光纤布拉格光栅温度应力传感器要点

1、光纤布拉格光栅温度应力传感器崔丽10401067摘要 ：光纤光栅传感器是一种新型的波长编码传感器，与传统的“光强型”和“干涉型”光纤传感器相比，具有很强的抗干扰能力，为温度、应力、应变等物理量的精确测量提供了很好的方法。 本文在对光纤布拉格光栅温度和应力传感原理分析的基础上，讨论了多种解决交叉敏感问题的方法，归纳出建立“复用”传感器的一般方法。文章同时给出了基于悬臂梁结构的传感器，其位移与Bragg 波长的关系，进而提出了光纤光栅位移和温度“复用”传感器的基本结构和原理。关键词 ：光纤布拉格光栅；温度；应力；传感器1 . 引 言光纤光栅是近几年发展最快的光纤无源器件之一。自从1978 年加拿大

2、渥太华通信研究中心的 K. O. Hill 等人首次在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏效应，并采用驻波写入法制成世界上第一只光纤光栅1,2开始，直到 1989 年，美国联合技术研究中心的G. Meltz等人实现了光纤Bragg光栅（FBG）的UV激光侧面写入技术3,才使得光纤光栅的制作技术实现了突破性的进展。其后， 1993 年， K. O. Hill 等人提出了相位掩膜制造法， 光纤光栅的制造技术得到了更进一步地发展4 ， 使它灵活的大批量制造成为可能，之后，光纤光栅器件逐步走向实用化。光纤传感技术是伴随着光导纤维及光纤通信技术发展而迅速发展起来的，一种以光为载体、光纤为媒质、感知和传输外界信号

3、（ 被测量 ） 的新型传感技术。光纤光栅传感器是一种用光纤布拉格光栅（FBG ）作敏感元件的功能型光纤传感器。自1989年Morey报道5将其用于传感技术以来，光纤光栅在传感领域的理论和应用研究引起了人们的极大兴趣6-9 。 光纤光栅通常是通过外界参量对布拉格中心反射波长的调制来获取传感信息的。 作为一种波长调制型的光纤传感器， 它除了具有普通光纤传感器抗电磁、抗腐蚀、耐高温、重量轻、体积小等优点外，与传统的“光强型” 10和“干涉型” 11光纤传感器相比 , 还具有自身独特的优点 12-14 ：探头结构简单，尺寸小，易于与光纤耦合，耦合损耗小；与光源强度、光源起伏、光纤弯第 1 页共 17

4、页曲损耗、光纤连接损耗、光波偏振态无关，因此它具有很强的抗干扰能力；并且易于采用波分复用、时分复用和空间复用技术构成光纤光栅智能传感网络，实现分布式多点实时在线传感；同时测量对象广泛，易于实现多参数传感测量，所以广泛用 于温度、应力、应变等物理量的测量15-16。并且随着光纤光栅的发展，又出现了 一些利用崭新原理来实现传感的方法，比如利用反射带宽展宽的方法17等，这样进一步扩展了其在传感领域的发展空间。正是由于这些独特的优点，使得光纤光栅 已成为目前最具有发展前途，最具有代表性的光纤无源器件之一，其应用领域也日渐扩展。图1给出了显微镜下的嵌入式光纤Bragg光栅的合成结构图18。但是，当光纤B

5、ragg光栅传感器所受应力和温度发生改变时，光栅中心反射波长都会产生相应的移动。当温度或应力恒定时，可以确定波长的移动由应力或温度的 改变引起。但当两参量都不固定的情况下，则无法确定波长的移动是由什么参量的 改变所引起，更无法确定参量改变量的大小。因此，解决光纤Bragg光栅传感器温度和应力的交叉敏感问题，至关重要19-21。图1.嵌入式光纤Bragg光栅的合成结构图本文首先简单介绍了光纤光栅的分类和制造方法，从而理论上分析了光纤Bragg 光栅传感交叉敏感的物理机制， 并基于此，比较分析了可以实现温度和应力双参量 同时测量的诸多方法，同时将结果推广到其它参量的复合测量中，验证了归纳出的 一般

