第八章 光纤光栅传感器.ppt

第八章光纤光栅传感器,光纤的紫外光敏性,1978，K.O.Hill，加拿大渥太华研究中心发现光纤的光敏性,光纤光栅,1989，G.Meltz，美国联合研究中心，侧向写入法，通信波长的光纤光栅。,UV,125m,光纤光栅的重要性,光纤光栅的实质是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜，利用这一特性构成光纤无源器件,传输损耗低、抗电磁干扰、质量轻、柔韧、化学稳定及电绝缘,光纤光栅在光纤通信系统中的重要作用，类似于传传统光学中透镜的作用,FBG（fiberBragggrating)型高精度应用问题解调技术复用技术LPG(longperiodgrating)型灵敏的温度、应力传感器机械感应式LPG,光纤光栅传感器,1、光纤光栅的原理2、光纤光栅的制作3、光纤光栅的应用4、光纤光栅技术的展望,1、光纤光栅的原理,FBG是通过紫外光曝光的方法，使光纤纤芯内产生折射率的周期性变化，其分布函数可以表示为：,z是沿光纤纵向的坐标，0是光栅起点的周期；ndc是有效折射率微扰的直流分量；nac是有效折射率微扰的交流分量；是一个附加的相位项，表示光栅的啁啾，它们都是z的函数。,光纤光栅的模式耦合理论,在光栅区域，光纤芯区光场满足方程：,而光栅中的光场包括前向基模、后向基模和包层模，因此，可以表示为：,将它带入光场方程，通过化简可以得到,利用模式之间的正交性，光纤中传输的两个光波，只有当其传播常数1，j满足Bragg条件：,这两个波之间会才发生能量的耦合。,光纤Bragg光栅（FBG）,（1）当1-（-1）=2/时，即同向纤芯基模与反向纤芯基模之间满足相位匹配时，该光栅被称为Bragg光栅（FBG）,LPG,LPG（长周期）,（2）特别的1-j=2/时，即纤芯基模与同向传输的包层模之间满足相位匹配时，该光栅被称为长周期光栅（LPG）,R()是某一入射光波长的反射率；,FBG的反射谱和群时延特性,()定义为中心波长为(在反射谱带宽内）的光波波包从它入射到反射出光栅所经历的时间为群时延响应。,FBG的特性,A、均匀光栅B、切趾光栅C、啁啾光栅,几类FBG的折射率分布,由耦合波理论得到耦合波方程：dR(z)/dz-j(z)R(z)=-j(z)S(z)dS(z)/dz+j(z)S(z)=j(z)R(z)这里仅考虑了前向模和后向模的耦合，而忽略了基模和包层模的耦合。其中R(z)=A(z)exp(-j()z)S(z)=B(z)exp(-j()z),均匀光栅的解析解,A(z)和B(z)分别为前向和后向传输场的场振幅。是基模的传输常数。为前向模与后向模之间的相位失配，是光栅的耦合系数。N为光纤芯区中传输能量的百分比。代入边界条件R（-L/2)=1，Sj(L/2)=0可以分别得到光栅中反向和正向传输场的复振幅,均匀光栅的反射谱和群时延响应,反射谱曲线时延曲线,啁啾光纤光栅,传输矩阵法,每经过一小段均匀光栅后，前向和反向模的变化为Fi*,整个光纤光栅可表示为F*,F=FM*FpM*FM-1*FpM-1*F1,啁啾光栅的反射谱和群时延响应,反射谱曲线群时延曲线,反射谱曲线群时延曲线,反射谱和时延纹波的影响,群时延纹波的影响,反射谱波动的影响,光纤光栅的计算方法,光栅谱计算方法,ErdoganT.Fibergratingspectra,J.ofLightwaveTechnol.1997,15(8):1277-1294,2、光纤光栅的制作,光纤光栅的制作方法有很多种，如纵向驻波干涉法，双光束横向干涉写入法，相位模版法等。其中相位模版法以其工艺简单、重复性好、成品率高、便于大规模生产、光栅周期与光源无关等优点而得到广泛的应用。