光纤光栅技术及应用(光电子材料).pdf
1光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用许立新许立新 王安廷王安廷2内容内容光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用Part 1 光纤及光通信技术简介光纤及光通信技术简介Part 2 光纤光栅光纤光栅Part 3 光纤光栅的应用光纤光栅的应用内内容容3Part 1 光纤及光通信技术简介光纤及光通信技术简介4光纤及光通信技术简介光纤及光通信技术简介光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用光纤通信光纤通信以光波载运信息，用光纤作传输媒体，实现通以光波载运信息，用光纤作传输媒体，实现通信信光纤通信的优点光纤通信的优点频带宽、信息容量大频带宽、信息容量大传输损耗低、无中继距离远传输损耗低、无中继距离远材料丰富材料丰富抗电磁干扰抗电磁干扰光纤间串话小，保密性好光纤间串话小，保密性好耐腐蚀、耐高压耐腐蚀、耐高压体积小、质量轻体积小、质量轻5Monitoring of Tsing Ma BridgeFBG sensorslocation:Hanger cables Rocker bearing Truss girderOptical sensing network with 42 FBG sensors to measure temperature and dynamic strain of Tsing Ma Bridge.6PolyU Optical Sensors for Oil industryInstalled a 10 km optical sensing network for liquid-level and temperature measurements in oil tanks.7准分子激光器光纤光栅刻写系统光纤光栅刻写系统包括准分子激光器和微动控制系统包括准分子激光器和微动控制系统8光纤光栅光纤光栅1544 1545 1546 1547 1548 1549 1550 1551-50-40-30-20-100Reflectivity(dB)Wavelength(nm)154815501552155415561558-30-25-20-15-10-505Output power(dBm)Wavelength(nm)9Experimental setup of the 80 Gbps,DWDM fibre-optics circulating loop10Yb-doped DFB fiber laser1048105010521054105610581060-60-50-40-30-20-10010Output power(dBm)Wavelength(nm)掺 Yb DFB 光纤激光器，功率 9.73 dBm,波长 1554.33 nm5 cm11光纤通信系统方框图光纤通信系统方框图单信道全光中继数字通信单信道全光中继数字通信光光-电电-光中继的数字通信光中继的数字通信光纤通信技术基础光纤通信技术基础光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用12时分复用技术时分复用技术光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用时分复用时分复用TDMTime Division MultiplexingSignal 1Signal 2Signal nSignal 3MultiplexerDemultiplexerOptical Fiber13波分复用技术波分复用技术光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用波分复用波分复用WDMWavelength Division Multiplexingn12n3DemultiplexerMultiplexer12314波分复用技术波分复用技术光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用密集波分复用密集波分复用(DWDM)(DWDM)：波分复用的频率之间的间：波分复用的频率之间的间隔为隔为200200G G、100100GHzGHz、5050GHzGHz或更窄或更窄。频分复用频分复用(FDM)：更为密集的波分复用：更为密集的波分复用。波分复用系统的主要缺点是由于波分复用系统的主要缺点是由于WDM的插的插入损耗减小了系统的可用功率入损耗减小了系统的可用功率，信道间的串扰也信道间的串扰也会恶化接收机的灵敏度会恶化接收机的灵敏度，最关键的是波分复用器最关键的是波分复用器件的价格仍太高件的价格仍太高。15时分时分波分复用技术波分复用技术光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用时分波分复用时分波分复用Time-Frequency Division Multiplexing1,2 kTx 1Tx nTx 2Tx 2WDM MUXTx(1）12kTDMMUX16Lucent公司研制的公司研制的3.28Tb/s试验系统试验系统是目前容量最大的试验系统是目前容量最大的试验系统。系统速率为系统速率为40Gb/s,共共82个波长个波长，光滤波器波长间隔为光滤波器波长间隔为100GHz，系统工作于系统工作于C 和和 L 两个波段两个波段，分别分别容纳容纳40和和42个波长个波长。