6、情况下解决交叉敏感问题的方法，有利于实现光纤Bragg光栅传感器的实用化，具有一定的研究意义。2 .制造方法和基本分类光纤光栅的形成基于光纤光栅的光敏性。不同的曝光条件、不同类型的光纤可产生多种不同折射率分布的光纤光栅。而其制作方法主要可分为内部书写法与外部 书写法两大类。其中Hill光栅采用内部书写法，而外部书写法包括横向全息法、单 脉冲曝光法、相位掩膜法及光纤制作时直接书写法等22-23。与内部书写法相比，外部书写法书写效率增加了几百万倍，并增加了光栅书写的自由度。用这种方法可 以制作不同周期、不同长度、不同形状的光栅，也可以制作在光纤的不同位置上。利用紫外光侧面曝光使掺杂石英光纤的纤芯折

7、射率产生周期性或非周期性的变化，可形成各种类型的光纤光栅。现已成型的有：均匀Bragg光纤光栅(FBG)、变迹光栅(apodized fiber grating)、嘱啾光栅(chirped fiber grating)、渐变光栅(tapered fiber grating)、闪耀光栅(blazed fiber grating)、摩尔光栅(moir fiber grating)、相移光 栅(phase shifted fiber grating、超结构光纤光栅 (superstructure fiber grating卜 长周期 光纤光栅(long period fiber grating)等2

8、4-25。在光纤光栅中折射率的分布反映了光 纤光栅的周期、折射率调制深度等结构参量，这些参量又决定了光纤光栅的反射光 波长(或透射光波长)、带宽和反射率等特性，从而使不同折射率及不同结构的光 纤光栅具有了不同的功能，形成了多种多样的光纤光栅器件。下面简单的介绍一下几种传感技术中经常应用的光纤光栅，及其折射率分布和反射谱特点。光纤光栅的沿轴线的折射率分布可以写为：2 二 n(z) =ricoreng(z)1 cos(z (z)A式中，A为光栅周期的长度；ncore为纤芯折射率；Ang(z)为包络函数，如果Ang(z)是常数，则是均匀周期性光纤光栅，否则是非均匀周期性光纤光栅；邛(z)为光纤明啾，

9、均匀光栅的中(z)=0。2.1 均匀周期性光纤光栅均匀周期性光纤光栅沿轴线的折射率分布可以写为：2 二 n(z) =n0' n , Fmax 二 8s(z)A式中,n。为纤芯的折射率值；6n为纤芯折射率的平均增加值；Anma、为纤芯的最大 折射率变化量；u为折射率的调制幅度；A为均匀光栅周期长度。其折射率分布以第16页一一共17页及光谱特性如下:图2均匀光纤光栅的折射率分布图3均匀光纤光栅的发射谱示2.2 线性明啾光栅所谓明啾光栅是指光栅的折射率调制幅度不变，而周期沿光栅轴变化的光栅，具A(z)为：A(z)=A(1+cz),式中，A为光栅周期；c为周期的线性变化斜率。其折射率分布可以表

10、示为：2 二n(z) = n0n(z)1 cos(z +(z)A图5线性喟啾光栅的反射谱示意«www线性明啾光纤的折射率变化及光谱特性如下:图4线性喟啾光栅的折射率分布2.3 Taper型光栅Taper型光栅是一种切趾光栅，它的周期是均匀的，折射率按一定的函数关系变化，其折射率分布可以表示为:(-z -)222 2 二2 二n(z)= n0n(0)cos ( z) cos( )A A反射谱的旁瓣被有效地抑制了，可以提高边模抑制比，其折射率分布及发射谱如下:图6 Taper型光栅的折射率分布图7 Taper型光栅的反射谱示意2.4 Moire光纤光栅Moire光纤光栅是一种相移光栅，其

