光纤光栅及其技术在电力行业上的应用
摘要：分析光纤光栅解调的基本原理和常用解调方法的工作机理、性能和特点，从光纤传感
技术的优势出发，介绍了光纤光栅传感智能结构的优点，对波长解调方法如匹配解调法、可
调谐激光器法、干涉法、滤波法等做了详细的讨论，阐述了相应的系统设计方案，并对各
种方法的优、缺点进行了分析和讨论。提出光纤光栅传感器在实际应用中所面临的主要技术
难题，分析现有的解决方案，讨论光纤光栅传感器在进一步实用化中需要解决的难题及其未
来的发展趋势。
关键词：光纤光栅，传感解调，干涉，XPM
目录
第一章光纤光栅基本原理
1.1 前言 (1)
1.2 光纤光栅定义及分类 (1)
1.2.1光纤光栅的分类 (2)
1.3光纤光栅制作方法 (6)
1.3.1光敏光纤的制备 (6)
1.3.2成栅的紫外光源 (7)
1.3.3成栅方法 (7)
第二章光纤光栅技术应用 (10)
2.1 光纤光栅传感器的工作原理 (10)
2.1.1啁啾光纤光栅传感器的工作原理 (11)
2.1.2长周期光纤光栅(LPG)传感器的工作原理 (11)
2.2.4在电力工业中的应用 (12)
2.3 光纤光栅在光通信领域的应用 (12)
2.3.1.光纤光栅滤波器中的应用 (12)
2.3.2光纤光栅在光纤通信系统中的应用 (14)
第三章光纤光栅的应用前景 (20)
3.1 光栅技术及拉曼光纤放大器发展应用 (20)
3.2 波分复用/解复用器 (20)
3.3 光纤滤波器 (21)
第四章光纤光栅结论 (21)
致谢 (22)
参考文献 (23)
第一章光纤光栅基本原理
1.1 前言
1978年，加拿大通信研究中心的K．O．Hill及其合作者首次从光纤中观察到了光子诱导光栅。Hill的早期光纤是用488nm 可见光波长的氩离子激光器，通过增加或延长注入光纤芯中的光辐照时间而在纤芯中形成了光栅。后来梅尔茨等人利用高强度紫外光源所形成的干涉条纹对光纤进行侧面横向曝光在该光纤芯中产生折射率调制或相位光栅。1989年，第一支布拉格诺波长位于通信波段的光纤光栅研制成功。1993年hill等人提出了位相掩模技术，它主要是利用紫外光透过相位掩模板后的士1级衍射光形成的干涉光对光纤曝光，使纤芯折射率产生周期性变化写入光栅，此技术使光纤光栅的制作更加简单、灵活，便于批量生产。1993年Alkins等人采用了低温高压氢扩散工艺提高光纤的光敏特性。这一技术使大批量、高质量光纤光栅的制作成为现实。这种光纤增敏工艺打破了光纤光栅制作对光纤中锗含量的依赖，使得可选择的光纤种类扩展到了普通光纤，它还大大提高了光致折变量(由10-5最大提高到了10-2)，这样可以在普通光纤上制作出高质量的光纤光栅。
1.2 光纤光栅定义及分类
光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，在纤芯内形成空间相位光栅，其作用的实质是在纤芯内形成（利用空间相位光栅的布拉格散射的波长特性）一个窄带的（投射或反射）滤光器或反射镜。光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的。所谓光纤中的光敏性是指激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生
相应变化的特性。而在纤芯内形成的空间相位光栅，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件。这些器件具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小，易与光纤耦合，可与其它光器件兼容成一体，不受环境尘埃影响等一系列优异性能。
随着光纤光栅应用范围的日益扩大，光纤光栅的种类也日趋增多。根据折射率沿光栅轴向分布的形式，可将紫外写入的光纤光栅分为均匀光纤光栅和非均匀光纤光栅。其中均匀光纤光栅是指纤芯折射率变化幅度和折射率变化的周期(也称光纤光栅的周期)均沿光纤轴向保持不变的光纤光栅，如均匀光纤Brag光栅(折射率变化的周期一般为0.1um量级)和均匀长周期光纤光栅(折射率变化的周期一般为100um量级);非均匀光纤光栅是指纤芯折射率变化幅度或折射率变化的周期沿光纤轴向变化的光纤光栅，如chirped光纤光栅(其周期一般与光纤Bragg光栅周期处同一量级)、切趾光纤光栅、相移光纤光栅和取样光纤光栅等。1978年K.O.Hill等人首先在掺锗光纤中采用驻波写入法制成第一只光纤光栅，经过二十多年来的发展，在光纤通信、光纤传感等领域均有广阔的应用前景。随着光纤光栅制造技术的不断完善，光纤光敏性逐渐提高，各种特种光栅相继问世，光纤光栅某些应用已达到商用化程度。应用成果日益增多，使得光纤光栅成为目前最有发展前途、最具代表性和发展最为迅速的光纤无源器件之一。
1.2.1光纤光栅的分类
光纤光栅的种类很多，主要分两大类：一是Bragg光栅(也称为反射或短周期光栅)；二是透射光栅(也称为长周期光栅)。光纤光栅从结构上可分为周期性结构和非周期性结构，从功能上还可分为滤波型光栅和色散补偿型光栅，色散补偿型光栅是非周期光
栅，又称为啁啾光栅(chirp光栅)。根据不同分类标准，可以把光纤光栅分成不同的类别：
（1）光纤光栅按其空间周期和折射率系数分布特性可分为：
①均匀周期光纤布喇格光栅：通常称为布喇格光栅，是最早发展起来的一种光栅，也是目前应用最广的一种光栅。折射率调制深度和栅格周期均为常数，光栅波矢方向跟光纤轴向一致。此类光栅在光纤激光器、光纤传感器、光纤波分复用/解复用等领域有重要应用价值。
②啁啾光栅：栅格间距不等的光栅。有线性啁啾和分段啁啾光栅，主要用来做色散补偿和光纤放大器的增益平坦。
