（光学专业论文）光纤光栅传感系统的无线传输、解调与封装技术的研究与应用.pdf

南开大学博士学位论文 摘要 自从光纤光栅 f b g 出现的短短二十多年中 光纤光栅传感技术 得到了快速的发展 并逐渐应用到军事和民用工程领域里 广阔的应用 前景使其在光纤通信 光纤传感等领域中具有重要变革性的地位 光纤 光栅传感技术是将光输入光纤光栅 如b r a g g 光纤光栅 中 当满足光 反射 或透射 匹配条件时 其反射 或透射 光谱在匹配位置将出现 峰值 光栅受到多种外部物理场作用时 光栅栅格间距改变 反射光波 长 将发生变化 根据入值的变化可以计算出待测物理场 如应力 应 变 温度 位移 电流 电压 振动强度 加速度 流量等 的变化 由予光纤光栅本身具有无电磁感应性 化学稳定性高 容量大 精度高 等优点 这种光纤光栅传感器在工业 国防 外空探测 环境监测 医 疗等领域中拥有广阔的应用前景 本文主要以光纤光栅作为传感元件 利用光纤光栅反射波长漂移与外界环 境变化呈线性关系的原理 对光纤光栅的封装 解调 无线传输以及应用等多 方面进行深入的研究 主要内容包括 一 采用各种材料 工艺和结构的设计封装光纤光栅传感器 用来改善 光纤光栅对外界环境的灵敏度 1 首次设计并实现了采用两种聚合物均匀混合后对布拉格光纤光 栅的封装 在恒温下对封装后的光栅进行了压力实验 实验表 明这种材料是一种比较好的封装材料 用封装后的光栅对压力 有很高的灵敏性 在0 1 0 m p a 的范围内压力灵敏度为一1 2 2 1 0 m p a 是裸光栅压力灵敏度的6 2 倍 是同类结构报道的 2 倍 2 首次设计并实现了免受温度影响的压力传感器 将光纤光栅一 部分封装到金属管内的独特结构不仅大大提高了其压力灵敏 度 在低压力范围内 0 0 4 4 m p a 具有高灵敏度的特性 而 且利用这种方法能够在一定的温度范围内避免其温度交叉敏感 的问题 这种封装方法简单方便 只要采用一根光纤光栅就能 够避免温度参量的变化给光纤光栅压力传感器所带来的干扰 这种结构在一定程度上解决了上述问题 南开大学博士学位论文 3 首次合作设计并实现了光纤布拉格光栅轮辐式压力传感器的研 制 该传感器测量压力范围大 向光纤光栅的实用化方向迈进 步 实验研究了光纤布拉格光栅轮辐式传感器的传感特性 这种传感器压力测量范围为0 3 0 k n 其灵敏度为一2 1 7 2 1 0 k n 线性拟和度可高达0 9 9 9 这说明光纤布拉格光栅是理 想的压力传感元件 可以应用在复杂工业环境下的压力测量以 及汽车衡 轨道衡 皮带秤等衡器上 4 设计并实现了对b r a g g 光纤光栅用两种聚合物材料均匀混合后 封装 并做了温度实验 实验可知此温度传感元件在3 0 到8 0 范围内具有较高的温度灵敏度 是裸光栅温度灵敏度的1 1 倍 在8 0 到2 3 0 范围内温度灵敏度较低 是裸光栅的4 5 倍 有 较好的线性拟合度 二 完成g s m 无线传输技术的光纤光栅传感系统的研制 1 对双折射光纤环形镜级联滤波特性进行了理论分析 并得出了表 达式 实验表明 理论与实验相符 多个串联的光纤环形镜滤波 器比单个光纤环形镜滤波器有更加灵活的特点 使光纤环形镜具 有了新的滤波特性 因此它有更加广阔的应用前景 2 首次设计并合作完成了采用高双折射光纤环形镜滤波器的温度 补偿 双折射环形镜粘贴于大热膨胀系数的基底材料 使双折射 光纤环形镜对应变产生的漂移补偿其对温度产生的漂移 经过封 装后双折射光纤环形镜对温度的灵敏度降低到0 0 5 9 n m 将其 温度灵敏度降低了两个数量级 这种方法筒单可行 在一定程度 上解决了双折射环形镜温度敏感的问题 3 首次合作在完成解调 光电检测和数据处理部分具体设计的基础 上 建成基于无线g s m 网的光纤光栅传感系统 成功的实现了 数据传输 并将其成功的用于标准等强度梁的应变分布的传感测 量 该系统在大型重要建筑物应变安全的远程监测方面的应用前 景广阔 三 设计并研制了光纤型的液体泄漏检测系统 1 采用长周期光纤光栅传感装置进行液体泄派检测 将长周期光纤 光栅进行封装 并进行了温度实验 实验表明采用长周期光纤光 栅可以检测折射率较大的液体泄漏 本实验装置采用光强型检测 方式避免了波长解调的复杂方案 南开大学博士学位论文 2 首次采用长周期光纤光栅和布拉格光纤光栅混和级联的方法进 行液体泄漏检测 长周期光纤光栅作为传感探头 布拉格光纤光 栅作为参考光栅 利用边缘滤波方法对液体泄漏进行检测 此方 案提高了光纤光栅对折射率的灵敏度 对折射率较低的液体也可 以进行泄漏检测 3 首次设计并实现了单路多点液体泄漏检测光纤传感系统 利用光 纾端面作为传感探头对各种液体泄漏进行检测 并提出多路多点 并联的方案 利用多点光纤探头并联的方案不仅能够扩大系统的 监测范围 而且能够对泄漏液体进行量化的报警 还可以降低光 纤探头的测量误差 对该系统进行了温度稳定性的实验 实验表 明这种传感器对温度变化并不敏感 适用于实际中的应用 本文主要创新点 一 首次研制了金属管分段封装压力传感器 其压力灵敏度是裸光 栅的1 2 0 0 倍 而且该结构避免了温度交叉敏感闯题 同时研制了聚合物 封装的光栅压力传感器 是同类结构报道的2 倍 二 完成光纤光栅传感阵列无线传输系统的研制 首次对双折射光 纤环形镜级联滤波特性进行了理论分析和实验验证 并提出了这种滤波 器的温度补偿方案 其温度灵敏度降低了两个数量级 并应用到实验中 