光纤光栅剖析（课堂PPT）

1、2.5 光纤光栅2l光纤光栅各种分类光纤光栅各种分类l光纤光栅基本原理光纤光栅基本原理l光纤光栅制作技术光纤光栅制作技术l各种各种光纤光栅光纤光栅应用应用l光纤光栅研究方向光纤光栅研究方向光纤光栅技术简介光纤光栅技术简介3体光栅工作原理体光栅工作原理4衍射光栅型波分复用器结构示意图衍射光栅型波分复用器结构示意图光光 纤纤透透 镜镜光光 栅栅 1 2 3 1 2 3 1+ 2+ 3 1+ 2+ 35采用棒透镜的光栅型采用棒透镜的光栅型WDM光光 纤纤棒棒 透透 镜镜光光 栅栅 1+ 2+ 3 1 2 3+ + 3 1 2 36789光纤光栅光纤光栅FBGv对于同向传输的两个波，如果传播常数满足对

2、于同向传输的两个波，如果传播常数满足Bragg条条件，两波之间将发生能量的耦合。件，两波之间将发生能量的耦合。vBragg条件：v特别地，如果满足 能量将耦合至波长与入射波相同的反向传输的散射能量将耦合至波长与入射波相同的反向传输的散射中中-反射式滤波器FBG2212211110effn21112光纤光栅的优势光纤光栅的优势v全光纤结构全光纤结构v低插入损耗低插入损耗v低成本优势低成本优势v偏振相关性较低，其可靠性较高偏振相关性较低，其可靠性较高v能灵活实现所需的光谱特性能灵活实现所需的光谱特性v许多物理参数可以调整许多物理参数可以调整1314v 光栅周期光栅折射率调制的距离光栅周期光栅折射率

3、调制的距离 v 光栅长度光栅长度v 调制深度光栅中折射率差调制深度光栅中折射率差.(折射率的变化折射率的变化)v 折射率分布折射率分布15161718l光纤光栅各种分类光纤光栅各种分类l光纤光栅基本原理光纤光栅基本原理l光纤光栅制作技术光纤光栅制作技术l各种各种光纤光栅光纤光栅应用应用l光纤光栅研究方向光纤光栅研究方向光纤光栅技术简介光纤光栅技术简介19mnneffeff12212m其中：其中：innnneffeffsin,sin11222effnl0表示正向传输光表示正向传输光l10-2； 降低了对光纤的选择要求，几乎可以用于任降低了对光纤的选择要求，几乎可以用于任意光纤；意光纤； 氢原子只

4、起临时敏化作用，没有参与作用的氢原子只起临时敏化作用，没有参与作用的氢原子会随着时间慢慢扩散而离开光纤，对氢原子会随着时间慢慢扩散而离开光纤，对光纤的长期稳定性没有影响；光纤的长期稳定性没有影响；6970紫外脉冲光源紫外脉冲光源v 准分子激光器最简单的高能、脉冲光源准分子激光器最简单的高能、脉冲光源 工作波长工作波长193-248nm，工作功率，工作功率0.3-100mW 相对较短的时间相干性和空间相干性，适合相移掩模法和逐点写入相对较短的时间相干性和空间相干性，适合相移掩模法和逐点写入法法 成栅时间短成栅时间短v 掺钕掺钕YAG泵浦染料激光器泵浦染料激光器 发出可见光发出可见光484nm，然

5、后倍频到，然后倍频到248nm 可调谐、高相干性可调谐、高相干性 能量低于准分子激光器，但高相干性可聚焦得到高峰值光密度能量低于准分子激光器，但高相干性可聚焦得到高峰值光密度v 掺钕掺钕YAG或掺钕或掺钕YLF四倍频激光器四倍频激光器 功率高，比准分子激光器更好的相干性功率高，比准分子激光器更好的相干性 不能调谐，波长比理想光纤光敏波长偏大不能调谐，波长比理想光纤光敏波长偏大v 其它方案价格、复杂程度、可使用性或相对差的性能导致其它方案价格、复杂程度、可使用性或相对差的性能导致没有被广泛的使用没有被广泛的使用71紫外连续光源紫外连续光源v244nm倍频氩离子激光器倍频氩离子激光器 工作在连续状

6、态，没有很高的峰值功率；工作在连续状态，没有很高的峰值功率； 倍频可以直接在激光器内完成，也可通过外倍频可以直接在激光器内完成，也可通过外腔得到；腔得到； 典型功率典型功率50500mW； 成栅时间长；成栅时间长；727374光栅周期与相位掩模板光栅周期与相位掩模板周期有如下关系：周期有如下关系：pmg2) 1(2pmsnh-1+1相位掩模写入光纤光栅相位掩模写入光纤光栅pdhpmn相位掩模法相位掩模法757677啁啾光纤光栅的写入，可以采用啁啾光纤光栅的写入，可以采用啁啾相啁啾相位掩模板位掩模板，中心波长和啁啾量任意设计，中心波长和啁啾量任意设计，但制作困难，价格昂贵；但制作困难，价格昂贵；