③闪耀光栅：当光栅制作时，紫外侧写光束与光纤轴不垂直时，造成其折射率的空间分布与光纤轴有一个小角度，形成闪耀光栅。
④长周期光栅：栅格周期远大于一般的光纤光栅，与普通光栅不同，它不是将某个波长的光反射，而是耦合到包层中去，目前主要用于EDFA的增益平坦和光纤传感。
⑤相移光栅：在普通光栅的某些点上，光栅折射率空间分布不连续而得到的。它可以看作是两个光栅的不连续连接。它能够在周期性光栅光谱阻带内打开一个透射窗口，使得光栅对某一波长有更高的选择度。可以用来构造多通道滤波器件。
此外还有取样光纤光栅、Tophat光栅、超结构光栅等。
（2）根据光纤光栅的成栅机理来分可分为三种：Ⅰ型、ⅡA 型和Ⅱ型。
①Ⅰ型光栅：即最常见的光栅，可成栅在任何类型的光敏光纤上，其主要特点是其导波模的反射谱跟透射谱互补，几乎没有吸收或包层耦合损耗；另一特点是容易被“擦除”，即在较低温度（200℃左右）下光栅会变弱或消失。
②ⅡA型光栅：成栅于高掺锗（15％mol）光敏光纤或硼锗共掺光敏光纤上，曝光时间较长。成栅机理于Ⅰ型不同。其写入过程为：曝光开始不久，纤芯中形成Ⅰ型光栅，随着曝光时间的增加，此光栅被部分或者完全擦除，然后再产生第二个光栅，即形成ⅡA型光栅，其温度稳定性优于Ⅰ型光栅，直到500℃附近才能观察到光栅的擦除效应，更适合于在高温下使用，如高温传感等。
③Ⅱ型光栅：由单个高能量光脉冲（大于0.5J/cm2）曝光形成。其透射谱只能使波长大于Bragg波长的光透射，波长小的部分被耦合到包层中损耗掉。成栅机理可理解为能量非均匀的激光脉冲被纤芯石英强烈放大造成纤芯物理损伤的结果。有极高的温度稳定性，在800℃下放置24小时无明显变化，在1000℃环境中放置4小时后大部分光栅才消失。
下面简单介绍几种光纤光栅：
1. 均匀光纤光栅
均匀光纤Bragg光栅折射率变化的周期一般为0.1um量级。它可将入射光中某一确定波长的光反射，反射带宽窄。在传感器领域，均匀光纤Bragg光栅可用于制作温度传感器、应变传感器等传感器;在光通信领域，均匀光纤Bragg光栅可用于制作带通滤波器、分插复用器和波分复用器的解复用器等器件。
2.均匀长周期光纤光栅
均匀长周期光纤光栅折射率变化的周期一般为100um量级，它能将一定波长范围内入射光前向传播芯内导模耦合到
包层模并损耗掉。在传感器领域，长周期光纤光栅可用于制作微弯传感器、折射率传感器等传感器;在光通信领域，长周期光纤光栅可用于制作掺饵光纤放大器增益平坦器、模式转换器、带阻滤波器等器件。
3.切趾光纤光栅
对于一定长度的均匀光纤Bragg光栅，其反射谱中主峰的两侧伴随有一系列的侧峰，一般称这些侧峰为光栅的边模。如将光栅应用于一些对边模的抑制比要求较高的器件如密集波分复用器，这些侧峰的存在是一个不良的因素，它严重影响器件的信道隔离度。为减小光栅边模，人们提出了一种行之有效的办法一切趾，所谓切趾就是用一些特定的函数对光纤光栅的折射率调制幅度进行调制。经切趾后的光纤光栅称为切趾光纤光栅，它反射谱中的边模明显降低。
4.相移光纤光栅
相移光纤光栅是由多段m（M>2)具有不同长度的均匀光纤Bragg光栅以及连接这些光栅的M-1个连接区域组成.相移光纤光栅因为在其反射谱中存在一透射窗口可直接用作带通滤波器。
5.取样光纤光栅
取样光纤光栅也称超结构光纤光栅，它是由多段具有相同参数的光纤光栅以相同的间距级联成。除了用作梳状滤波器之外，取样光纤光栅还可用wdm系统中的分插复用器件。与其他分插复用器件不同的是，取样光纤光栅构成的分插器件
可同时分或插多路信道间隔相同的信号。
6. chirped光纤光栅
所谓chirped光纤光栅，是指光纤的纤芯折射率变化幅度或折射率变化的周期沿光纤轴向逐渐变大(小)形成的一种光纤光栅。在chirped光纤光栅轴向不同位置可反射不同波长的入射光。所以chirped光纤光栅的特点是反射谱宽，在反射带宽内具有渐变的群时延，群时延曲线的斜率即光纤光栅的色散值。所以，可以利用chirped光纤光栅作为色散补偿器。
1.3光纤光栅制作方法
1.3.1光敏光纤的制备
采用适当的光源和光纤增敏技术，可以在几乎所有种类的光纤上不同程度的写入光栅。所谓光纤中的光折变是指激光通过光敏光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应的变化，如这种折射率变化呈现周期性分布，并被保存下来，就成为光纤光栅。光纤中的折射率改变量与许多参数有关，如照射波长、光纤类型、掺杂水平等。如果不进行其它处理，直接用紫外光照射光纤，折射率增加仅为（10的负4次方）数量级便已经饱和，为了满足高速通信的需要，提高光纤光敏性日益重要，目前光纤增敏方法主要有以下几种：
1）掺入光敏性杂质，如：锗、锡、棚等。
2）多种掺杂（主要是B／Ge共接）。
3）高压低温氢气扩散处理。
4）剧火。
1.3.2成栅的紫外光源
光纤的光致折射率变化的光敏性主要表现在244nm紫外光的错吸收峰附近，因此除驻波法用488nm可见光外，成栅光源都是紫外光。大部分成栅方法是利用激光束的空间干涉条纹，所以成栅光源的空间相干性特别重要。目前，主要的成栅光源有准分子激光器、窄线宽准分子激光器、倍频Ar 离子激光器、倍频染料激光器、倍频OPO激光器等，根据实验结果，窄线宽准分子激光器是目前用来制作光纤光栅最为适宜的光源。它可同时提供193nm和244nm两种有效的写入波长并有很高的单脉冲能量，可在光敏性较弱的光纤上写人光栅并实现光纤光栅在线制作。
1.3.3成栅方法
光纤光栅制作方法中的驻波法及光纤表面损伤刻蚀法，成栅条件苛刻，成品率低，使用受到限制。目前主要的成栅有下列几种：
1）短周期光纤光栅的制作