具有应用前景 三 首次研制了储油罐液体泄漏检测多探头光纤传感系统 实验表 明这种系统能够设置多阈值对泄漏液体可进行量化报警 该系统具有测 量误差小 不受温度影响 可靠性离 适用于实际应用 关键词 布拉格光纤光栅 长周期光纤光栅 传感器 温度 应变 压力 温 度补偿 聚合物 封装 h i b i 光纤 光纤环形镜 边缘滤波 解调 g s m 光 纾型传感器 折射率传感器 压力传感器 温度传感器 阵列传感 单模光纤 i l l 南开大学博士学位论文 a b s t r a c t s i n c ef i b e rb r a g gg r a t i n g f b o h a sc o m ei n t oe x i s t e n c ef o rt w e n t yy e a r s f i b e rg r a t i n gt e c h n o l o g y d e v e l o p ss of a s tt h a tj 1i sa p p l i e dt ot h ef i e l do fm a r t i a la n dc i v i l i a ni n f r a s l r u c t u r e s i ts h o u l db en o t e d t h a tf b g sa r ea l s oa p p l i e dt of i b e rc o m m u n i c a t i o na n df i b e rs e n s i n gt e c h n o l o g i e s t h ep r i n c i p l eo f f b gs e n s o ri st h a tw h e nr e f l e c t i o nl i g h tm e e t st h em a t c h i n gc o n d i t i o n t h er e f l e c t i o nw a v e l e n g t hw i l l t u r n 叩 a st h eg r a t i n gi s a f f e c t e db ye n v i r o n m e n t a lf a c t o r ss u c ha ss t r e s s s t r a i n t e m p e r a t u r e d i s p l a c e m e n t c u l t e n t v o l t a g e v i b r a t i o n a c c e l e r a t i o n f l u xe ta l t h er e f l e c t i o np e a kw a v e l e n g t ho f f b gw i l lm o v e a n dt h u st h ea b o v ep a r a m e t e r sc a nb ed e t e c t e d t h e s es e n s o r sa r ep r o m i s i n gi nm a n y f i e l d ss u c ha si n d u s t r y s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y n a t i o n a ld e f e n d i n gc o n s t r u c t i o n s s p a c ed e t e c t i o n e n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g a n dm e d i c a le x a m i n i n g e ta 1 i nt h i sd i s s e r t a t i o n c o n s i d e r i n gt h el i n e a rr e s p o n s eo fi t sr e f l e c t i o nw a v e l e n g t ht ot h ee n v i r o n m e n t a l f l u c t u a t i o n s f b gi ss t u d i e d t h es e n s i n gc o m p o n e n t p a c k a g i n g w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n d d e m o d u l a t i o no fs e n s o rs y s t e ma l et 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 yi n v e s t i g a t e d t h em a i nc o n t e n t s a r ei i s t e da sf o l l o w s 1 t h ef b gp a c k a g i n gi sa c h i e v e db yu t i l i z i n gd i f f e r e n tk i n d so fm a t e r i a l s c o n f i g u r a t i o n s a n d t e c h n o l o g i e st oi m p r