,前提：光敏光纤,普通光纤氢载,光纤中掺入光敏性杂质，如：锗、锡、硼等；或多种掺杂。,成栅的紫外光源,准分子激光器窄线宽准分子激光器倍频Ar离子激光器倍频染料激光器倍频OPO激光器,相位模版法制做光纤光栅,LaserBeam,-1级,+1级,0级3%,TranslationofUVBeam,相位模板,光敏光纤,n0,n0+neff,n,光斑逐点扫描，通过控制曝光量来控制折射率振幅改变量,KrF准分子激光器,相位掩膜板,环行器,EDFA,光敏光纤,光谱仪,汇聚柱透镜,计算机,驻点扫描法,高精度扫描平台,UV,例如，模版的刻蚀周期为m=1068nm,光栅周期=m/2=534nm，光纤有效折射率Neff=1.45,反射谱中心波长：B=2Neff=1550nm.,FBG作为滤波器最大的问题是反射谱的旁瓣。它由于光纤光栅两端折射率突变引起边界效应导致的。旁瓣会给其它信道带来窜扰。折射率调制振幅不连续、外界扰动、光纤的不均匀、相位掩模板的接缝误差等会引起FBG的群时延抖动。抑制旁瓣和纹波的主要方法是采用切趾型光栅，就是使两端折射率分布逐渐递减至零，消除了折射率突变，可以分为高斯切趾、余弦切趾、采样函数切趾等。,光纤光栅的切趾,切趾的作用,反射谱曲线时延曲线,普通,切趾,反射谱曲线时延曲线,光纤光栅的封装,光纤光栅的温度特性0.014nm/,窄带滤波器宽带带阻滤波器梳状带阻滤波器光脉冲压缩光纤色散补偿光纤激光器波分复用器放大器增益平坦光纤传感器模式转换器,光纤光栅的波长选择反射特性、时延特性以及中心波长对外界条件的敏感性等特征,3、光纤光栅的应用,G.652光纤在1550nm附近典型参数为色散量在17ps/km/nm左右1000/17=59km;60/17=4km目前多数G.655光纤的色散量多在68ps/km/nm左右1000/7=143km；60/7=9km,无论是在G.652光纤还是在G.655光纤上开通10Gbit/s以上的系统都需要色散补偿。色散补偿是超长距离光纤通信系统的关键,光纤光栅色散补偿,啁啾光纤光栅ChirpedFibreBraggGratings,啁啾光栅用作色散补偿,啁啾光栅的色散：2neffL/c/Dlcneff：有效折射率；c：光速Dlc：光栅两边缘反射波长之差.5cm长的线性啁啾光栅可以补偿100km的10Gb/(光谱宽度0.3nm)传输线的色散,优点：体积小、插损小、低非线性易调谐等。,色散补偿光纤光栅测试结果,啁啾光栅的折射率调制周期延轴向呈线性变化时，即，光栅的时延曲线为一条直线。,误码率曲线与眼图,(b)3100km,(a)1500km,波长选择特性的应用,FBG波长选择特性的应用主要有滤波器、光纤激光器、光插分复用器OADM、EDFA增益谱均衡器等。,反射型光纤光栅作为滤波器的应用方式,增益平坦滤波器,光纤光栅激光器,线性腔光纤光栅激光器,环形腔光纤光栅激光器,可选波长激光器,由于取样光栅的反射谱是多个反射峰，所以取样光栅可以作为多信道的滤波器。当设计特殊的取样函数，可以得到平坦交叉群组滤波器（Interleaver）。下图是信道间隔12.5G的Interleaver。,典型应用,宽带光源,探测器,耦合器,光纤光栅,Bragg光纤光栅的特性,温度0.014nm/应变=2n+2n应力作用的形变，n弹光效应1.22pm/u=l/L磁场Faraday效应，引起左旋光和右旋光的折射率发生不同变化2n+-2n-v=810-5n+n-VH/2pi,波长编码,光纤光栅传感器的最大优点波长编码的绝对测量抗干扰能力易于成阵,scanningfilters,tunablelaser,Opti