a）内部写入法内部写入法又称驻波法。将波长488nm 的基模氛离子激光从一个端面耦合到错掺杂光纤中，经过光纤另一端面反射镜的反射，使光纤中的入射和反射激光相干涉形成驻波。由于纤芯材料具有光敏性，其折射率发生相应
的周期变化，于是形成了与干涉周期一样的立体折射率光栅，它起到了Bragg反射器的作用。已测得其反射率可达90％以上，反射带宽小于200MHZ。此方法是早期使用的，由于实验要求在特制锗掺杂光纤中进行，要求锗含量很高，芯径很小，并且上述方法只能够制作布拉格波长与写入波长相同的光纤光栅，因此，这种光栅几乎无法获得任何有价值的应用，现在很少被采用。示。用准分子激光干涉的方法，Meltz等人首次制作了横向侧面曝光的光纤光栅。用两束相干紫外光束在接错光纤的侧面相干，形成干涉图，利用光纤材料的光敏性形成光纤光栅。栅距周期由∧=λuv／（2sinθ）给出。可见，通过改变人射光波长或两相干光束之间的夹角，可以改变光栅常数，获得适宜的光纤光栅。但是要得到高反射率的光栅，则对所用光源及周围环境有较高的要求。这种光栅制造方法采用多脉冲曝光技术，光栅性质可以精确控制，但是容易受机械震动或温度漂移的影响，并且不易制作具有复杂截面的光纤光栅，目前这种方法使用不多。
b）光纤光栅的单脉冲写入由于准分子激光具有很高的单脉冲能量，聚焦后每次脉冲可达J?cm－2，近年来又发展了用单个激光脉冲在光纤上形成高反射率光栅。英国南安普敦大学的Archambanlt等人对此方法进行了研究，他们认为这一过程与二阶和双光子吸收有关。由于光栅成栅时间短，因此环境因素对成栅的影响降到了最低限度。此外，此法可以在光纤技制过程中实现，接着进行涂覆，从而避免了光纤受到额外的损伤，保证了光栅的良好强度和完整性。这种成栅方法对光源的要求不高，特别适用于光纤光栅的低成本、大批量生产。
c）相位掩膜法将用电子束曝光刻好的图形掩膜置于探光纤上，相位掩膜具有压制零级，增强一级衍射的功能。紫外光经过掩膜相位调制后衍射到光纤上形成干涉条纹，写入周期为掩膜周期一半的Bragg光栅。这种成栅方法不依赖于
人射光波长，只与相位光栅的周期有关，因此，对光源的相干性要求不高，简化了光纤光栅的制造系统。这种方法的缺点是制作掩膜复杂，为使KrF准分子激光光束相位以知间。隔进行调制，掩膜版一维表面间隙结构的振幅周期被选为4π（nilica－1）／（A?λKrF）=π，这里A是表面间隙结构的振幅。这样得到的相位掩膜版可使准分子激光光束通过掩膜后，零级光束小子衍射光的5％，人射光束转向+1和-1级衍射，每级衍射光光强的典型值比总衍射光的35％还多。用低相干光源和相位掩膜版来制作光纤光栅的这种方法非常重要，并且相位掩膜与扫描曝光技术相结合还可以实现光栅耦合截面的控制，来制作特殊结构的光栅。该方法大大简化了光纤光栅的制作过程，是目前写入光栅极有前途的一种方法。
2）长周期光纤光栅的制作
a）掩膜法掩膜法是目前制做长周期光纤光栅最常用的一种方法。实验中采用的光纤为光敏光纤，PC为偏振控制器，AM为振幅掩膜，激光器照射数min后，可制成周期60μm～1mm范围内变化的光栅，这种方法对紫外光的相干性没有要求。
b）逐点写人法此方法是利用精密机构控制光纤运动位移，每隔一个周期曝光一次，通过控制光纤移动速度可写入任意周期的光栅。这种方法在原理上具有最大的灵活性，对光栅的耦合截面可以任意进行设计制作。原则上，利用此方法可以制作出任意长度的光栅，也可以制作出极短的高反射率光纤光栅，但是写人光束必须聚焦到很密集的一点，因此这一技术主要适用于长周期光栅的写入。它的缺点是需要复杂的聚焦光学系统和精确的位移移动技术。目前，由于各种精密移动平台的研制，这种长周期光纤光栅写入方法正在越来越多的被采用。
第二章光纤光栅技术应用
光纤光栅的三大用途包括对光线的控制、合成和路由，在光纤技术、光纤通信及光纤传感等高技术领域中有极其广泛的应用。光纤光栅的一个重要应用是使各种全光纤器件，如光纤激光器、光纤调制器、光纤滤波器、光纤波复用和解复用器、光纤光栅色散补偿器件等的研制成为可能，同时将各种全光纤器件集成在一段光纤里，形成诸多集成型光纤通信系统也成为可能。将来光通信系统中如果没有光纤光栅就如同电子回路中没有电子器件一样。所以普遍认为，光纤光栅的研制成功是继掺铒光纤放大器（E DFA）之后在光纤领域中的又一次重大技术突破。下面主要介绍一下光纤光栅在传感器以及光通信方面的应用。
2.1 光纤光栅传感器的工作原理
我们知道，光栅的Bragg波长λB由下式决定:
λB= 2nΛ(2-1)
式中，n为芯模有效折射率，Λ为光栅周期。当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化，通过测量物理量变化前后反射光波长的变化，就可以获得待测物理量的变化情况。如利用磁场诱导的左右旋极化波的折射率变化不同，可实现对磁场的直接测量。此外，通过特定的技术，可实现对应力和温度的分别测量，也可同时测量。通过在光栅上涂敷特定的功能材料(如压电材料)，还可实现对电场等物理量的间接测量。下面简单介绍两种不同光纤光栅传感器的工作原理：
2.1.1啁啾光纤光栅传感器的工作原理
上面介绍的光栅传感器系统，光栅的几何结构是均匀的，对单参数的定点测量很有效，但在需要同时测量应变和温度或者测量应变或温度沿光栅长度的分布时，就显得力不从心。一种较好的方法就是采用啁啾光纤光栅传感器。啁啾光纤光栅由于其优异的色散补偿能力而应用在高比特远程通信系统中。与光纤Bragg 光栅传感器的工作原理基本相同，在外界物理量的作用下啁啾光纤光栅除了△λB的变化外，还会引起光谱的展宽。这种传感器在应变和温度均存在的场合是非常有用的，啁啾光纤光栅由于应变的影响导致了反射信号的拓宽和峰值波长的位移，而温度的变化则由于折射率的温度依赖性(dn／dT),仅影响重心的位置。通过同时测量光谱位移和展宽，就可以同时测量应变和温度。
