光栅布拉格光栅及其传感特性研究

1、光栅布拉格光栅及其传感特性研究2一光纤光栅概述21.1光纤光栅的耦合模理论21.2光纤光栅的类型3121均匀周期光纤布拉格光栅31.2.2线性阴啾光纤光栅31.2.3切趾光纤光栅31.2.4闪耀光纤光栅41.2.5相移光纤光栅41.2.6超结构光纤光栅41.2.7长周期光纤光栅4二光纤布拉格光栅传感器52. 1光纤布拉格光栅应力传感器52. 2光纤布拉格光栅温度传感器62. 3光纤布拉格光栅压力传感器62.4基于双折射效应的光纤布拉格光栅传感器7三光纤光栅传感器的敏化与封装103. 1光纤光栅传感器的温度敏化103.2光纤光栅传感器的应力敏化1()3.2光纤光栅传感器的交叉敏感及英解决方法10

2、四光纤光栅传感网络与复用技术104.1光纤光栅传感网络常用的波分复用技术114.1.1基于波长担描法的波分复用技术124.1.2基于波长分离法的波分复用技术134.1.3基于衍射光栅和ccd阵列的复用技术134.4基于码分多ill.(cdma)和密集波分复用(dwdm)技术144. 2光纤光栅传感网络常用的空分复用技术144. 3光纤光栅传感网络常川的时分复用技术164.4光纤光栅传感网络的副载波频分复用技术184.4.1光纤光栅传感副载波频分复用技术184.4.2 fbg传感网络的光频域反射复用技术184.5光纤光栅传感网络的相干复用技术184.6混合复jij fbg传感网络18461 wd

3、m/tdm 混合 fbg 网络184.6.2 sdm/wdm 混合 fbg 网络184.6.3 sdm/tdm 混合 fbg 网络184.6.4 sdm/wdm/tdm 混利 fbg 网络184.6.5光频域反射复丿"波分复川混合fbg传感网络18五光栅光栅传感信号的解调方法18六激光传感器18光栅布拉格光栅及其传感特性研究一光纤光栅概述1.1光纤光栅的耦合模理论光纤光栅的形成基于光纤的光敏性，不同的曝光条件下、不同类型的光纤可 产生多种不同的折射率分布的光纤光栅。光纤芯区折射率周期变化造成光纤波导 条件的改变,导致一定波长的光波发生相应的模式耦合，对于整个光纤曝光区域, 可以由下列

4、表示折射率分布较为一般的描述：r <axr > a3（m）ql + f（“,z）（厂，0,z）= 2式中：4为光纤纤芯半径；勺为光纤包层半径；q为纤芯初始折射率；2为包层折射率；尸(几02)为光致折射率变化函数，在光纤曝光区，英最大值为）laxan唤为折射率变化最大值。光纤光栅区域的光场满足模式耦合方程:da（z）dzk（z）（z）expdbdzd-2）k（z）a（z）exp式中：4、b(z)分别为光纤光栅区域的前向波、后向波；鸟为耦合系数；g(z)与光栅周期和传播常数0有关。利用此方程和光纤光栅的折射率分布、 结构参量及边界条件，并借助于四阶runge-kutta数值算法，可求出

5、光纤光栅的 光谱特性。光纤光栅的不同光谱特性呈现出不同的传输或调制特性，因而可构成 不同功能的光线器件。1.2光纤光栅的类型光纤光栅按结构的空间周期分布是否均匀可分为：周期性光纤光栅和非周期 性光纤光栅。周期性光纤光栅制造简单，但其特性容易受到限制。非周期性光纤 光栅结构制造困难，但其特性容易满足各种要求。光纤光栅按功能可分为：滤波型光纤光栅和色散补偿性型光纤光栅。色散补 偿型光纤光栅属于非周期型光纤光栅，乂称为碉啾光纤光栅。光纤光栅按结构的空间周期和折射率的分布可分为：1.2.1均匀周期光纤布拉格光栅这是口前最常用的光纤光栅，多数情况下生产的属于均匀周期正弦型光栅。 由这种均匀光栅的光谱特性

