任磊 S130402005光纤光栅技术发展现状及在应用综述

1、光纤光栅技术发展现状及在应用综述任磊摘要随着现在社会的发展，光纤光栅的应用领域越来越广。特殊用途的光纤光栅也得到了极大的发展。现阶段，光纤光栅方面的研究主要在光纤光栅的制作，光纤光栅的写入技术等方面。对光纤光栅应用方面的研究主要是在传感器方面和在光通信等方面。光纤光栅传感器是光纤光栅的最主要的研究方面，包括在压力，温度，位移，加速度等方面。在光纤通信方面的研究也是光纤光栅一个热门方向。本文主要从写入方法，传感器，光纤通信方面，对光纤光栅做一个综述。关键词：光纤光栅，传感器，光纤通信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年加拿大渥太华通信研究中心的K.O.Hill等人首次

2、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,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,使光纤光栅的制作技术实现了突破性进展。随着光纤光栅制造技术的不断完善,其应用的成果日益增多,从光纤通信、光纤传感到光计算和光信息处理的整个领域都将由于光纤光栅的实用化而发生革命性的变化,光纤光栅技术是光纤技术中继掺铒光纤放大器(EDFA)技术之后的又一重大技术突破。光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的。所谓光纤中的光敏性是指激光通过掺杂光纤时,光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化的特性(这种现象也称为

3、光致折射率变化效应)。比如用激光干涉条纹(全息照相)从侧面辐照掺锗光纤,就可使其成为光纤光栅,这种光栅在大约500以下稳定不变,而用500以上高温可擦除。而在纤芯内形成的空间相位光栅,其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤无源器件。这些器件具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小,能与光纤很好的耦合,可与其它光器件兼容成一体,不受环境尘埃影响等一系列优异性能。光纤光栅的种类很多,主要分两大类:一是Bragg光栅(也称为反射或短周期光栅);二是透射光栅(也称为长周期光栅)。对光纤光栅的研究主要是光栅的写入技术(尤其是非周期光栅的写

4、入技术)、光栅的传输和传感特性以及光栅的应用等。目前光纤光栅的应用主要集中在光纤通信领域和光纤传感器领域。2光纤光栅的写入方法 光纤光栅的写入方法写入方法包含全息干涉法、相位掩膜法、两次曝光法、光纤弯曲法、锥形光纤法、应力梯度法、移动平台法、复合chirp光栅法等。下面简单介绍几种重要的写入技术。2.1横向全息曝光写入法这种方法是将纤芯掺锗浓度较高的一段紫外光敏光纤在两束紫外光束交叠区域所形成的干涉场中曝光,引起纤芯折射率的周期性扰动,从而形成Bragg光栅。此法的优点是可以随意调节光栅Bragg波长(只需改变两束相干光的夹角)以及仅要求简单的光学元件,但对光源的相干性和系统的稳定性要求较高。

5、2.2相位掩膜写入法 相位掩膜法是目前应用较多的一种方法。这种方法是将用电子束曝光刻好的图形掩膜置于裸光纤上,相位掩膜具有压制零级,增强一级衍射的功能。紫外光经过掩膜相位调制后衍射到光纤上形成干涉条纹,写入周期为掩膜周期一半的Bragg光栅。此法不依赖于入射光波长,只与相位光栅的周期有关,因此对光源的相干性要求不高,从而简化了光纤光栅的制造系统,但其缺点是制作掩膜复杂。2.3逐点写入法 这是一种非相干写入技术。它是利用聚焦光束在光纤上逐点曝光而形成光栅,每写一个条纹,光栅移动一定距离,需用纳米级的精密机构控制光纤运动位移。通过控制光纤的移动,可以方便的控制光栅的周期。但技术操作较难,一般用于制

