光纤光栅原理及应用_2

1、2021年12月24日星期五1知识点回顾光纤光栅：光纤光栅： 用特定波长的激光以特定方式照射光纤，导致光用特定波长的激光以特定方式照射光纤，导致光纤内部的折射率沿轴向形成周期性或非周期性的空间纤内部的折射率沿轴向形成周期性或非周期性的空间分布，形成光栅结构，并且能精确控制谐振波长。分布，形成光栅结构，并且能精确控制谐振波长。光纤光栅的的主要制作方法：光纤光栅的的主要制作方法：1. 纵向驻波写入技术纵向驻波写入技术(内部写入技术内部写入技术)2. 横向全息写入技术横向全息写入技术3. 相位掩模写入技术相位掩模写入技术4. 逐点曝光写入技术逐点曝光写入技术5. 振幅掩模写入技术振幅掩模写入技术20

2、21年12月24日星期五2第四章 光纤光栅原理及应用一、光纤光栅的工作原理光纤光栅的最基本原理是相位匹配条件：光纤光栅的最基本原理是相位匹配条件： 入射光 反 射光 透射光 包层 纤芯 1221、2是正、反向传输常数，是正、反向传输常数，是光纤光栅的是光纤光栅的周期，在写入光栅的过程中确定下来。周期，在写入光栅的过程中确定下来。 2021年12月24日星期五3光纤光栅工作原理光纤布拉格光栅(FBG)的工作原理 当一束宽谱带光波在光栅中传输时，入射光在相当一束宽谱带光波在光栅中传输时，入射光在相应的频率上被应的频率上被反射回来反射回来，其余的不受影响从光栅的另，其余的不受影响从光栅的另外一端透射

3、出来。外一端透射出来。 光纤光栅起到了光波选频的作用，反射的条件称光纤光栅起到了光波选频的作用，反射的条件称为布拉格条件。由光纤光栅相位匹配条件得到反射中为布拉格条件。由光纤光栅相位匹配条件得到反射中心波长（布拉格波长）表达式：心波长（布拉格波长）表达式： nB22021年12月24日星期五4光纤光栅工作原理2021年12月24日星期五5均匀FBG的反射特性BeffeffnnkLR2maxtanh 由以上两式可知，光栅互耦合系数由以上两式可知，光栅互耦合系数k（正比于折（正比于折射率调制深度）与长度乘积射率调制深度）与长度乘积kL越大，则越大，则峰值反射率峰值反射率越高；折射率调制深度越大，则

4、越高；折射率调制深度越大，则反射带宽反射带宽越宽。越宽。峰值反射率：峰值反射率：反射带宽：反射带宽：光纤光栅工作原理2021年12月24日星期五6光纤光栅工作原理长周期光纤光栅的工作原理 当一束光在长周期光纤光栅中传输时，满足相位当一束光在长周期光纤光栅中传输时，满足相位匹配条件的特定波长的光由纤芯耦合进包层向前传播，匹配条件的特定波长的光由纤芯耦合进包层向前传播，很快被衰减掉。这样在透射光谱图上就有一个损耗峰，很快被衰减掉。这样在透射光谱图上就有一个损耗峰，并且没有反射波。其他不满足相位匹配条件的波长，并且没有反射波。其他不满足相位匹配条件的波长，基本上无损耗的在光纤纤芯中传播，从而实现波长

5、选基本上无损耗的在光纤纤芯中传播，从而实现波长选择损耗特性。择损耗特性。 01mmclnn 为光栅周期，为光栅周期，n01为纤芯模式为纤芯模式折射率，折射率，n(m)为为m阶包层模式阶包层模式的折射率。的折射率。 2021年12月24日星期五7光纤光栅工作原理长周期光纤光栅的光谱特点 纤芯 包层 基模至包层模的转换谱（基模至包层模的转换谱（ 是自耦系数，是自耦系数，k是互耦系数）：是互耦系数）：222222sin11kktT峰值转换率：峰值转换率：kLT2maxsin2021年12月24日星期五8二、掺杂光纤的光敏性1. 掺杂光纤光敏性机理掺杂物质与S Si iO O2 2混合时形成的结构缺陷

6、外界光场作用下通过单光子或双光子吸收过程使错位键破裂形成色心标准光纤：GeOGeO2 2其它掺杂：ErbiumErbium（铒）, Europium, Europium（铕）, Cerium, Cerium（铈）2. 影响光纤光敏性的因素掺杂种类与掺杂浓度预制棒拉纤速度影响光纤光敏性光纤光敏性与曝光时所施加的应力有关2021年12月24日星期五93. 增加光纤光敏性的方法（1）低温载氢处理压力：20750atm(典型150atm)，温度：2075，时间：数十小时至数天形成Ge-H，Si-H，Ge-OH，Si-OH有效增加标准单模光纤的光敏性标准单模光纤损耗增大光敏性变化大退火及老化处理2021

7、年12月24日星期五10（2）高温载氢处理在含氢1mol%环境下，使用CO2激光将光纤加温至600短时间（10秒）内增加光纤的光敏性（3）火焰热处理氢气火焰+ +少量氧气将光纤加热至17001700持续2020分钟光纤的光敏性增加1010倍，折射率变化1010-3-3高温对光纤造成损伤，引起可靠性等方面问题2021年12月24日星期五114. 混合掺杂（1）掺BoronBoron（硼）降低折射率，可提高GeGe掺杂浓度光纤的光敏性增加3 3倍30min40030min400退火可使折射率变化减半1500nm1500nm窗口付加损耗0.1dB/m0.1dB/m双折射效应（2 2）掺TinTin（

