光纤光栅技术及应用(光电子材料).pdf
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1、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
2、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 industryIn
3、stalled 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 powe
4、r(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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、.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
12、)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 witho
13、ut 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
14、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
15、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(C
16、hirped 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
17、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
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