时分时分波分复用技术波分复用技术光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用17Part 2 光纤光栅光纤光栅18光纤光栅是在光纤纤芯折射率呈周期性调制的一种光光纤光栅是在光纤纤芯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、硼等）光纤的光敏性纤无源器件，它是利用掺杂（如锗、硼等）光纤的光敏性，通过紫外曝光导致纤芯折射率沿纤轴方向周期性或非周，通过紫外曝光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。期性的永久变化，在纤芯内形成空间相位光栅。光纤光纤折射率变化部分折射率变化部分光纤光栅简介光纤光栅简介光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用正弦型光栅折射率变化正弦型光栅折射率变化=znzn2cos)(max19光纤光栅的光谱特性可通过耦合波理论求得；光纤光栅的光谱特性可通过耦合波理论求得；对于光纤布拉格光栅的，只考虑正向传播模和相反对于光纤布拉格光栅的，只考虑正向传播模和相反方向传播模耦合的情况，则光纤中场强为方向传播模耦合的情况，则光纤中场强为耦合波理论耦合波理论光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用)(exp),()()(exp),()()(11ztiyxfzAztiyxfzAzE+=在弱导条件下，其幅度耦合方程为在弱导条件下，其幅度耦合方程为)()2exp()(11zAziikdzzdAac=)()2exp()(11zAziikdzzdAac=0max2nkac=20光纤布拉格光栅的反射率和透射率光纤布拉格光栅的反射率和透射率光纤光栅反射率和透射率光纤光栅反射率和透射率光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用)sinh()cosh()sinh()0()0(11LLiLkAArac+=)sinh()cosh()exp()0()(11LLiLiALAt=22222)(cosh)(sinh=LkLkRacac22=ack211052.01052.51053.01053.51054.00.00.20.40.60.81.0n=0.00001n=0.00005 ReflectivityWavelength(nm)(a)L=5mmn=0.00011052.01052.51053.01053.51054.00.00.20.40.60.81.0L=5 mmL=2 mm ReflectivityWavelength(nm)(b)n=0.0001L=1 mm中心波长中心波长=effBn22max2)2()(effBnnL+=光纤布拉格光栅反射谱光纤布拉格光栅反射谱光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用反射带宽反射带宽22In 1989,Meltz showed that a strong index of refraction changeoccurred when a germanium-doped fiber was exposed to UVlight close to the absorption peak(240-250nm)of a germania-related defect;Hydrogen loading(hydrogenation),flame brushing,and boroncodoping have been used for enhancing the photosensitivity ofgermanosilica fibers;Exposure with 193nm ArF eximer laser radiation proved to bean alternative method for inscribing strong Bragg gratings infibers without the need of hydrogenation.光纤光敏性光纤光敏性光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用23光纤光栅刻写设备由光纤光栅刻写设备由UV激光器激光器、柱透镜和相位掩模柱透镜和相位掩模板组成板组成，实时检测部分由宽带光源和光谱分析仪组成实时检测部分由宽带光源和光谱分析仪组成。这种方法是将载氢的光敏光纤贴近掩模板这种方法是将载氢的光敏光纤贴近掩模板，利用相位掩利用相位掩模板近场衍射产生的干涉条纹在光纤中形成折射率周期模板近场衍射产生的干涉条纹在光纤中形成折射率周期性分布而形成光纤光栅性分布而形成光纤光栅。光纤光栅刻写设备光纤光栅刻写设备光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用24纵向驻波干涉法纵向驻波干涉法光纤光栅制作方法光纤光栅制作方法光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用这种方法是利用注入光纤的入射这种方法是利用注入光纤的入射光和从另一端返回的反射光在光光和从另一端返回的反射光在光纤内形成驻波，经过一定时间曝纤内形成驻波，经过一定时间曝光后使纤芯的折射率形成周期性光后使纤芯的折射率形成周期性分布而形成光纤光栅。分布而形成光纤光栅。