光纤光栅技术与应用

光纤光栅技术与应用From:GDFT1当前第1页\共有50页\编于星期四\19点内容光纤光栅技术与应用Part1光纤（OpticalFiber）及光通信技术简介Part2光纤光栅（OpticalFiberGrating）Part3光纤光栅的应用内容2当前第2页\共有50页\编于星期四\19点Part1光纤及光通信技术简介3当前第3页\共有50页\编于星期四\19点通信波段划分及相应传输媒介频率Hz10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015自由空间波长（m）电力、电话无线电、电视微波红外可见光双铰线同轴电缆光纤卫星/微波AM无线电FM无线电频段划分传输介质电磁波谱的划分光纤光栅技术与应用4当前第4页\共有50页\编于星期四\19点光纤及光通信技术简介光纤光栅技术与应用光通信用光波载运信息，实现通信光纤通信以光波载运信息，用光纤作传输媒体，实现通信光纤通信的优点频带宽、信息容量大传输损耗低、无中继距离远材料丰富抗电磁干扰光纤间串话小，保密性好耐腐蚀、耐高压体积小、质量轻5当前第5页\共有50页\编于星期四\19点光通信的发展光纤光栅技术与应用光通信的发展过程雏形：古代烽火、手旗、灯光潜望镜原理——光波导之雏形6当前第6页\共有50页\编于星期四\19点光纤基本理论光纤光栅技术与应用菲涅耳定律：n1sinθ1=n2sinθ2n1n2n1<n2θ1θ2n2n1n1>n2θ2θ1结论：若要实现全反射，则必须有n1>n27当前第7页\共有50页\编于星期四\19点光纤基本理论光纤光栅技术与应用Φmax=arcsin(NA)φn1n28当前第8页\共有50页\编于星期四\19点

可见，光纤的数值孔径（NA）仅取决于纤芯的折射率的大小及包层相对折射率差，而于光纤的直径无关。标准多模光纤的NA公称值一般为0.2，对应的孔径角约为11.5º。标准单模光纤的NA公称值一般为0.1～0.15，对应的孔径角约为5.7º~8.6º。光纤基本理论光纤光栅技术与应用9当前第9页\共有50页\编于星期四\19点光纤结构纤芯包层涂敷层护套光纤结构光纤光栅技术与应用单模光纤内径：9µm多模光纤内径：50µm外径：125µm尺寸规格：10当前第10页\共有50页\编于星期四\19点光纤结构光纤光栅技术与应用两种常用光纤的结构及其折射率分布11当前第11页\共有50页\编于星期四\19点机械手MechanicalhandleCapstan

对中卡头Three-jawchuckModifiedChemicalVaporDeposition高温炉Graphitefurnace测温仪Pyrometer分离及沉积处理Separatedeposition测径仪FiberdiameterGauge空气净化系统ClearAirSystem机械手Mechanicalhandle涂杯Coatcup对中itioncentercontrol光固化vioietCuringSystem涂杯Coatcup对中itioncentercontrol光固化UltravioietCuringSystem对中itioncentercontrol热固化UltravioietCuringSystem涂杯Coatcup对中itioncentercontrol热固化UltravioietCuringSystem气相色谱VaporPhasechromatogrameter基座高温炉配重排除尾气12当前第12页\共有50页\编于星期四\19点光缆构成光纤光栅技术与应用常用光缆的典型构成13当前第13页\共有50页\编于星期四\19点国外光纤技术发展情况光纤技术发展概况光纤光栅技术与应用20世纪60年代中期，所研制的最好的光纤损耗在400dB以上1966年英国标准电信研究所高锟及Hockham从理论上预言光纤损耗可降至20dB/km以下日本于1969年研制出第一根通信用光纤损耗为100dB/km1970年康宁公司（Corning）采用“粉末法”先后获得了损耗低于20dB/km和4dB/km的低损耗石英光纤1974年贝尔实验室（Bell）采用改进的化学汽相沉积法制出性能优于康宁公司的光纤产品。到1979年，掺锗石英光纤在1.55µm处的损耗已经降到0.2dB/km，这一数值已经十分接近由Rayleigh散射所决定的石英光纤理论损耗极限14当前第14页\共有50页\编于星期四\19点光纤技术发展概况光纤光栅技术与应用1963年开始光通信的研究1977年，第一根短波长(0.85mm)阶跃型石英光纤问世，损耗为300dB/km1978年，阶跃光纤的衰减降至5dB/km。研制出短波长多模梯度光纤，即G.651光纤1979年，研制出多模长波长光纤，衰减为1dB/km。建成5.7km、8Mb/s光通信系统试验段1980年1300nm窗口衰减降至0.48dB/km，1550nm窗口衰减为0.29dB/km。1981年多模光纤活动连接器进入实用1984年武汉、天津34Mb/s市话中继光传输系统工程建成(多模)1990年，研制出G.652标准单模光纤，最小衰减达0.35dB/km1992年降至0.26dB/km国内现状15当前第15页\共有50页\编于星期四\19点1991年，研制出G.653色散位移光纤。最小衰减达0.22dB/km1997年，研制出G.655非零色散位移光纤“六五”、“七五”、“八五”铺设“八纵八横”光纤线路总长约七万公里光纤技术发展概况光纤光栅技术与应用

