光纖光柵傳感器理論基礎

1、光纖光柵傳感器理論根底TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc2440 1光纖光柵的根底理論介紹 PAGEREF _Toc2440 1 HYPERLINK l _Toc14439 PAGEREF _Toc14439 1 HYPERLINK l _Toc12231 PAGEREF _Toc12231 2 HYPERLINK l _Toc1052 PAGEREF _Toc1052 5 HYPERLINK l _Toc17521 2光纖布拉格光柵的結構 PAGEREF _Toc17521 6 HYPERLINK l _Toc17761 3光纖布拉格光柵的傳感機理 PAGEREF

2、_Toc17761 7 HYPERLINK l _Toc20215 PAGEREF _Toc20215 8 HYPERLINK l _Toc22138 PAGEREF _Toc22138 9 HYPERLINK l _Toc14033 PAGEREF _Toc14033 10 HYPERLINK l _Toc17945 4光纖光柵的幾種典型解調(diào)方法 PAGEREF _Toc17945 11 HYPERLINK l _Toc2183 PAGEREF _Toc2183 11 HYPERLINK l _Toc11486 PAGEREF _Toc11486 12 HYPERLINK l _Toc195

3、4 4.3 邊緣濾波器法 PAGEREF _Toc1954 131光纖光柵的根底理論介紹在光纖中制作光柵新技術的出現(xiàn)，在二十世紀末帶來的巨大的影響。它給光纖通信技術以及光纖傳感技術等相關領域帶來了一次里程碑式的革命，使得人們可以制作大量基于光纖光柵的新型光有源無源器件和智能傳感器。光纖光柵的研究最初主要集中在光纖布拉格光柵Fiber Bragg grating：FBG。1978年，加拿大通信研究中心的K.O.Hill等人首次觀察到摻鍺光纖中光誘導產(chǎn)生光柵效應，并利用駐波法在摻鍺光纖中研制出世界上第一支永久性的實現(xiàn)反向模式間耦合的光纖光柵光纖布拉格光柵。1989年，美國東哈特福德聯(lián)合技術研究中心

4、的G.Meltz等人運用準分子激光泵浦的可調(diào)諧倍頻染料激光器輸出的244nm紫外光作為光源，用雙光束側面全息相干法在摻鍺石英光纖上研制出世界上第一根位于通信波段布拉格諧振波長的光纖光柵，使光纖光柵的制作技術實現(xiàn)了突破性進展。1993年，Hill等人又提出了用紫外光垂直照射相位掩模形成的衍射條紋曝光氫載光纖寫入光纖布拉格光柵的相位掩模法，降低了對紫外光源相干性的要求，重復性好，適于大規(guī)模生產(chǎn)，這使得光纖光柵真正走向?qū)嵱没彤a(chǎn)品化。同年，董亮等人還提出了在線成柵法，在光纖拉制過程中對光纖逐點寫入形成光柵，免去了光纖光柵制作時剝?nèi)ス饫w涂敷層的工序，適于大規(guī)模制作高反射率、窄線寬的光纖光柵。1994年

5、6月，R.Kashyap等人用線性階躍啁啾相位模板研制成功線性啁啾光纖光柵，它由n段均勻光柵組成。同年12月，Eggleton等人用振幅模板在光纖上刻出取樣光柵。這種光柵利用空間上的取樣在頻譜中造成多個反射峰，可制作多信道器件。光纖布拉格光柵以來，無論是光纖光柵的寫入方法、理論研究還是應用都獲得了飛速開展。人們除了繼續(xù)開展和優(yōu)化光纖光柵以外，在此根底上先后研制出了一些具有特殊用途的光柵，比方高斯光纖光柵、高斯變跡光纖光柵、相移光纖光柵、超結構光纖光柵、傾斜光纖光柵等。可以相信，隨著研究的深入和應用的需要，光纖光柵必將在通信、傳感及其相關領域獲得進一步的開展和得到更加廣泛的應用。當前對光纖光柵研