o v ei t ss e n s i t i v i t y 1 a nf b gw a sp a c k a g e dw i t ht w ot y p e so fp o l y m e r st op a c k a g et h ef b gt h ep r e s s u r e e x p e r i m e n t sa t ep e r f o r m e da tr o o ml e m p e f m u r c i tc b ef o u n dt h a lf i b e rg a t i n gp a c k a g e d w i t hp o l y m e r sh a sh i g hs e n s i t i v i t yt oo u t s i d ep r c s s u r cr a n g i n gf r o m0t o1 0m p a t h e m e a s u r e dp r e s s u r es e n s i t i v i t yi s 1 2 2 x 1 0 4 m p a w h i c hi sb e y o n d6 2t i m e sa n d2t i m e s a st h o s eo f ab a r ef i b e rg r a t i n ga n dt h es e n s o rw i t hs a m es t r u c t u r e r e s p e c t i v e l y 2 a nf b gp r e s s u r es e n s o rt h a ti sp a r t l yp a c k a g e db yam e t a lt u b ei sd e m o n s t r a t e d t h e t h e r m a l s t r a i nc r o s se f f e c ti sa v o i d a b l e m o r e o v e r f r o m0t oo 4 4m p a i t sp r e s s u r e s e n s i t i v i t yr e a c h e s 2 4 4 x l o 3 m p a a b o u t1 2 0 0t i m e sa st h a to fab a r ef i b e rg r a t i n g t h i s p a c k a g i n gm e t h o dw o r k ss os i m p l ya n dc o n v e n i e n t l yt h a tt os o m ee x t e n d t h et e m p e r a t u r e e f f e c tc o u l db ea v o i d e db yu s i n go n l yas m eg r a t i n g 3 as p o k e s t y l e f b gp r e s s u r es e n s o ri sa c h i e v e d i t s s e n s i t i v i t ya n dl i n e a r i t ya r e 2 1 7 2 x 1 0 5 k na n do 9 9 9f r o m0t o3 0k n r e s p e c t i v e l y i ti sa p p a r e n tt h a tf b gi s a p p l i c a b l et ob eu s e da sp r e s s u r ee l e m e n ti nv a r i o u sw e i g h i n ga p p l i c a t i o n s 4 p a c k a g i n gt h ef i b e rb r a g gg r a t i n g f b g w i t ht w od i f f e r e n tp o l y m e r si sp e r f o r m e da n di t s t e m p e r a t u r e d e p e n d e n tc h a r a c t e r i s t i c sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d t h es e n s i n gc o m p o n e n ti s h i g h l yt e m p e n t u i c s e n s i t i v ea t3 0 c 一 8 0 c a b o u t1 1t i m e sa st h a to ft h en a k e d f i b e m w h i l ei t st e m p e r a t u r e s e n s i t i v i t yi sr e l a t i v e l yl o w e rf r o m 8 0 ct o2 3 0 cf 4 5t i m e sa st h a to f v 南开大学博士学位论文 t h eb a r eo n e s w i t hf a i r l yg o o dl i n e a rc o r r e l a t i o n 2 w eh a v ea c c o m p l i s h e df