光釬通信器件 光纖光柵原理及應(yīng)用ppt課件

1、知識(shí)點(diǎn)回想知識(shí)點(diǎn)回想光纖光柵：光纖光柵： 用特定波長的激光以特定方式照射光纖，導(dǎo)致光用特定波長的激光以特定方式照射光纖，導(dǎo)致光纖內(nèi)部的折射率沿軸向構(gòu)成周期性或非周期性的空間纖內(nèi)部的折射率沿軸向構(gòu)成周期性或非周期性的空間分布，構(gòu)成光柵構(gòu)造，并且能準(zhǔn)確控制諧振波長。分布，構(gòu)成光柵構(gòu)造，并且能準(zhǔn)確控制諧振波長。光纖光柵的的主要制造方法：光纖光柵的的主要制造方法：1. 縱向駐波寫入技術(shù)縱向駐波寫入技術(shù)(內(nèi)部寫入技術(shù)內(nèi)部寫入技術(shù))2. 橫向全息寫入技術(shù)橫向全息寫入技術(shù)3. 相位掩模寫入技術(shù)相位掩模寫入技術(shù)4. 逐點(diǎn)曝光寫入技術(shù)逐點(diǎn)曝光寫入技術(shù)5. 振幅掩模寫入技術(shù)振幅掩模寫入技術(shù)第四章第四章 光纖光柵原

2、理及運(yùn)用光纖光柵原理及運(yùn)用一、光纖光柵的任務(wù)原理一、光纖光柵的任務(wù)原理光纖光柵的最根本原理是相位匹配條件：光纖光柵的最根本原理是相位匹配條件： 入射光 反 射光 透射光 包層 纖芯 1221、2是正、反向傳輸常數(shù)，是正、反向傳輸常數(shù)，是光纖光柵的是光纖光柵的周期，在寫入光柵的過程中確定下來。周期，在寫入光柵的過程中確定下來。 光纖光柵任務(wù)原理光纖光柵任務(wù)原理光纖布拉格光柵光纖布拉格光柵(FBG)的任務(wù)原理的任務(wù)原理 當(dāng)一束寬譜帶光波在光柵中傳輸時(shí)，入射光在相當(dāng)一束寬譜帶光波在光柵中傳輸時(shí)，入射光在相應(yīng)的頻率上被反射回來，其他的不受影響從光柵的另應(yīng)的頻率上被反射回來，其他的不受影響從光柵的另外一

3、端透射出來。外一端透射出來。 光纖光柵起到了光波選頻的作用，反射的條件稱光纖光柵起到了光波選頻的作用，反射的條件稱為布拉格條件。由光纖光柵相位匹配條件得到反射中為布拉格條件。由光纖光柵相位匹配條件得到反射中心波長布拉格波長表達(dá)式：心波長布拉格波長表達(dá)式： nB2光纖光柵任務(wù)原理光纖光柵任務(wù)原理均勻均勻FBG的反射特性的反射特性BeffeffnnkLR2maxtanh 由以上兩式可知，光柵互耦合系數(shù)由以上兩式可知，光柵互耦合系數(shù)k正比于折正比于折射率調(diào)制深度與長度乘積射率調(diào)制深度與長度乘積kL越大，那么峰值反射越大，那么峰值反射率越高；折射率調(diào)制深度越大，那么反射帶寬越寬。率越高；折射率調(diào)制深度

4、越大，那么反射帶寬越寬。峰值反射率：峰值反射率：反射帶寬：反射帶寬：光纖光柵任務(wù)原理光纖光柵任務(wù)原理光纖光柵任務(wù)原理光纖光柵任務(wù)原理長周期光纖光柵的任務(wù)原理長周期光纖光柵的任務(wù)原理 當(dāng)一束光在長周期光纖光柵中傳輸時(shí)，滿足相位當(dāng)一束光在長周期光纖光柵中傳輸時(shí)，滿足相位匹配條件的特定波長的光由纖芯耦合進(jìn)包層向前傳播，匹配條件的特定波長的光由纖芯耦合進(jìn)包層向前傳播，很快被衰減掉。這樣在透射光譜圖上就有一個(gè)損耗峰，很快被衰減掉。這樣在透射光譜圖上就有一個(gè)損耗峰，并且沒有反射波。其他不滿足相位匹配條件的波長，并且沒有反射波。其他不滿足相位匹配條件的波長，根本上無損耗的在光纖纖芯中傳播，從而實(shí)現(xiàn)波長選根本

5、上無損耗的在光纖纖芯中傳播，從而實(shí)現(xiàn)波長選擇損耗特性。擇損耗特性。 01mmclnn 為光柵周期，為光柵周期，n01為纖芯方為纖芯方式折射率，式折射率，n(m)為為m階包層方階包層方式的折射率。式的折射率。 光纖光柵任務(wù)原理光纖光柵任務(wù)原理長周期光纖光柵的光譜特點(diǎn)長周期光纖光柵的光譜特點(diǎn) 纖芯 包層 基模至包層模的轉(zhuǎn)換譜基模至包層模的轉(zhuǎn)換譜 是自耦系數(shù)，是自耦系數(shù)，k是互耦系數(shù)：是互耦系數(shù)：222222sin11kktT峰值轉(zhuǎn)換率：峰值轉(zhuǎn)換率：kLT2maxsin二、摻雜光纖的光敏性二、摻雜光纖的光敏性1. 摻雜光纖光敏性機(jī)理摻雜光纖光敏性機(jī)理摻雜物質(zhì)與摻雜物質(zhì)與SiO2混合時(shí)構(gòu)成的構(gòu)造缺陷混

6、合時(shí)構(gòu)成的構(gòu)造缺陷外界光場(chǎng)作用下經(jīng)過單光子或雙光子吸收過程使錯(cuò)位鍵破裂構(gòu)外界光場(chǎng)作用下經(jīng)過單光子或雙光子吸收過程使錯(cuò)位鍵破裂構(gòu)成色心成色心規(guī)范光纖：規(guī)范光纖：GeO2其它摻雜：其它摻雜：Erbium鉺鉺, Europium銪銪, Cerium鈰鈰2. 影響光纖光敏性的要素影響光纖光敏性的要素?fù)诫s種類與摻雜濃度摻雜種類與摻雜濃度預(yù)制棒預(yù)制棒拉纖速度影響光纖光敏性拉纖速度影響光纖光敏性光纖光敏性與曝光時(shí)所施加的應(yīng)力有關(guān)光纖光敏性與曝光時(shí)所施加的應(yīng)力有關(guān)3. 添加光纖光敏性的方法添加光纖光敏性的方法1低溫載氫處置低溫載氫處置壓力：壓力：20750atm(典型典型150atm)，溫度：，溫度：2075

7、，時(shí)間：數(shù)十小時(shí)至數(shù)天時(shí)間：數(shù)十小時(shí)至數(shù)天構(gòu)成構(gòu)成Ge-H，Si-H，Ge-OH，Si-OH有效添加規(guī)范單模光纖的光敏性有效添加規(guī)范單模光纖的光敏性規(guī)范單模光纖損耗增大規(guī)范單模光纖損耗增大光敏性變化大光敏性變化大退火及老化處置退火及老化處置2高溫載氫處置高溫載氫處置在含氫在含氫1mol%環(huán)境下，運(yùn)用環(huán)境下，運(yùn)用CO2激光將光纖激光將光纖加溫至加溫至600短時(shí)間短時(shí)間10秒內(nèi)添加光纖的光敏性秒內(nèi)添加光纖的光敏性3火焰熱處置火焰熱處置氫氣火焰氫氣火焰+少量氧氣將光纖加熱至少量氧氣將光纖加熱至1700繼續(xù)繼續(xù)20分鐘分鐘光纖的光敏性添加光纖的光敏性添加10倍，折射率變化倍，折射率變化10-3高溫對(duì)光