6、究的主要內(nèi)容有三個：光柵的寫入技術研究；光柵的傳輸特性和傳感特性，即光纖光柵理論的研究；光柵應用的研究，主要集中在光通信和光纖傳感器的領域。當前光纖光柵傳感器的開展趨勢及在實際應用中需要解決的問題主要有：1)光源問題。光纖光柵傳感器需用大功率寬帶光源或可調(diào)諧光源。目前一般采用的側面發(fā)光二極管(ELED)，其功率較低，而激光二極管(LD)的帶寬那么較窄。2)光纖光柵根本性質(zhì)的研究，包括光纖材料光敏特性的機理；光纖光柵靈敏度、動態(tài)范圍的提高途徑；光纖光柵增敏和去敏的可能方式；交叉敏感的解決途徑。3)信號解調(diào)技術的研究，實驗中一般采用光譜分析儀，但它價格昂貴、體積大，尤其是不能輸出與被測物理量成正比

7、的電信號。因此在實用中必須開發(fā)出高效低本錢的信號解調(diào)系統(tǒng)。4)光柵傳感器的實際應用研究，包括FBG的制作技術、封裝技術、溫度補償技術、傳感器網(wǎng)絡技術和在材料與結構中埋入FBG傳感器的可行性研究。5)多路復用傳感器陣列的研究，實現(xiàn)多點、多參數(shù)、多變量同時測量的智能化遙測是開展的重點，即對分布式傳感網(wǎng)絡的研究。1按光纖光柵的周期分類根據(jù)光纖光柵周期的長短，通常把周期小于1m的光纖光柵稱為短周期光纖光柵，又稱為光纖布拉格光柵或反射光柵；而把周期為幾十至幾百微米的光纖光柵稱為長周期光纖光柵，又稱為透射光柵。短周期光纖光柵的特點是傳輸方向相反的模式之間發(fā)生耦合，屬于反射型帶通濾波器，其反射譜如圖1(a)

8、所示。長周期光纖光柵的特點是同向傳輸?shù)睦w芯基模和包層模之間的耦合，無后向反射，屬于透射型帶阻濾波器，其透射光譜如圖1(b)所示。 圖1 (a)光纖布拉格光柵反射譜 b長周期光纖光柵透射譜2按光纖光柵軸向折射率分布不同分類根據(jù)光柵軸向折射率分布的不同，如下所示，光纖光柵可分為一下幾類13：(a)均勻光纖光柵：特點是光柵的周期和折射率調(diào)制的大小均為常數(shù)，這是最常見的一種光纖光柵，其反射譜具有對稱的邊模振蕩，它在光纖激光器、光纖傳感器、光纖波分復用等領域有重要的應用價值。(b)啁啾光纖光柵：特點是光柵的折射率調(diào)制幅度不變，而周期沿軸向逐漸變化，該光柵在光纖通信中最突出的應用是作為大容量密集波分復用D

9、WDM系統(tǒng)中的色散補償器件，同時也較多的運用于摻鉺光纖放大器與光纖激光器的性能優(yōu)化以及光纖傳感等方面。啁啾光纖光柵可以是線性的也可以是非線性的。線性啁啾光纖光柵的平均色散與光纖長度的平方成正比，與啁啾量成反比。(c)Taper型光纖光柵：這是一種切趾光柵，它的周期是均勻的，但折射率隨一定的函數(shù)關系變化，正弦型Taper光柵的折射率分布如圖2(c)所示。Taper型光柵可構成各種濾波器、波長變換器和光插分復用器。常用的函數(shù)有高斯函數(shù)(Gaussian)、雙曲正切函數(shù)(tanh)、余弦函數(shù)(cos)和升余弦函數(shù)(raisedcos)等。(d)相移光纖光柵：通過某種方式破壞光纖光柵折射率分布的連續(xù)性

10、，在某特定的一點或多點處引入相移，形成所謂的相移光柵，其折射率分布如圖2(d)所示。特點是光柵在某些位置發(fā)生相位跳變，通常是相位跳變，從而改變光譜的分布，使光柵具有更高的波長選擇性。因此相移光纖光柵可用來制作窄帶通濾波器，也可用于分布反應式DFB光纖激光器,并且此類光柵在波分復用通信系統(tǒng)中的波長解復用器方面也有著潛在應用價值。(e)超結構光纖光柵：特點是光柵由許多小段光柵構成，折變區(qū)域不連續(xù)，如果這種不連續(xù)區(qū)域的出現(xiàn)有一定周期性那么又稱為取樣光柵。這是一種特殊的光柵結構，它既有布拉格光柵的反射特性，亦有長周期光柵的包層模耦合特性。一方面，其反射光譜出現(xiàn)類似梳狀濾波的等間距尖峰，且光柵長度越長那