i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s i n gs y s t e mb a s e do ng s mw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n st e c h n i q u e i t h ec h a r a c t e r i s t i c so fa no p t i c a lf i l t e rb a s e do nc a s c a d e dh i g h b i r e f r i n g e n c ef i b e rl o o p m i r r o r sa r ea n a l y z e di nd e t a i l t h et r a n s m i s s i o nf e a t u r eo ft h i sf i l t e ri st h e o r e t i c a l l y d i s c u s s e da n da na n a l y t i c a lf o r m u l ao ft h eo u t p u ti n t e n s i t vi sa c q u i r e d1 1 h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sa r ei ng o o da g r e e m e n tw i t ho u rn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nt h eo p t i c a lf i l t e rb a s e do n c a s c a d e dh i g h b i r e f r i n g e n c ef i b e rl o o p si sm o r ef l e x i b l et h a nt h es i n g l e s t a g eo n e w h i c h e n s u r e si th a sp o t e n t i a la p p l i c a t i o n si nt h ef u l u r e 2 an o v e lt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nm e t h o do fh b fl o o pm i r r o ri sp r e s e n t e di ns u c ha s c h e m e t h eh b fi sm o u n t e do nap i e c eo fm a t e r i a l sw i t hp o s i t i v et h e r m a le x p a n s i o n c o e 币c i e n t i t st e m p e r a t u r es e n s i t i v i t yc a nb ed e c r e a s e dt o00 5 9n m k w h i c hi st w oo r d e r s o f m a g n i t u d el o w e rt h a nt h a to f a l lu n c o m p e n s a t e dh b fl o o pm i r r o ri ti sf e a s i b l et h a th b f l o o pm i r r o rp a c k a g e dw i t hal a r g et h e r m a l e x p a n s i o nm a t e r i a li si n s e n s i t i v et oa m b i e n t t e m p e r a t u r ep e r t u r b a t i o n t h i st e c h n i q u e j sb e n e f i c i a l t o t h e p r a c t i c a l i t y o f l o o p m i r r o r f i l t e r b a s e df i b e rs e n s o r s 3 b a s e do nt h ea b o v ew o r ko nd e m o d u l a t i o n p h o t o e l e c t r i cd e t e c t i o na n dd a t at r a n s m i s s i o n s y s t e m s w ec a r r yo u tt h eg s m b a s e df i b e rg r a t i n gs e n s i n gs y s t e m w h i c hi s u t i l i z e dt o m e a s u r et h es t r a i nd i s t r i b u t i o no ft h es t a n d a r d e q u i v a l e n t s t r e n g t h b e a ma n dt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa g r e ew e l lw i t ht