6、可知，在一定带宽的谐振峰两边有一些旁瓣，这 是由于光纤光栅两端的折射率突变引起的fabry-perot效应所致。这些旁瓣分散 了光能量，不利于光纤光栅的应用，所以均匀光纤光栅的旁瓣抑制是表征其性能 的主要指标之一。1.2.2线性碉啾光纤光栅栅格间距不等的光栅，通常称为碉啾光纤光栅。不同的栅格周期对应不同的 反射波长，因此碉啾光纤光栅能够形成很宽的反射带宽。线性碉啾光纤光栅是折 射率调制幅度不变、周期沿光栅轴向线性变化的光栅，线性碉啾光纤光栅谐振峰 两边也有一些旁瓣，产生的原因与均匀光纤光栅一样，也不利于应用。1.2.3切趾光纤光栅切趾光纤光栅的周期是均匀的，折射率随一定的函数关系呈一个钟形包络

7、变 化，典型的包络函数冇高斯分布函数、超高斯分布函数、升余弦函数、帽粮函数、 柯西函数。这种光栅的两端折射率分布逐渐递减至零，消除了折射率突变，从而 使它的反射谱不存在旁瓣。1.2.4闪耀光纤光栅光栅制作过程中，如果紫外侧写光束与光纤轴不垂直，造成其折射率的空间 分布与光纤轴有一个小角度，但光纤光栅的周期和折射率调制深度均为常数，这 就形成了闪耀光纤光栅。闪耀光纤光栅的光谱特性类似于均匀光纤光栅，也有旁 瓣。1.2.5相移光纤光栅相移光纤光栅是在均匀光纤光栅的某些特点上，通过一些方法破坏其周期的 延续性而得到的。相移光纤光栅可以看做是若干个周期性光栅的不连续连接，每 个不连续连接都会产生一个相

8、移，它能够在周期性光栅的光谱阻带内打开一个透 射窗口，使得光栅对某一波长或多个波长有更高的选择度。1.2.6超结构光纤光栅超结构光纤光栅亦称为取样光栅，具折射率调制不是连续的，而是周期性间 断的，相当于在布拉格光栅的折射率正弦调制下加上一个方形包络函数，这是一 种特殊的光栅结构，它既有布喇格光栅的反射特性，亦有长周期光纤光栅的包层 模耦合特性。这种光纤光栅的反射谱具冇一组分立的反射峰，故可用做梳状滤波 器，在多波长光纤激光器、可调谐分布布拉格反射光纤激光器、以及多通道色散 补偿等方面有潜在的应用。另一方面，曲于方波包络的周期通常为几百个微米， 因此，超结构光纤光栅亦可看作是一个长周期光纤光栅，

9、它将引起基阶导波模与 包层模之间的耦合，在光栅透射谱中产生宽带损耗峰。由于包层模耦合引起的谐 振峰与布喇格反射峰对外界环境参量（如温度、应变、折射率等）具冇不同的响应 特性，故超结构光栅是一种理想的多参量传感元件。1.2.7长周期光纤光栅长周期光纤光栅的栅格周期远大于一般的光纤光栅，一般可达到儿百微米， 而一般布拉格光纤光栅的周期不到一微米。与光纤布拉格光栅不同，它不是将某 个波长的光反射，而是将特定波长的光耦合到包层屮损耗掉，从而在透射谱小形成宽带损耗峰，因此可用作掺饵光纤放大器(edfa)的增益平坦元件。另外，长 周期光纤光栅的波长选择特性会因外界应力、温度等因索的影响而改变。与普通 fb

10、g相比其对温度、应变等的灵敏度更高，且具有低反射、测量方法简便等优 点，是一种理想的传感元件，在光纤光栅传感领域有重要应用。此外莫尔光栅,tophat光栅等均为非均匀的光纤光栅，在通信与传感领域已 引起广泛关注。二光纤布拉格光栅传感器21光纤布拉格光栅应力传感器由耦合模理论可知，光纤布拉格光栅的中心反射波长为：仏=2嚅a(21)式中：为导模的有效折射率，a为光栅的栅格间距。当波长满足布拉格条件式(21)时，入射光将被光纤布拉格光栅反射回去。由公式(21)可知，光纤光栅的中心反射波长心随兀”和人的改变而改变。光 纤布拉格光栅对于应力和温度都是很敏感的，应力通过弹光效应和栅格间距a的 变化来影响加

