布里 珀罗腔 方法检测光纤光栅的反射波长 4 利用线阵CCD来同时探测多个光纤光栅反射波长的移动 48 光纤光栅的封装 在混凝土注入的过程中 由于混凝土中所含有的大量碎石的移动可能造成所埋入光纤的损伤 同时 混凝土中所含的水或羟基离子在应力作用下与光纤表面进行反应会加速光纤表面微裂纹的生长 最后导致光纤强度的削弱 另外 采用特定的封装方式还可对由温度造成的光纤光栅反射波长的漂移进行补偿 49 将光纤两端固定在夹具上 移动其中一个夹具使得光纤光栅受到预应变 此时利用溅镀技术 在光纤中含有布拉格光栅的部分镀上一层薄金属层 再利用电化学方式在薄金属层上镀一层金属 假设为铜 此层金属和待测结构物相同 镀上铜后 将光纤自夹具取下 光纤的预应变即会马上消失 恢复到原先的初始状态 而布拉格光栅的预应变则被固定住 此时利用光谱分析仪所看到的光谱即为传感器未受腐蚀的光谱 当腐蚀发生时 由光栅所反射回来的光谱便会产生漂移 观察漂移量 再利用数学方法计算出腐蚀量 光纤光栅腐蚀检测 50 光纤光栅的应用几乎渗透在光纤通信系统的每个角落 有关专家预言 光纤光栅技术和器件将为正在蓬