11、折射率可以表示为：一 2,2二、，2二、，l l、n(z)= n0：n(0)sm (z)cos()( z )l上223534.JI53J.5Wavdrngih/hm图8 Moire光栅的折射率分布以及反射谱示意图中可以看出，这种光纤光栅可以产生两个形状相同且相互独立的窄反射峰，它们的中心波长分别位于写入的单个光栅的中心波长上，可以实现双波长光纤光栅的测量。2.5 长周期光栅LPG光纤光栅折射率可以表示为：2 二 n(z); n0 =n1 cos( z) A长周期光栅在光纤通信和光纤传感中有着广泛的应用，它是基于单模光纤中的前向传输基模LI和前向传输高阶模LP02之间耦合的周期结构，也称为传输型

12、光栅。它 比FBG有高得多的温度和应力灵敏，它的多个损耗峰不仅可以同时进行多轴应力 和温度测量，而且也可以将级联的 LPG作为传感器阵列进行多参数分布式测量。图9 LPG光栅的折射率分布以及反射谱示意2.6 可调谐超结构光纤光栅SFBG光纤光栅其折射率可以表示为:,、2,二 z、一，2二、n(z) = n0：ncos ()1 cos(z)d上这种结构的光纤光栅在纤芯内和包层上都有褶皱结构。在纤芯内使用常规的UV曝光法形成不可见的均匀光纤 Bragg光栅，然后在光纤的包层半径上使用腐蚀 的方法形成可见的褶皱结构。这种结构的特点就是可以在外界张应力的作用下产生光栅周期调制和折射率变化，可以用于温度

13、一应力双参量的测量。_(b)图10 SFBG光栅的折射率分布以及反射谱示意3 .光纤光栅传感机制和复用方法光纤光栅是一种参数周期变化的光波导， 其纵向折射率的变化将引起不同光波 模式之间的耦合，并且可以通过将一个光纤模式的功率部分地或者是完全地转移给 另一个光纤模式中，来改变入射光的频谱。在一根单模光纤中，纤芯的入射基模既这主要依赖于光栅以可以被耦合成前向传输模式，也可以被耦合成后向传输模式, 及不同传播常数决定的相位条件，即：式中，A是光栅周期；片和3分别是模式1和模式2的传播常数。为了将一个前 向传输的模式耦合成一个后向传输的模式，应该满足下面的条件：2- 二 ：1 一 ：2 = ：01

14、-(-2)= 2 /1A式中，p01是单模光纤中传输模式的传播常数。在这种情况下，得到的光纤周期比较小（A <Wm）,把这种短周期的光栅称为 Bragg光栅，其基本特征表现为一个反射式的光学滤波器，反射峰值波长成为 Bragg波长，记为九B。如=2%ffA（D式中，neff是光纤有效折射率。光栅的反射率及反射峰的宽度由光栅长度和芯区光致折射率变化的大小等光栅参数决定。因此，均匀 FBG光栅的基本特性是以共振 波长（即Bragg波长）为中心的窄带光学滤波器。一个光纤折射率周期变化的光 栅可以反射以Bragg波长为中心，带宽之内的一切波长，根据需要，它既可以做成 小于0.1nm的窄带滤波器，

15、也可以做成几十纳米的宽带滤波器。其带宽的计算表达 式如下式（2）所示26-27:配_ % _ A _ 1 _ 1b - 2n0、一、一 N 一1616而峰值反射率的计算如式（3）:R = th2（k、）=th2（二n1/ b）其中，闻是反射波长的半幅全宽度；N为光栅周期数；6为光栅长度；n1为光栅调 制深度，n。即为neff。均匀Bragg光栅的传感原理如下图11所示。, 纤芯1. .1 I光栅11藤一八J）保护层一一7z用1光料光栅示者(1a.% _ _Inpul wperirLHiT图1OEtidhvliiMl xpE't irinii11s|Kiln.niii1.均匀Bragg光

16、栅的传感原理Kb为中心波长的窄当宽谱光源入射到光纤中，光栅将反射其中以布拉格波长谱分量；在透射谱中，这一部分分量将消失。（1）式可以看出，Bragg波长随有 效折射率neff和光栅周期A的变化而变化，而折射率和光栅周期的改变与应力和温 度有关。当应力或温度发生变化是，中心波长发生变化，应力和温度分别通过弹光 效应与热光效应影响折射率、通过长度改变和热膨胀效应影响光栅周期，进而使光 栅Bragg波长发生移动。具体的表达式如（2）式，它随应力与温度的漂移为：1 dn“=2皿1-(万户2 7P11+P2) 察 +3 折5(2)其中，为外加应力；Pj为光纤的光弹张量的普克尔压电系数;V为泊松比；a为光