2.1.2长周期光纤光栅(LPG)传感器的工作原理
长周期光纤光栅(LPG)的周期一般认为有数百微米，LPG在特定的波长上把纤芯的光耦合进包层：λi=(n0-niclad)·Λ。式中，n 0为纤芯的折射率，niclad为i阶轴对称包层模的有效折射率。光在包层中将由于包层／空气界面的损耗而迅速衰减，留下一串损
耗带。一个独立的LPG可能在一个很宽的波长范围上有许多的共振，LPG共振的中心波长主要取决于芯和包层的折射率差，由应变、温度或外部折射率变化而产生的任何变化都能在共振中产生大的波长位移，通过检测△λi，就可获得外界物理量变化的信息。LPG在给定波长上的共振带的响应通常有不同的幅度，因而LP G适用于多参数传感器。
2.2在电力工业中的应用
光纤光栅传感器因不受电磁场干扰和可实现长距离低损耗传输，从而成为电力工业应用的理想选择。电线的载重量、变压器绕线的温度、大电流等都可利用光纤光栅传感器测量。
在电力工业中，电流转换器可把电流变化转化为电压变化，电压变化使压电陶瓷(PZT)产生形变，而利用贴于PZT上的光纤光栅的波长漂移，很容易得知其形变，从而得知电流强度。这是一种较为廉价的方法，并且不需要复杂的电隔离。另外，由大雪等对电线施加的过量的压力可能会引发危险事件，因此在线检测电线压力非常重要，特别是对于那些不易检测到的山区电线。光纤光栅传感器可测电线的载重量，其原理为把载重量的变化转化为紧贴电线的金属板所受应力的变化，这一应力变化被粘于金属板上的光纤光栅传感器探测到。这是利用光纤光栅传感器实现远距离恶劣环境下测量的实例，在这种情况下，相邻光栅的间距较大，故不需快速调制和解调。
2.3 光纤光栅在光通信领域的应用
2.3.1.光纤光栅在滤波器中的应用
光纤滤波器是光纤通信中的一个重要的无源器件，光纤光栅的出现真正实现了全光纤型滤波器。光纤光栅滤波器成本低、与光纤兼容、易于集成等优点是光纤通信系统中理想的器件。随着光纤光栅制作技术的成熟和各种波长调节手段的丰富，现在可以实现从1520~1560nm全波段单通道和多通道的宽带、高反射率的带阻滤波器和窄带、低损耗的带通滤波器，另外应用于增益平坦的光纤光栅滤波器得到了人们的广泛的关注.除此之外光纤光栅还用于SDH系统的色散补偿以及WDM系统的分插复用。
随着信息业务量快速增长，语音、数据和图像等业务综合在一起传输，从而对通信带宽容量提出了更高要求。由于无线电频谱和电缆带宽非常有限，其极限速率只有20Gb/s左右，即所谓的“电子瓶颈”。尽管人们引入了光通信，光作为信息传输的载体带宽达30THz以上，但是由于量子效应导致光纤线路中各种复用/解复用和光电/电光转换器件处理电信号时仍存在着速率“瓶颈”，限制了信息的传输速率。进入20世纪90年代，以时分复用（TDM）为基础的电传送网难以适应需要，这使得人们再次意识到要突破电信号处理速率“瓶颈”就必须引入光信号处理方法，包括光信号的直接处理（即避免光电和电光转换，需要电信号时除外）及交叉连接等，这就导致以光波分复用（WDM）为基础的全光通信网（AON）成为人们研究的热点。
全光通信是解决“电子瓶颈”最根本的途径，全光网通信可以极大地提高节点的吞吐容量，适应未来高速宽带通信的要求。全光通信网也是目前国际上发展最快的领域，全光通信意味着在通信过程的各个环节都用光波来完成，中间无需任何光－电－光变换。全光通信的发展完全取决于网络中光放大、光补偿、光交换以及光处理等关键技术的发展。
光纤光栅的出现使许多复杂的全光网通信成为可能。光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。利用光纤光栅这一特性可构成许多性能独特的光电子器件。研究表明光纤光栅以及基于光纤光栅的器件已经能够解决全光通信系统中许多关键技术。
2.3.2光纤光栅在光纤通信系统中的应用
光纤光栅作为一种新型光器件，主要用于光纤通信、光纤传感和光信息处理。在光纤通信中实现许多特殊功能，应用广泛，可构成的有源和无源光纤器件分别是：
·有源器件：光纤激光器（光栅窄带反射器用于DFB等结构，波长可调谐等）；半导体激光器（光纤光栅作为反馈外腔及用于稳定980nm泵浦光源）；EDFA光纤放大器（光纤光栅实现增益平坦和残余泵浦光反射）；Ramam光纤放大器（布喇格光栅谐振腔）；
·无源器件：滤波器（窄带、宽带及带阻；反射式和透射式）；WDM波分复用器（波导光栅阵列、光栅/滤波组合）；OADM上下路分插复用器（光栅选路）；色散补偿器（线性啁啾光纤光栅实现单通道补偿，抽样光纤光栅实现WDM系统中多通道补偿）；波长变换器OTDM延时器OCDMA编码器光纤光栅编码器。
可见光纤光栅的应用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研究和发展的WDM系统带来一场革命。下面就一些比较典型的应用做以分析。
（1）光源
光纤光栅激光器产生的光信号更符合全光通信系统对光源的要求。同时基于光波分复用（WDM）的全光通信网（AON）中，光纤复用的路数将大大提高。而半导体激光器的波长较难符合ITU-T建议的WDM波长标准要求，相反利用光纤光栅做成的激光器则能非常准确地控制波长，且制作成本低。
光纤光栅激光器是光纤通信系统中一种很有前途的光源，它是利用均匀光纤光栅来选择出射光的波长。外腔光纤激光器一般有两种结构：一种是分布布拉格反射（DBR）光纤光栅激光器，其基本结构如图2-1（a）所示，利用一段稀土掺铒光纤（EDF）和一对均匀光纤光栅（Bragg波长相同）构成谐振腔；另一种是分布反馈（DFB）光纤光栅激光器，其基本结构如图1（b）所示，利用直接在稀土掺杂光纤（如EDF）写入的均匀光栅构成谐振腔。
图2-1：光纤光栅激光器结构原理图