8、纖呵斥損傷，引起可靠性等方面問高溫對(duì)光纖呵斥損傷，引起可靠性等方面問題題4. 混合摻雜混合摻雜1摻摻Boron硼硼降低折射率，可提高降低折射率，可提高Ge摻雜濃度摻雜濃度光纖的光敏性添加光纖的光敏性添加3倍倍30min400退火可使折射率變化減半退火可使折射率變化減半1500nm窗口付加損耗窗口付加損耗0.1dB/m雙折射效應(yīng)雙折射效應(yīng)2摻摻Tin錫錫較較B-Ge光纖的光敏性添加光纖的光敏性添加3倍倍熱穩(wěn)定性優(yōu)于熱穩(wěn)定性優(yōu)于B-Ge光纖光纖 3摻N2氮?dú)釹PCVD過程中，參與0.1%氮?dú)饪墒构饷粜约颖墩凵渎首兓?.810-3光纖光柵任務(wù)原理光纖光柵任務(wù)原理三、光纖光柵的波長調(diào)諧技術(shù)三、光纖光柵

9、的波長調(diào)諧技術(shù) 光纖光柵的波長調(diào)諧是指對(duì)制造好的光纖光柵光纖光柵的波長調(diào)諧是指對(duì)制造好的光纖光柵進(jìn)展操作，經(jīng)過不同物理效應(yīng)改動(dòng)光纖光柵的光柵進(jìn)展操作，經(jīng)過不同物理效應(yīng)改動(dòng)光纖光柵的光柵常數(shù)柵距常數(shù)柵距及光柵位置的折射率分布，使其反及光柵位置的折射率分布，使其反射或透射波長產(chǎn)生一定的漂移量，以到達(dá)調(diào)諧射或透射波長產(chǎn)生一定的漂移量，以到達(dá)調(diào)諧光纖光柵反射或透射波長的目的。光纖光柵反射或透射波長的目的。1. 電磁調(diào)諧電磁調(diào)諧 將光纖光柵固定在磁致伸縮棒上，連同該磁致將光纖光柵固定在磁致伸縮棒上，連同該磁致伸縮棒置于均勻磁場(chǎng)中，磁致伸縮棒將磁力轉(zhuǎn)化為伸縮棒置于均勻磁場(chǎng)中，磁致伸縮棒將磁力轉(zhuǎn)化為應(yīng)力作用

10、于光柵上，從而完成光纖光柵波長的延續(xù)應(yīng)力作用于光柵上，從而完成光纖光柵波長的延續(xù)均勻調(diào)諧。均勻調(diào)諧。103mT的磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)產(chǎn)生1.1nm的漂移量。的漂移量。 如何產(chǎn)生光纖光柵波長的非均勻調(diào)諧，即調(diào)諧如何產(chǎn)生光纖光柵波長的非均勻調(diào)諧，即調(diào)諧后為啁啾光纖光柵？后為啁啾光纖光柵？ 磁致伸縮棒置于非均勻磁場(chǎng)中，那么磁致伸縮磁致伸縮棒置于非均勻磁場(chǎng)中，那么磁致伸縮棒外表不同位置產(chǎn)生的應(yīng)力大小也不同，使得光纖棒外表不同位置產(chǎn)生的應(yīng)力大小也不同，使得光纖光柵上不同位置的柵格間距光柵常數(shù)光柵上不同位置的柵格間距光柵常數(shù)被拉伸或被拉伸或擠壓的程度也有區(qū)別，折射率變化程度也不一致，擠壓的程度也有區(qū)別，折射率變

11、化程度也不一致，使得本來均勻周期的光纖光柵變?yōu)榉蔷鶆蛑芷诘倪沟帽緛砭鶆蛑芷诘墓饫w光柵變?yōu)榉蔷鶆蛑芷诘倪惫饫w光柵。磁場(chǎng)梯度為啾光纖光柵。磁場(chǎng)梯度為23mT/cm時(shí)，帶寬為時(shí)，帶寬為0.92nm的光纖光柵被調(diào)諧成的光纖光柵被調(diào)諧成1.63nm的啁啾光纖光柵。的啁啾光纖光柵。2. 熱調(diào)諧法熱調(diào)諧法 熱調(diào)諧法是基于折射率與溫度的依賴關(guān)系，實(shí)熱調(diào)諧法是基于折射率與溫度的依賴關(guān)系，實(shí)驗(yàn)證明：光纖布拉格光柵波長的溫度靈敏度為驗(yàn)證明：光纖布拉格光柵波長的溫度靈敏度為0.011 nm/oC或者或者0.015nm/oC 。熱調(diào)諧的方法可以使。熱調(diào)諧的方法可以使光纖光柵波長的調(diào)諧量到達(dá)光纖光柵波長的調(diào)諧量到達(dá)3

12、0nm，但是調(diào)諧溫度不，但是調(diào)諧溫度不易控制，容易受應(yīng)力的交叉影響，而且熱傳送速度易控制，容易受應(yīng)力的交叉影響，而且熱傳送速度緩慢決議調(diào)諧過程緩慢，以致于適用價(jià)值不是很大。緩慢決議調(diào)諧過程緩慢，以致于適用價(jià)值不是很大。3. 機(jī)械調(diào)諧法機(jī)械調(diào)諧法 機(jī)械調(diào)諧法是基于折射率與應(yīng)力的依賴關(guān)系。機(jī)械調(diào)諧法是基于折射率與應(yīng)力的依賴關(guān)系。各種縱向應(yīng)力使光纖光柵軸向拉伸或緊縮、橫各種縱向應(yīng)力使光纖光柵軸向拉伸或緊縮、橫向應(yīng)力使光纖光柵側(cè)向彎曲、改動(dòng)應(yīng)力使光向應(yīng)力使光纖光柵側(cè)向彎曲、改動(dòng)應(yīng)力使光纖光柵產(chǎn)生形變都可以實(shí)現(xiàn)光纖光柵的波長調(diào)諧。纖光柵產(chǎn)生形變都可以實(shí)現(xiàn)光纖光柵的波長調(diào)諧?；跈C(jī)械方法實(shí)現(xiàn)調(diào)諧的不同途徑

13、，可以分為以下基于機(jī)械方法實(shí)現(xiàn)調(diào)諧的不同途徑，可以分為以下幾種：幾種：1軸向應(yīng)力機(jī)械調(diào)諧軸向應(yīng)力機(jī)械調(diào)諧a. 梯度應(yīng)變調(diào)諧梯度應(yīng)變調(diào)諧a. 梯度應(yīng)變調(diào)諧梯度應(yīng)變調(diào)諧 應(yīng)力可以改動(dòng)光纖光柵的光柵常數(shù)應(yīng)力可以改動(dòng)光纖光柵的光柵常數(shù)，也可以改動(dòng)，也可以改動(dòng)光纖光柵的折射率分布，從而影響光纖光柵的任務(wù)波長，光纖光柵的折射率分布，從而影響光纖光柵的任務(wù)波長，完成波長調(diào)諧。完成波長調(diào)諧。 將光纖光柵部位嵌在松軟的介質(zhì)中，一端固定，另將光纖光柵部位嵌在松軟的介質(zhì)中，一端固定，另外一端施加拉力，呵斥介質(zhì)內(nèi)光纖光柵部位出現(xiàn)梯度分外一端施加拉力，呵斥介質(zhì)內(nèi)光纖光柵部位出現(xiàn)梯度分布的應(yīng)力，使光纖光柵變成啁啾光纖光柵

14、。布的應(yīng)力，使光纖光柵變成啁啾光纖光柵。b. 壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)法壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)法 用壓電陶瓷的伸縮驅(qū)動(dòng)光纖光柵參數(shù)的線性調(diào)理，用壓電陶瓷的伸縮驅(qū)動(dòng)光纖光柵參數(shù)的線性調(diào)理，如此可以利用光纖光柵在壓電陶瓷的輔助下設(shè)計(jì)可調(diào)諧如此可以利用光纖光柵在壓電陶瓷的輔助下設(shè)計(jì)可調(diào)諧激光器。激光器。 也可以利用壓電陶瓷完成光纖光柵柵格間距的非均也可以利用壓電陶瓷完成光纖光柵柵格間距的非均勻調(diào)理，得到啁啾光纖光柵的波長輸出。勻調(diào)理，得到啁啾光纖光柵的波長輸出。 將薄壓電陶瓷片堆相互粘貼在一同，每片被獨(dú)立控將薄壓電陶瓷片堆相互粘貼在一同，每片被獨(dú)立控制，將光纖光柵沿軸向粘貼在陶瓷串的側(cè)壁，由制，將光纖光柵沿軸向粘貼在陶瓷