7、但也可以利用均匀相位掩模板：但也可以利用均匀相位掩模板：右图所示为采用右图所示为采用光纤弯曲法光纤弯曲法写入啁啾光写入啁啾光纤光栅，光栅周期如下：纤光栅，光栅周期如下：cos/)(m光纤弯曲法写入光纤弯曲法写入啁啾光纤光栅啁啾光纤光栅光纤拉伸法写入光纤拉伸法写入啁啾光纤光栅啁啾光纤光栅F光纤光纤应力拉伸法应力拉伸法：通过机械结构的设计，：通过机械结构的设计，沿光纤轴向产生线性变化的应力，写入光沿光纤轴向产生线性变化的应力，写入光栅，当应力释放后即得到啁啾光栅。栅，当应力释放后即得到啁啾光栅。啁啾光纤光栅写入方法啁啾光纤光栅写入方法7879v光纤光栅的中心波长对光纤光栅的中心波长对外界温度外界温

8、度和和应力应力的变化非的变化非常敏感，基本呈线性关系：常敏感，基本呈线性关系：TpeBB)()1 (为光纤光栅的轴向应变关，与光纤的弹光效应有为有效弹光系数为光纤的热光系数光纤的热膨胀系数22. 0/107/105 . 066PeCCOO光纤光栅的温度稳定性光纤光栅的温度稳定性80光纤光栅的封装技术光纤光栅的封装技术v 可通过控制应力来补偿温度对可通过控制应力来补偿温度对Bragg波长的影响波长的影响 机械封装：机械封装： 为补偿波长随温度的漂移，应在光纤光栅轴向附加应变量进行补偿。为补偿波长随温度的漂移，应在光纤光栅轴向附加应变量进行补偿。 结构相对复杂，但可通过精密调节使光栅达到很高的精度

9、和调谐范结构相对复杂，但可通过精密调节使光栅达到很高的精度和调谐范围围 负温度系数材料封装：负温度系数材料封装： 材料可控性差，成型后无法进一步调节。材料可控性差，成型后无法进一步调节。 为了保证长时间的稳定性，树脂型热粘结胶比较常用，如为了保证长时间的稳定性，树脂型热粘结胶比较常用，如353ND，UV固化胶等。固化胶等。8182l光纤光栅各种分类光纤光栅各种分类l光纤光栅基本原理光纤光栅基本原理l光纤光栅制作技术光纤光栅制作技术l各种各种光纤光栅光纤光栅应用应用l光纤光栅研究方向光纤光栅研究方向光纤光栅技术简介光纤光栅技术简介83v光纤光栅有如一道道的光纤光栅有如一道道的栅门栅门，一束光经过

10、这，一束光经过这一排栅门，就会被分解成很多道光线，不能一排栅门，就会被分解成很多道光线，不能通过栅门的光线就会被打回头；通过栅门的光线就会被打回头；v其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤光器或反射镜。（透射或反射）滤光器或反射镜。84输入谱输入谱传输谱传输谱反射谱反射谱应变引起应变引起波长移动波长移动III典型应用就是典型应用就是滤波滤波，还可利用应变实现，还可利用应变实现可调谐滤波可调谐滤波；还可以利用其还可以利用其敏感度敏感度制备制备光纤传感器光纤传感器；85 光纤光栅是将通信用光纤光栅是将通信用的光纤的一部分利用掺的光纤的一部分利用掺锗

11、光纤非线性吸收效应锗光纤非线性吸收效应的紫外全息曝光法而制的紫外全息曝光法而制成的一种称为成的一种称为Bragg Grating的纤芯折射率周的纤芯折射率周期性变化光栅。期性变化光栅。属于属于波长波长调制型非线性调制型非线性作用的光纤传感器作用的光纤传感器 86 当光栅周围的温度、应变、应力或其他当光栅周围的温度、应变、应力或其他待测物理量发生变化时，将导致光栅周期待测物理量发生变化时，将导致光栅周期或纤芯折射率的变化，从而产生光栅布拉或纤芯折射率的变化，从而产生光栅布拉格信号的波长位移，通过监测波长位移的格信号的波长位移，通过监测波长位移的情况，即可获得待测物理量的变化情况。情况，即可获得待