25双光束全息干涉横向写入法双光束全息干涉横向写入法光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用两相干紫外光束纤芯()sin2/00nl=光纤光栅制作方法光纤光栅制作方法26点光源写入法点光源写入法光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用触发 电路准分子激光器微机步 进 电机干涉 仪精密微调架反射镜狭缝光阑显微物镜光敏光纤光纤光栅制作方法光纤光栅制作方法27相位模版复制法相位模版复制法光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用入射紫外光束硅玻璃相位光栅光纤级级级条纹图样(周期为/2)光纤光栅制作方法光纤光栅制作方法28光纤光栅光纤光栅光纤光栅技术与应用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 栅光 纤 光 栅 可 分 为 短 周 期 光 栅(BraggGrating)、长周期光栅长周期光栅(Long Period Grating)和啁啾光栅和啁啾光栅(Chirped Grating)。29FBG有较小且均匀的周期有较小且均匀的周期，一般约为一般约为0.51.6m，具有反射固定波长之特性具有反射固定波长之特性。多用于温度多用于温度、应力以及以此为应力以及以此为基础而发展出的振动基础而发展出的振动、流量流量、载荷疲劳载荷疲劳、结构损伤结构损伤、腐蚀腐蚀等方面的分布式检测系统等方面的分布式检测系统。光纤布拉格光栅光纤布拉格光栅光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用光纤布拉格光栅（光纤布拉格光栅（FBG）TpeBB+=)()1(30光纤布拉格光栅是一种沿光纤轴向折射率变化的波导结光纤布拉格光栅是一种沿光纤轴向折射率变化的波导结构，导致一定波长的光波发生相应的模式耦合，使得其透射构，导致一定波长的光波发生相应的模式耦合，使得其透射光谱和反射光谱发生相应的模式耦合。其基本特性是以共振光谱和反射光谱发生相应的模式耦合。其基本特性是以共振波长为中心的窄带滤波器。波长为中心的窄带滤波器。光纤布拉格光栅光纤布拉格光栅光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用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III311550nm1550nm波段光纤光栅透射谱波段光纤光栅透射谱1053nm1053nm波段光纤光栅反射谱波段光纤光栅反射谱光纤布拉格光栅光纤布拉格光栅光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用32长周期光纤光栅长周期光纤光栅光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用长周期光纤光栅长周期光纤光栅（LPG）周期在周期在100m以上以上，其主要特性是特定波长的传播模式会被耦合到其主要特性是特定波长的传播模式会被耦合到包层模式而被损耗掉；包层模式而被损耗掉；长周期光栅对环境的变化与长周期光栅对环境的变化与FBG相比更加相比更加敏感敏感，例如它对弯曲过于敏感例如它对弯曲过于敏感，一个很小的弯曲一个很小的弯曲会将他的峰值波长向短波方向移动；会将他的峰值波长向短波方向移动；由于它的透射谱具有几个峰由于它的透射谱具有几个峰，且每个峰都且每个峰都有一定的带宽有一定的带宽，这限制了这限制了LPG在准分布式传感系在准分布式传感系统中的应用统中的应用。33长周期光纤光栅长周期光纤光栅传播模式耦合到包层模式传播模式耦合到包层模式用于用于EDFA的增益平坦化的增益平坦化lost长周期光纤光栅长周期光纤光栅光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用34长周期光纤光栅透射谱长周期光纤光栅透射谱长周期光纤光栅长周期光纤光栅光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用35啁啾通常是指一种频率变化的现象啁啾通常是指一种频率变化的现象，如果如果Bragg光纤光栅的周期或折射率沿长度方向发光纤光栅的周期或折射率沿长度方向发生一定变化生一定变化，则其则其Bragg频率沿长度方向也会频率沿长度方向也会发生一定变化发生一定变化，这种光纤光栅就称为啁啾光纤这种光纤光栅就称为啁啾光纤光栅光栅。啁啾光纤光栅啁啾光纤光栅光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用36啁啾光栅啁啾光栅光栅周期沿轴向发生变化光栅周期沿轴向发生变化不同位置的相应波长不同不同位置的相应波长不同可用于色散补偿等可用于色散补偿等啁啾光纤光栅啁啾光纤光栅光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用37啁啾光纤光栅反射谱啁啾光纤光栅反射谱啁啾光纤光栅啁啾光纤光栅光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用38Part 3 光纤光栅应用光纤光栅应用39Mach-Zehnder add/drop filter波分复用波分复用光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用40Frustrated coupler type add/drop multiplexer 波分复用波分复用光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用41Circulators and grating based add/drop filter波分复用波分复用光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用42光纤通信系统光纤通信系统光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用WDM系统系统43滤波器滤波器WDM系统解复用系统解复用多信道系统中串联使用多信道系统中串联使用FBG滤波器滤波器光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用44Gain