光纤激光器作为光纤通信系统中一种很有前途的光源，其优点主要体现在：激光出射波长线宽极窄、可调谐；具有波导式光纤结构，与标准通信光纤兼容性好；高频调制下频率啁啾效应小；抗电磁干扰；温度膨胀系数较半导体激光器小；成本低等。
（2）光纤放大器
影响光纤通信向长距离和高速率方向发展的两个主要因素是损耗和色散，其中的损耗问题自从掺铒光纤放大器（EDFA）产生后已得到解决。然而掺铒光纤放大器具有增益不平坦性。利用闪耀光纤光栅的透射谱特性可以抑制光纤放大器的增益峰，从而使引入闪耀光纤光栅后的光纤放大器增益谱平坦化。
图2-2：闪耀光纤光栅折射率分布原理图
（3）色散补偿器
光纤损耗、色散和非线性是影响光纤传输能力的三个最主要因素。掺铒光纤放大器的研制成功基本解决了损耗的问题。随着全光通信速率的提高，色散和非线性对系统传输能力的影响变得愈发显著。经过近年来的研究，光纤光栅色散补偿器已经基本解决了光纤传输系统中的色散问题。
图2-3：啁啾光纤光栅色散补偿原理图
图2-3是光纤光栅作为色散补偿器的工作原理图，光纤光栅被偿色散的原理是：在啁啾（Chirp）光纤光栅不同反射点有不同的反射波长，我们让红移分量在光栅前端反射，而让蓝移分量在光栅末端反射，即蓝移分量比红移分量多走2L的距离。由于色散在光脉冲中红蓝移分量之间产生的距离差，经过光栅后，滞后的红移分量便会赶上蓝移分量，这样就消除了色散效应。目前光纤光栅作为色散补偿已经达到实用阶段。
（4）光分插复用器（OADM）
光分插复用器实际是合波器与分波器的组合。光分插复用器作为全光网中的重要器件，其功能是从分波器中有选择的取下几路通过本地的光信号，其余路波长直通合波器，另外可以有几路本地波长信号输入，与直通的信号复合在一起输出（Add）。也就是说OADM在光域内实现了传统的SDH设备中电的分插复用器在时域中的功能。
图2-4：光分插复用器原理图
如图2-4所示复用信号（λ1，λ2，…，λn）从端口1输入，光纤光栅的中心波长是λ2，波长为λ2的信号被光纤光栅反射，经光环行器从端口3输出（下载），其余波长则无附加损耗地通过光纤光栅，与从端口4上载的λ2信号复合成新的复用信号，
由端口2输出，实现光的分插复用。这种基于光纤光栅的OADM 实现方案已经是目前普遍采用的一种OADM结构。
（5）光终端复接器（OTM）
光终端复接器（OTM）的作用是将终端用户光波长复用进系统中，或在终端从系统中解出用户需要的波长。光终端复接器是基于WDM全光网系统中不可缺少的设备。其核心部件就是复用/解复用器（分波/合波器）。它可以实现在一根光纤中传输多个波长的信道，并在终端将不同的波长分别解出。由于全光网系统中波长之间的间隔很小，因此对复用/解复用设备提出了很高的要求。
图2-5：光纤光栅型波分复用器原理图
由于均匀光纤光栅具有良好的滤波性能，并且有较窄的带宽。利用一组均匀光纤光栅的透射可以进行合波；利用其反射可以进行分波，因此采用均匀光纤光栅可制成复用/解复用器。如图5
所示，光纤光栅的中心波长分别为λ1，λ2，…，λn。复用信号（λ1，λ2，…，λn）经过解复用器后，各个波长分别从不同的端口输出，实现了光的解复用.
（6）波长交换
全光网络为克服“电子瓶颈”，网络路由方式也将采用波长路由方式，由于通信波长资源的有限性，使得全光波长变换技术在全光通信网系统中成为不可缺少的关键技术之一。波长变换技
光纤通信 专业: 通信技术班级: 0701 姓名: 学号: 完成日期: 2009 年11 月30 日
摘要本文简要介绍了光纤通信发展的历史及现状,较全面的向大家展现了制作"光缆开剥与接续"多媒体课件的过程。与此同时,还对课件制作过程中使用的工具和器材及作者的心得体会作了基本介绍,希望能给读者以启发. 一、前言 光纤通信自问世以来,通过其通信容量大、传输距离长、抗电磁干扰、保密性好、重量轻、资源丰富等优点,已经广泛应用于市内局间中继,长途通信和海底通信等公用通信网以及铁道、电力等专用通信网,同时在公用电话、广播和计算机专用网中得到应用.并已逐渐用于用户系统.光缆将取代过去用户系统无法实现宽频信息传输的传统线路,这样便可提供高质量的电视图像和高速数据等新业务,以满足人们广泛的生活和业务的需要. 光缆线路,是光纤通信系统组成的重要部分.光缆线路的建设质量是确保光通信系统性能良好和长期稳定的关键,而光缆开剥接续则是光缆线路施工中工程量大,技术要求复杂的一道重要工序,其质量好坏直接影响线路的传输质量和寿命,光缆开剥、接续、封合的快慢将影响整个工期的进程,对于20
芯以上光缆的接续不仅要求施工人员技术熟练,而且要求施工组织严密,在保证质量的前提下,确保施工的时间。 . 二、光纤通信的发展概况及动向 2-1发展概况 光波是人们最熟悉的电磁波,其波长在微米级,频率为100000亿HZ数量级.由电磁波谱中可以看出,紫外线、可见光、红外线均属于光波的范畴.目前光纤通信使用的波长范围是在近红外区内,即波长为0.8-1.8um可分短波长波段和长波长波段,短波长波段是指波长为0.85um,长波长波段是指1.31um和1.51um,这是目前采用的三个通信窗口. 利用光导纤维作为光的传输介质的光纤通信其发展只有二、三十年的历史,它的发展以1960年美国人Mainman发明的红宝石激光器和1966年英籍华人高琨博士提出利用SIO2石英玻璃可制成低损耗光纤的设想为基础,直到1970年美国康宁公司研制出损耗为20db/km的光纤,才使光纤进行远距离传输成为可能.自此以后,光纤通信在世界范围内展开并得到迅猛发展,在短短的一、二十年的时间中,以从0.85um短波长多模光纤发展到1.31um-1.55um的长波长单模光纤,同时开发出许多新型光电器件,激光器寿命已达十万小时甚至百万小时,许多国家相继建成了长距离的光纤通信系统.