11、么每個尖峰的帶寬越窄反射率越高，此特性可用做梳狀濾波器，在多波長光纖激光器、可調(diào)諧分布式布拉格反射(DBR)光纖激光器、以及多通道色散補償方面具有潛在應用。另一方面，由于方波包絡的周期通常為幾百個微米，因此，超結構光纖光柵亦可看作是一個長周期光纖光柵將引起基階導波模與包層模之間的耦合，在光柵透射譜中產(chǎn)生寬帶損耗峰。由于包層模耦合引起的共振峰與布拉格反射峰對外界環(huán)境參量(如溫度、應變、折射率等)具有不同的響應特性，所以超結構光纖光柵是一種理想的多參量傳感元件。(f)閃耀/傾斜光纖光柵：其特點是光柵波矢量方向不是與光纖軸線方向一致的，而是與其成一固定的角度。光柵條紋傾斜的主要影響是有效地降低光柵的

12、條紋可見度并顯著影響輻射模耦合，從而使布拉格反射減弱。因此合理選擇傾斜角度可增強輻射?；蚴`模(boundmode)耦合從而抑制布拉格反射。傾斜光纖光柵主要可以用作摻鉺光纖放大器的增益平坦器、光傳播模式轉(zhuǎn)換器等。(g)特殊折射率調(diào)制的光纖光柵：其特點是其折射率調(diào)制不能簡單地歸結為以上某一類，而是兩種或多種光柵的結合或者折射率調(diào)制按某一特殊函數(shù)變化，這種光纖光柵往往在光纖通信和光纖傳感領域有特殊的應用。上述各種類型的光纖光柵有其各自不同的優(yōu)缺點和主要用途，而在傳感領域中用得最多的是光纖布拉格光柵。為了方便，許多文獻中都直接將光纖布拉格光柵簡稱為光纖光柵，通常所講的光纖光柵傳感器往往就是指光纖布拉

13、格光柵傳感器。本論文中在通常情況下所指的光纖光柵即為布拉格光纖光柵。如下圖為光纖光柵示意圖：(f)(e)(d)(c)(b)(a) 圖2 (a)均勻周期光纖光柵 (b)啁啾光纖光柵圖 (c)Taper型光纖光柵 (d)相移光纖光柵 (e)超結構光纖光柵 (f)閃耀/傾斜光纖光柵3按光纖光柵的材料分類按寫入光柵的光纖材料類型，光纖光柵可分為硅玻璃光纖光柵和塑料光纖光柵。此前研究和應用最多的是在硅玻璃光纖中寫入的光纖光柵，然而最近在塑料光纖中寫入的光纖光柵已引起了人們越來越多的關注，該種光纖光柵在通信和傳感領域有著許多潛在的應用，比方大的諧振波長可調(diào)范圍。1987年，Hill等人首次在實驗中成功實現(xiàn)

14、在摻鍺光纖中寫入光柵，制作出世界上第一根光纖光柵，從此，光纖光柵的制作正式開始。光纖光柵的制作最主要的就是決定寫入方式，寫入方式即是在光纖纖芯中形成光柵的方式方法。光纖光柵的寫入方式有許多種，目前，采用適當?shù)墓庠?如紫外光源、COZ激光器)和光纖增敏(如摻雜光纖、高壓載氫)技術，可以在各種類型的光纖上不同程度的寫入光柵。下面介紹幾種光纖光柵的寫入方式。側面全息相干法：側面全息相干法是最早發(fā)現(xiàn)的一種方法。這種方法是用準分子激光器產(chǎn)生的紫外光(UV)，經(jīng)分束后相干，從摻鍺光纖側面照射，相應地紫外光干預條紋在光纖中產(chǎn)生周期折射率變化。通過改變?nèi)肷涔獠ㄩL或相干光束之的夾角，可以改變光柵常數(shù)，獲得所需的

15、光纖光柵。這種光柵制造方法采用多脈重復曝光技術，光柵性質(zhì)可以精確控制，但是容易受機械震動和溫度變化的影響，并且不易制作具有復雜截面的光纖光柵。掩模Mask法：Mask法分相位Mask和振幅Mask，是將預先制備好的吸收或相位光柵，放置在UV光射入到光纖之前，通過Mask的衍射效應在蝕刻套層的光纖纖芯上形成周期結構的干預圖樣，周期地改變了光纖纖芯的折射率分布19。用這種方法制作的光柵，其布拉格波長與光源的波長無關，對輻照角度、光纖與掩膜間的校準狀況不敏感，對光源的時間相干性要求不高，但對其空間相干性要求較高。光纖與掩膜不接觸，可用一塊掩膜對多根光纖同時曝光，因而適用于批量生產(chǎn)。其缺點是，石英掩膜