15、串的側(cè)壁，由PZT片片堆靈敏控制光纖光柵各個(gè)部分的應(yīng)變，假設(shè)每片陶瓷上堆靈敏控制光纖光柵各個(gè)部分的應(yīng)變，假設(shè)每片陶瓷上應(yīng)變呈非均勻分布，那么光纖光柵調(diào)諧為啁啾光纖光柵，應(yīng)變呈非均勻分布，那么光纖光柵調(diào)諧為啁啾光纖光柵，否那么還是均勻周期的光纖光柵。否那么還是均勻周期的光纖光柵。光纖光柵任務(wù)原理光纖光柵任務(wù)原理c 軸向擠壓法軸向擠壓法 1994年，年，Ball等人在壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)法的根底上，等人在壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)法的根底上，用兩個(gè)光纖布拉格光柵構(gòu)成線性諧振腔，其中一端用兩個(gè)光纖布拉格光柵構(gòu)成線性諧振腔，其中一端固定，另外一端改用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過步進(jìn)電機(jī)固定，另外一端改用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過步進(jìn)電機(jī)的挪

16、動(dòng)擠壓光纖布拉格光柵來改動(dòng)其波長，調(diào)諧量的挪動(dòng)擠壓光纖布拉格光柵來改動(dòng)其波長，調(diào)諧量到達(dá)到達(dá)32nm。2簡(jiǎn)支梁調(diào)諧法簡(jiǎn)支梁調(diào)諧法 將待調(diào)諧的光纖光柵剛性地粘貼于中央部位，將待調(diào)諧的光纖光柵剛性地粘貼于中央部位，對(duì)中間位置施加外力對(duì)中間位置施加外力P，經(jīng)過改動(dòng)梁偏離程度位置，經(jīng)過改動(dòng)梁偏離程度位置的間隔影響作用于光纖光柵上的應(yīng)變，從而到達(dá)調(diào)的間隔影響作用于光纖光柵上的應(yīng)變，從而到達(dá)調(diào)諧光纖光柵波長的目的。諧光纖光柵波長的目的。3懸梁臂調(diào)諧法懸梁臂調(diào)諧法 相對(duì)于簡(jiǎn)支梁構(gòu)造而言，該構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，波長調(diào)相對(duì)于簡(jiǎn)支梁構(gòu)造而言，該構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，波長調(diào)諧范圍也較寬，可以到達(dá)諧范圍也較寬，可以到達(dá)17nm以上

17、，但是這兩種方法都以上，但是這兩種方法都比較難以控制啁啾度，都可以實(shí)現(xiàn)啁啾和非啁啾調(diào)諧。比較難以控制啁啾度，都可以實(shí)現(xiàn)啁啾和非啁啾調(diào)諧。P光纖光纖光纖光柵光纖光柵4. 非軸向應(yīng)力產(chǎn)生的光纖光柵應(yīng)變分析非軸向應(yīng)力產(chǎn)生的光纖光柵應(yīng)變分析1純彎曲情況純彎曲情況 對(duì)于純彎曲情況，受彎矩對(duì)于純彎曲情況，受彎矩M作用的彈性梁外表任一作用的彈性梁外表任一點(diǎn)的軸向應(yīng)變點(diǎn)的軸向應(yīng)變可表示為可表示為式中，式中，Z0是調(diào)查點(diǎn)距梁中點(diǎn)的間隔；是調(diào)查點(diǎn)距梁中點(diǎn)的間隔；E是梁的楊氏模量；是梁的楊氏模量；I是梁的慣性距。是梁的慣性距。 假設(shè)光纖光柵沿梁軸向粘貼于外表，那么波長漂移假設(shè)光纖光柵沿梁軸向粘貼于外表，那么波長漂移

18、量為量為0Z MEI01eP Z MEI2純轉(zhuǎn)動(dòng)情況純轉(zhuǎn)動(dòng)情況 對(duì)于純轉(zhuǎn)動(dòng)情況，在改動(dòng)角不大的情況下，光纖光對(duì)于純轉(zhuǎn)動(dòng)情況，在改動(dòng)角不大的情況下，光纖光柵的應(yīng)變可表示為柵的應(yīng)變可表示為式中，式中，是軸距是軸距MF作用的梁外表任一點(diǎn)的扭應(yīng)變，可表作用的梁外表任一點(diǎn)的扭應(yīng)變，可表示為示為式中，式中，G、IP和和D分別為梁的剪切橫量、橫截面積慣性分別為梁的剪切橫量、橫截面積慣性矩和橫截面外直徑。假設(shè)光纖光柵沿梁軸向粘貼于外表，矩和橫截面外直徑。假設(shè)光纖光柵沿梁軸向粘貼于外表，那么波長漂移量為那么波長漂移量為1sin222FPDMGI01sin 24eFPpDMGI 光纖光柵原理及運(yùn)用光纖光柵原理及運(yùn)

19、用1. 在光纖通訊中的運(yùn)用：在光纖通訊中的運(yùn)用：四、光纖光柵的運(yùn)用：四、光纖光柵的運(yùn)用：應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域光纖光柵的相關(guān)參數(shù)光纖光柵的相關(guān)參數(shù)980/1480nm激光器的波長穩(wěn)定激光器的波長穩(wěn)定FWHM=0.23nm, R=110%光纖激光器光纖激光器FWHM=0.11nm, R=1100%光纖放大器的泵浦反射器光纖放大器的泵浦反射器(1480nm)FWHM=225nm, R=100%Raman放大器放大器(1300/1550nm)FWHM=1nm, R=100%1550nm相位變換器的泵浦反射器相位變換器的泵浦反射器和波長轉(zhuǎn)換器中的隔離濾波器和波長轉(zhuǎn)換器中的隔離濾波器FWHM=1nm, R=1

20、00%在光纖通訊中的運(yùn)用在光纖通訊中的運(yùn)用相關(guān)參數(shù)相關(guān)參數(shù)(續(xù)續(xù)):雙向雙向1550nmWDM通信系統(tǒng)的通信系統(tǒng)的隔離濾波器隔離濾波器FWHM=0.21nm, R=100%1550nmWDM系統(tǒng)的解復(fù)用器系統(tǒng)的解復(fù)用器FWHM=0.21nm, Isolation30dB1550nmWDM系統(tǒng)中光分插復(fù)用系統(tǒng)中光分插復(fù)用器的器的濾波器濾波器FWHM=0.11nm,Isolation50dB長距離傳輸?shù)纳⒀a(bǔ)償長距離傳輸?shù)纳⒀a(bǔ)償(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=010d

21、B在光纖通訊中的運(yùn)用在光纖通訊中的運(yùn)用(1) 光源光源a. DFB (Distributed Feedback) 光纖光柵激光器光纖光柵激光器 直接在摻鉺光纖或其他稀土摻雜的光纖上寫入直接在摻鉺光纖或其他稀土摻雜的光纖上寫入光纖光柵，構(gòu)成諧振腔，且有源區(qū)和反響區(qū)同為一光纖光柵，構(gòu)成諧振腔，且有源區(qū)和反響區(qū)同為一體。體。 多波長光纖激光器。多波長光纖激光器。 邊模抑制比優(yōu)于邊模抑制比優(yōu)于DBR光纖光柵激光器。光纖光柵激光器。 在光纖通訊中的運(yùn)用在光纖通訊中的運(yùn)用b. DBR光纖光柵激光器 (Distributed Bragg Reflector) FBG寫在摻鉺光纖或其他稀土摻雜的光纖的兩寫在摻

22、鉺光纖或其他稀土摻雜的光纖的兩端，構(gòu)成諧振腔，也可以構(gòu)成多波長激光器。端，構(gòu)成諧振腔，也可以構(gòu)成多波長激光器。 DBR光纖光柵激光器可獲得比光纖光柵激光器可獲得比DFB光纖光柵激光纖光柵激光器更高的方式選擇性，獲得穩(wěn)定的單模運(yùn)轉(zhuǎn)；光器更高的方式選擇性，獲得穩(wěn)定的單模運(yùn)轉(zhuǎn)；DBR光纖光柵激光器也是目前商用化最好的一種可光纖光柵激光器也是目前商用化最好的一種可調(diào)諧激光器。調(diào)諧激光器。在光纖通訊中的運(yùn)用在光纖通訊中的運(yùn)用c.光纖光柵外腔半導(dǎo)體激光器光纖光柵外腔半導(dǎo)體激光器 將一個(gè)半導(dǎo)體激光器的輸出耦合到一支光纖光柵將一個(gè)半導(dǎo)體激光器的輸出耦合到一支光纖光柵上便可以得到光纖光柵外腔半導(dǎo)體激光器。上便可