光纤光栅及其技术在电力行业上的应用 摘要：分析光纤光栅解调的基本原理和常用解调方法的工作机理、性能和特点，从光纤传感 技术的优势出发，介绍了光纤光栅传感智能结构的优点，对波长解调方法如匹配解调法、可 调谐激光器法、干涉法、滤波法等做了详细的讨论，阐述了相应的系统设计方案，并对各 种方法的优、缺点进行了分析和讨论。提出光纤光栅传感器在实际应用中所面临的主要技术 难题，分析现有的解决方案，讨论光纤光栅传感器在进一步实用化中需要解决的难题及其未 来的发展趋势。 关键词：光纤光栅，传感解调，干涉，XPM
目录 第一章光纤光栅基本原理 1.1 前言 (1) 1.2 光纤光栅定义及分类 (1) 1.2.1光纤光栅的分类 (2) 1.3光纤光栅制作方法 (6) 1.3.1光敏光纤的制备 (6) 1.3.2成栅的紫外光源 (7) 1.3.3成栅方法 (7) 第二章光纤光栅技术应用 (10) 2.1 光纤光栅传感器的工作原理 (10) 2.1.1啁啾光纤光栅传感器的工作原理 (11) 2.1.2长周期光纤光栅(LPG)传感器的工作原理 (11) 2.2.4在电力工业中的应用 (12) 2.3 光纤光栅在光通信领域的应用 (12) 2.3.1.光纤光栅滤波器中的应用 (12) 2.3.2光纤光栅在光纤通信系统中的应用 (14) 第三章光纤光栅的应用前景 (20) 3.1 光栅技术及拉曼光纤放大器发展应用 (20) 3.2 波分复用/解复用器 (20) 3.3 光纤滤波器 (21) 第四章光纤光栅结论 (21) 致谢 (22) 参考文献 (23)
第一章光纤光栅基本原理 1.1 前言 1978年，加拿大通信研究中心的K．O．Hill及其合作者首次从光纤中观察到了光子诱导光栅。Hill的早期光纤是用488nm 可见光波长的氩离子激光器，通过增加或延长注入光纤芯中的光辐照时间而在纤芯中形成了光栅。后来梅尔茨等人利用高强度紫外光源所形成的干涉条纹对光纤进行侧面横向曝光在该光纤芯中产生折射率调制或相位光栅。1989年，第一支布拉格诺波长位于通信波段的光纤光栅研制成功。1993年hill等人提出了位相掩模技术，它主要是利用紫外光透过相位掩模板后的士1级衍射光形成的干涉光对光纤曝光，使纤芯折射率产生周期性变化写入光栅，此技术使光纤光栅的制作更加简单、灵活，便于批量生产。1993年Alkins等人采用了低温高压氢扩散工艺提高光纤的光敏特性。这一技术使大批量、高质量光纤光栅的制作成为现实。这种光纤增敏工艺打破了光纤光栅制作对光纤中锗含量的依赖，使得可选择的光纤种类扩展到了普通光纤，它还大大提高了光致折变量(由10-5最大提高到了10-2)，这样可以在普通光纤上制作出高质量的光纤光栅。 1.2 光纤光栅定义及分类 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，在纤芯内形成空间相位光栅，其作用的实质是在纤芯内形成（利用空间相位光栅的布拉格散射的波长特性）一个窄带的（投射或反射）滤光器或反射镜。光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的。所谓光纤中的光敏性是指激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生
光纤光栅传感器的应用 一、光纤光栅传感器的优势 与传统的传感器相比,光纤Bragg光栅传感器具有自己独特的优点: (1) 传感头结构简单、体积小、重量轻、外形可变, 适合埋入大型结构中, 可测量结构内部的应力、应变及结构损伤等, 稳定性、重复性好; (2) 与光纤之间存在天然的兼容性, 易与光纤连接、低损耗、光谱特性好、可靠性高; (3) 具有非传导性, 对被测介质影响小, 又具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点, 适合在恶劣环境中工作; (4) 轻巧柔软, 可以在一根光纤中写入多个光栅, 构成传感阵列, 与波分复用和时分复用系统相结合, 实现分布式传感; (5) 测量信息是波长编码的, 所以, 光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连接及耦合损耗、以及光波偏振态的变化等因素的影响, 有较强的抗干扰能力; (6) 高灵敏度、高分辩力。 正是由于具有这么多的优点,近年来,光纤光栅传感器在大型土木工程结构、航空航天等领域的健康监测,以及能源化工等领域得到了广泛的应用。 光纤Bragg光栅传感器无疑是一种优秀的光纤传感器，尤其在测量应力和应变的场合，具有其它一些传感器无法比拟的优点，被认为是智能结构中最有希望集成在材料内部，作为监测材料和结构的载荷，探测其损伤的传感器。 二、光纤光栅的传感应用 1、土木及水利工程中的应用 土木工程中的结构监测是光纤光栅传感器应用最活跃的领域。 力学参量的测量对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和健康状况监测是非常重要的.通过测量上述结构的应变分布,可以预知结构局部的载荷及健康状况.。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中,对结构同时进行健康检测、冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等,以监视结构的缺陷情况.。
本科生毕业设计（论文）资料第一部分论文说明书
（2010届） 本科生毕业论文光纤通信的发展趋势探讨
长沙学院本科生毕业论文光纤通信的发展趋势探讨 系（部）：电子与通信工程系 专业：通信工程
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 指导教师签名：日期： 使用授权说明 本人完全了解XX大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：日期：