h et h e o r e t i c a lo u t c o m e 3f i b e rs e n s i n gs y s t e mf o rl i q u i dl e a k a g ed e t e c t i o ni sd e s i g n e da n da c c o m p l i s h e d 1 al o n gp e r i o dg r a t i n gs e n s i n g a p p a r a t u si sd e s i g n e df o rl i q u i dl e a k a g ed e t e c t i o n t h e p a c k a g e dl o n gp e r i o dg r a t i n gi sm e a s u r e du n d e rv a r i o u st e m p e r a t u r e s w h i c hi n d i c a t e st h a t t h i sa p p a r a t u sc a nb ea p p l i c a b l ef o rh i g hi n d e xl i q u i dd e t e c t i o nw a v e l e n g t hd e m o d u l a t i o n i sa v o i d a b l e 2 w ed e m o n s t r a t ean o v e ls e n s o r w h i c hu s e st h ed i f f e r e n c eb e t w e e nl i q u i di n d e xr e s p o n s e s o faf i b e rb r a g gg r a t i n ga n da l o n gp e r i o df i b e rg r a t i n gt ol i q u i dl e a k a g el o n gp e r i o d g r a t i n ga ss e n s o ra n df i b e rb r a g gg r a t i n ga sr e f l e c t i o nl i g h ts o u r c ea r eu s e dt od e t e c tl i q u i d l e a k a g ew i t ha ne d g ef i l t e r t h i ss t r u c t u r ec a ni m p r o v et h el i q u i di n d e xs e n s i t i v i t y b y w h i c hl o wi n d e xl i q u i dc o u l da l s ob ed e t e c t e d 3 as i n g l eu n i tw i t hm a n ys e n s o r si sp u tf o r w a r dt oc o n s t i t u t eaf i b e rs e n s i n gs y s t e mf o r l i q u i dl e a k a g ed e t e c t i o nt h ep r i n c i p l eo ft h i ss y s t e mi sb a s e do nt o t a li n t e r n a lr e f l e c t i o ni n s i n g l e m o d ef i b e r a n dc r o s ss e c t i o no f t h ef i b e ri su s e da ss e n s i n gp r o b et od e t e c tv a r i o u s k i n d so fl i q u i dw ep r e s e n tm u l t i p r o b e sc o n s t r u c t i o nt oe n l a r g et h ed e t e c t i o na r e a e s t i m a t e v 南开大学博士学位论文 t h el e a k a g ea m o u n t a n dd e c r e a s et h ed e t e c t i o ne r r o r sa sw e l l t a k e nu n d e rv a r i o u s t e m p e r a t u r e s t h e s e n s i n gs y s t e mk e e p si n s e n s i t i v et ot e m p e r a t u r e w h i c hi n d i c a t e st h e a b o v es y s t e mi ss u i t a b l ef o rp l a c t i c a la p p l i c a t i o n s k e yw o r d s f i b e rb r a g gg r a t i n g l o n gp e r i o df i b e rg r a t i n g s e n s o r t e m p e r a t u r e s t r a i n p r e s s u r e