23、以得到光纖光柵外腔半導(dǎo)體激光器。 多波長輸出半導(dǎo)體激光器。多波長輸出半導(dǎo)體激光器。 閾值電流低，并且具有極低的溫度依賴性，以閾值電流低，并且具有極低的溫度依賴性，以及很高的邊模抑制比，可獲得窄線寬穩(wěn)定激光輸出，及很高的邊模抑制比，可獲得窄線寬穩(wěn)定激光輸出，特別適用于特別適用于DWDM系統(tǒng)上。系統(tǒng)上。 在光纖通訊中的運(yùn)用在光纖通訊中的運(yùn)用(2) 波分復(fù)用器波分復(fù)用器(WDM) 光纖布拉格光柵具有波長選擇濾波的作用，并光纖布拉格光柵具有波長選擇濾波的作用，并且可以根據(jù)需求設(shè)計(jì)小到且可以根據(jù)需求設(shè)計(jì)小到0.1nm的帶寬，因此光纖光的帶寬，因此光纖光柵適宜于高速密集波分復(fù)用的光纖通訊系統(tǒng)中。柵適宜于高

24、速密集波分復(fù)用的光纖通訊系統(tǒng)中。 光纖布拉格光柵光纖布拉格光柵(FBG)與光纖耦合器或者光環(huán)形與光纖耦合器或者光環(huán)形器組合運(yùn)用就可以構(gòu)成波分復(fù)用器。器組合運(yùn)用就可以構(gòu)成波分復(fù)用器。在光纖通訊中的運(yùn)用在光纖通訊中的運(yùn)用基于光纖光柵的基于光纖光柵的WDM 1 3 2 光纖光柵 1 1 1 1 4 光環(huán)行器1 2 3 1 2 2 2 光環(huán)行器2 光纖光柵 2 2 3 1 3 3 3 光環(huán)行器3 光纖光柵 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 光纖光柵 光環(huán)行器 在光纖通訊中的運(yùn)用在光纖通

25、訊中的運(yùn)用光纖光柵型光纖光柵型WDM 器件中的光環(huán)行器部件可以用光纖耦合器替代，器件中的光環(huán)行器部件可以用光纖耦合器替代，但運(yùn)用光纖耦合器時(shí)必需和光隔離器配合運(yùn)用。但運(yùn)用光纖耦合器時(shí)必需和光隔離器配合運(yùn)用。 與輸入光的偏振態(tài)無關(guān)；插入損耗低；中心反與輸入光的偏振態(tài)無關(guān)；插入損耗低；中心反射波長可得到準(zhǔn)確控制；反射帶寬可以恣意選擇；射波長可得到準(zhǔn)確控制；反射帶寬可以恣意選擇；反射率可接近反射率可接近100；對(duì)外界溫度不敏感，溫度補(bǔ)；對(duì)外界溫度不敏感，溫度補(bǔ)償后其溫度靈敏度可達(dá)償后其溫度靈敏度可達(dá)0.0007nm/oC。 光纖光柵型光纖光柵型WDM的優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)在光纖通訊中的運(yùn)用在光纖通訊中的運(yùn)用(

26、3) 光分插復(fù)用器光分插復(fù)用器(OADM) 在某個(gè)站點(diǎn)下載一個(gè)信號(hào)的同時(shí)，器具有一樣在某個(gè)站點(diǎn)下載一個(gè)信號(hào)的同時(shí)，器具有一樣波長的其他光波長信號(hào)替代原來的信號(hào)上載到通訊波長的其他光波長信號(hào)替代原來的信號(hào)上載到通訊系統(tǒng)中。系統(tǒng)中。 城鎮(zhèn) B 收發(fā)機(jī) 城鎮(zhèn) A 收發(fā)機(jī) 城鎮(zhèn) C 收發(fā)機(jī) 1, 2, i-1, i, i+1, , n i i 1, 2, i-1, i, i+1, , n 在光纖通訊中的運(yùn)用在光纖通訊中的運(yùn)用基于光纖光柵的基于光纖光柵的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 光纖

27、光柵 i i i i i 1 1 2 2 3 3 光環(huán)行器 光環(huán)行器 城鎮(zhèn)A 城鎮(zhèn)C 城鎮(zhèn)B 波長波長i的信號(hào)城鎮(zhèn)的信號(hào)城鎮(zhèn)A的的(N-1)個(gè)波長攜帶的信號(hào)個(gè)波長攜帶的信號(hào)一同傳輸?shù)匠擎?zhèn)一同傳輸?shù)匠擎?zhèn)C。 在光纖通訊中的運(yùn)用在光纖通訊中的運(yùn)用(4) 光放大器中的運(yùn)用光放大器中的運(yùn)用 a. 穩(wěn)定泵浦光源的輸出激光波長；穩(wěn)定泵浦光源的輸出激光波長；b. EDFA的增益平坦化；的增益平坦化；c. 抑制抑制EDFA的的ASE噪聲。噪聲。 利用多個(gè)長周期光纖光柵利用多個(gè)長周期光纖光柵(LPFG)對(duì)對(duì)EDFA的增的增益進(jìn)展平衡，那么在益進(jìn)展平衡，那么在15301560nm波長范圍內(nèi)的波長范圍內(nèi)的增益動(dòng)搖控

28、制在增益動(dòng)搖控制在0.20.3dB，從而獲得比較完美，從而獲得比較完美的增益平坦化效果。的增益平坦化效果。在光纖通訊中的運(yùn)用在光纖通訊中的運(yùn)用(5) 色散補(bǔ)償色散補(bǔ)償 不同波長的光在啁啾光纖光柵中的不同位置上不同波長的光在啁啾光纖光柵中的不同位置上發(fā)生諧振反射，假設(shè)在光纖通訊線路中放置這么一發(fā)生諧振反射，假設(shè)在光纖通訊線路中放置這么一個(gè)啁啾光纖光柵，使最長波長的信號(hào)光個(gè)啁啾光纖光柵，使最長波長的信號(hào)光(紅移分量紅移分量)在在光柵末端反射，最短波長的信號(hào)光光柵末端反射，最短波長的信號(hào)光(藍(lán)移分量藍(lán)移分量)在光柵在光柵前端反射，那么，可以設(shè)計(jì)一個(gè)啁啾光纖光柵，在前端反射，那么，可以設(shè)計(jì)一個(gè)啁啾光纖

29、光柵，在紅、藍(lán)分量之間產(chǎn)生一個(gè)時(shí)延差，使得藍(lán)移分量趕紅、藍(lán)分量之間產(chǎn)生一個(gè)時(shí)延差，使得藍(lán)移分量趕上紅移分量，從而補(bǔ)償光纖線路中由于色散效應(yīng)展上紅移分量，從而補(bǔ)償光纖線路中由于色散效應(yīng)展寬的光脈沖。寬的光脈沖。在光纖通訊中的運(yùn)用在光纖通訊中的運(yùn)用光纖光柵的色散補(bǔ)償原理光纖光柵的色散補(bǔ)償原理 1 2 3 4 包層 纖芯 因色散展寬的脈沖 色散補(bǔ)償后的脈沖 還可以補(bǔ)償還可以補(bǔ)償WDM系統(tǒng)中多信道的色散，另外，系統(tǒng)中多信道的色散，另外，還可以補(bǔ)償高速光纖通訊系統(tǒng)中的還可以補(bǔ)償高速光纖通訊系統(tǒng)中的PMD。在光纖通訊中的運(yùn)用在光纖通訊中的運(yùn)用(6)光交叉銜接器光交叉銜接器(OXC) 所謂光交叉銜接器，是指

30、用于光纖網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處的所謂光交叉銜接器，是指用于光纖網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處的安裝，該安裝在光層上經(jīng)過對(duì)光信號(hào)進(jìn)展交叉互連，安裝，該安裝在光層上經(jīng)過對(duì)光信號(hào)進(jìn)展交叉互連，從而靈敏有效地管理光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)可靠的網(wǎng)絡(luò)從而靈敏有效地管理光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)可靠的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)維護(hù)/恢復(fù)、自動(dòng)配線、調(diào)度和監(jiān)控；是實(shí)現(xiàn)光信號(hào)恢復(fù)、自動(dòng)配線、調(diào)度和監(jiān)控；是實(shí)現(xiàn)光信號(hào)高速交叉銜接的理想器件。高速交叉銜接的理想器件。 2.5G的的DWDM網(wǎng)元網(wǎng)元10G的的DWDM網(wǎng)元網(wǎng)元40G的的DWDM網(wǎng)元網(wǎng)元在光纖通訊中的運(yùn)用在光纖通訊中的運(yùn)用22的的4波交換單元光交叉銜接原理波交換單元光交叉銜接原理 控制器 1 3 2 3 2 1 1 3