17、纤材料（如石英）的热膨胀系数；T为温度变化量； 二1二业为光纤的热光系数。n dT它们是与光纤的材料有关的常数。 对于典型的石英光纤：n = 1. 46,叱=0. 16尸11 =20. 12 , P12 = 0. 27,贝U（L）Pi2 v（P1+电）因子的典型值为 0.22。一月取8. 3 X0- 6; 2的轴向形变，一般可认为8 dA 胸热膨月系数，是一个与光纤材料有关的常数， 对掺错石英光纤，其一般取0. 55 M0- 628-29。因此，可以推导出在常温和常应力 条件下的FBG应力和温度相应条件如下式所示：B =0.78 10"；（3）,B 一一B =6.67 10/ C，(

18、4)，、T由上式（3） （4）可得出：1pm的波长分辨率大致对应于1.3m处0.1 C或1国的 温度和应力测量精度。由此可见，解决应力、温度交叉敏感问题，实现应力温度的 同时测量是光纤光栅传感器进一步发展的关键。另一种情况，即将一个前向传输模式耦合成一个后向包层模式。 此时，Pi与P2 同号，因此A较大，这样所得到的光栅称为长周期光纤光栅（LPG）, A 一般为数 百rn , LPG的基本特性表现为一个带阻滤波器， 阻带宽度一般是十几到几十纳米。通过实际参量的代入分析，可以得到下面的结论 29:温度变化引起光纤折射率变化对耦合波长影响最大，而热膨胀引起纤芯、 包层半径和光栅周期变化对耦合波长影

19、响很小。对LPG施加轴向应力,引起纤芯和包层折射率下降,使得耦合波长变小 纤芯半径减小也使得耦合波长减小，包层半径减小及光栅周期增大对耦 合波长的作用恰恰相反，两方面综合结果使得长周期光栅总体对应力表 现不敏感；对于FBG,纤芯的变化可以忽略，起主要作用的是光栅周期的 变化。应力在引起光纤折射率改变同时 ，对光纤半径及光栅周期影响更 大。因此，LPG比FBG的温度响应系数大很多,而应力响应系数则相反。如果要实现多个参量的同时测量，就必须要采用一些方法来使它们之间的变 化区别开来，即必须要先讨论它们之间的敏感机理的区别， 对于不同的参数具有不 同的灵敏度是分开它们的关键。上面我们粗略的讨论了温度

20、和压力对于光纤光栅布 拉格反射波长的影响情况，基于此，下面就可以从材料、封装、加工以及结构多方 面来入手，达到分开它们影响效果的目的。当然利用这种方法后续的解调工作也是 非常重要的，但是本文就不再对此加以讨论了，主要来看一下区分测量的方法。4.常用的区分方法区分的方法主要是采用多个不同光栅的组合，一个光栅的不同参数配合以及不同的封装结构29-30,下面具体来分析一下。4.1 不同周期光纤光栅的组合。双 FBG（fiber Bragg grating）测量这种 方法首先是由Xu等人31在1994年提出 的，他们采用了 N、加分别为1298nm和848 nm的两个光栅，对应力和温度进行测量，其实验

21、原理如图12所示。图12.双FBG（理图采用相同的光纤写入不同的周期就可以改变它们的中心波长，实现不同的温度和应力敏感特性，再利用双波长矩阵运算，得到最终的温度和应力变化。如果有两个波长 大、不同时对两个被测量敏感，则有下面矩阵的方程：式中Ki£为与弹光系数、泊松比、有效折射率和中心波长有关的常数；Kit为与热光系数、热膨胀系数和中心波长有关的常数。系数矩阵K可通过实验测得所以此方法可以实现应力、温度的同时测量。但其要求系数矩阵行列式不为零双FBG的方法也存在一些问题，它必须要保证中心波长相差较大，制作难度增加，成本相对较高。Bhatia等人32在此基础上利用长周期光栅 LPG(lo