8、锡）较B-GeB-Ge光纤的光敏性增加3 3倍热稳定性优于B-GeB-Ge光纤2021年12月24日星期五12 （3）掺N2（氮气）SPCVDSPCVD过程中，加入0.1%0.1%氮气可使光敏性加倍折射率变化2.82.81010-3-32021年12月24日星期五13光纤光栅工作原理三、光纤光栅的波长调谐技术 光纤光栅的波长调谐是指对制作好的光纤光栅进行操作，通过不同物理效应改变光纤光栅的光栅常数（栅距）及光栅位置的折射率分布，使其反射（或透射）波长产生一定的漂移量，以达到调谐光纤光栅反射（或透射）波长的目的。1. 电磁调谐 将光纤光栅固定在磁致伸缩棒上，连同该磁致伸缩棒置于均匀磁场中，磁致伸

9、缩棒将磁力转化为应力作用于光栅上，从而完成光纤光栅波长的连续均匀调谐。103mT的磁场产生1.1nm的漂移量。2021年12月24日星期五14 如何产生光纤光栅波长的非均匀调谐，即调谐后为啁啾光纤光栅？ 磁致伸缩棒置于非均匀磁场中，则磁致伸缩棒表面不同位置产生的应力大小也不同，使得光纤光栅上不同位置的栅格间距（光栅常数）被拉伸或挤压的程度也有区别，折射率变化程度也不一致，使得原本均匀周期的光纤光栅变为非均匀周期的啁啾光纤光栅。磁场梯度为23mT/cm时，带宽为0.92nm的光纤光栅被调谐成1.63nm的啁啾光纤光栅。2021年12月24日星期五152. 热调谐法 热调谐法是基于折射率与温度的依

10、赖关系，实验证明：光纤布拉格光栅波长的温度灵敏度为0.011 nm/oC（或者0.015nm/oC ）。热调谐的方法可以使光纤光栅波长的调谐量达到30nm，但是调谐温度不易控制，容易受应力的交叉影响，而且热传递速度缓慢决定调谐过程缓慢，以至于适用价值不是很大。2021年12月24日星期五163. 机械调谐法 机械调谐法是基于折射率与应力的依赖关系。各种纵向应力（使光纤光栅轴向拉伸或压缩）、横向应力（使光纤光栅侧向弯曲）、扭转应力（使光纤光栅产生形变）都可以实现光纤光栅的波长调谐。基于机械方法实现调谐的不同途径，可以分为以下几种：（1）轴向应力机械调谐a. 梯度应变调谐2021年12月24日星期

11、五17a. 梯度应变调谐 应力可以改变光纤光栅的光栅常数，也可以改变光纤光栅的折射率分布，从而影响光纤光栅的工作波长，完成波长调谐。 将光纤光栅部位嵌在松软的介质中，一端固定，另外一端施加拉力，造成介质内光纤光栅部位出现梯度分布的应力，使光纤光栅变成啁啾光纤光栅。2021年12月24日星期五18b. 压电陶瓷驱动法 用压电陶瓷的伸缩驱动光纤光栅参数的线性调节，如此可以利用光纤光栅在压电陶瓷的辅助下设计可调谐激光器。 也可以利用压电陶瓷完成光纤光栅栅格间距的非均匀调节，得到啁啾光纤光栅的波长输出。 将薄压电陶瓷片堆相互粘贴在一起，每片被独立控制，将光纤光栅沿轴向粘贴在陶瓷串的侧壁，由PZT片堆灵

12、活控制光纤光栅各个局部的应变，如果每片陶瓷上应变呈非均匀分布，则光纤光栅调谐为啁啾光纤光栅，否则还是均匀周期的光纤光栅。2021年12月24日星期五19光纤光栅工作原理c 轴向挤压法 1994年，Ball等人在压电陶瓷驱动法的基础上，用两个光纤布拉格光栅构成线性谐振腔，其中一端固定，另外一端改用步进电机驱动，通过步进电机的移动挤压光纤布拉格光栅来改变其波长，调谐量达到32nm。（2）简支梁调谐法 将待调谐的光纤光栅刚性地粘贴于中央部位，对中间位置施加外力P，通过改变梁偏离水平位置的距离影响作用于光纤光栅上的应变，从而达到调谐光纤光栅波长的目的。2021年12月24日星期五20（3）悬梁臂调谐法

13、 相对于简支梁结构而言，该结构比较简单，波长调谐范围也较宽，可以达到17nm以上，但是这两种方法都比较难以控制啁啾度，都可以实现啁啾和非啁啾调谐。P光纤光纤光纤光栅光纤光栅2021年12月24日星期五214. 非轴向应力产生的光纤光栅应变分析（1）纯弯曲情况 对于纯弯曲情况，受弯矩M作用的弹性梁表面任一点的轴向应变可表示为式中，Z0是考察点距梁中点的距离；E是梁的杨氏模量；I是梁的惯性距。 如果光纤光栅沿梁轴向粘贴于表面，则波长漂移量为0Z MEI01eP Z MEI2021年12月24日星期五22（2）纯转动情况 对于纯转动情况，在扭转角不大的情况下，光纤光栅的应变可表示为式中，是轴距MF作

14、用的梁表面任一点的扭应变，可表示为式中，G、IP和D分别为梁的剪切横量、横截面积惯性矩和横截面外直径。如果光纤光栅沿梁轴向粘贴于表面，则波长漂移量为1sin222FPDMGI01sin 24eFPpDMGI 2021年12月24日星期五23光纤光栅原理及应用1. 在光纤通信中的应用：四、光纤光栅的应用：四、光纤光栅的应用：应用领域应用领域光纤光栅的相关参数光纤光栅的相关参数980/1480nm激光器的波长稳定激光器的波长稳定FWHM=0.23nm, R=110%光纤激光器光纤激光器FWHM=0.11nm, R=1100%光纤放大器的泵浦反射器光纤放大器的泵浦反射器(1480nm)FWHM=22