12、测物理量的变化情况。87反射的中心波长反射的中心波长 =2neff neff为光纤纤芯有效折射率为光纤纤芯有效折射率 为光栅的栅距（光栅周期）为光栅的栅距（光栅周期） 当外界的被测量引起光纤光栅温度、当外界的被测量引起光纤光栅温度、应力改变都会导致反射光中心波长的变化。应力改变都会导致反射光中心波长的变化。 88布拉格光栅施加外力光栅的间隔产生变化导致波长变化反射相应变化的光检测变化值得出所需量温度：T=(-b)*1000/10+T0应变：=(-b )*1000/1.2通过监测布拉格波长的变化即可测出温度和应变扰动89反射光进入可调谐窄带光纤F-P滤波器电控压电陶瓷改变滤波器中F-P的腔长来改

13、变 F-P滤波器的导通频带检测导通中心波长与某一光纤光栅的 布拉格波长相等耦合器导引扫描光栅反射谱光电探测器将反射光变为电信号A/D转换电信号转为数字信号变量9091光纤光栅在光纤通信系统中的应用光纤光栅在光纤通信系统中的应用光纤光栅作为一种新型光器件，可构成大量的有源和无源光器件是光纤光栅作为一种新型光器件，可构成大量的有源和无源光器件是: 有源器件有源器件:n光纤激光器光纤激光器;n半导体激光器半导体激光器;nEDFA光纤放大器光纤放大器;nRamam光纤放大器光纤放大器; 无源器件无源器件:n滤波器滤波器;nWDM波分复用器波分复用器;nOADM上下路分插复用器上下路分插复用器;n色散补

14、偿器色散补偿器;n波长变换器波长变换器 ；延时器；延时器； 光纤光栅编码器。光纤光栅编码器。92光纤光栅在光纤传感中的应用光纤光栅在光纤传感中的应用l 反射波长和应变、温度、压力物理量成线性关系反射波长和应变、温度、压力物理量成线性关系：n土木工程：如桥梁、大坝、岸堤、大型钢结构等的健康安全土木工程：如桥梁、大坝、岸堤、大型钢结构等的健康安全监控；监控；n航天工业：如飞机上压力、温度、振动、燃料液位等指标的航天工业：如飞机上压力、温度、振动、燃料液位等指标的监测；监测；n船舶航运业：如船舶的损伤评估及早期报警；船舶航运业：如船舶的损伤评估及早期报警；n电力工业：由于光纤光栅传感器根本不受电磁场

15、的影响，所电力工业：由于光纤光栅传感器根本不受电磁场的影响，所以特别适合于电力系统中的温度监控；以特别适合于电力系统中的温度监控；n石油化学工业：光纤光栅本质安全，特别适合于石化厂、油石油化学工业：光纤光栅本质安全，特别适合于石化厂、油田中的温度、液位等的监控；田中的温度、液位等的监控；n遥测核磁共振机中实地温度，可进行心脏有效率的测量等；遥测核磁共振机中实地温度，可进行心脏有效率的测量等；n核工业：监视废料站的情况，监测反应堆建筑的情况等；核工业：监视废料站的情况，监测反应堆建筑的情况等；93可应用在可应用在WDM的各个环节的各个环节94v波长色散的起因有两个：波长色散的起因有两个： 1 1

16、）折射率随波长呈非线性变化，色散系数与折射）折射率随波长呈非线性变化，色散系数与折射率的二阶导数成正比，称为材料色散；率的二阶导数成正比，称为材料色散； 2 2）传播常数与波长呈非线性关系，色散系数与传）传播常数与波长呈非线性关系，色散系数与传播常数的二阶导数成正比，称为波导色散。播常数的二阶导数成正比，称为波导色散。色散产生原理示意图色散产生原理示意图95Chirped Bragg grating longshortv 优点：优点： 补偿色散在一个很短小的栅区内形成，器件损耗低，在强信号功率下无补偿色散在一个很短小的栅区内形成，器件损耗低，在强信号功率下无非线性问题；非线性问题； 沿光栅精确

17、改变啁啾量可补偿波长依赖色散沿光栅精确改变啁啾量可补偿波长依赖色散； 偏振不敏感；偏振不敏感； 时延抖动小；时延抖动小； 良好的温度特性好，成本低良好的温度特性好，成本低；v 缺点：缺点： 光栅长度与补偿带宽呈线性关系，对窄带补偿有利，对宽带器件困难光栅长度与补偿带宽呈线性关系，对窄带补偿有利，对宽带器件困难； 光栅局部周期缺陷和切趾缺陷使得光栅的色散存在相位畸变；光栅局部周期缺陷和切趾缺陷使得光栅的色散存在相位畸变；96Chirped Bragg grating）9798v将多个光栅串联起来，每一个光栅反射回将多个光栅串联起来，每一个光栅反射回特定的波长特定的波长.99v 用于用于EDFA泵浦光源泵浦光源980nm和和1480nm大功率半导体激光器大功率半导体激光器的波长稳定提供波长选择性反馈的波长稳定提供波长选择性反