6、造长周期光栅。2.4在线写入法 这是一种较新的成栅方法。它是在光纤拉制过程中在裸光纤上直接写入光栅,通过对干涉系统中两束干涉光夹角的调节,可在线自动写入反射波长不同的一系列光纤光栅。此法制造工艺简单,能连续大批量地制造光纤光栅,提高了光纤性能的稳定性,但还需对所使用的准分子激光束截面进行改进才能满足实用化的要求。3光纤光栅在光纤通信方面的应用 在光纤通信领域,由于光纤光栅的独特性能,将影响到光源、光放大、光纤色散补偿、光信号处理等各个方面,是下一代高速光纤通信系统中不可缺少的关键器件之一。同时,光纤光栅也使各种全光器件的研制成为可能,如全光纤激光器、全光纤滤波器等,因而所谓的全光纤一维光子集成

7、,即将各种全光纤器件集成在一条光纤里,形成诸多集成型光纤信息系统也将成为现实。它迫使人们不得不重新考虑光通信系统的每一个设计,将来光通信系统中如果没有光纤光栅就如传统光学系统中没有镜片一样令人难以置信。光纤光栅几乎可以运用到光纤通信的每一个领域,其主要应用有:3.1光纤激光器 它是利用光纤光栅的反射性,构成光纤激光器所需的谐振腔,实现光纤激光器。其与光纤光栅的兼容性、输出稳定性和光谱纯度比半导体激光器好,且具有较高的光输出功率、极窄的线宽和较宽的调谐范围。3.2分布反馈式DBF激光器 它是将光纤光栅作为半导体激光器的外腔反射镜,制作出的分布反馈式DBF激光器,不仅输出激光的线宽窄,易于与光纤系

8、统耦合,且通过对光栅加纵向拉伸力,可控制输出激光的频率和模式,成为可调谐激光器。3.3光纤放大器在长中继和高速光通信系统中,要求光放大器在较宽的带宽内有平坦的增益,而一般的光纤放大器都不能满足,用闪耀光纤光栅做成特定的光谱损耗形式可以平衡光放大器的增益。此外,光纤光栅还可以降低掺铒光纤放大器(EDFA)的泵浦功率。如图1图13.4波分复用/解复用器l1l2lN波分复用器l1l2lN波分解复用器光功率放大器光线路放大器光线路放大器光前置放大器由于光纤光栅具有良好的波长选择性,可以在同一根光纤中复用/解复用多个空间排列紧密的波长信道,增加光通信的容量,从而方便地实现WDM光纤通信系统的光复用/解复

9、用，如图2为波分复用的原理图。 图23.5光纤滤波器由于光纤光栅能对光栅透射频谱中的任一波长进行窄带滤出,控制光栅周期,可以灵活写入任何波长的带通滤波器。这些滤波器有:窄带带阻滤波器、宽带带阻滤波器、梳状带阻滤波器、窄带带通滤波器、F-P型带通滤波器、光纤横向滤波器等。3.6色散补偿器 光纤的色散和损耗是影响光纤通信能力的两个重要因素。EDFA的出现使光纤损耗不再是光通信系统的主要问题,色散补偿成为光纤通信中急需解决的问题。由于不同频率分量在光纤中具有不同的传输速度,使得输入脉冲在经过光纤传输后发生展宽,产生色散,如经过Chirp光纤光栅反射后,由于不同频率分量在光栅中的不同位置发生反射,使脉

10、冲的高频成分获得比低频成分大的时延,从而使脉冲被重新压缩。2.7超窄光脉冲产生器 在高速率、长距离通信系统中以及在光时分复用和光孤子传输系统中,都必须使用超窄光脉冲。采用Chirp光纤光栅可以从多模FP半导体激光器的增益开关脉冲中提取单个脉冲,Chirp光栅的色散补偿作用可除去光脉冲中的非线性调制量,使光脉冲压窄。4光纤光栅的传感器在光纤传感器领域,光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、尺寸小(标准裸光纤为125m)、重量轻、耐温性好(工作温度上限可达400 -600)、复用能力强、传输距离远(传感器到解调端可达几公里)、耐腐蚀、高灵敏度、无源器件、易形变等优点,但光纤光栅的制造成本和可靠性制约着它的