16、的制作比擬復雜，價格較高。逐點刻柵法：是通過計算機控制，按照一定的步長和紫外光強周期分布地照射光纖，在照射部位引起折射率周期地變化，形成Bragg光柵。2光纖布拉格光柵的結構光纖Bragg光柵是最簡單、最常見的、應用最廣泛的一種光纖光柵。光纖Bragg光柵的光柵周期與折射率調(diào)制深度(有效折射率)一般都是常數(shù)，光柵波的方向與光纖軸線方向一致，是一種性能優(yōu)異的窄帶反射濾波無源器件。光纖Bragg光柵的根本結構如圖3所示。反射光折射光包層纖芯光柵圖3 光纖Bragg光柵的根本結構圖3光纖布拉格光柵的傳感機理由光纖光柵的結構可知，光纖光柵的外形雖與光纖相同，但其纖芯中具有折射率周期性變化的結構。當光波

17、通過光纖Bragg光柵時，滿足布拉格條件即入射光波長等于布拉格中心波長的波長，將被反射回來形成反射光束，對不滿足Bragg條件的光波，由于相位不匹配，只有很微弱的局部被反射回來，這樣入射光波就會分為兩局部：透射光波和反射光波。如圖4所示B= 2 neffBBS圖4 傳感機理示意圖由耦合模理論知，光纖光柵的布拉格中心波長即布拉格條件為B=2neff 1式中neff為纖芯的有效折射率，為光柵周期，由此公式可知，布拉格中心波長B隨neff和的變化而變化。在實際應用中，溫度、應變等條件的變化會引起光纖光柵的柵距和折射率的變化，從而使光纖光柵的反射譜和透射譜發(fā)生變化。通過檢測光纖光柵的反射譜或透射譜的變

18、化，就可以獲得相應的溫度、應變的信息，這就是用光纖光柵測量溫度、應變根本原理。但是，由于光纖光柵對溫度和應變都非常敏感，因此如何區(qū)分溫度和應變對布拉格中心波長的移動所做的奉獻，那么是光纖光柵傳感器實際應用中必須解決得一個問題。0圖5 受外界影響的FBG周期變化由上面的介紹可知，溫度的變化會使得布拉格中心波長漂移，其中通過熱光效應引起光纖光柵有效折射率的變化，同時由熱膨脹效應引起柵距的變化，從而影響布拉格中心波長。在恒定應力場中，在僅僅考慮光纖光柵對溫度的反映，而忽略包層等其他因素影響的前提下，我們可以得到溫度傳感模型如下。當溫度變化為T時，導致光纖光柵的布拉格波長偏移量為B=2T+2neffT

19、 2其中由熱光效應引起的有效折射率變化可表示為neff=neffT 3式中，為光纖的熱光系數(shù)，可表示為= 4由熱膨脹效應引起的光柵周期變化為=T 5式中，為光纖的熱膨脹系數(shù)，可表示為= 6由上面的公式可以推出=+T 7令K=+，稱其為光纖光柵的溫度靈敏度系數(shù)，由此得=K 8上式即為光纖Bragg光柵中心波長變化與溫度變化之間的關系式，它是處理光纖Bragg光柵溫度傳感的根底。從表達式可以看出，當光纖Bragg光柵確定后，在溫度不大，可近似作為常數(shù)時，光纖Bragg光柵對溫度的傳感特性系數(shù)根本上是一個與材料系數(shù)相關的常數(shù)，此時光纖Bragg光柵作為溫度傳感器有很好的線性輸出特性。利用該式，可以很