15、5nm, R=100%Raman放大器放大器(1300/1550nm)FWHM=1nm, R=100%1550nm相位变换器的泵浦反射器相位变换器的泵浦反射器和波长转换器中的隔离滤波器和波长转换器中的隔离滤波器FWHM=1nm, R=100%2021年12月24日星期五24在光纤通信中的应用相关参数(续):双向双向1550nmWDM通信系统的通信系统的隔离滤波器隔离滤波器FWHM=0.21nm, R=100%1550nmWDM系统的解复用器系统的解复用器FWHM=0.21nm, Isolation30dB1550nmWDM系统中光分插复用器的系统中光分插复用器的滤波器滤波器FWHM=0.11n

16、m,Isolation50dB长距离传输的色散补偿长距离传输的色散补偿(1550nm)FWHM=0.110nm, D=1600ps/nm1530nm1560nm光放大器的光放大器的增益平坦器增益平坦器FWHM=30nm, loss=010dB2021年12月24日星期五25在光纤通信中的应用(1) 光源a. DFB (Distributed Feedback) 光纤光栅激光器光纤光栅激光器 直接在掺铒光纤或其他稀土掺杂的光纤上写入直接在掺铒光纤或其他稀土掺杂的光纤上写入光纤光栅光纤光栅，构成谐振腔，且有源区和反馈区同为一，构成谐振腔，且有源区和反馈区同为一体。体。 多波长光纤激光器。多波长光纤

17、激光器。 边模抑制比优于边模抑制比优于DBR光纤光栅激光器。光纤光栅激光器。 2021年12月24日星期五26在光纤通信中的应用b. DBR光纤光栅激光器 (Distributed Bragg Reflector) FBG写在掺铒光纤或其他稀土掺杂的光纤的两写在掺铒光纤或其他稀土掺杂的光纤的两端，构成谐振腔，也可以构成多波长激光器。端，构成谐振腔，也可以构成多波长激光器。 DBR光纤光栅激光器可获得比光纤光栅激光器可获得比DFB光纤光栅激光纤光栅激光器更高的模式选择性，获得稳定的单模运行；光器更高的模式选择性，获得稳定的单模运行；DBR光纤光栅激光器也是目前商用化最好的一种可光纤光栅激光器也是

18、目前商用化最好的一种可调谐激光器。调谐激光器。2021年12月24日星期五27在光纤通信中的应用c.光纤光栅外腔半导体激光器 将一个半导体激光器的输出耦合到一支光纤光栅将一个半导体激光器的输出耦合到一支光纤光栅上便可以得到光纤光栅外腔半导体激光器。上便可以得到光纤光栅外腔半导体激光器。 多波长输出半导体激光器。多波长输出半导体激光器。 阈值电流低，并且具有极低的温度依赖性，以阈值电流低，并且具有极低的温度依赖性，以及很高的边模抑制比，可获得窄线宽稳定激光输出，及很高的边模抑制比，可获得窄线宽稳定激光输出，特别适用于特别适用于DWDM系统上。系统上。 2021年12月24日星期五28在光纤通信中

19、的应用(2) 波分复用器(WDM) 光纤布拉格光栅具有波长选择滤波的作用，并光纤布拉格光栅具有波长选择滤波的作用，并且可以根据需要设计小到且可以根据需要设计小到0.1nm的带宽，因此光纤光的带宽，因此光纤光栅适合于高速密集波分复用的光纤通信系统中。栅适合于高速密集波分复用的光纤通信系统中。 光纤布拉格光栅光纤布拉格光栅(FBG)与与光纤耦合器光纤耦合器或者或者光环形光环形器器组合使用就可以构成波分复用器。组合使用就可以构成波分复用器。2021年12月24日星期五29在光纤通信中的应用基于光纤光栅的WDM 1 3 2 光纤光栅 1 1 1 1 4 光环行器1 2 3 1 2 2 2 光环行器2

20、光纤光栅 2 2 3 1 3 3 3 光环行器3 光纤光栅 3 1,2, 3,4 1 2 3 1,2,i-1,i, i+1, ,n 1,2,i-1,i, i+1, ,n i i 1,2,i-1, i+1, ,n 光纤光栅 光环行器 2021年12月24日星期五30在光纤通信中的应用光纤光栅型WDM 器件中的光环行器部件可以用光纤耦合器替代，器件中的光环行器部件可以用光纤耦合器替代，但使用光纤耦合器时必须和光隔离器配合使用。但使用光纤耦合器时必须和光隔离器配合使用。 与输入光的偏振态无关；插入损耗低；中心反与输入光的偏振态无关；插入损耗低；中心反射波长可得到精确控制；反射带宽可以任意选择；射波长

21、可得到精确控制；反射带宽可以任意选择；反射率可接近反射率可接近100；对外界温度不敏感，温度补；对外界温度不敏感，温度补偿后其温度灵敏度可达偿后其温度灵敏度可达0.0007nm/oC。 光纤光栅型光纤光栅型WDM的优点的优点2021年12月24日星期五31在光纤通信中的应用(3) 光分插复用器(OADM) 在某个站点下载一个信号的同时，用具有相同在某个站点下载一个信号的同时，用具有相同波长的其他光波长信号代替原来的信号上载到通信波长的其他光波长信号代替原来的信号上载到通信系统中。系统中。 城镇 B 收发机 城镇 A 收发机 城镇 C 收发机 1, 2, i-1, i, i+1, , n i i

22、 1, 2, i-1, i, i+1, , n 2021年12月24日星期五32在光纤通信中的应用基于光纤光栅的OADM 1, 2, i-1, i, i+1, , n 1, 2, i-1, i, i+1, , n 1, 2, i-1, i, i+1, , n 光纤光栅 i i i i i 1 1 2 2 3 3 光环行器 光环行器 城镇A 城镇C 城镇B 波长波长i的信号城镇的信号城镇A的的(N-1)个波长携带的信号个波长携带的信号一起传输到城镇一起传输到城镇C。 2021年12月24日星期五33在光纤通信中的应用(4) 光放大器中的应用 a. 稳定泵浦光源的输出激光波长；稳定泵浦光源的输出激