22、ng - period grating)在传感方面的特点，在一个 LPG上选择两个波长，测量透射谱的变化，达 到了同时测量应力和温度的目的。该方法显然降低了成本，但LPG光谱扫描时间隔离器双周期光舒光栅宽带光源4T、山一即n u邈翅长，难以实现实时测量，而且 LPG透射谱易受周围材料折射率变化的影响，导致 测量误差33。应变一前面的双FBG的方法造价 高，且很难保证测量的是同一点 的应力和温度情况，限制了测量精度。这里可以采用FBG和LPFG图13. FBG + LPFGfi合原理的重叠组合来实现30,如图13,即采用一种传感单元基于双周期(长周期和短周期) 复合光栅的应力、温度同时传感方案。

23、如前所述，长周期光栅的周期较长，大概是 短周期的几百甚至上千倍，易于实现短周期光栅的二次写入；同时，长周期光栅相 对于短周期光栅，对温度较敏感，对应力的敏感性则恰恰相反，可以成功地将温度 和应力的影响区别开来。因此该双周期光纤光栅传感单元不失为是一种巧妙的应 力、温度同时测量的解决方案。4.2 2个FBG和1个LPFG的组合。1997年，Patrick等人34以两个FBG和一个LPG为传感单元，其实验原理如 图14所示。ELED输入一宽带光谱，通过LPG和两个FBG反射入光谱仪，采用光谱分析仪监测波长垢、2的反射光强变化和垢的偏移，可知应力和温度的变化量。其 中LPFG只有透射谱（如图15所示

24、），满足条件的波被耦合到包层中，在包层与空气 界面处透射损失。而FBG既有透射谱，又有反射谱，满足条件的波被反射。测量时， LPFG透射谱起到了对2个FBG反射谱限幅的作用。由于LPFG对温度的敏感性远大 于对应力的敏感性，因此当温度变化时，LPFG透射谱的波长移动很大，引起的FBG 反射波长强度变化较明显；而应力引起的 LPFG透射波长移动很小，对应的FBG波 长强度改变不明显。因此，利用温度和应力变化引起的 FBG反射峰值波长改变，通 过测量波长偏移和强度变化，可同时确定温度变化和应力变化35。光源输出ELED Output曲）光谱监测OSA input稿合器 SO FBG _- 工8 A

25、63ELED1 g 坦 E-WCEP门 00 IJ30 HUQ HW 1300 1550 1 附）WiMet咽h/nm-20OSA图14.传感器结构原理图15. LPFG的透射光谱2000年，Guanl?人36也以此为基本思想，采用一超结构光纤光栅SFBG（super structure fiber Bragg grating）作为传感器，测其透射谱，对光强和Bragg波长的变化量 读值，从而实现对应力和温度的同时测量。该方案只需一个光栅，结构简单，但其 不再全是波长编码的方式，易受光源波动等其它因素的影响。4.3 不同的纤芯和掺杂材料。温度引起的光纤折射率变化对光栅耦合波长影响最大。因此 ，

26、可以通过选择 适当的纤芯或包层掺杂材料及浓度， 或对光纤折射率进行适当设计，来取得传感应 用所需较大耦合波长温度系，或消除耦合波长温度敏感度。当改变纤芯和包层的折射率时,LPFG耦合波长随温度变化的移动量将会改变。同样地，当改变纤芯和包层的折射率时，也可以改变FBG耦合波长随温度变化 的移动量。但光纤制作中，在纤芯中掺 Geg高光敏性以及光纤2T芯折射率的同时， 也增大了光纤的数值孔径，使波导效应增加，降低光纤光栅的灵敏度，而在光纤中 掺入B后可以降低折射率。因此可采用B、Ge共掺，在提高光敏性和适当增加纤芯折射率的同时，还可减小光纤的数值孔径，提高光纤光栅温度灵敏度37,其测量准确度可达到5