虽然光纤光缆的研制仅短短的20多年，其应用却已相当普遍。迄今，已敷设光缆长度超过100万km，光缆已敷设到世界屋脊西藏。生产光缆的厂家有200多家，每年所用光纤的数量超过400万km。在实际网络中，无论是核心网还是接入网，目前主要应用的还是G.652光纤。在核心网中新建线路已开始采用G.655光纤，在接入网中已开始应用光纤带光缆。我国光通信领域已掌握了光纤、器件、系统等各方面的关键技术，逐渐走进了国际光通信的先进行列。尤其在主要技术上，都有了自己的特色和创新。

16当前第16页\共有50页\编于星期四\19点

中国网通公司光纤通信网络采用铁道部光纤连接成环，总长3400km；江苏/安徽/上海/江西/浙江/福建6省市，17个节点，52个传输站；系统容量16×2.5=400Gb/s；应用IPoverSDH/WDM技术；2000年底开通运行上海石家庄北京天津济南合肥南京杭州福州广州长沙武汉郑州南昌深圳厦门国内光纤通信网示例光纤光栅技术与应用17当前第17页\共有50页\编于星期四\19点光纤通信系统方框图单信道全光中继数字通信光--电--光中继的数字通信光纤通信技术基础光纤光栅技术与应用18当前第18页\共有50页\编于星期四\19点时分复用技术光纤光栅技术与应用时分复用TDM－TimeDivisionMultiplexingSignal1Signal2SignalnSignal3MultiplexerDemultiplexerOpticalFiber19当前第19页\共有50页\编于星期四\19点

Lucent公司研制的单波长速率320Gb/sOTDM试验系统是目前单波长速率最高的系统。在发送端：20Gb/s电信号经光调制器输出光信号，再经由20GHz驱动的半导体电吸收光调制器、再生器使20Gb/s的光信号的脉冲宽度压缩变窄，之后采用延迟插入和极化正交的光时分复用OTDMMUX，产生出320Gb/s光信号。

时分复用技术示例光纤光栅技术与应用20当前第20页\共有50页\编于星期四\19点波分复用技术光纤光栅技术与应用波分复用WDM－WavelengthDivisionMultiplexingλnλ1λ2λnλ3DemultiplexerMultiplexerλ1λ2λ321当前第21页\共有50页\编于星期四\19点