23、光波长；b. EDFA的增益平坦化；的增益平坦化；c. 抑制抑制EDFA的的ASE噪声。噪声。 利用多个长周期光纤光栅利用多个长周期光纤光栅(LPFG)对对EDFA的增的增益进行均衡，则在益进行均衡，则在15301560nm波长范围内的增波长范围内的增益波动控制在益波动控制在0.20.3dB，从而获得比较完美，从而获得比较完美的增益平坦化效果。的增益平坦化效果。2021年12月24日星期五34在光纤通信中的应用(5) 色散补偿 不同波长的光在啁啾光纤光栅中的不同位置上不同波长的光在啁啾光纤光栅中的不同位置上发生谐振反射，如果在光纤通信线路中放置这么一发生谐振反射，如果在光纤通信线路中放置这么一

24、个啁啾光纤光栅，使最长波长的信号光个啁啾光纤光栅，使最长波长的信号光(红移分量红移分量)在在光栅末端反射，最短波长的信号光光栅末端反射，最短波长的信号光(蓝移分量蓝移分量)在光栅在光栅前端反射，那么，可以设计一个啁啾光纤光栅，在前端反射，那么，可以设计一个啁啾光纤光栅，在红、蓝分量之间产生一个时延差，使得蓝移分量赶红、蓝分量之间产生一个时延差，使得蓝移分量赶上红移分量，从而补偿光纤线路中由于色散效应展上红移分量，从而补偿光纤线路中由于色散效应展宽的光脉冲。宽的光脉冲。2021年12月24日星期五35在光纤通信中的应用光纤光栅的色散补偿原理 1 2 3 4 包层 纤芯 因色散展宽的脉冲 色散补偿

25、后的脉冲 还可以补偿还可以补偿WDM系统中多信道的色散，另外，系统中多信道的色散，另外，还可以补偿高速光纤通信系统中的还可以补偿高速光纤通信系统中的PMD。2021年12月24日星期五36在光纤通信中的应用(6)光交叉连接器(OXC) 所谓光交叉连接器，是指用于光纤网络节点处的所谓光交叉连接器，是指用于光纤网络节点处的装置，该装置在光层上通过对光信号进行交叉互连，装置，该装置在光层上通过对光信号进行交叉互连，从而灵活有效地管理光纤传输网络，实现可靠的网络从而灵活有效地管理光纤传输网络，实现可靠的网络保护保护/恢复、自动配线、调度和监控；是实现光信号恢复、自动配线、调度和监控；是实现光信号高速交

26、叉连接的理想器件。高速交叉连接的理想器件。 2.5G的的DWDM网元网元10G的的DWDM网元网元40G的的DWDM网元网元2021年12月24日星期五37在光纤通信中的应用22的4波交换单元光交叉连接原理 控制器 1 3 2 3 2 1 1 3 2 3 2 1 1# 2# 4# 3# 1 2 3 4 1 2 3 4 光纤光栅 光环行器1 光环行器3 光环行器2 光环行器4 反射波长由同一个控制器控制；在两端口分别反射波长由同一个控制器控制；在两端口分别和光环行器连接，光环行器的其中一个端口和另一和光环行器连接，光环行器的其中一个端口和另一路光纤上的光环行器交叉互连。路光纤上的光环行器交叉互连

27、。 2021年12月24日星期五38在光纤通信中的应用 采用光纤光栅提高全光网整体采用光纤光栅提高全光网整体性能的方案构想性能的方案构想 Giles C R. Lightwave applications of fiber Bragg gratings. J Lightwave Technol., 1997, 15(8): 1391-1404. 2021年12月24日星期五39基于光纤光栅的传感技术光纤光栅的基本光学特性就是以谐振波长为中心(布拉格波长)的光学滤波器，并且FBG的谐振波长满足式:当一束宽带光波（或者说是白光）在FBG中传输时，入射光在满足式上式的频率(对应谐振波长)处被反射回来

28、，其余的则几乎不会受到影响，从光栅的另外一端透射出去。 nB22. 光纤光栅在传感领域的应用2021年12月24日星期五40光谱特性主要由反射带宽和峰值反射率两个参数决定，而这些参数又是光栅长度、折射率调制和Bragg波长的函数，而且，FBG具有优良的反射光谱特性: 在中心反射波长附近有很高的反射率，而在远离中心反射波长处反射率急剧下降。 基于光纤光栅的传感技术光纤布拉格光栅的光谱特性:折射率调制折射率调制2021年12月24日星期五41基于光纤光栅的传感技术光纤布拉格光栅传感的基本原理 对于光纤通信来说，布拉格波长越稳定越好！相反，基于光纤光栅的传感技术是利用布拉格波长随着外界环境的变化而变

29、化的这一特点。FBG传感的基本原理是利用折射率和光栅周期对外界参量的敏感特性，对(1)式进行全微分: 1 2effBn) 2 ( 22dndndeffeffB) 3 ( 22effeffBnn可以改写成可以改写成:2021年12月24日星期五42式中neff表示温度引起的热光效应或者是轴向应变引起的弹光效应对光纤纤芯有效折射率neff的影响，表示温度引起的热膨胀效应或者是轴向应变引起的轴向形变对光栅周期的影响。 基于光纤光栅的传感技术由式（3）如果由于外界物理量，比如温度或者应力的变化使neff和分别发生neff和的变化，则会导致Bragg波长B也随之产生B的偏移，因此通过波长解调装置检测出B