31、 2 3 2 1 1# 2# 4# 3# 1 2 3 4 1 2 3 4 光纖光柵 光環(huán)行器1 光環(huán)行器3 光環(huán)行器2 光環(huán)行器4 反射波長由同一個(gè)控制器控制；在兩端口分別反射波長由同一個(gè)控制器控制；在兩端口分別和光環(huán)行器銜接，光環(huán)行器的其中一個(gè)端口和另一和光環(huán)行器銜接，光環(huán)行器的其中一個(gè)端口和另一路光纖上的光環(huán)行器交叉互連。路光纖上的光環(huán)行器交叉互連。 在光纖通訊中的運(yùn)用在光纖通訊中的運(yùn)用 采用光纖光柵提高全光網(wǎng)整體采用光纖光柵提高全光網(wǎng)整體性能的方案想象性能的方案想象 Giles C R. Lightwave applications of fiber Bragg gratings. J

32、Lightwave Technol., 2019, 15(8): 1-1404. 基于光纖光柵的傳感技術(shù)基于光纖光柵的傳感技術(shù)光纖光柵的根本光學(xué)特性就是以諧振波長為中光纖光柵的根本光學(xué)特性就是以諧振波長為中心心(布拉格波長布拉格波長)的光學(xué)濾波器，并且的光學(xué)濾波器，并且FBG的諧振波的諧振波長滿足式長滿足式:當(dāng)一束寬帶光波或者說是白光在當(dāng)一束寬帶光波或者說是白光在FBG中傳中傳輸時(shí)，入射光在滿足式上式的頻率輸時(shí)，入射光在滿足式上式的頻率(對(duì)應(yīng)諧振波長對(duì)應(yīng)諧振波長)處被反射回來，其他的那么幾乎不會(huì)遭到影響，從處被反射回來，其他的那么幾乎不會(huì)遭到影響，從光柵的另外一端透射出去。光柵的另外一端透射出

33、去。 nB22. 光纖光柵在傳感領(lǐng)域的運(yùn)用光纖光柵在傳感領(lǐng)域的運(yùn)用光譜特性主要由反射帶光譜特性主要由反射帶寬和峰值反射率兩個(gè)參數(shù)決寬和峰值反射率兩個(gè)參數(shù)決議，而這些參數(shù)又是光柵長議，而這些參數(shù)又是光柵長度、折射率調(diào)制和度、折射率調(diào)制和Bragg波波長的函數(shù)，而且，長的函數(shù)，而且，F(xiàn)BG具有具有優(yōu)良的反射光譜特性優(yōu)良的反射光譜特性: 在中在中心反射波長附近有很高的反心反射波長附近有很高的反射率，而在遠(yuǎn)離中心反射波射率，而在遠(yuǎn)離中心反射波優(yōu)點(diǎn)反射率急劇下降。優(yōu)點(diǎn)反射率急劇下降。 基于光纖光柵的傳感技術(shù)基于光纖光柵的傳感技術(shù)光纖布拉格光柵的光譜特性光纖布拉格光柵的光譜特性:折射率調(diào)制折射率調(diào)制基于光

34、纖光柵的傳感技術(shù)基于光纖光柵的傳感技術(shù)光纖布拉格光柵傳感的根本原理光纖布拉格光柵傳感的根本原理 對(duì)于光纖通訊來說，布拉格波長越穩(wěn)定越好！對(duì)于光纖通訊來說，布拉格波長越穩(wěn)定越好！相反，基于光纖光柵的傳感技術(shù)是利用布拉格波長相反，基于光纖光柵的傳感技術(shù)是利用布拉格波長隨著外界環(huán)境的變化而變化的這一特點(diǎn)。隨著外界環(huán)境的變化而變化的這一特點(diǎn)。FBG傳感的根本原理是利用折射率和光柵周傳感的根本原理是利用折射率和光柵周期對(duì)外界參量的敏感特性，對(duì)期對(duì)外界參量的敏感特性，對(duì)(1)式進(jìn)展全微分式進(jìn)展全微分: 1 2effBn) 2 ( 22dndndeffeffB) 3 ( 22effeffBnn可以改寫成可以

35、改寫成:式中式中neff表示溫度引起的熱光效應(yīng)或者是軸表示溫度引起的熱光效應(yīng)或者是軸向應(yīng)變引起的彈光效應(yīng)對(duì)光纖纖芯有效折射率向應(yīng)變引起的彈光效應(yīng)對(duì)光纖纖芯有效折射率neff的影響，的影響，表示溫度引起的熱膨脹效應(yīng)或者是軸向表示溫度引起的熱膨脹效應(yīng)或者是軸向應(yīng)變引起的軸向形變對(duì)光柵周期的影響。應(yīng)變引起的軸向形變對(duì)光柵周期的影響。 基于光纖光柵的傳感技術(shù)基于光纖光柵的傳感技術(shù)由式由式3假設(shè)由于外界物理量，比如溫度或假設(shè)由于外界物理量，比如溫度或者應(yīng)力的變化使者應(yīng)力的變化使neff和和分別發(fā)生分別發(fā)生neff和和的變化，的變化，那么會(huì)導(dǎo)致那么會(huì)導(dǎo)致Bragg波長波長B也隨之產(chǎn)生也隨之產(chǎn)生B的偏移，的

36、偏移，因此經(jīng)過波長解調(diào)安裝檢測(cè)出因此經(jīng)過波長解調(diào)安裝檢測(cè)出Bragg波長的偏移量波長的偏移量B就可以知道相應(yīng)的被丈量的變化。就可以知道相應(yīng)的被丈量的變化。 基于光纖光柵的傳感技術(shù)基于光纖光柵的傳感技術(shù)I I I B B 寬譜 光源 波長 監(jiān)測(cè)器 波長 監(jiān)測(cè)器 3dB 耦合器 FBG 反射光譜 出射光譜 溫度或應(yīng)變變化引起B(yǎng)ragg波長的偏移 出射光譜溫度或應(yīng)變變化引起B(yǎng)ragg波長的偏移 傳感原理表示圖傳感原理表示圖如下圖，如下圖，F(xiàn)BG將外界參量的變化轉(zhuǎn)化為將外界參量的變化轉(zhuǎn)化為Bragg波長的偏移，經(jīng)過監(jiān)測(cè)波長的偏移，經(jīng)過監(jiān)測(cè)Bragg波長的偏移實(shí)現(xiàn)對(duì)外波長的偏移實(shí)現(xiàn)對(duì)外界參量變化情況的監(jiān)

37、控。界參量變化情況的監(jiān)控。FBG的反射光譜和透射光的反射光譜和透射光譜之間具有互補(bǔ)性，因此檢測(cè)譜之間具有互補(bǔ)性，因此檢測(cè)Bragg波長的偏移量波長的偏移量B既可以經(jīng)過監(jiān)測(cè)既可以經(jīng)過監(jiān)測(cè)FBG反射光譜的變化來完成，反射光譜的變化來完成，也可以經(jīng)過監(jiān)測(cè)也可以經(jīng)過監(jiān)測(cè)FBG透射光譜的變化來完成，此方透射光譜的變化來完成，此方案可以提高光功率的利用率。在光源功率不大，案可以提高光功率的利用率。在光源功率不大，F(xiàn)BG的反射率又不高的情況下，透射光譜監(jiān)測(cè)方式的反射率又不高的情況下，透射光譜監(jiān)測(cè)方式可以提高丈量系統(tǒng)的信噪比?？梢蕴岣哒闪肯到y(tǒng)的信噪比。 基于光纖光柵的傳感技術(shù)基于光纖光柵的傳感技術(shù)當(dāng)當(dāng)FBG處