Nortel和Worldcom公司联合对1Tb/sWDM系统进行现场试验。从美国Dallas到Longview市。全长200公里，采用单纤双向传输。

波分复用技术光纤光栅技术与应用22当前第22页\共有50页\编于星期四\19点波分复用技术光纤光栅技术与应用

密集波分复用(DWDM,DenseWavelengthDivisionMultiplexing)当波分复用的峰波长之间的间隔为1.6nm，0.8nm或更低时(对应的约为200G，100GHz或更窄的带宽)。频分复用(FDM,FrequencyDivisionMultiplexing)更为密集的波分复用。波分复用系统的主要缺点是由于WDM的插入损耗减小了系统的可用功率，信道间的串扰也会恶化接收机的灵敏度，最关键的是波分复用器件的价格仍太高。23当前第23页\共有50页\编于星期四\19点时分—波分复用技术光纤光栅技术与应用时分－波分复用Time-FrequencyDivisionMultiplexingλ1,λ2…λkTx1TxnTx2Tx2WDMMUXTx(λ1）λ1λ2λkTDMMUX24当前第24页\共有50页\编于星期四\19点

Lucent公司研制的3.28Tb/s试验系统是目前容量最大的试验系统。系统速率为40Gb/s,共82个波长光滤波器波长间隔为100GHz，系统工作于C和L两个波段分别容纳40和42个波长通道波分复用，后采用时分复用。时分—波分复用技术光纤光栅技术与应用25当前第25页\共有50页\编于星期四\19点Part2光纤光栅26当前第26页\共有50页\编于星期四\19点光纤光栅简介光纤光栅技术与应用

光纤光栅是在光纤纤芯内介质折射率呈周期性调制的一种光纤无源器件，它是利用掺杂（如锗、磷等）光纤的光敏性，通过某种工艺方法使外界入射光子和纤芯内的掺杂离子相互作用导致纤芯折射率沿纤轴方向周期性或非周期性的永久变化，在纤芯内形成空间相位光栅。光纤折射率变化部分Λ27当前第27页\共有50页\编于星期四\19点光纤及光通信技术简介光纤光栅技术与应用K.O.Hill等人实验原理示意图光功率计氩离子激光(514.5nm)掺锗光纤28当前第28页\共有50页\编于星期四\19点

光纤光栅有如一道道的栅门，一个波长的光线经过这一排栅门，就会被分解成很多道波长比较短的光线，不能通过栅门的光线就会被打回头，由另一个仪器收集后交给接收者。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。

光纤光栅简介光纤光栅技术与应用输入谱传输谱反射谱应变引起波长移动III29当前第29页\共有50页\编于星期四\19点光纤光栅简介光纤光栅技术与应用

根据光纤光栅周期的长短及均匀性的不同，光纤光栅可分为短周期光栅(BraggGrating，也称光纤反射光栅)长周期光栅(LongPeriodGrating，也称光纤透射光栅)和啁啾光栅(ChirpedGrating，又称为非周期光栅)。30当前第30页\共有50页\编于星期四\19点FBG有较小且均匀的周期，一般约为0.5～1µm，具有反射固定波长之特性。多用于温度、应力以及以此为基础而发展出的振动、流量、载荷疲劳、结构损伤、腐蚀等方面的分布式检测系统。光纤布拉格光栅光纤光栅技术与应用光纤布拉格光栅31当前第31页\共有50页\编于星期四\19点tf啁啾光栅啁啾光栅光纤光栅技术与应用tftp32当前第32页\共有50页\编于星期四\19点

啁啾通常是指一种频率变化的现象，如果Bragg光纤光栅的周期或折射率沿长度方向发生一定变化，则其Bragg频率沿长度方向也会发生一定变化，即发生了啁啾，这种光纤光栅就称为啁啾光纤光栅。啁啾可以是线性的也可以是非线性的，周期沿长度方向线性变化的光栅称为线性啁啾光栅。