27、5. 8仙和3C,但其对光纤制作的掺杂准确度要求较高。据文献 38 报道，采用Type IA和Type IIA两种不同掺杂的光栅，可以使测量的准确度提高到 4.4仙和0.54C,两者的温度响应差可以达到36%。另外还可以通过改变光纤其他参数来提高光纤光栅的温度或应力响应灵敏度。例如，在高压下（800MPa）载H2到光纤纤芯中，可增大光纤的热光耦合系数，提 高光纤光栅对温度的灵敏性39 o或者在光纤上写入光栅的过程中，用特殊的写入 方式改变光纤纤芯的折射率分布，以改变光栅波长对温度的灵敏度。4.4 不同直径的FBG组合。上面分析可知，应力对光纤半径的影响很大。因此，在两个不同直径而相同 材料的光

28、纤中分别写入Bragg光栅。当光纤光栅所受温度和应力同时改变时，由于 这两个光栅是由相同材料构成，所以它们具有相同的温度响应特性； 但又因为两段 光纤的直径不同，导致其应力响应特性不同。这样，总体结果表现为两个光栅对温 度不敏感，而对应力敏感，从而实现区分测量。1996年，Jame外人40采用两个不 同包层直径的FBG作为传感单元，其结构如图16所示，它们对温度的灵敏度基本相同，而对 一一一川“1二川1111.二 .应力则相差较大。因此，通过测量两Bragg波长相对偏移量，可得到应力的变化，若进而考虑图16.不同直径的FBG（理绝对偏移量，则可同时测量温度。实验中，在 2500仙和120c范围

29、内，测量准确度 为17厂1C。止匕外，还可采用相同直径、不同纤芯材料的光纤光栅进行区分测量，将光栅 写入两段光纤的连接处，其区分测量机理与上述原理相似。主要差别在于：由于两 段光纤的直径相同，所以光栅具有相同的应力响应特性； 而纤芯材料的差异导致其 折射率不同，从而使光栅具有不同的温度响应特性 41。利用这一特性，也可达到 同时区分测量的目的。1.5 不同的封装材料或方法。两个FBG采用不同封装。分析表明，光纤光栅的完全粘贴状态和自由状态的敏感性不同，所以利用不同的峰值方法可以比较简单地实现各个参量之间的区别 测量。文献42详细分析了实验条件下，不同封装对温度和应力的影响。如下图17、图17.

30、封装对温度响应的影响图18.封装对应力响应的影响采用不同聚合物材料的封装。利用某些有机物对温度和应力的响应不同， 从封装增加光纤光栅对温度（或应力）灵敏度，克服交叉敏感效应。温度增敏：在高温下，用环氧树脂将光纤光栅粘到尼龙衬底上。尼龙的热膨胀 系数为1.7 10- 4/C,石英的膨胀系数为5X10- 7/C。利用尼龙比石英光纤有较大的热 膨胀系数的特点，可以改变光纤光栅的热膨胀系数，使光纤光栅的温度响应灵敏度 提高约15倍。或选用聚酰胺纤维聚合物材料（其热膨胀系数约为10- 5/C）进行封装, 也可使光栅温度响应灵敏度提高，达到 0. 25 nm/C 43-44。应力增敏：可选用热膨胀系数较小

31、的聚四氟乙烯材料，如四氟乙烯一六氟乙烯 共聚物作衬底。此类聚合物的热膨胀系数为8. 3 19- 6/C,与光纤热膨胀系数相差不 大，所以当温度变化时光栅的应力偏置将不会太大。而且这类聚合物有适当的弹性模量，可增加光栅应力响应灵敏度。用它对光纤光栅进行封装，能使光栅静压灵敏 度提高到0. 06 nm/M Pa,也可选用其它低热膨胀系数的弹性材料进行封装，来提高 光栅的应力灵敏度45 o1.6 偏振技术实现。目前，还有人提出了利用偏振技术来实现区分测量。在特种光纤（如保偏光纤或Panda*纤）中写入光栅，当应力、温度发生变化时，光纤光栅反射或透射光 的偏振态发生相应改变，利用温度和应力引起偏振态的