20、方便的將光纖光柵布拉格波長偏移量轉(zhuǎn)化成溫度的變化量。在實際應用中，假設是溫度過大，那么應當適當考慮溫度的非線性影響。跟溫度一樣，在引起光柵布拉格波長漂移的外界因素中，應變屬于最直接的參量之一。其中，對光柵直接的拉伸和擠壓，會導致光柵周期的變化，而光纖本身所具有的彈光效應也使得有效折射率隨外界應力狀態(tài)的變化而變化。不同的外界應力狀態(tài)會導致光柵周期和有效折射率的不同變化，下面就軸向應力和橫向應力的情況進行討論。軸向應力作用下，由于光柵周期的伸縮和彈光效應，將引起布拉格波長的漂移。當溫度場和橫向應力恒定時，應變變化，那么光柵周期的變化為= 9由彈光效應引起的有效折射率變化為=p12-p11+p12

21、10式中，為纖芯材料的泊松比，P11、P12為彈光系數(shù)。定義有效彈光系數(shù)為Pe=p12-(p11+p12) 11根據(jù)布拉格波長公式=2neff以及上面的式子，可推出 12上式即為光纖光柵在軸向應力作用下布拉格中心波長變化的數(shù)學表達式，是處理光纖光柵軸向應變傳感的根底，從式子可以看出，當光纖Bragg光柵材料確定后，光纖光柵對應力的傳感特性系數(shù)是一個與材料系數(shù)相關的常數(shù)，這便從理論上保證了光纖Bragg光柵作為應變傳感器具有很好的線性輸出特性。令K=1-P,稱為光纖光柵軸向應變的靈敏度系數(shù)，由此，可以很好的將布拉格中心波長的變化轉(zhuǎn)變?yōu)閼Φ淖兓．敼饫w光柵僅受橫向應力且不存在剪切應變時，與軸向應

22、力作用時的處理方法相同，橫向應力導致的光纖光柵折射率變化為=p12-p11+p12 13令Pe=p12-(p11+p12)，可以推出=(1-Pe) 14即得到光纖光柵在橫向應變下布拉格中心波長變化的數(shù)學表達式。比擬上面兩種應變下的傳感模式可知，從外表上看，光柵布拉格波長對橫向應力下的應變更為敏感，但事實上并非如此，在彈光效應下，光纖光柵對軸向應力比橫向應力更為敏感，假設進一步考慮波導效應，在相同應力作用下，軸向應變也較橫向應變靈敏度更高。所以，一般情況下，只考慮光纖光柵的軸向應變傳感。對光纖光柵而言，有效折射率的變化主要由彈光效應和熱光效應引起，而光柵周期的變化那么主要由熱膨脹效應和外加應力作

23、用引起，由此可見，溫度和應變是引起光纖光柵中心波長變化的最根本最直接的物理量。因此，可設布拉格中心波長是溫度T和應變的函數(shù)，將布拉格波長公式按溫度和應變的泰勒級數(shù)展開有 15略去溫度和應變二次以上的乘積項，且只考慮軸向應變時，定義為光纖的熱膨脹系數(shù)，為光纖的熱光系數(shù)，為光纖的有效彈光系數(shù)，式子可以改寫為=KT+KE+KT 16其中，KT=+稱為光纖光柵的溫度敏感系數(shù)，K=(1-Pe)稱為光纖光柵的應變敏感系數(shù)，稱為光纖光柵溫度、應變交叉敏感系數(shù)，是溫度、應變耦合作用的結果。在測量范圍較小時，光纖光柵的溫度、應變耦合問題對測量結果的影響很小，可以忽略不計，所以，在適當?shù)臏y量范圍內(nèi)，可以有=KT+

24、KE 17由上面的式子，可以清楚的看到，引起布拉格中心波長的變化的兩個重要的因素就是溫度和應變，且都與布拉格中心波長的偏移成線性關系，這就是光纖光柵溫度、應變交叉感染產(chǎn)生的原因。當所測的光纖光柵溫度應變同時變化時，就不能區(qū)分出它們各自引起的布拉格波長的偏移量，也就得不到精確的結果，所以，要提高解調(diào)精度，從而擴展布拉格光柵的適用范圍，解決溫度、應變的別離問題顯得尤其重要。4光纖光柵的幾種典型解調(diào)方法1992年，Kersey A D等人提出了非平衡掃描干預儀法24，其原理圖如圖6所示。圖6 非平衡M/Z掃描干預儀法原理圖寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)耦合器1進入光柵，后將反射光接入耦合器2，進入M-Z干預儀，通過這樣一個非平衡的M-Z干預儀把布拉格波長的變化轉(zhuǎn)換為相位變化，進而轉(zhuǎn)化為光強變化，經(jīng)探測器得到FBG反射