摘要 光纤通信的诞生与发展是电信史上的一次重要革命。近几年来，随着技术的进步，电信管理体制的改革以及电信市场的逐步全面开放，光纤通信的发展又一次呈现了蓬勃发展的新局面，本文旨在对光纤通信领域的主要发展热点作一简述与展望。 本文首先介绍了光纤通信发展的历史，通过对光纤基本构成：光纤、光源、光检测器特点的介绍，表明光纤通信技术的发展是离不开光器件的发展的，全文围绕光纤通信的容量和速率以及实际应用的几个发展趋势作了详细的介绍，并对世界较前沿的通信技术作了简单的介绍。 通过对光纤通信几个发展趋势进行的学习以及实际工作的了解，发现传统的通信网络无论从业务量设计、容量安排、组网方式，以及交换方式上来讲都已无法适应这些新的发展趋势，各大公司都在设计未来网络的蓝图，诸如可持续发展的网络、一体化网和新的公用网等等，其基本思路都是相同的，即具有统一的通信协议和巨大的传输容量，能以最经济的成本，灵活可靠持续地支持一切已有和将有的业务和信号。 关键词：DWDM MSTP TMN SDH/SONET 智能ASON FTTH ABSTRACT The birth and development of optical fiber communication is a major revolution in
光纤光栅传感器原理及应用 （武汉理工大学） 1光纤光栅传感原理 光纤光栅就是利用紫外光曝光技术，在光纤中产生折射率的周期分布，这种光纤内部折射率分布的周期性结构就是光纤光栅。光纤布喇格光栅（Fiber Bragg grating ，FBG ）在目前的应用和研究中最为广泛。光纤布喇格光栅，周期0.1微米数量级。FBG 是通过改变光纤芯区折射率，周期的折射率扰动仅会对很窄的一小段光谱产生影响，因此，如果宽带光波在光栅中传输时，入射光将在相应的波长上被反射回来，其余的透射光则不受影响，这样光纤光栅就起到了波长选择的作用，如图1。 图1 FBG 结构及其波长选择原理图 在外力作用下，光弹效应导致折射率变化，形变则使光栅常数发生变化；温度变化时，热光效应导致折射率变化，而热膨胀系数则使光栅常数发生变化。 （1）光纤光栅应变传感原理 光纤光栅反射光中心波长的变化反映了外界被测信号的变化情况，在外力作用下，光弹效应导致光纤光栅折射率变化，形变则使光栅栅格发生变化，同时弹光效应还使得介质折射率发生改变，光纤光栅波长为1300nm ，则每个με将导致1.01pm 的波长改变量。 （2）光纤光栅温度传感原理 光温度变化时，热光效应导致光纤光栅折射率变化，而热膨胀系数则使光栅栅格发生变化。光纤光栅中心波长为1300nm ，当温度变化1摄氏度时，波长改变量为9.1pm 。 反射光谱 入射光谱 投射光谱 入射光 反射光 投射光 包层 纤芯 光栅 光栅周期
2光纤光栅传感器特点 利用光敏元件或材料，将被测参量转换为相应光信号的新一代传感技术，最大特点就是一根光纤上能够刻多个光纤光栅，如图2所示。 光纤光栅传感器可测物理量： 温度、应力/应变、压力、流量、位移等。 图2 光纤光栅传感器分布式测量原理 光纤光栅的特点： ● 本质安全，抗电磁干扰 ● 一纤多点（20-30个点），动态多场：分布式、组网测量、远程监测 ● 尺寸小、重量轻； ● 寿命长: 寿命 20 年以上 3目前我校已经开展的工作（部分） 3.1 基于光纤光栅传感的旋转传动机械动态实时在线监测技术与系统 利用光纤光栅传感技术的特性，实现转子运行状态的非接触直接测量。 被测参量 宽带光源 光纤F-P 腔 测点1 测点2 测点3 测点n 波长 光 强 λ1 测点1 λ2 测点2 λ3 测点3 λn 测点n 光源波长
光纤光栅传感系统的详细介绍 本文介绍了光纤光栅传感系统的构成，分析了光纤光栅传感系统所用的3种不同的光源LED，LD和掺铒光源的性能，阐述了光纤光栅传感器的工作原理和各种不同的温度和应力的区分测量方法，描述了滤波法、干涉法、可调窄带光源法等几种常用的信号解调技术，最后，提出适应未来的需要如何对光纤光栅传感系统的光源、光纤光栅传感器和信号解调进行优化。 自1978年，加拿大的Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现光敏现象并采用驻波法制造出世界上第一根光纤光栅和1989年美国的Melt等人实现了光纤Bragg光栅(FBG)的UV激光侧面写入技术以来，光纤光栅的制造技术不断完善，人们对光纤光栅在光传感方面的研究变得更为广泛和深入。光纤光栅传感器具有一般传感器抗电磁干扰、灵敏度高、尺寸小、重量轻、成本低，适于在高温、腐蚀性等环境中使用的优点外，还具有本征自相干能力强和在一根光纤上利用复用技术实现多点复用、多参量分布式区分测量的独特优势。故光纤光栅传感器已成为当前传感器的研究热点。由光源、光纤光栅传感器和信号解调系统为主构成的光纤光栅系统如何能够在降低成本、提高测量精度、满足实时测量等方面的前提下，使各部分达到最优匹配，满足光纤光栅传感系统在现代化各个领域实用化的需要也是研究人员重点考虑的问题。 本文对光纤光栅传感系统进行了介绍，对光纤光栅系统的宽带光源进行了说明，重点分析了光纤光栅传感器的传感原理及如何区分测量技术，对信号常用的信号解调方法进行了总结，最后，提出为适应未来的需要对系统各部分的优化措施。 1、光纤光栅传感系统光纤光栅传感系统主要由宽带光源、光纤光栅传感器、信号解调等组成。宽带光源为系统提供光能量，光纤光栅传感器利用光源的光波感应外界被测量的信息，外界被测量的信息通过信号解调系统实时地反映出来。 1.1 光源 光源性能的好坏决定着整个系统所送光信号的好坏。在光纤光栅传感中，由于传感量是对