Flattening Filter for EDFA增益平坦滤波器增益平坦滤波器光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用45相移光栅相移光栅分布反馈光栅分布反馈光栅光栅中间光栅中间/4距离距离与与F-P腔相似腔相似相移光栅相移光栅光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用46多相移光栅多相移光栅光栅中有多个光栅中有多个 /4相移相移出现平顶的带通出现平顶的带通多相移光栅多相移光栅光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用47光纤激光器光纤激光器FBG作为反射镜作为反射镜掺杂光纤作为增益介质掺杂光纤作为增益介质DBR和和DFB激光器激光器光纤激光器光纤激光器光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用48掺镱光纤掺镱光纤DFB激光器光谱激光器光谱1048105010521054105610581060-60-50-40-30-20-10010Output power(dBm)Wavelength(nm)光纤激光器光纤激光器光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用49Raman光纤激光器光纤激光器拉曼光纤激光器拉曼光纤激光器光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用50色散补偿色散补偿光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用51光栅传感器光栅传感器光纤光栅的响应随温度和应力变化大；光纤光栅的响应随温度和应力变化大；应用于建筑物、桥梁等；应用于建筑物、桥梁等；抗电磁干扰；抗电磁干扰；光纤传感器光纤传感器光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用52分布式光纤传感器测量是运用光纤的一维特性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，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。任意大小的分辨率。分布式光纤传感器分布式光纤传感器光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用分布式光纤传感系统分布式光纤传感系统53分布式网络化光纤光栅传感器检测系统优点分布式网络化光纤光栅传感器检测系统优点:采用激光信号作为探测信号，而不是低功率的采用激光信号作为探测信号，而不是低功率的ASE，探测容易，探测容易;采采用可调谐带通滤波器作成自动寻址功能器件，运用时分复用用可调谐带通滤波器作成自动寻址功能器件，运用时分复用技术，用一套探测系统就可以监测多个传感元件的传感量变化，技术，用一套探测系统就可以监测多个传感元件的传感量变化，极大地降低了系统成本极大地降低了系统成本;把探测信号输入计算机处理，可自动监测各个传感元件的传感把探测信号输入计算机处理，可自动监测各个传感元件的传感量变化。当某个传感量变化超过一定范围时可自动报警。可发量变化。当某个传感量变化超过一定范围时可自动报警。可发展成一种网络化、低成本的智能传感系统展成一种网络化、低成本的智能传感系统;分布式光纤传感器分布式光纤传感器光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用541、反射法：利用光纤在外部扰动作用下产生的反射法：利用光纤在外部扰动作用下产生的Reyleigh、Raman、Brillouin等效应进行测等效应进行测量的方法量的方法。2、偏振光时域反射法偏振光时域反射法(POTDR)：利用后向散射光：利用后向散射光的偏振态信息进行分布式测量的技术的偏振态信息进行分布式测量的技术。3、波长扫描法波长扫描法(WLS)：用白光照射保偏光栅：用白光照射保偏光栅，运运用快速用快速Fourier算法来确定模式耦合系数的分布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从而得到被测参量信息的方法。分布式光纤传感器分布式光纤传感器光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用55准分布式光纤光栅的信号解调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准分布式光纤光栅传感系统寻址光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用准分布式光纤光栅传感准分布式光纤光栅传感(光栅复用技术光栅复用技术)是光纤是光纤传感器独有的技术传感器独有的技术，能实现沿光纤铺设路径上分能实现沿光纤铺设路径上分布场的测量布场的测量，显著降低系统成本显著降低系统成本，减少引线减少引线。光光纤光栅通过波长编码易于实现复用纤光栅通过波长编码易于实现复用，这种复用光这种复用光纤光栅传感器在大型结构纤光栅传感器在大型结构(如水坝如水坝、桥梁桥梁、建筑物建筑物及飞行器等及飞行器等)的安全监测方面有极为广阔的应用前的安全监测方面有极为广阔的应用前景景。