38、于沒有外力引起應(yīng)變的自然形狀時(shí)，處于沒有外力引起應(yīng)變的自然形狀時(shí)，假設(shè)溫度發(fā)生變化，光纖資料的熱光效應(yīng)會(huì)引起光假設(shè)溫度發(fā)生變化，光纖資料的熱光效應(yīng)會(huì)引起光纖纖芯有效折射率纖纖芯有效折射率neff的變化，光纖資料的熱膨脹的變化，光纖資料的熱膨脹效應(yīng)會(huì)引起光柵周期的變化。效應(yīng)會(huì)引起光柵周期的變化?；诠饫w光柵的傳感技術(shù)基于光纖光柵的傳感技術(shù)溫度變化引起溫度變化引起B(yǎng)ragg波長變化的相關(guān)假設(shè)波長變化的相關(guān)假設(shè):假設(shè)假設(shè)FBG的溫度效應(yīng)和應(yīng)力效應(yīng)是相互獨(dú)立的，的溫度效應(yīng)和應(yīng)力效應(yīng)是相互獨(dú)立的，忽略它們之間的交叉敏感性。由于忽略它們之間的交叉敏感性。由于FBG的尺寸普通的尺寸普通都在幾個(gè)都在幾個(gè)mm，

39、最大也不超越，最大也不超越20mm，可以以為，可以以為FBG處于一個(gè)均勻溫度場(chǎng)中，忽略處于一個(gè)均勻溫度場(chǎng)中，忽略FBG不同位置之不同位置之間的溫差引起熱應(yīng)力的影響；間的溫差引起熱應(yīng)力的影響； 假設(shè)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程假設(shè)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程FBG處于光纖資料的線性熱膨處于光纖資料的線性熱膨脹區(qū)，忽略溫度變化對(duì)其熱膨脹系數(shù)的影響，以為脹區(qū)，忽略溫度變化對(duì)其熱膨脹系數(shù)的影響，以為熱膨脹系數(shù)在丈量溫度范圍內(nèi)一直堅(jiān)持常數(shù)不變。熱膨脹系數(shù)在丈量溫度范圍內(nèi)一直堅(jiān)持常數(shù)不變。由于石英光纖的軟化點(diǎn)在由于石英光纖的軟化點(diǎn)在17000C附近，所以在實(shí)驗(yàn)附近，所以在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)可以忽略溫度變化對(duì)熱膨脹系數(shù)的影響，溫度范圍內(nèi)可以忽

40、略溫度變化對(duì)熱膨脹系數(shù)的影響，以為熱膨脹系數(shù)在丈量范圍內(nèi)一直是常數(shù)；以為熱膨脹系數(shù)在丈量范圍內(nèi)一直是常數(shù)； 基于光纖光柵的傳感技術(shù)基于光纖光柵的傳感技術(shù)假設(shè)在假設(shè)在Bragg波長變化范圍內(nèi)以及在整個(gè)實(shí)驗(yàn)溫波長變化范圍內(nèi)以及在整個(gè)實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，光纖資料的熱光系數(shù)一直堅(jiān)持不變。度范圍內(nèi)，光纖資料的熱光系數(shù)一直堅(jiān)持不變。 基于光纖光柵的傳感技術(shù)基于光纖光柵的傳感技術(shù)基于以上三點(diǎn)假設(shè)，下面將逐漸建立基于以上三點(diǎn)假設(shè)，下面將逐漸建立FBG的溫度傳感模型的溫度傳感模型:式式(3)兩邊分別除以兩邊分別除以T，整理得，整理得: ) 4 ( 2TnTnTeffeffBT熱光效應(yīng)引起光纖纖芯有效折射率熱光效應(yīng)引

41、起光纖纖芯有效折射率neff的變化為的變化為: (5) Tnneffeff上式中上式中是光纖資料的熱光系數(shù)，它表示折射率隨是光纖資料的熱光系數(shù)，它表示折射率隨溫度的變化率。溫度的變化率。 基于光纖光柵的傳感技術(shù)基于光纖光柵的傳感技術(shù)光纖資料的熱膨脹效應(yīng)會(huì)引起光柵周期光纖資料的熱膨脹效應(yīng)會(huì)引起光柵周期的變化的變化: (6) T上式中上式中是光纖資料的熱膨脹系數(shù)，它表示光柵周是光纖資料的熱膨脹系數(shù)，它表示光柵周期隨溫度的變化率。期隨溫度的變化率。把式把式(6)和和(5)代入式代入式(4)，得，得: (7) 22effeffBTnnT把把Bragg波長偏移量波長偏移量BT寫成相對(duì)偏移量的方式，寫成相

42、對(duì)偏移量的方式，聯(lián)立式聯(lián)立式(1)和式和式(7)，得，得: (8) TBTBT基于光纖光柵的傳感技術(shù)基于光纖光柵的傳感技術(shù)令令kT+，那么，那么:由式由式(8)可知，可知，BT和和T存在線性關(guān)系，因此經(jīng)過存在線性關(guān)系，因此經(jīng)過解調(diào)安裝檢測(cè)出解調(diào)安裝檢測(cè)出Bragg波長的偏移量波長的偏移量BT，那么很，那么很容易就可以確定被丈量容易就可以確定被丈量T的變化。的變化。 (9) 1BTBTTTkkT為為FBG的溫度系數(shù)，由光纖資料的熱光系數(shù)的溫度系數(shù)，由光纖資料的熱光系數(shù)和和熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)決議，它表示決議，它表示Bragg波長變化率隨溫波長變化率隨溫度的變化。度的變化。基于光纖光柵的傳感技術(shù)基

43、于光纖光柵的傳感技術(shù)對(duì)摻鍺石英光纖，熱光系數(shù)對(duì)摻鍺石英光纖，熱光系數(shù)=6.3410-6/0C,熱熱膨脹系數(shù)膨脹系數(shù)=0.5510-6/0C，因此可以得到，因此可以得到Bragg波波長變化率隨溫度變化的實(shí)際值，即長變化率隨溫度變化的實(shí)際值，即FBG溫度系數(shù)溫度系數(shù)kT的實(shí)際值為：的實(shí)際值為：(10) /1089. 66CkT因此，因此，Bragg波長的相對(duì)偏移量表達(dá)式可以直接波長的相對(duì)偏移量表達(dá)式可以直接寫成寫成: a)-(11 1089. 66TBTBTb)-(11 1089. 66BTBTT式式(11)就是光纖就是光纖Bragg光柵在不受外界應(yīng)力的光柵在不受外界應(yīng)力的自然形狀下，當(dāng)溫度發(fā)生變

44、化時(shí)的傳感模型的表達(dá)自然形狀下，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)的傳感模型的表達(dá)式，其溫度靈敏度為式，其溫度靈敏度為:(12) 1089. 66BTBTTTK光纖光纖Bragg光柵應(yīng)變傳感模型光柵應(yīng)變傳感模型:建立應(yīng)變傳感模型之前，先做以下幾點(diǎn)必要的假設(shè)：建立應(yīng)變傳感模型之前，先做以下幾點(diǎn)必要的假設(shè)： 假設(shè)光纖光柵在所研討的應(yīng)力范圍內(nèi)是一個(gè)理想假設(shè)光纖光柵在所研討的應(yīng)力范圍內(nèi)是一個(gè)理想的彈性體，遵照胡克定律，并且內(nèi)部不存在切應(yīng)變；的彈性體，遵照胡克定律，并且內(nèi)部不存在切應(yīng)變； 基于光纖光柵的傳感技術(shù)基于光纖光柵的傳感技術(shù)假設(shè)光纖光柵折射率變化在橫截面上均勻分布，假設(shè)光纖光柵折射率變化在橫截面上均勻分布，并且這

45、種由于激光誘導(dǎo)引起的光致折變不會(huì)影響光并且這種由于激光誘導(dǎo)引起的光致折變不會(huì)影響光纖本身各向同性的特點(diǎn)；纖本身各向同性的特點(diǎn)； 基于光纖光柵的傳感技術(shù)基于光纖光柵的傳感技術(shù) 假設(shè)應(yīng)力是靜應(yīng)力，不思索應(yīng)力隨時(shí)間的變化情況。 基于以上三點(diǎn)假設(shè)，下面將建立光纖基于以上三點(diǎn)假設(shè)，下面將建立光纖Bragg光光柵的應(yīng)變傳感模型。應(yīng)變經(jīng)過彈光效應(yīng)和軸向形變柵的應(yīng)變傳感模型。應(yīng)變經(jīng)過彈光效應(yīng)和軸向形變分別對(duì)分別對(duì)FBG的有效折射率和光柵周期產(chǎn)生影響，從的有效折射率和光柵周期產(chǎn)生影響，從而使而使Bragg波長產(chǎn)生偏移。波長產(chǎn)生偏移。由式由式(3)得得: 基于光纖光柵的傳感技術(shù)基于光纖光柵的傳感技術(shù)(13) 2e