11、大规模应用,使光纤光栅传感器技术的发展和实用化较为缓慢,随着通信技术的迅速发展,光纤光栅的制造技术也日趋成熟和可靠,使光纤光栅传感器的制作成本大幅下降,可靠性提高,光纤光栅传感器开始逐步走向现实应用。光纤光栅可以用于应力、应变或温度等物理量的传感测量,具有较高的灵敏度和测量范围。当光纤光栅所处环境的物理量发生变化时,将导致光栅周期或纤芯折射率的变化,使反射光的波长发生变化,通过测量变化前后反射光波长的变化,就可以获得待测物理量的变化情况。在光纤若干个部位写入不同栅距的光纤光栅,就可以同时测定若干部位相应物理量及其变化,实现分布式光纤传感。光纤光栅传感器的应用前景十分广阔,早在1988年就成功地

12、在航空、航天领域中作为有效的无损检测技术,同时光纤光栅传感器还可应用于化学医药、材料工业、水利电力、船舶、煤矿等各个领域,目前还在土木工程领域(如建筑物、桥梁、水坝、管线、隧道、容器、高速公路、机场跑道等)开发可在混凝土组件和结构中,测定其结构的完整性和内部应变状态的可能技术,从而建立灵巧结构,并进一步实现智能建筑。目前对光纤光栅传感器的研究方向主要有三个方面:一是对传感器本身及能进行横向应变感测和高灵敏度、高分辨率、且能同时感测应变和温度变化的传感器研究;二是对光栅反射信号或透射信号分析和测试系统的研究,目标是开发低成本、小型化、可靠且灵敏的探测技术;三是光纤光栅传感器的实际应用研究,包括封

13、装技术、温度补偿技术、传感器网络技术。常见的光纤光栅传感器有:4.1光纤光栅应变传感器此种传感器是在工程领域中应用最广泛，技术最成熟的光纤传感器。应变直接影响光纤光栅的波长漂移，在工作环境较好或是待测结构要求精小传感器的情况下，人们将裸光纤光栅作为应变传感器直接粘贴在待测结构的表面或者是埋设在结构的内部。由于光纤光栅比较脆弱，在恶劣工作环境中非常容易破坏，因而需要对其进行封装后才能使用。目前常用的封装方式主要有基片式、管式和基于管式的两端夹持式。4.2光纤光栅温度传感器温度是国际单位制给出的基本物理量之一，是工农业生产和科学实验中需要经常测量和控制的主要参数，同时也是与人们日常生活密切相关的一

14、个重要物理量。目前，比较常用的电类温度传感器主要是热电偶温度传感器和热敏电阻温度传感器。光纤温度传感与传统的传感器相比有很多优点，如灵敏度高，体积小，耐腐蚀，抗电磁辐射，光路可弯曲，便于遥测等。基于光纤光栅技术的温度传感器，采用波长编码技术，消除了光源功率波动及系统损耗的影响，适用于长期监测;而且多个光纤光栅组成的温度传感系统，采用一根光缆，可实现准分布式测量。温度也是直接影响光纤光栅波长变化的因素，人们常常直接将裸光纤光栅作为温度传感器直接应用。同光纤光栅应变传感器一样，光纤光栅温度传感器也需要进行封装，封装技术的主要作用是保护和增敏，人们希望光纤光栅能够具有较强的机械强度和较长的寿命，与此

15、同时，还希望能在光纤传感中通过适当的封装技术提高光纤光栅对温度的响应灵敏度。普通的光纤光栅其温度灵敏度只有0.010 nm/左右，这样对于工作波长在1550nm的光纤光栅来说，测量100的温度范围波长变化仅为lnm。应用分辨率为lpm的解码仪进行解调可获得很高的温度分辨率，而如果因为设备的限制，采用分辨率为0. 06nm的光谱分析仪进行测量，其分辨率仅为6度，远远不能满足实际测量的需要。目前常用的封装方式有基片式、管式和聚合物封装方式等。工作原理如图结果显示光纤信号处理光电转换传感元件光源电信号4.3光纤光栅位移传感器研究人员开展了应用光纤光栅进行位移测量的研究，目前这些研究都是通过测量悬臂梁