30、ragg波长的偏移量B就可以知道相应的被测量的变化。 2021年12月24日星期五43基于光纤光栅的传感技术I I I B B 宽谱 光源 波长 监测器 波长 监测器 3dB 耦合器 FBG 反射光谱 出射光谱 温度或应变变化引起Bragg波长的偏移 出射光谱温度或应变变化引起Bragg波长的偏移 传感原理示意图传感原理示意图2021年12月24日星期五44如图所示，FBG将外界参量的变化转化为Bragg波长的偏移，通过监测Bragg波长的偏移实现对外界参量变化情况的监控。FBG的反射光谱和透射光谱之间具有互补性，因此检测Bragg波长的偏移量B既可以通过监测FBG反射光谱的变化来完成，也可以

31、通过监测FBG透射光谱的变化来完成，此方案可以提高光功率的利用率。在光源功率不大，FBG的反射率又不高的情况下，透射光谱监测方式可以提高测量系统的信噪比。 基于光纤光栅的传感技术2021年12月24日星期五45当FBG处于没有外力引起应变的自然状态时，如果温度发生变化，光纤材料的热光效应会引起光纤纤芯有效折射率neff的变化，光纤材料的热膨胀效应会引起光栅周期的变化。基于光纤光栅的传感技术温度变化引起Bragg波长变化的相关假设:假设FBG的温度效应和应力效应是相互独立的，忽略它们之间的交叉敏感性。由于FBG的尺寸一般都在几个mm，最大也不超过20mm，可以认为FBG处于一个均匀温度场中，忽略

32、FBG不同位置之间的温差引起热应力的影响； 2021年12月24日星期五46 假设整个实验过程FBG处于光纤材料的线性热膨胀区，忽略温度变化对其热膨胀系数的影响，认为热膨胀系数在测量温度范围内始终保持常数不变。由于石英光纤的软化点在17000C附近，所以在实验温度范围内可以忽略温度变化对热膨胀系数的影响，认为热膨胀系数在测量范围内始终是常数； 基于光纤光栅的传感技术假设在Bragg波长变化范围内以及在整个实验温度范围内，光纤材料的热光系数始终保持不变。 2021年12月24日星期五47基于光纤光栅的传感技术基于以上三点假设，下面将逐步建立FBG的温度传感模型:式式(3)两边分别除以两边分别除以

33、T，整理得，整理得: ) 4 ( 2TnTnTeffeffBT热光效应热光效应引起光纤纤芯有效折射率引起光纤纤芯有效折射率neff的变化为的变化为: (5) Tnneffeff上式中上式中是光纤材料的热光系数，它表示折射率随是光纤材料的热光系数，它表示折射率随温度的变化率。温度的变化率。 2021年12月24日星期五48基于光纤光栅的传感技术光纤材料的热膨胀效应会引起光栅周期的变化: (6) T上式中是光纤材料的热膨胀系数，它表示光栅周期随温度的变化率。把式(6)和(5)代入式(4)，得: (7) 22effeffBTnnT把Bragg波长偏移量BT写成相对偏移量的形式，联立式(1)和式(7)

34、，得: (8) TBTBT2021年12月24日星期五49基于光纤光栅的传感技术令kT+，则:由式(8)可知，BT和T存在线性关系，因此通过解调装置检测出Bragg波长的偏移量BT，则很容易就可以确定被测量T的变化。 (9) 1BTBTTTkkT为FBG的温度系数，由光纤材料的热光系数和热膨胀系数决定，它表示Bragg波长变化率随温度的变化。2021年12月24日星期五50基于光纤光栅的传感技术对掺锗石英光纤，热光系数=6.3410-6/0C,热膨胀系数=0.5510-6/0C，因此可以得到Bragg波长变化率随温度变化的理论值，即FBG温度系数kT的理论值为：(10) /1089. 66Ck

35、T因此，Bragg波长的相对偏移量表达式可以直接写成: a)-(11 1089. 66TBTBTb)-(11 1089. 66BTBTT2021年12月24日星期五51式(11)就是光纤Bragg光栅在不受外界应力的自然状态下，当温度发生变化时的传感模型的表达式，其温度灵敏度为:(12) 1089. 66BTBTTTK光纤光纤Bragg光栅应变传感模型光栅应变传感模型:建立应变传感模型之前，先做以下几点必要的假设： 假设光纤光栅在所研究的应力范围内是一个理想假设光纤光栅在所研究的应力范围内是一个理想的弹性体，遵循胡克定律，并且内部不存在切应变；的弹性体，遵循胡克定律，并且内部不存在切应变； 基

36、于光纤光栅的传感技术2021年12月24日星期五52 假设光纤光栅折射率变化在横截面上均匀分布，并且这种由于激光诱导引起的光致折变不会影响光纤本身各向同性的特点； 基于光纤光栅的传感技术 假设应力是静应力，不考虑应力随时间的变化情况。 基于以上三点假设，下面将建立光纤Bragg光栅的应变传感模型。应变通过弹光效应和轴向形变分别对FBG的有效折射率和光栅周期产生影响，从而使Bragg波长产生偏移。2021年12月24日星期五53由式(3)得: 基于光纤光栅的传感技术(13) 2effeffBnn设FBG受到轴向应变时，其应变量为z为: (14) LLz施加轴向应变引起的折射率变化非常小，通常用

37、表示，有： 21effn(15) 2132effeffeffnnn2021年12月24日星期五54联立式(13)和式(15)，得: 基于光纤光栅的传感技术(16) 1223effeffzeffBnnn根据材料的光弹性质，有效折射率neff的变化可以由弹光系数矩阵Pij和应变张量矩阵j表示: (17) 1612jjijieffPn2021年12月24日星期五55应变张量矩阵j可用轴向应变z表示，由于切应变为0，即 4 =5=6= 0，因此:基于光纤光栅的传感技术(18) 000Tzzzj弹光系数矩阵为:(19) 000000000000000000000000444444111112121112