11、，温度则是通过热光效应和热胀效应来影响九。a血 aa=f九 a当光纤布拉格光栅仅受应力作用时，折射率和栅格间距发生变化，引起中心 反射波长人移动，因此有：(2-2)式小：心旳为折射率的变化，aa为栅格间距的变化。光纤布拉格光栅产生应变时的折射率变化：-二-如/ (1-“)用2 -“=% 2式中：pe 二如/(1-“)2 -“al.£是轴向应力，“是纤芯材料的泊松比，匕、片2是弹光系数，(是冇效弹 光系数。假设光纤布拉格光栅是绝对均匀的，也就是说，栅格间距的相对变化率和光 栅段的物理长度的相对变化率是一致的。a al=£a l所以公式(22)可写成：孕=(1巧上(2-3)儿b

12、公式(23)就是裸光纤布拉格光栅应力测量的一般计算公式。2. 2光纤布拉格光栅温度传感器当光纤布拉格光栅不受应力作用吋，温度变化引起中心反射波长心的移动口j表示为:学=(匕+匚)心(2-4)式中：*=丄如=丄丝为光纤的热胀系数，描述光纤布拉格光栅的栅格间 a at l at距随温度的变化关系；丄沁为光纤的热光系数，描述光纤布拉格光栅的冇效折射率随温度的变化关系。从式(24)可以看出，血与厂之间呈线性关系，通过测量光纤布拉格光栅 的反射波长移动a血，便可以确定环境温度卩。公式(24)就是裸光纤布拉格光栅温度测量的一般计算公式。2. 3光纤布拉格光栅压力传感器外界环境的压力变化ap也会对光纤布拉格

13、光栅的中心波长产生影响。一般 裸露的光纤布拉格光栅的压力传感测量的理论公式如下:假设:a血几b1 aa i 1 a dp 5 8p2e(1-2“)(2 必 2 + "】)p(2-5)(2-6)(2-7)式屮：e代表光纤的杨氏模量，“代表光纤的泊松比，/j和ox是光纤的光 压系数。则由公式(2-5). (2-6). (2-7)可得：¥=+骼(1_2)(2刃2 + 久)p (2-8)但裸光纤布拉格光栅的压力测量的灵敏度是很低的，在实际应用屮不可能应 用于常规测量。假设应力和温度所引起的光纤布拉格光栅屮心波长变化是相互独立的，当应 力和温度同时发生变化时，光纤布拉格光栅的中心波长

14、变化为：= (1 £)”(乞= " +(2-9)公式(210)是光纤布拉格光栅传感技术的理论基础o2. 4基于双折射效应的光纤布拉格光栅传感器根据光纤模式理论可知，当外界压力沿径向作用在光纤上吋，将引起光纤的 附加双折射现彖，就是这个双折射现彖引起了两种附加的正交偏振模式。因此, 如果在一只光纤布拉格光栅上施加径向载荷，将会导致两种偏振态的反射光谱的 分离，其各口反射谱的谐振波长可表示为：4 = 2anx(2-10)(2-11)入=2ahv式中：公和他是两个偏振模的有效折射率；a为光纤布拉格光栅的栅格间距。光栅受到外界扰动后，其谐振波长将发生卜列的变化:式中：p为外界施加的

15、扰动；/为线分布力；t为温度，为光纤布拉格光栅纤芯的初始冇效折射率。applied force, f图2-1横向负载下的光纤布拉格光栅截面和反射光谱在温度不变的情况下，当只冇径向力作用于光纤时，光纤的轴向应力假设为 零(实际中，由于最终采用的波长茅检测方法，所以即使存在轴向应变，也会在 测量结果中被消除)，此吋，谐振波长的移动量将仅仅是冇效折射率的函数，这 样，在光纤的屮心(如图21所示)，沿着相互正交的两个方向上，由于径向应力 的作用引起的有效折射率的变化可以表示为：比3二#(旳2q 如)6 + (1 q)pi2-rph j(2-13)比3(2-14)=一4(卩】一2q 52)5. + (l

16、 q)“2 - q pi式中：“0.工和分别为两个正交方向上的初始的有效折射率；p11和卩2为光纤的弹光系数；q和5为光纤的杨氏弹性模量和泊松匕 氐和s分别为光纤小心处的压力分量。根据式(2-12). (2-13). (2-14),可得：川3 . a（2-15）（几 一2"门2）5+（1-口）门2-“几5（2-16）b,x =一 （久一25 52）6+（1-口）刃2一5丛1 上1" £,由于线分布力/引起石英单模光纤双折射应力可表示成如下的形式：5二,5.=-琴，其中，/=-, f为沿长度为厶的光纤作用的外力，r为 兀r兀rl光纤包层的半径，这样，式(2-15).