56多波长移动探测解调技术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；、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；、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、利用“可调谐法布里-珀罗腔”方法检测光纤光珀罗腔”方法检测光纤光栅的反射波长；栅的反射波长；4、利用线阵、利用线阵CCD来同时探测多个光纤光栅反射波来同时探测多个光纤光栅反射波长的移动。长的移动。准分布式光纤光栅传感系统寻址准分布式光纤光栅传感系统寻址光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用57准分布式光纤光栅传感结构准分布式光纤光栅传感结构准分布式光纤光栅传感系统准分布式光纤光栅传感系统光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用宽带光源宽带光源光谱分析仪光谱分析仪58准分布式网络化光纤传感器检测系统准分布式网络化光纤传感器检测系统准分布式光纤传感器准分布式光纤传感器光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用591、在光敏光纤同一位置重叠写入两个具有不同、在光敏光纤同一位置重叠写入两个具有不同Bragg波波长的光栅来区别温度和应变效应；长的光栅来区别温度和应变效应；2、利用同一光纤、利用同一光纤Bragg光栅的一阶和二阶衍射效应来区光栅的一阶和二阶衍射效应来区别出温度和应变效应；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、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。交叉敏感问题。光纤光栅温度去敏光纤光栅温度去敏光纤光栅的温度去敏光纤光栅的温度去敏光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用60光纤光栅振动传感技术光纤光栅振动传感技术振动传感器振动传感器波长移动转换为光强度变化波长移动转换为光强度变化10 Hz10 Hz40 Hz40 Hz80 Hz80 Hz 20C(blue)24C(green)28C(red)0.000.250.500.751.001.251.500.00.51.01.52.02.5Input Voltage(V)Vibration Amplitude(mm)压缩拉伸FBG1FBG2梁拉伸压缩自动温度补偿自动温度补偿宽带光源光栅传感头光栅传感头光栅传感头(FBG Sensor Head)输出振动源光纤光栅传感温度补偿光纤光栅传感温度补偿光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用61多参数光纤光栅传感器示意图多参数光纤光栅传感器示意图智能材料智能材料多 功多 功能 光能 光纤 光纤 光栅 传栅 传感 系感 系统统光纤光栅光纤光栅被监测材料被监测材料预应变技术预应变技术埋入或粘贴埋入或粘贴多功能传感元件多功能传感元件PC宽带光源宽带光源检测元件检测元件自动测量自动测量多参数光纤传感器多参数光纤传感器光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用62电流传感器电流传感器Terfenol-DMONEL 400光栅没有电流Terfenol-DMONEL 400拉伸加上电流Power meterOscilloscopeIndex matching liquidBroadband sourceIsolatorDirectionalCouplerFBG Sensor Head光纤光栅电流传感技术光纤光栅电流传感技术Current(A)720740760780800820012345678253545556575Temperature(C)Output Voltage(mV)DC current measurementTemperature measurement光栅传感头光栅传感头(FBG Sensor Head)电流、温度与输出的关系电流、温度与输出的关系输出光栅传感头宽带光源光纤光栅传感温度补偿光纤光栅传感温度补偿光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用63光纤光栅的应用几乎渗透在光纤通信系统的每个角落，有光纤光栅的应用几乎渗透在光纤通信系统的每个角落，有关专家预言：光纤光栅技术和器件将为正在蓬勃发展的关专家预言：光纤光栅技术和器件将为正在蓬勃发展的WDMWDM技技术和光纤传感技术与系统带来一场革命。术和光纤传感技术与系统带来一场革命。目前，光纤光目前，光纤光栅器件研究与应用中的关键是：栅器件研究与应用中的关键是：1 1、光纤光栅技术及器件的设计理论及新方法；、光纤光栅技术及器件的设计理论及新方法；2 2、特殊光纤光栅结构的实现方法和技术，包括旁瓣、特殊光纤光栅结构的实现方法和技术，包括旁瓣抑制、抑制、切趾等技术；切趾等技术；3 3、不同光纤光栅器件的关键性能，如色散补偿器的时延抖、不同光纤光栅器件的关键性能，如色散补偿器的时延抖动、动、WDMWDM解复用器的信道隔离度等问题的解决；解复用器的信道隔离度等问题的解决；4 4、实用型光纤光栅器件的温度补偿及封装等技术；、实用型光纤光栅器件的温度补偿及封装等技术；5 5、实现容易、分辨率高且价格相对较低的准分布式光纤光、实现容易、分辨率高且价格相对较低的准分布式光纤光栅传感系统的寻址与解复用技术系统。栅传感系统的寻址与解复用技术系统。光纤光栅发展中的关键问题光纤光栅发展中的关键问题光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用64THANKS!THANKS!