t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n p o l y m er p a c k a g e h i g hb i r e f f i n g e n c ef i b e lf i b e rl o o pm i r r o r e d g e f i l t e r i n g d e m o d u l a t i o n g s m f i b e rs t y l es e n s o r r e f r a c t i v e i n d e xs e n s o r p r e s s u r es e n s o l t e m p e r a t u r es e n s o r a r r a ys e n s i n g s i n g l e m o d ef i b e r v 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集 保存 使用学位论文的规定 叫意如下各项内容 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版 并采用影印 缩印 扫描 数字化或其它手段保存论文 学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务 学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版 在不以赢利为目的的前 提卜 学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动 学位论文作者签名 亭 7 衙挥 os 年s r i b 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师指导下 进行 研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的 已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体 均已在文中以明确方式标明 本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担 学位论文作者签名 三 f 衙增 d 缉r 月27 日 南开大学博士学位论文 1 1 光纤光栅的历史 第一章绪论 1 1 1 光纤光栅的诞生 光纤光栅是利用石英光纤的紫外光敏特性将光波导结构直接做在光纤上形 成的光纤波导器件 它的严格理论是耦合波理论 入射光波和光纤光栅相互耦合 满足一定条件波长的光波被反射回来 而其余波长的光则通过 由于光纤通信产业的飞速发展 许多科研院所和高校都对光纤进行了广泛的 研究 1 1 4 1 加拿大渥太华通信研究中心的kh i l l 等人首次在1 9 7 8 年观察到掺锗 的石英光纤中具有光敏的特性 l 5 并展示了在光纤芯形成光栅的可行性 但是 由于制造技术上的困难 很难重复制作出相同的光纤光栅 在1 9 8 9 年 美国联 合技术研究中心的gm e l t z 等人以准分子激光泵浦的可调谐倍频染料激光器作 为光源 其输出的波长为2 4 4n z i l 的紫外光 同时采用横向侧面曝光法在掺铒石 英光纤上制作出世界上第一根b r a g g 光纤光栅 其波长位于通信波段 1 6 1 9 9 3 年 h i l l 等人又提出了位相掩模的写入技术 1 日 这样就极大地降低了对写入光源 相干性的要求 同年 p j l e m a i r e 等人提出了简单而有效的光纤敏化技术 低温 高压载氢技术 这项技术可以使光纤光敏性提高两个数量级 人们可以不必使用 价格昂贵的高浓度掺锗光纤 而仅在普通通信光纤上就能容易地制作出高反射率 的光纤光栅l l 8 随后 a s k i n s 等人又发明出在光纤拉制过程中在线写入光纤光 栅的制作方法l 9 1 因此 光纤光栅制作起来更加灵活 方便 使得这种光纤器 件具有了可重复性 批量生产成为可能 光纤光栅的研制成功 成为继掺杂光纤 放大器技术之后 光纤领域中重要的进展1 1 1 叭 现在 已有多种方法可以在光纤 中形成相位光栅 近年来 世界各地的许多研究部门和大学 如加拿大的通信研 究中心 美国海军实验室 英国南安普顿大学等均成功地制作了光纤光栅 光纤光栅具有许多优良的特性 如其具有插入损耗低 对偏振不敏感 与普 通光纤接续简便 感应的信息为波长编码 具有优良的窄带 平顶的光谱响应特 性等 其在光纤通信系统中应用极为广泛 如激光器波长稳定器 拉曼放大器 第一章绪论 波分复用中解复用器 色散补偿器 e d f a 增益平坦滤波器等 目前 光纤光栅 已发展成一个研究热点 并逐渐开始用于光纤通信和光纤传感系统中 1 1 2 光纤光栅的种类 光纤光栅是利用光学介质的折射率发生周期性变化的特性来把光纤做成具 有精确控制不同波长反射率的反射镜 就可以实现把反射镜直接做进光纤的目 的 光栅的周期和长度以及折射率调制深度决定着光栅在一定波长范围内反射率 的高低 从而决定它能否作光通信的波分复用器件 激光器或者传感器应用中的 窄带高反射率反射镜或消除光纤放大器中有害激光频率的波长选择滤光器 一 根据光纤光栅栅格周期的分布是否均匀 可将其分为均匀周期光纤光栅和非 均匀周期光纤光栅两大类 1 均匀周期光纤光栅 u n i f