17、 (2-16)就可以写成：仏 y - 血，丫 = 垃* 卩12(3 - q ) - p i (1 + 3q )”g(2-17)-兄旳(3 + q)-“2(l + 5q)这样，在光纤特性参数已知的情况下，可以得到在外界载荷作用下，光纤光 棚两个偏振态下的波长移动量差值与径向载荷之间的关系曲线，如图2-2所示。applied transverse force / n图22光纤布拉格光栅两个偏振模式下波长移动量差值与径向载荷之间的关系曲线ec - uqu 巴 inmuuoaem三光纤光栅传感器的敏化与封装3.1光纤光栅传感器的温度敏化3. 2光纤光栅传感器的应力敏化3.2光纤光栅传感器的交叉敏感及其

18、解决方法四光纤光栅传感网络与复用技术由光纤光栅传感器件（包描fbg、lpfg等）经过某些特定的连接方式组合而 成的传感网络，就是光纤光栅传感网络。光纤光栅传感器通过其自身的特性，将非光学的被测量数据与离散光的信息 相联系。这些信息可以通过光载波的幅度（强度）、相位（由干涉仪转化为强度）、 偏振态（由检偏器转化为强度）、或光谱分布（有光谱仪转化为强度）等形式调制或 编码。光纤光栅传感器除了具有普通光纤传感器的许多优点外，述有一些明显优于 其他光纤传感器的特点，其中最为重要的是光纤光栅传感器的传感信号为波长调 制，这一传感机制的好处在于：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

19、等因素 的影响；2：避免一般干涉型传感器小相位测量不淸晰和对固有参考点的需要；3：能方便地使用波分复用技术，在一根光纤中串联多个布拉格进行分布式 测量。光纤光栅传感网络的结构形式主要取决于适于传感器调制和定位的方法，因 此光纤光栅传网络屮最核心的部分就是光纤光栅的调制解调系统，最关键的技术 就是多个传感光栅的复用定位技术。光纤光栅复用技术使得多个传感光栅共用一 个光源和一个解调系统。光栅解调系统的成本通常占整个光纤光栅传感系统成本 的绝人部分，它的检测精度也往往决定着整个系统的传感精度，所以说解调系统 是光纤光栅传感系统的核心。传感网络系统的主要性能指标为:1:波长位移或应变、温度分辨率；2：

20、复用传感器数量或网络规模；3：对系统屮每个传感器的取样速率。这3项指标中，波长位移分辨率主要取决于传感系统所采用的波长探测技术 或波长解码系统以及系统的信噪比；取样速率主要取决丁传感网络的规模、网络 所采用的拓扑结构和系统所采用的波长探测技术。光纤光栅传感器的定位可以根据光信号的5个特征参数（波长、相位、偏振 态、传输方向以及幅度）派牛出各类复用方法。光纤光栅传感器网络采用的复用技术有以下儿种：时分复用、空分复用、波 分复用、频分复用以及相干复用等。由于光纤光栅传感器测量的是特征布拉格反 射波长或者透射波长的移动量，因此其传感网络的主耍结构是波分复用，其次是 时分复用和空分复用。4.1光纤光栅

21、传感网络常用的波分复用技术波分复用技术是光纤布拉格光栅传感网络的最直接的复用技术，它是构成各 种复杂和大型网络的最基本复用技术。图41给出了最基本的波分复用的原理系统图。宽带光源片严光谱光栅4）应艮1/ 1 1应变场波长移动解码山* k u、长编£返旷"波长编码返图4-1光纤布拉格光栅波分复用图波分复用光纤布拉格光栅的网络拓扑结构可以按照串联方式连接，也可以按 照并联方式连接，还可以采用混合连接方式，如图42所示:part 1入blpart 3part 2入b2入b3ab4 part 4a bi + 入 b2 +入 b3 +入84图4-2波分复用光纤布拉格光栅网络拓扑结构图