46、ffeffBnn設(shè)設(shè)FBG遭到軸向應(yīng)變時(shí)，其應(yīng)變量為遭到軸向應(yīng)變時(shí)，其應(yīng)變量為z為為: (14) LLz施加軸向應(yīng)變引起的折射率變化非常小，通常用施加軸向應(yīng)變引起的折射率變化非常小，通常用 表示，有：表示，有： 21effn(15) 2132effeffeffnnn聯(lián)立式聯(lián)立式(13)和式和式(15)，得，得: 基于光纖光柵的傳感技術(shù)基于光纖光柵的傳感技術(shù)(16) 1223effeffzeffBnnn根據(jù)資料的光彈性質(zhì)，有效折射率根據(jù)資料的光彈性質(zhì)，有效折射率neff的變化的變化可以由彈光系數(shù)矩陣可以由彈光系數(shù)矩陣Pij和應(yīng)變張量矩陣和應(yīng)變張量矩陣j表示表示: (17) 1612jjijief

47、fPn應(yīng)變張量矩陣應(yīng)變張量矩陣j可用軸向應(yīng)變可用軸向應(yīng)變z表示，由于切表示，由于切應(yīng)變?yōu)閼?yīng)變?yōu)?，即，即 4 =5=6= 0，因此，因此:基于光纖光柵的傳感技術(shù)基于光纖光柵的傳感技術(shù)(18) 000Tzzzj彈光系數(shù)矩陣為彈光系數(shù)矩陣為:(19) 000000000000000000000000444444111112121112121211PPPPPPPPPPPPPij其中，其中，P11、P12和和P44是彈光系數(shù)，是彈光系數(shù)，是光纖是光纖纖芯資料的泊松比，纖芯資料的泊松比，P44=(P11-P12)/2。 聯(lián)立式聯(lián)立式(15)和式和式(17)、(18)和和(19)，整理得，整理得:基于光纖

48、光柵的傳感技術(shù)基于光纖光柵的傳感技術(shù)(20) 21211122zeffeffeffPPPnnn因此，式因此，式(16)可改寫為可改寫為:(21) 1zzeffBBkP式中式中Peff是有效彈光系數(shù)是有效彈光系數(shù),且且 (22) 21211122PPPnPeffeff對(duì)于摻鍺石英光纖，相應(yīng)的參數(shù)為對(duì)于摻鍺石英光纖，相應(yīng)的參數(shù)為P11=0.12、P12=0.27、=0.16、neff=1.46，由上式可得，由上式可得Peff0.22，那么式，那么式(21)可以改寫為可以改寫為:基于光纖光柵的傳感技術(shù)基于光纖光柵的傳感技術(shù)a)-(23 78.0zBBb)-(23 78.0BzB因此，對(duì)于一個(gè)理想的光

49、纖因此，對(duì)于一個(gè)理想的光纖Bragg光柵應(yīng)變傳光柵應(yīng)變傳感模型，當(dāng)溫度不變時(shí)，感模型，當(dāng)溫度不變時(shí)，Bragg波長的偏移量與軸波長的偏移量與軸向應(yīng)變呈線性關(guān)系；應(yīng)變系數(shù)的論值為向應(yīng)變呈線性關(guān)系；應(yīng)變系數(shù)的論值為0.78/。 光纖光柵傳感技術(shù)光纖光柵傳感技術(shù)基于光纖光柵的傳感技術(shù)基于光纖光柵的傳感技術(shù)快速開展的光纖通訊以及光纖光柵技術(shù)為光纖快速開展的光纖通訊以及光纖光柵技術(shù)為光纖傳感技術(shù)開辟了一個(gè)新的領(lǐng)域，光纖光柵傳感是光傳感技術(shù)開辟了一個(gè)新的領(lǐng)域，光纖光柵傳感是光纖傳感器家族的一個(gè)重要成員，具有光纖技術(shù)本身纖傳感器家族的一個(gè)重要成員，具有光纖技術(shù)本身的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，而且還具有其本身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：的各

50、項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，而且還具有其本身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：傳感信號(hào)是波長調(diào)制，丈量信號(hào)不受光源起伏和傳感信號(hào)是波長調(diào)制，丈量信號(hào)不受光源起伏和光路系統(tǒng)損耗要素的影響；光路系統(tǒng)損耗要素的影響； 具有自參考點(diǎn)，丈量的是絕對(duì)值；具有自參考點(diǎn)，丈量的是絕對(duì)值； 調(diào)制區(qū)直接寫入纖芯，具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好調(diào)制區(qū)直接寫入纖芯，具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好和插入損耗低，無需研磨和對(duì)準(zhǔn)等工藝要求；和插入損耗低，無需研磨和對(duì)準(zhǔn)等工藝要求； 光纖光柵傳感技術(shù)可以采用光纖通訊中成熟的波光纖光柵傳感技術(shù)可以采用光纖通訊中成熟的波分復(fù)用等技術(shù)構(gòu)建傳感網(wǎng)絡(luò)，波分復(fù)用中的每個(gè)光分復(fù)用等技術(shù)構(gòu)建傳感網(wǎng)絡(luò)，波分復(fù)用中的每個(gè)光纖光柵波長信號(hào)可以攜帶不同丈量

51、點(diǎn)、不同參量的纖光柵波長信號(hào)可以攜帶不同丈量點(diǎn)、不同參量的信息；信息； 基于光纖光柵的傳感技術(shù)基于光纖光柵的傳感技術(shù)光纖光柵很容易埋入復(fù)合資料、混凝土等資料中，光纖光柵很容易埋入復(fù)合資料、混凝土等資料中，從而對(duì)其內(nèi)部的應(yīng)變和溫度進(jìn)展高分辨率和大范圍從而對(duì)其內(nèi)部的應(yīng)變和溫度進(jìn)展高分辨率和大范圍的丈量。的丈量。 光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，每一光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，每一個(gè)探測(cè)點(diǎn)個(gè)探測(cè)點(diǎn)(即光柵即光柵)相當(dāng)于一個(gè)神經(jīng)，很容易實(shí)現(xiàn)所相當(dāng)于一個(gè)神經(jīng)，很容易實(shí)現(xiàn)所謂的謂的3S(Smart material, Smart structure, Smart skin)系統(tǒng)。系統(tǒng)。 光纖光

52、柵傳感器的關(guān)鍵技術(shù)之一是如何準(zhǔn)確、光纖光柵傳感器的關(guān)鍵技術(shù)之一是如何準(zhǔn)確、快速、方便地檢測(cè)和處置由于被丈量變化引起的每快速、方便地檢測(cè)和處置由于被丈量變化引起的每個(gè)傳感光柵個(gè)傳感光柵Bragg中心波長的微小偏移量，即實(shí)現(xiàn)中心波長的微小偏移量，即實(shí)現(xiàn)每個(gè)波長編碼信號(hào)的解調(diào)。其解調(diào)的本質(zhì)是對(duì)傳感每個(gè)波長編碼信號(hào)的解調(diào)。其解調(diào)的本質(zhì)是對(duì)傳感光柵的反射譜或者透射譜進(jìn)展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，檢測(cè)出波光柵的反射譜或者透射譜進(jìn)展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，檢測(cè)出波長編碼信息。長編碼信息?；诠饫w光柵的傳感技術(shù)基于光纖光柵的傳感技術(shù)解調(diào)方法分為傳統(tǒng)方案比如用單色儀對(duì)信號(hào)解調(diào)方法分為傳統(tǒng)方案比如用單色儀對(duì)信號(hào)信號(hào)進(jìn)展解調(diào)和新型波長信號(hào)解調(diào)方