38、121211PPPPPPPPPPPPPij其中，P11、P12和P44是弹光系数，是光纤纤芯材料的泊松比，P44=(P11-P12)/2。 2021年12月24日星期五56联立式(15)和式(17)、(18)和(19)，整理得:基于光纤光栅的传感技术(20) 21211122zeffeffeffPPPnnn因此，式(16)可改写为:(21) 1zzeffBBkP式中Peff是有效弹光系数,且 (22) 21211122PPPnPeffeff2021年12月24日星期五57对于掺锗石英光纤，相应的参数为P11=0.12、P12=0.27、=0.16、neff=1.46，由上式可得Peff0.22

39、，则式(21)可以改写为:基于光纤光栅的传感技术a)-(23 78.0zBBb)-(23 78.0BzB因此，对于一个理想的光纤Bragg光栅应变传感模型，当温度不变时，Bragg波长的偏移量与轴向应变呈线性关系；应变系数的论值为0.78/。 2021年12月24日星期五58光纤光栅传感技术基于光纤光栅的传感技术快速发展的光纤通信以及光纤光栅技术为光纤传感技术开辟了一个新的领域，光纤光栅传感是光纤传感器家族的一个重要成员，具有光纤技术本身的各项优点，而且还具有其自身独特的优点：传感信号是波长调制，测量信号不受光源起伏和光路系统损耗因素的影响； 具有自参考点，测量的是绝对值； 调制区直接写入纤芯

40、，具有结构简单、稳定性好和插入损耗低，无需研磨和对准等工艺要求； 2021年12月24日星期五59 光纤光栅传感技术可以采用光纤通信中成熟的波分复用等技术构建传感网络，波分复用中的每个光纤光栅波长信号可以携带不同测量点、不同参量的信息； 基于光纤光栅的传感技术光纤光栅很容易埋入复合材料、混凝土等材料中，从而对其内部的应变和温度进行高分辨率和大范围的测量。 光纤光栅传感网络相当于一个神经网络，每一个探测点(即光栅)相当于一个神经，很容易实现所谓的3S(Smart material, Smart structure, Smart skin)”系统。 2021年12月24日星期五60光纤光栅传感器的

41、关键技术之一是如何精确、快速、方便地检测和处理由于被测量变化引起的每个传感光栅Bragg中心波长的微小偏移量，即实现每个波长编码信号的解调。其解调的实质是对传感光栅的反射谱或者透射谱进行实时监测，检测出波长编码信息。基于光纤光栅的传感技术解调方法分为传统方案（比如用单色仪对信号信号进行解调）和新型波长信号解调方案（可调谐F-P滤波器法和匹配光纤光栅滤波器法等 ），商用化最好的Microoptics公司的可调谐F-P解调装置。2021年12月24日星期五61基于光纤光栅的传感技术(1) 传统的波长信号解调方案(采用单色仪或者光纤光谱仪) 由传感光栅获得的光信号直接输入到光谱仪或单色仪，直接测量出

42、光信号的波长位置，从而实现光纤光栅传感器波长信号的解调。这种解调方案测量精度较高，是一种有效的解调方案，但是这些仪器价格比较高，体积大不易携带，难以满足实际工程应用的需要，适合于实验室使用。 2021年12月24日星期五62基于光纤光栅的传感技术153015401550156015700.800.850.900.951.00 Normalized Trasmission IntensityWavelength, nm1#FBG, temperature:107oC1556 1558 1560 1562 1564 1566 1568 1570 1572-74-72-70-68-66-64-62-

43、60-58-56-54 a 2000Cb 3600Cc 6600Cd 7600Ce 8000CReflective Power, dBmWavelength, nmabcde2021年12月24日星期五63(2) 新型的波长信号解调方案 基于光纤光栅的传感技术在实际工程应用中，光纤光栅传感器波长信号解调方案分为两部分: (1)光信号处理部分，把光参量(波长信号)转化为电参量，这是波长信号解调的核心部分; (2)电信号处理部分，对电参量进行分析处理，提取外界的有用信息，以可视化界面或其他直观的界面输出显示，并以数字化信息存储。 从传感系统的结构和检测方法来考虑，大致可以归纳为以下三大类型: 20

44、21年12月24日星期五64a 可调谐窄带激光扫描解调方案 基于光纤光栅的传感技术这种解调方案是利用可调谐激光器跟踪传感光纤光栅的波长信号，要求激光器输出波长的线宽远小于光纤光栅的反射带宽，理想光源是可调谐光纤激光器。通过调节窄带光纤激光器的输出波长来扫描传感光栅的反射谱，如果对光纤激光器的输出波长作连续扫描，则探测器接收到的光功率随激光波长的变化曲线便反应了传感光栅的反射谱型，当光纤激光器输出的中心波长调谐至光纤光栅反射峰值波长时，探测器接收到的反射信号光功率最大，因此此时光纤激光器的输出波长就是传感光纤光栅的Bragg波长。 2021年12月24日星期五65可调谐窄带激光扫描解调方案的原理

45、:基于光纤光栅的传感技术IMG: 折射率匹配膏(折射率匹配液)，为减少光纤端面纤芯和空气界面产生的菲涅尔反射，降低非传感光信号的对结果的影响。 可调谐 激光器 信号处理 3dB 耦合器 传感光纤光栅 IMG 信号输出 隔离器 PD2021年12月24日星期五66信号处理输出:基于光纤光栅的传感技术RfPINICL7650Vo考虑参数:工作波长，光谱响应范围，响应度，暗电流，击穿电压，光敏面直径。 2021年12月24日星期五67b 宽谱光源和窄带滤波扫描组合的解调方案 基于光纤光栅的传感技术宽谱光源: 各种类型的LED，或其他宽光谱光源。 按照窄带滤波可以分为两种方法: (a) 匹配光纤光栅滤