o r mg r a t i n g 其表示的是这种光纤光栅的栅格 周期为均匀沿轴向分布 其折射率调制深度为常数 其种类分别有下面介绍的几 种 光纤布拉格光栅 f i b r eb r a g gg r a t i n g c l a d d i n gb r a g gg r a t i n g f i b e rc o r e i n c i d e n tl i g h t c r e f l e c t e dl i g h t 九b 图1 i 1 光纤布拉格光栅的结构示意图 7 r r a n s m i t t e d l i g h t 布拉格光纤光栅是最普遍的一种光纤光栅 其栅格周期小于1 0 0 t m 光纤 光栅具有特定的中心反射波长 光纤光栅是通过改变光纤芯区的折射率 产生小 的周期性调制而形成的 其光栅周期与折射率调制深度均为常数 折射率变化通 常在1 0 5 1 0 3 之间 光栅波矢方向与光纤轴线方向一致 当入射光经过光纤光栅 时 对满足布拉格相位匹配条件的光会产生很强的反射 对不满足布拉格条件的 入射光由于各个光栅面反射的光相位不匹配 于是只有很微弱部分光被反射回 来 利用光纤光栅可以用窄带带阻滤波器 波长调节器 温度压力等参量的传感 探头等多种用途 因此这种光栅在光纤激光器 光纤通信领域和光纤传感领域都 有广泛而重要的应用1 1 1 1 d 1 3 1 布拉格光纤光栅的结构示意图如图1 1 1 所示 南开大学博士学位论文 长周期光纤光栅 l o n g p e r i o df i b e rg r a t i n g 长周期光栅是周期大于1 0 0 微米的光栅 由于周期长 它与布拉格光栅的光 传输特性和测量敏感原理都不同 l p g 的基本原理是将前向传输的基模耦合至 前向传输的离散 圆对称的n 阶包层模中 在传输一段距离之后 就被迅速衰减 掉了 这种耦合与波长有关 它可以作为一种理想的e d f a 增益平坦元件 4 包层模会受到外其他环境因素相互作用 外界环境变化就会对光纤的纤芯一包层 的传输特性产生调制 从而导致长周期光纤光栅的输出谱线产生漂移 这时只要 测量到长周期光纤光栅输出特征谱线的变化 即可得到被测量的变化 因此长周 期光纤光栅也可以用于较高精度的传感测量1 1 1 5 1 瑚l 闪耀光纤布拉格光栅 b l a z e df i b e rb r a g gg r a t i n g c l a d d i n gg r a t i n g f i b e rc o r c 图1 1 2 闪耀光栅的结构示意图 闪耀光纤布拉格光栅的光栅周期与折射率调制深度也均为常数 只是在光栅 制作过程中 将光栅的栅格方向与光纤轴线方向不严格垂直 从而产生一个小角 度 这样就形成闪耀光栅 如图1 1 2 在闪耀布拉格光栅中其波矢方向不与光 纤轴线方向一致 而形成一个固定的角度 这种光栅不但会引起反向导波模耦合 还会将基模耦合至包层模中 并被损耗掉f l 2 1 1 闪耀光纤光栅主要可以用于掺铒 光纤放大器的增益平坦滤波器1 1 忽l 光传播模式转换器 1 l 等 2 非均匀周期光纤光栅 n o n u n i f o i t ng r a t i n g 啁啾光纤光栅 c h i r pg r a t i n g 啁啾光纤光栅的栅格周期沿轴向变化 其间距不相等 不同的栅格周期对应 不同的反射波长 所以啁啾光栅能够形成很宽的反射谱带宽 在碉嗽光栅中最为 常见的两种光栅为线性啁啾和分段碉啾光栅 其中线性啁啾光纤光栅的纤芯折射 率是沿光纤的轴线方向呈线性单调变化的 如图1 1 3 所示 由于不同的栅格周 期对应于不同的反射波长 因此线性啁瞅光纤光栅能够形成反射带宽很宽 其宽 第一章绪论 度足以覆盖整个脉冲的谱宽 并且这种光栅具有稳定的色散 啁啾光栅的应用比 较广泛 主要用于做通信中波分复用系统的色散补偿和光纤放大器的增益平坦中 肄l 2 6 1 c l a d d i n gc h i r p e dg r a t i n g f i b e rc o r e i n c i d e n tl i g h t c 2 2 2 2 3 a 一 卢2s i n h2 s l s 2 c o s h2 s 上 v 一u 月 杀 等焉 成 2 2 2 3 b a 7 2 一盯2c o s 2 s 一 j 在光纤光栅的中心波长处 口 o g t i q a h 2 n 八 22 2 4 凡 五 t a n h2 碰 2 2 2 5 1 2 2 2 4 式为光纤布拉格光栅的布拉格公式 2 22 5 式为光纤斫i 拉格光栅的反 南开大学博士学位论文 射率表达式 光纤布拉格光栅的中心波长处的反射率最大 2 3 光纤光栅的传输矩阵分析法 2 1 0 2 1 3 j 上节我们介绍了均匀周期的光纤光栅的光谱特性 可以用耦合模理论对其 进行求解 但如果改变光纤光栅的滤波特性 就需要改变光纤光栅的栅格周期等 参量 因此就需要提高光纤光栅的设计要求 对于非均匀周期的光纤光栅利用耦 合模方程分析起来很复杂 难以得到解析解 a g r a w a l 等人提出了矩阵分析方法 2 1 4 2 1 5 而传输矩阵分析法可以将一个均匀或非均匀的光纤光栅分解成由一系列 小的均匀周期的光纤光栅串联而成 因此 只需要将每一小的均匀周期光纤光栅 的传输矩阵乘起来 就能得到总的光栅的传输矩阵 将光纤光栅分解成 盼小的均匀周期光栅 经过第i 