53、案可調(diào)諧信號(hào)進(jìn)展解調(diào)和新型波長信號(hào)解調(diào)方案可調(diào)諧F-P濾波器法和匹配光纖光柵濾波器法等濾波器法和匹配光纖光柵濾波器法等 ，商用，商用化最好的化最好的Microoptics公司的可調(diào)諧公司的可調(diào)諧F-P解調(diào)安裝。解調(diào)安裝?；诠饫w光柵的傳感技術(shù)基于光纖光柵的傳感技術(shù)(1) 傳統(tǒng)的波長信號(hào)解調(diào)方案?jìng)鹘y(tǒng)的波長信號(hào)解調(diào)方案(采用單色儀或者光纖采用單色儀或者光纖光譜儀光譜儀) 由傳感光柵獲得的光信號(hào)直接輸入到光譜儀或由傳感光柵獲得的光信號(hào)直接輸入到光譜儀或單色儀，直接丈量出光信號(hào)的波長位置，從而實(shí)現(xiàn)單色儀，直接丈量出光信號(hào)的波長位置，從而實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感器波長信號(hào)的解調(diào)。這種解調(diào)方案丈光纖光柵傳感器波長

54、信號(hào)的解調(diào)。這種解調(diào)方案丈量精度較高，是一種有效的解調(diào)方案，但是這些儀量精度較高，是一種有效的解調(diào)方案，但是這些儀器價(jià)錢比較高，體積大不易攜帶，難以滿足實(shí)踐工器價(jià)錢比較高，體積大不易攜帶，難以滿足實(shí)踐工程運(yùn)用的需求，適宜于實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用。程運(yùn)用的需求，適宜于實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用。 基于光纖光柵的傳感技術(shù)基于光纖光柵的傳感技術(shù)153015401550156015700.800.850.900.951.00 Normalized Trasmission IntensityWavelength, nm1#FBG, temperature:107oC1556 1558 1560 1562 1564 1566 156

55、8 1570 1572-74-72-70-68-66-64-62-60-58-56-54 a 2000Cb 3600Cc 6600Cd 7600Ce 8000CReflective Power, dBmWavelength, nmabcde(2) 新型的波長信號(hào)解調(diào)方案新型的波長信號(hào)解調(diào)方案 基于光纖光柵的傳感技術(shù)基于光纖光柵的傳感技術(shù)在實(shí)踐工程運(yùn)用中，光纖光柵傳感器波長信號(hào)在實(shí)踐工程運(yùn)用中，光纖光柵傳感器波長信號(hào)解調(diào)方案分為兩部分解調(diào)方案分為兩部分: (1)光信號(hào)處置部分，把光參光信號(hào)處置部分，把光參量量(波長信號(hào)波長信號(hào))轉(zhuǎn)化為電參量，這是波長信號(hào)解調(diào)的轉(zhuǎn)化為電參量，這是波長信號(hào)解調(diào)的中心

56、部分中心部分; (2)電信號(hào)處置部分，對(duì)電參量進(jìn)展分析電信號(hào)處置部分，對(duì)電參量進(jìn)展分析處置，提取外界的有用信息，以可視化界面或其他處置，提取外界的有用信息，以可視化界面或其他直觀的界面輸出顯示，并以數(shù)字化信息存儲(chǔ)。直觀的界面輸出顯示，并以數(shù)字化信息存儲(chǔ)。 從傳感系統(tǒng)的構(gòu)造和檢測(cè)方法來思索，大致可從傳感系統(tǒng)的構(gòu)造和檢測(cè)方法來思索，大致可以歸納為以下三大類型以歸納為以下三大類型: a 可調(diào)諧窄帶激光掃描解調(diào)方案可調(diào)諧窄帶激光掃描解調(diào)方案 基于光纖光柵的傳感技術(shù)基于光纖光柵的傳感技術(shù)這種解調(diào)方案是利用可調(diào)諧激光器跟蹤傳感光這種解調(diào)方案是利用可調(diào)諧激光器跟蹤傳感光纖光柵的波長信號(hào)，要求激光器輸出波長的

57、線寬遠(yuǎn)纖光柵的波長信號(hào)，要求激光器輸出波長的線寬遠(yuǎn)小于光纖光柵的反射帶寬，理想光源是可調(diào)諧光纖小于光纖光柵的反射帶寬，理想光源是可調(diào)諧光纖激光器。經(jīng)過調(diào)理窄帶光纖激光器的輸出波長來掃激光器。經(jīng)過調(diào)理窄帶光纖激光器的輸出波長來掃描傳感光柵的反射譜，假設(shè)對(duì)光纖激光器的輸出波描傳感光柵的反射譜，假設(shè)對(duì)光纖激光器的輸出波長作延續(xù)掃描，那么探測(cè)器接納到的光功率隨激光長作延續(xù)掃描，那么探測(cè)器接納到的光功率隨激光波長的變化曲線便反響了傳感光柵的反射譜型，當(dāng)波長的變化曲線便反響了傳感光柵的反射譜型，當(dāng)光纖激光器輸出的中心波長調(diào)諧至光纖光柵反射峰光纖激光器輸出的中心波長調(diào)諧至光纖光柵反射峰值波長時(shí)，探測(cè)器接納到

58、的反射信號(hào)光功率最大，值波長時(shí)，探測(cè)器接納到的反射信號(hào)光功率最大，因此此光陰纖激光器的輸出波長就是傳感光纖光柵因此此光陰纖激光器的輸出波長就是傳感光纖光柵的的Bragg波長。波長。 可調(diào)諧窄帶激光掃描解調(diào)方案的原理可調(diào)諧窄帶激光掃描解調(diào)方案的原理:基于光纖光柵的傳感技術(shù)基于光纖光柵的傳感技術(shù)IMG: 折射率匹配膏折射率匹配膏(折射率匹配液折射率匹配液)，為減少光纖端，為減少光纖端面纖芯和空氣界面產(chǎn)生的菲涅爾反射，降低面纖芯和空氣界面產(chǎn)生的菲涅爾反射，降低非傳感光信號(hào)的對(duì)結(jié)果的影響。非傳感光信號(hào)的對(duì)結(jié)果的影響。 可調(diào)諧可調(diào)諧 激光器激光器 信號(hào)處置信號(hào)處置 3dB 耦合器耦合器 傳感光纖光柵傳感

59、光纖光柵 IMG 信號(hào)輸出信號(hào)輸出 隔離器隔離器 PD信號(hào)處置輸出信號(hào)處置輸出:基于光纖光柵的傳感技術(shù)基于光纖光柵的傳感技術(shù)RfPINICL7650Vo思索參數(shù)思索參數(shù):任務(wù)波長，光譜呼應(yīng)范圍，呼應(yīng)度，暗電流，任務(wù)波長，光譜呼應(yīng)范圍，呼應(yīng)度，暗電流，擊穿電壓，光敏面直徑。擊穿電壓，光敏面直徑。 b 寬譜光源和窄帶濾波掃描組合的解調(diào)方案寬譜光源和窄帶濾波掃描組合的解調(diào)方案 基于光纖光柵的傳感技術(shù)基于光纖光柵的傳感技術(shù)寬譜光源寬譜光源: 各種類型的各種類型的LED，或其他寬光譜光源。，或其他寬光譜光源。 按照窄帶濾波可以分為兩種方法按照窄帶濾波可以分為兩種方法: (a) 匹配光纖光柵濾波解調(diào)法匹配

60、光纖光柵濾波解調(diào)法 寬譜光源寬譜光源 信號(hào)處置信號(hào)處置 PD 信號(hào)輸出信號(hào)輸出 IMG IMG 傳感光纖光柵傳感光纖光柵 3dB耦合器耦合器 13dB耦合器耦合器 2匹配光纖光柵匹配光纖光柵 這種解調(diào)方法要求傳感光纖光柵和匹配光纖光這種解調(diào)方法要求傳感光纖光柵和匹配光纖光柵的參數(shù)完全一樣。傳感光纖光柵的波長信號(hào)經(jīng)耦柵的參數(shù)完全一樣。傳感光纖光柵的波長信號(hào)經(jīng)耦合器進(jìn)入匹配光柵，由合器進(jìn)入匹配光柵，由PZT調(diào)理匹配光纖光柵的反調(diào)理匹配光纖光柵的反射中心波長，并且由探測(cè)器檢測(cè)其光信號(hào)的強(qiáng)度，射中心波長，并且由探測(cè)器檢測(cè)其光信號(hào)的強(qiáng)度，使探測(cè)器接納到的光強(qiáng)最大，根據(jù)使探測(cè)器接納到的光強(qiáng)最大，根據(jù)PZT