46、波解调法 宽谱光源 信号处理 PD 信号输出 IMG IMG 传感光纤光栅 3dB耦合器 13dB耦合器 2匹配光纤光栅 2021年12月24日星期五68这种解调方法要求传感光纤光栅和匹配光纤光栅的参数完全相同。传感光纤光栅的波长信号经耦合器进入匹配光栅，由PZT调节匹配光纤光栅的反射中心波长，并且由探测器检测其光信号的强度，使探测器接收到的光强最大，依据PZT驱动电压-波长关系即可得到传感光纤光栅的中心反射波长。这种方法也可以采用透射方式，检测匹配光纤光栅的透射光强。基于光纤光栅的传感技术(b) 可调谐光纤F-P滤波解调法 2021年12月24日星期五69这种解调方法利用可调谐光纤F-P滤波

47、器对传感光纤光栅的反射信号进行光谱分析，从而获得反射信号的峰值波长。传感光纤光栅的反射信号经耦合器进入可调谐光纤F-P滤波器，通过PZT调节光纤F-P滤波器的透射波长，当其透射波长与传感光纤光栅反射峰值波长相等时，探测器接收到的光强达到最大，根据电压-波长关系即可得到该传感光纤光栅的反射峰值波长。基于光纤光栅的传感技术 可调光纤 F- P 滤波器 宽谱光源 传感光纤光栅 3dB耦合器 信号处 理 信号输出 PD PZT IMG 2021年12月24日星期五70c 参量转化解调方案 基于光纤光栅的传感技术参量转化解调方案是把波长偏移量转化成相位或者光强等参量的变化，从而获得峰值波长的位置。目前，

48、这种解调方案主要有以下两种:(a) 非平衡M-Z干涉解调法这种解调方法是把传感光纤光栅的Bragg波长偏移量转化为相位的变化来检测。传感光纤光栅的反射波长信号经耦合器进入不等臂长的M-Z干涉仪，两臂的光程差为nd(n为纤芯折射率，d为两干涉臂之差)，当外界环境变化导致传感光纤光栅的反射波长变化时，M-Z干涉仪输出的相位变化为: 2021年12月24日星期五71因此通过测定相位的变化就可以得到波长的变化量，从而获得外界环境的信息变化。基于光纤光栅的传感技术(24) 2 BBdn + - PD 示波器 OPD = n d宽谱光源 3dB 耦合器1传感光纤光栅 IMG 相移 补偿反馈 3dB 耦合器

49、23dB 耦合器3PZT 圆柱体 2021年12月24日星期五72(b)边缘滤波线性函数解调法 基于光纤光栅的传感技术这种解调方法要求滤波器在传感光纤光栅的反射谱范围之内是线性变化的，利用具有较大线宽、透过率对光波长的响应呈线性变化的滤波器，将波长信号的变化转化为光强的变化，光强信号随波长按滤波器的线性函数变化，最终得到传感光纤光栅的反射中心波长。传感光纤光栅的反射波长信号由3dB耦合器分成两份:其中一部分经LPG(滤波器)进入电路处理部分，另外一部分作为参考信号直接进入电路处理部分，以消除光源波动和光路系统造成的附加损耗对信号的影响，电路部分的最终输出反映了加载于传感光纤光栅上的外界参量变化

50、。 2021年12月24日星期五73光纤光栅传感的组网技术 基于光纤光栅的传感技术 3dB耦合器1 宽谱光源 信号处理 信号处理 PD 除法器 信号输出 IMG FBG LPG 3dB耦合器2 由于有些被测对象可能不止一个点，而是呈现一个分布的场，如温度场、应力场等，为了获得这一类被测对象比较完整的信息，需要采用分布式的传感网络，使被测信号对载波信号进行分布式的调制，形成所谓的“3S”系统。 2021年12月24日星期五74所谓分布式调制，就是指被测场的信息以一定的空间分布方式对光纤光栅波长信号进行调制，形成调制信号谱带。通过询址、解调调制信号谱带即可测出被测场信号的大小和空间分布，每个光纤光

51、栅波长信号可携带不同测量点、不同参量的信息。基于光纤光栅的传感技术(1) 光纤光栅准分布式传感技术 光纤光栅是一维光子器件，彼此之间很容易实现串联，随着光纤光栅写入技术的发展和制作工艺的日臻完善，目前可以在一根光纤上写入多个不同波长的光栅，形成光纤光栅串。 2021年12月24日星期五75所谓的准分布式传感技术，是在一根光纤上写入多个光纤布拉格光栅，它们的Bragg波长之间具有一定的间距，或是将Bragg波长具有一定间距的多个光纤布拉格光栅通过熔接或其他方法串接在一根光纤上，然后通过波分询址的方法获得同一根光纤线路上各个光纤布拉格光栅处的被测场的信息。基于光纤光栅的传感技术2021年12月24

52、日星期五76基于光纤布拉格光栅的准分布式传感系统如图所示，通过解调系统可以对目标进行准分布式的、多点的实现多参量的空间监测，每根光纤可以复用20个以上的光纤布拉格光栅。基于光纤光栅的传感技术 信号处理 光电器件 输出显示 FBG1 FBG2 FBGn FBG 阵列 2021年12月24日星期五77(2) 光纤光栅分布式传感技术基于光纤光栅的传感技术在某些场合，准分布式的光纤光栅传感技术可能满足不了工程上的需要，为此人们在准分布式传感技术的基础上，研究发展了光纤光栅传感网络。 该技术是在准分布式光纤光栅传感技术的基础上利用波分复用技术、时分复用技术和空分复用技术，根据工程需要构建点阵、面阵和体阵