32、不同变化进行区分测量 46。 例如：LPFG双折射效应中，双峰响应的变化只与光纤本身所受应力有关，而与温度无关47。通过测量双峰的变化，便可得到应力变化量，实现区分测量48。1.7 其它方法。明啾光栅的有效带宽具有随应力而变化，且对温度不敏感的特性，因此利用这一特性可以实现对应力的测量。也可以通过测量Bragg光纤光栅反射带宽展开不 同的方法来进行测量17。但是这些方法已不再是波长调制型的传感器，因此具有 一定的使用局限性，受到了光源稳定性的影响。5 .推广应用图19.悬臂梁结构图Bragg光栅，来同时测量湿度和温度,悬臂梁结构中，它的自由端位移与受 到的应力关系如下49:3(L.Xo)hf

33、/(2L3)可以看出，悬臂梁自由端的位移与 它受到的应力成正比关系，因此上述讨论 的应力温度同时测量的各种方法可以推广 应用到位移和温度同时测量的情况中。另外，还可以通过一些方法实现用光纤 详见文献50。6 .存在问题与前景分析光纤光栅传感器具有许多独特的优点，因而得到了密切关注与研究，在实际 中也有非常广阔的应用前景，但它还存在一些需要解决的问题，如：光纤纤芯掺杂 浓度分布不易控制；解调方案结构复杂、精度低而且成本高；大部分有机物封装材 料不能用于恶劣环境下；不同直径光纤熔接中高损耗的问题等等。从光子学的发展来看，光纤光栅和光纤阵列器件及其集成技术很可能成为一次有里程碑意义的重大事件。目前光

34、纤光栅及其器件的研究已经向更高、更深层次的发展，新的构思层出不穷，归纳起来，光纤光栅及其器件当前以及今后一段时间重点研究的领域包括：物理机制的研究：掺杂光纤的各种光效应，特别是光敏与增敏效应的物理机制的研究，是开发新型光纤光栅及其器件的基础。最佳成栅工艺研究：包括各种光纤光栅的成栅技术的基础及最佳成栅条件与工艺的研究。研究以光纤光栅为基础器件的光子线路，包括无源光子线路的研究（如全光滤波器、复用/解复用器、色散补偿器、光插/分复用器等） ；对有源光子线路的研究（如全光纤激光器、光纤传感器等） ；对光子线路的特殊功能研究（如选频滤波器、调谐特性、色散补偿特性、选通与复用特性及其机理等） 。全光纤

35、光子集成研究： 如全光纤 DWDM 光子集成通信系统、 全光纤分布式多功能型光子集成传感系统等。新效应、新应用研究：对光纤光栅、光子线路及其集成的研究是一项具有深远意义和重要应用前景的新课题，有许多异彩纷呈的新效应、新应用吸引我们去探索和构思。参考文献：1 K. O. Hill, Y. Fujii, D. C. Johnson, B. S. Kawasaki,Appl. Phys. Lett. 32, 647 (1978)2 B. S. Kawasaki, K. O. Hill, D. C. Johnson, Y. Fujii,Optical Letters 3, 66 (1978)3 G.

36、Meltz, W. W. Morey, W. H. Glenn, Formation of Bragg gratings in optical fibers by transverse holographic method, Opt. Lett., 14 (15), 823-825 (1989).4 K. O. Hill, B. Malo, F. Bilodeau et al. Bragg Gratings Fabricated in Monomode Photosensitive Optical Fiber by UV Exposure Through a Phase Mask. Appl.

37、 Phys. Lett, 10, 62(1993)5 W. W. Morey, G. Meltz, W. H. Glenn. Proc. SPIE, Vol.1169(1989) , No.986 Y. J. Rao. Opt. Las, Vol.31 (1999) , No.2977 V. V. Spirin, M. G. Shlyagin, S. B. Mirdonov . Opt. Las. Eng., Vol.32(2000) , No.4978 Francisco J. Arregui, Ignacio R. Matias, Kristie L. Cooper, Richard O.

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