22、波分复用网络属于串联拓扑结构，网络屮的光纤布拉格光栅各占据不同的频 带资源，因此有各自频率成分携带的光源功率可以被充分利用，功率利用率高， 这一特点对丁能量有限的大型光纤布拉格光栅是十分诱人的。同时，因各自光纤 布拉格光栅的带宽互不重叠，避免了串咅现象，因此，波分复用系统的信噪比很 高。按照复用技术的原理不同，波分复用技术又可以分成以下几种:4.1.1基于波长扫描法的波分复用技术波长扫描法是光纤光栅传感网络复用技术的最常用的方法，可分为宽带光源 窄带滤波扫描和窄带光源扫描。宽带光源耦合器bragg光栅a/d转换器r昨器可窄滤孵zt入射光谱据处理计算机lt jr爪卜am 2 s3 sna反射光谱

23、图4-3宽带光源窄带滤波扫描法波分复用传感网络图tunable multiport fiber laseri scanning waveform30fiherlu-fi heri microprocessor -4iso ator2x4 coupier卜 ahrv rerotopticali fbg1huh fbg2；fbg3:iw -st »st2*4 coupler图4-4窄带光源扫描波分复用传感网络图4.1.2基于波长分离法的波分复用技术目前，在通信技术领域中，已经有很多成熟的波分复用器件用于将不同的光 分离到不同的通道之中。在传感领域也可以利用这些波分复用器件实现光纤光栅 反

24、射波长信号的分离，然后再进行检测和识别。broad band optical light source coupler/circulatorfbgfbgfbg3fbgsmf图4-5基于波导阵列光栅的波分复用系统4.1.3基于衍射光栅和ccd阵列的复用技术4.1.4基于码分多址(cdma)和密集波分复用(dwdm)技术为了进一步提高单光纤上fbg的复用能力，就必须设法提高fbg网络的频 带利用率，于是密集波分复用技术引起了人们的兴趣。图47所示为一个采用cdma技术的dwdm fbg网络实验原理图。光源 受伪随机位序列码(prbs)的调制，fbg传感阵列对一个给定prbs的响应与延 迟一定时间的

25、同一个prbs进行相关运算，相关运算结杲经由低通滤波器后得到 某一个特定传感器上返回的波长编码信号。经过预先设置传感器位置，经调制后 的光源输出信号到达某一传感器并返冋到探测器所需的吋间是确定的，则适当选 择送到相关器的prbs的延迟时间，就可以确定相关运算的结果到底来自哪个传 感器。这种复用方式的可复用fbg传感器的数量也受到限制，同时由于各fbg的频谱很接近，因此功耗很人。宽带光源juult /随机码延迟混合器 >-滤波1z延迟混合器1滤波输出图4-7 cdma-dwdm传感网络原理图输出1fbg”4. 2光纤光栅传感网络常用的空分复用技术在许多实际应用小，诸如航空领域，需耍进行许多

26、点的测量，网络屮的传感 器要求能够相互独立地、可相互交换地工作，并能够在fbg传感器损坏时可替 代，而不需耍重新进行校准。这就需要网络中的所有的传感器应具有相同的特征, 这一点可通过在相同条件下生产fbg來达到。tdm和wdm这样的串联拓扑结 构都很难实现独立性和可相互交换性，于是一种采用并行拓扑结构的sdm网络 被提了出来。图4-7光纤布拉格光栅空分复用结构简图sdm网络原理图如图48所示，sdm的网络复用能力、分辨率和工作速率 与采用的探测技术有很大的关系，rao y j等人提出的sdm网络（如图49）,实 现了 32个fbg复用，应变分辨率和温度分辨率分别达到0.36“g/厢、0.36,且测量分辨力不受fbg复用数量的影响。.fobg1contfol.tr.>fo«38« fc8michel&onsldzi1x8 spw3cpw4riwapd ara/a/d »f图4-9空分复用fbg传感网络结构示意图:心it r q.£ 1x8 spim，厂 2x2 coupler ijr f: 一.“ i.similar for i:fobg s 17-32 ； i fc4i 厂卜l：f0bg5ixfl splinar fc5fump generator+pna&a molarband-pass titter