16、表面的应变，然后通过计算求得悬臂梁垂直变形，即悬臂梁端部垂直位移。这种“位移传感器”不是真正意思上的位移传感器，目前这种传感器在实际工程已取得了应用，国内亦具有商品化产品。4.4光纤光栅加速度计传感器1996年，美国的Berkoff等人利用光纤光栅的压力效应设计了光纤光栅振动加速度计。转换器由质量板、基板和复合材料组成，质量板和基板都是6mm厚的铝板，基板作为刚性板起支撑作用，中间为8mm厚的复合材料夹在两铝板中间起弹簧的作用。在质量块的惯性力作用下，埋在复合材料中的光纤光栅受到横向力作用产生应变，从而导致光纤光栅的布拉格波长变化。采用非平衡M-Z干涉仪对光纤光栅的应变与加速度间的关系进行解调

17、.1998年，Todd采用双挠性梁作为转换器设计了光栅加速度计。加速度传感器由两个矩形梁和一个质量块组成，质量块通过点接触焊接在两平行梁中间，光纤光栅贴在第二个矩形梁的下表面。在传感器受到振动时，在惯性力的作用下，质量块带动两个矩形梁振动使其产生应变，传递给光纤光栅引起波长移动。这种传感器也在国内已经有了商品化的产品。4.5光纤光栅压力传感器对拉力或压力的监测也是监测的一部分重要内容，如桥梁结构的拉索的整体索力、高纬度海洋平台的冰压力，以及道路的土壤压力，水压力等。哈工大欧进萍等人相继开发出了光纤光栅拉索压力环和光纤光栅冰压力传感器，英国海军研究中心开发了光纤光栅土壤压力传感器，用以监测公路内

18、部的荷载情况。并且各国相继开始光纤光栅油气井压力传感器的研究工作。除以上介绍的光纤光栅传感器外，光纤光栅研究人员和传感器设计人员基于光纤光栅的传感原理，还设计出光纤光栅伸长计，光纤光栅曲率计，光纤光栅湿度计，以及光纤光栅倾角仪，光纤光栅连通管等。此外，人们还通过光纤光栅应变传感器制成用于测量公路运输情况的运输计、用于测量公路施工过程中沥青应变的应变计等。5结论光纤光栅的应用广泛，本文介绍了光纤光栅写入方法，光纤光栅在光纤通信方面的应用，和光纤光栅在传感器方面的应用。光纤光栅的出现，深刻的影响着光纤信息传输的设计，它使许多复杂的全光纤通信，多点分布式传感及其网络监测成为了可能，极大的拓宽了光纤技

19、术的应用范围。而基于光纤光栅的传感器的设计及应用是一个方兴未艾的领域，有着诸多需要深入研究的课题以及非常广阔的发展前景。可以预料，随着光纤光栅传感头敏化与封装技术的改进、传感信号解调技术的优化以及服用和网络规模的进一步扩大，必将大大地推动光纤光栅传感器实用化的进程。参考文献1李进军，常新龙，宋晓东 光纤光栅传感技术及其应用 光机电信息【J】2009年10期2王金辉 光纤光栅技术在光通信方面的研究 通信技术 3王昌，刘统玉，张东生，刘小会 光纤光栅技术的研究进展 山东科技 2008年10月 第5期4李 尧 赵 鸿 朱 辰 于继承 张大勇 光纤光栅技术综述 2006年9月 第36卷5张洪宪 光纤光

20、栅传感器技术及其应用 自然科学 第9卷 第3期 20076吴椿锋 冒丽蓉 郑磊 新特器件应用 第12卷 第8期 2010年8月6廖延彪.光纤光学M.清华大学出版社.2000:131-140.7鲍吉龙,章献民等.光纤光栅传感器及其应用J.激光技术,2000,24(3):174-179.8裴丽,宁提纲等.光纤光栅制作方法J.光纤与电缆及其应用技术,2000,(5):25-29.9池灏,章献民等.光纤光栅与未来的光纤通信J.中国图象图形学报,1999,4(2):172-175.10方强,梁猛.发展中的光纤光栅技术J.西安邮电学院学报,1999,491):13-17.Abstract With the development of the society now, application field of optical fiber grating is more and more and more