53、等多种拓扑结构的网络系统。典型的光纤光栅传感网络结构如图所示:2021年12月24日星期五78基于光纤光栅的传感技术 宽带光源 1N 光开关/耦合器 可调谐扫描 滤波器组 探测器组 信号处理 输出显示 FBG11光源 FBG12光源 FBG1n光源 FBG21光源 FBG22光源 FBG2n光源 FBGn1光源 FBGn2光源 FBGnn光源 n2个 FBG 组成的 空间网络 光电终端 2021年12月24日星期五79图中n2个光纤布拉格光栅可以根据工程需要按照一定的网络拓扑结构组合在一起，并通过一个光电终端来协调工作，从而实现对被测场的多点、多参量的探测和解调功能；传感网络中的各个通道可以通

54、过光开关进行切换，而且各通道之间的光纤布拉格光栅可以采用相同Bragg波长的光栅，从而有效地利用频带资源。另外，在光源谱宽、功率和解调技术允许的情况下，光源和光开关之间可以接入一个1N(N2)的耦合器，耦合器的输出端与更多数量的光开关连接，从而实现更多数量的光纤布拉格光栅的询址。 基于光纤光栅的传感技术2021年12月24日星期五80光纤光栅传感组网中的复用技术 基于光纤光栅的传感技术在大多数的实际应用场合，光纤光栅传感都要借助于波分复用(WDM)技术、时分复用(TDM:Time Division Multiplexing)技术、空分复用(SDM: Space Division Multipl

55、exing)技术或是这些技术的组合来实现准分布式传感技术或者传感网络技术。(1) WDM技术WDM技术在光纤通信领域是一种非常成熟的技术，是实现未来超大容量的全光通信的技术手段之一。2021年12月24日星期五81在传感网络中借用了WDM这一技术，通过光纤总线上各传感光纤光栅的波长信号来询址，每个波长信号携带不同测量点、不同参量(可以是同一测量点的信息)的信息，从而实现光纤光栅传感大容量询址的目的。基于光纤光栅的传感技术比较典型的复用传感系统其原理是：当宽带光源/可调谐光源注入到光纤总线时，由于各传感光纤光栅波长信号的差异，通过传感网络分析仪就可以知道被测信号的特征。由于受光源带宽和功率以及解

56、调技术的限制，每根光纤线路上复用的光纤光栅数目会受到一定的限制。 2021年12月24日星期五82(2) TDM技术基于光纤光栅的传感技术TDM技术利用同一根光纤线路上各传感光纤光栅之间波长信号的光程差，由一根光纤延迟线使它们任意两个传感光纤光栅之间产生时延差，从而达到及时地分离不同传感光纤光栅波长信号的目的。其原理是：当一个光脉冲(脉宽小于光纤延迟线的传输时间)注入到光纤总线时，由于光纤延迟线的作用在光纤总线的终端将会接收到多个光脉冲，因此一个光脉冲对应光纤总线上的一个传感光纤光栅，光脉冲的延迟反映了传感光纤光栅在光纤总线上的地址，而光脉冲的波长变化反映了该传感光纤光栅处被测量的特征。 20

57、21年12月24日星期五83(3) SDM技术 基于光纤光栅的传感技术波长 监测系统 光源 波长 监测系统 FBG1 FBG2 FBG3 光纤 2021年12月24日星期五84传感网络中，各光纤通路按照空间位置进行编码，SDM技术将光源发出的光信号通过选通光开关切换到所需要询址的光纤通路，因此该光纤通路上的光纤光栅受到被测场的调制，从而把被测场的信息反馈到网络分析仪。基于光纤光栅的传感技术这种技术允许各光纤通路上的光纤光栅具有相同的特征，从而有效地利用光源的频带资源。另外，该技术在航空航天和安全监测方面愈加显示出网络的灵活性和安全性，在某一光纤线路出现故障时，可以安全、及时地切换到另外一路具有

58、相同功能的光纤线路，从而保证传感网络正常工作。 2021年12月24日星期五85实际应用中，光开关可以根据需要合理地布置在相应的位置。 基于光纤光栅的传感技术光源光源网络分析仪网络分析仪1N光开关光开关FBG11FBG12FBG1nFBG21FBG22FBG2nFBGn1FBGn2FBGnn2021年12月24日星期五86基于光纤光栅的传感技术1 nBroadbandSourceFBG Sensor array3dB COUPLER1nChannel 1Channel nWDMPDDEMODULATION MACH-ZEHNDERINTEFEROMETERPHASE MODULATOR100

59、kHz Signal1nDEMODULATED SIGNALS2021年12月24日星期五87利用啁啾光纤光栅对传感信号进行解调基于光纤光栅的传感技术SLEDRF GENERATOR1GHzMACH-ZEHNDER MODULATORPHASE DETECTORPHOTO-DETECTORCIRCULATORCIRCULATORFBG啁啾解调光栅啁啾解调光栅EDFA应力应力参考信号参考信号传感器输出传感器输出2021年12月24日星期五88应用WDM和TDM技术解调FBG传感器阵列基于光纤光栅的传感技术宽带光源折射率匹配液WDM折射率匹配液衰减器AFBG1FBG1延迟线WDM折射率匹配液衰减器

60、AFBG2FBG2延迟线折射率匹配液传感头1传感头2WDM探测器1探测器212C1C2C32021年12月24日星期五89C1应用解复用器解调波长信号的光纤光栅分布式传感基于光纤光栅的传感技术C3C4C5C2宽带光源WDM探测器1探测器213， 41， 2WDMWDM234探测器3探测器4传感器1传感器2传感器3传感器4折射率匹配液FBG1FBG2折射率匹配液FBG3FBG412341, 2, 3, 42021年12月24日星期五90Sabeus公司的光纤光栅声探测阵列基于光纤光栅的传感技术2021年12月24日星期五91光纤光栅传感技术的实际应用基于光纤光栅的传感技术利用光纤光栅传感技术，把