个小光栅的前向和后向传 输光的模场振幅分别表示为彳j 和曰j 则有 毪 2 3 1 磊 l 五 墨 a q 2 岣c 2 3 2 对于反射型光栅 其中矩阵z 可写为 z c o s h o d l 一f 一s i n l l 龟哦 q f 墨s i l l h 臼毗 q i l c s i n h g d l i q c o s h 白啦 i s 协h 啦 q 2 3 3 其中d 矗是第i 个小光栅的长度 毒 和r 是此处光栅的耦合系数 并且 q 扛 万 2 3 4 对于布拉格光栅 令搿一爿 l 2 1 彤一口 l 2 0 求得碓即为 l 2 处的反射光模场振幅 由此可以得到整个光纤光栅的反射率等信息 对于透射型光栅来说 矩阵r 可写成 第二章光纤光栅传感原理 t c o s q d l 十f 上s i n q s i n l 一 j q i k i q d l s i nq d l j g c o s q d l 一i s i n q d l q 2 3 5 其中 q r2 十言 2 3 6 将边界条件代入 则可以得到整个光栅的光谱特性 如果把光纤光栅分解的越小 其光栅特性才能越接近实际的光栅光谱特性 所以m 不能取任意大的值 要使得也 l 成立 所以 m 竺竺 2 3 7 因此m 取大于5 0 的值就可以得到比较准确的结果 m 值越大就越接近实际光 栅光谱特性 对于准均匀周期的光栅 相移光栅或取样光栅 计算时只将每段 均匀光栅的矩阵直接相乘即可 对于非均匀线性啁啾光纤光栅和切趾光栅来说 只需要改变每段小光栅的耦 合系数就可以了 2 4 傅立叶变换分析法 傅立叶变换法也是一种分析光在光纤光栅中传输特性的常用方法 它可以用 于复杂的光栅模拟计算 其具有清晰 简单和快捷等特点 任一函数 o 的傅立叶变换可以表示为 o 一胪 v e x p i 2 a v x d x 2 4 1 f v t f f x e x p i 2 a v x d x 2 4 2 其中 i a 为空间频率 即单位长度上的周期数 布拉格公式a 2 h a 可知 波长为a 的光是否能被反射 要看光栅中有没有一种周期为a a 1 2 n 的周期结 构 因此假设光纤光栅的折射率分布函数为f x 则周期为a 一7 2 n 的傅立叶 分量为 南开大学博士学位论文 知 黧 霉壮 仁们 去膨 e x p 一z 塾警壮 一 同理 函数 z j 的傅立叶变换为 寺 弘 妻 e 喇等 d 妾 2 鼻 妻 寺 e x p f 警 m 2 4 5 t g 2 4 3 和 2 4 5 式可得 f 去 i 1q 二 1 2 4 6 因此只要求得函数 臼的傅立叶变换 即可求得折射率分布函数为 扛 的光纤光栅的反射谱 这种理论分析方法在光纤光栅的模板设计 取样光栅的光 谱分析等方面有重要的应用价值 这样可以为新型的光波导器件性能分析和优化 设计提供重兽的依据 2 5 布拉格光纤光栅传感原理分析1 2 1 6 光纤光栅可以用于传感领域 其传感过程式通过外界参量对布拉格中心波长 的调制来承载传感信息 由于光纤光栅具有十分独特的优点 如体积小 不受电 磁干扰 波长编码 防爆 耐腐蚀等 将成为十分具有发展前途的传感器件 2 5 1 布拉格光纤光栅应变传感模型 根据光纤光栅布拉格方程可知 光纤光栅的布拉格波长取决于光栅周期a 与反向藕合模的有效折射率 e g 任何使这两个参量发生改变的物理变化都会引 起布拉格反射波长的漂移 因此光纤光栅能作为传感器感知外界环境的变化 在 引起外界变化的物理量中最直接的因素是光纤光栅的应变或压力拉力对栅格周 期以及有效折射率产生影响 所以利用光纤光栅作为应力应变的传感器最为适 合 第二章光纤光栅传感原理 应力引起光栅布拉格波长的漂移可以表示为 a a b 置知町 a 2 加啊a 25 1 1 其中a a 为光纤在应力作用下的弹性形变 姗啊为光纤的弹光效应 外界不同应 力状态将导致 和血锄的不同变化 如果将旌加在光纤光栅上的应力可以在拄 坐标系下分解为仃 和口 3 个方向 将吒方向称为轴向应力作用 t 和吼方 向称为横向应力作用 当三方向都存在时 称为体应力作用 根据不同情况分别 建立不同应力作用的传感模型 2 1 7 12 瑚l 光纤光栅的传感模型建立在下面几点假设的基础之上的 1 光纤光栅作为传感元件只含有纤芯和包层 忽略所有外包层的影响 2 作为石英材料的光纤光栅在应力范围内为弹性体 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 且不影响 光纤自身力学特性 4 所有的应力都为静应力 一 各向同性介质中的虎克定理的一般形式 对于一般形式的虎克定理为 q c 口8 i j 1 2 6 式中口 为应力张量 为弹性模量 为应变张量 由于介质的各向同性 因此c 可化简 a 2 u l o 0 0 a 2 u 儿 o 0 0 a 2 z 0 o 0 0 00 00 0 00 0 z 0 0 0 p 0 00 p 其中a z 为蓝姆常数 可由材料弹性模量e 及泊松比 表示 2 5 2 2 5 3 如 如如 讲加以以出以 南开大学博士学位论文 洒 1 v x 1 2 v e 舻稠 此为均匀介质中的虎克定理 二 均匀轴向应力作用下光纤光栅传感模型 2 5 4 轴向应力为沿光纤光栅的纵向拉或压应力 此时分量仃 一p p 为压强 盯 盯 20 因此只有纵向应力 2 5 3 式可以写成 卧 p 一 p e p 2 5 5