啁啾光栅光纤光栅技术与应用33当前第33页\共有50页\编于星期四\19点啁啾光栅光纤光栅技术与应用色散产生原理示意图

波长色散的起因有两个：1）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；2）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。34当前第34页\共有50页\编于星期四\19点啁啾光栅光纤光栅技术与应用35当前第35页\共有50页\编于星期四\19点长周期光栅光纤光栅技术与应用LPG周期在100µm以上。其主要特性则是透射光在耦合的波长下将耦合到光线薄层中去损耗掉，而不是被反射。这样在某些不需要回波、甚至尽量避免回波的场合，长周期光栅将一展身手。另外，长周期光栅对环境的变化与FBG相比更加敏感。但是，在实际应用中，长周期光栅还存在着一些局限性，比如：它对弯曲过于敏感，一个很小的弯曲会将他的峰值波长向短波方向移动；另外，由于它的透射谱具有几个峰，且每个峰都有一定的带宽，这限制了LPG在准分布式传感系统中的应用。

36当前第36页\共有50页\编于星期四\19点Part3光纤光栅应用37当前第37页\共有50页\编于星期四\19点3S：SmartSkinSmartMaterialSmartStructure光纤光栅光纤光栅技术与应用38当前第38页\共有50页\编于星期四\19点

分布式光纤传感器测量是运用光纤的一维特性进行测量的技术，它可同时获得被测量的空间分布状态和随时间变化的信息。它可以在整个光纤上对沿光纤分布的环境参数进行连续测量。在理论上，它可以把被测量作为光纤位置长度的函数，能得到任意大小的分辨率。分布式光纤传感器光纤光栅技术与应用分布式光纤传感系统39当前第39页\共有50页\编于星期四\19点1、反射法：利用光纤在外部扰动作用下产生的Reyleigh、Raman、Brillouin等效应进行测量的方法。2、偏振光时域反射法(POTDR)：利用后向散射光的偏振态信息进行分布式测量的技术。3、波长扫描法(WLS)：用白光照射保偏光栅，运用快速Fourier算法来确定模式耦合系数的分布。4、干涉法：利用各种形式的干涉仪或干涉装置把被测参量对干涉光路中光波的相位调制进行解调，从而得到被测参量信息的方法。分布式光纤传感器光纤光栅技术与应用40当前第40页\共有50页\编于星期四\19点准分布式光纤光栅传感结构准分布式光纤光栅传感系统光纤光栅技术与应用宽带光源光谱分析仪41当前第41页\共有50页\编于星期四\19点1、在光敏光纤同一位置重叠写入两个具有不同Bragg波长的光栅来区别温度和应变效应；2、利用同一光纤Bragg光栅的一阶和二阶衍射效应来区别出温度和应变效应；3、采用特殊封装、埋入方式的方法来消除温度－应力的交叉敏感问题。光纤光栅温度去敏光纤光栅技术与应用光纤光栅的温度去敏42当前第42页\共有50页\编于星期四\19点光纤光栅温度去敏光纤光栅技术与应用硅管光纤光栅螺母有涂敷的光纤铝帽环氧胶螺纹铝管光纤光栅温度补偿装置结构43当前第43页\共有50页\编于星期四\19点FBG光纤紫外固化胶空心玻璃球光纤光栅温度去敏光纤光栅技术与应用采用空心玻璃球提高光纤光栅压力灵敏度44当前第44页\共有50页\编于星期四\19点准分布式光纤光栅的信号解调准分布式光纤光栅传感系统寻址光纤光栅技术与应用

准分布式光纤光栅传感(光栅复用技术)是光纤传感器独有的技术，能实现沿光纤铺设路径上分布场的测量，显著降低系统成本，减少引线。光纤光栅通过波长编码易于实现复用，这种复用光纤光栅传感器在大型结构(如水坝、桥梁、建筑物及飞行器等)的安全监测方面有极为广阔的应用前景。45当前第45页\共有50页\编于星期四\19点多波长移动探测解调技术1、利用光谱仪进行反射波长的扫描；2、通过匹配光栅法检测光纤光栅的反射波长；3、利用“可调谐法布里-珀罗腔”方法检测光纤光栅的反射波长；4、利用线阵CCD来同时探测多个光纤光栅反射波长的移动。准分布式光纤光栅传感系统寻址光纤光栅技术与应用46当前第46页\共有50页\编于星期四\19点光纤光栅的封装光纤光栅封装光纤光栅技术与应用