光纤光栅制作方法 XXX （XX大学XX学院，武汉湖北430000） 摘要：光纤光栅是一种新型的光无源器件,在光纤通信、光纤传感及光纤光学等光纤技术领域中有着广泛的应用前景,近年来成为了一个全球性的研究热点,获得了较大的发展与进步,因此了解光纤光栅制作知识和寻求光纤光栅的最佳制作方法具有重要的意义。 关键词：光无源器件；制作方法；意义；通信 中图分类号：TU375.1 文献标识码：A 文章编号： Fiber Optic Fiber Fabrication Method XXXXXXX (College of mechanical and electric engineering, XXX University, Wuhan 430000, China) Abstract: Fiber Bragg grating is a new kind of optical passive components, such as optical fiber communication, optical fiber sensing and optical fiber optical fiber technology has a broad application prospect in the field of, in recent years has become a global research hot spot, obtained greater development and progress, so fiber grating production knowledge and seeking the best method of making fiber grating of has the vital significance Key words:Optical passive components. Production method; Meaning; communication 1 全光通信的研究还处于起步阶段，许多技术难点需要克服。虽然光纤光栅不能解决全光通信中所有的技术难点，但是对光纤光栅技术和器件的研究可以解决全光通信系统中许多关键技术。因此对光纤光栅的研究可以促进全光通信网的早日实现。 作为一名光电信息工程的学生，我认为在光纤光栅这个器件上还有更多的东西值得挖掘，光纤光栅主要分为：均匀光纤光栅，均匀长周期光纤光栅，切趾光纤光栅，相移光纤光栅，取样光纤光栅。 光纤光栅是将来很长一段时间内光纤通信系统中最具实用价值的无源光器件之一，利用它可组成多种新型光电子器件，由于这些器件的优良性能使人们更加充分地利用光纤通信系统的带宽资源。但是我国在这个方面的水平与国际先进水平还有一段距离，不过只有后辈努力才能使中国在这个方向上赶上国际先进水平。更好的造福人类。 收稿日期：2015-06-xx 作者简介：XXX(19XX-), 男, 学士 XXXX000@https://www.doczj.com/doc/098968884.html,；1光纤光栅制作前期处理办法 光纤光栅是利用光纤的光敏性制作,所谓光敏性是指光纤受激后产生永久性的折射率变化的特性。光栅的制作即是利用紫外光照射光敏光纤,在纤芯形成一种周期性的折射率改变,普通商用光纤光敏特性很差,饱和折射率变化一般不超过3哈10-5,因此如果不对光纤作前期的增敏处理,很难制作出高质量的光纤光栅,目前常用下面几种方案增加光纤的光敏性。 1.1高锗掺杂 提高光纤中锗的含量可以使光纤中的锗相关缺陷浓度更高从而有效地提高光纤的光敏特性,在含锗11mo%l的光纤上可获得高达1.8哈10-3的折射率变化量[3]。但高锗含量光纤不仅需要特殊制备,而且数值孔径较大,与常规光纤熔接时会因模场匹配不好而造成额外损耗。 1.2掺硼 光纤中掺硼也可以有效提高锗硅光纤的光敏特性。Dong[4]在实验中发现掺硼后的相同锗含量光纤折变幅度比不掺杂硼时增加了4倍。同时,掺硼可以减小光纤数值孔径,允许增大锗含量。
光纤光栅传感器的应用 光纤布拉格光栅传感器的应用 1。光纤光栅传感器 的优点与传统传感器相比，光纤光栅传感器有其独特的优点:(1)传感头结构简单，体积小，重量轻，形状可变，适合嵌入大型结构中，能够测量结构内部的应力、应变和结构损伤，具有良好的稳定性和重复性； (2)与光纤自然兼容，易于与光纤连接，损耗低，光谱特性好，可靠性高； (3)不导电，对被测介质影响小，具有耐腐蚀和抗电磁干扰的特点，适合在恶劣环境下工作； (4)轻便灵活，可在一根光纤中写入多个光栅组成传感阵列，结合波分复用和时分复用系统实现分布式传感； (5)测量信息为波长编码，因此光纤光栅传感器不受光源光强波动、光纤连接和耦合损耗以及光波偏振态变化的影响，抗干扰能力强。 (6)高灵敏度和分辨率 正是因为它的许多优点。近年来，光纤光栅传感器已经广泛应用于大型土木工程结构、航空航天等领域的健康监测，以及能源和化工等领域。 光纤光栅传感器无疑是一种优秀的光纤传感器，特别是在测量应力和应变的情况下，具有其他传感器无法比拟的优势。它被认为是智能结构中最有前途的集成在材料内部的传感器，作为监测材料和结构的
载荷和检测其损伤的传感器。 2，光纤光栅的传感应用 1，在土木和水利工程中的应用 土木工程中的结构监测是光纤光栅传感器应用最活跃的领域 力学参数的测量对于桥梁、矿山、隧道、大坝、建筑物等的维护和健康监测非常重要。通过测量上述结构的应变分布，可以预测结构的局部载荷和健康状况。光纤布拉格光栅传感器可以预先附着在结构表面或嵌入结构中，同时对结构进行健康检测、冲击检测、形状控制和减振检测，监测结构的缺陷。 另外，多个光纤光栅传感器可以串联成传感网络，对结构进行准分布式检测，传感信号可以由计算机远程控制 (1)在桥梁安全监测中的应用目前，光纤光栅传感器应用最广泛的领域是桥梁安全监测 斜拉桥的斜拉索、悬索桥的主缆和吊杆、系杆拱桥的系杆是这些桥梁体系的关键受力构件，其他土木工程结构的预应力锚固系统，如用于结构加固的锚索和锚杆，也是关键受力构件上述受力构件的应力大小和分布变化最直接地反映了结构的健康状况，因此监测这些构件的应力状态并以此为基础进行安全分析和评价具有重要意义。加拿大卡尔加里附近的 199贝丁顿小道桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一(1993)。16个光纤光栅传感器连接到预应力混凝土支撑的钢筋和碳纤维复合材料钢筋上，对桥梁结构进行长期监测，这在以前被认为是不
光缆线路工程设计 摘要 当今的通信方式是以光纤通信为主，微波、卫星通信为辅的格局。也正因如此，光纤通信的发展显得越发重要。 随着国际互连网等信息技术的普及应用，加之由于经济的快速发展，人们对通信的需求更加强烈，这要求光纤通信向着大容量，高速率，远距离方向迅猛发展。光网络的发展又使得光缆的新结构不断涌现，新一代的全光网络要求光缆提供更宽的带宽、容纳更多的波长、传送更高的速率、便于安装维护、使用寿命更长等。由此光缆的种类也趋于多样化，对一些特殊环境更有特种光缆来满足特殊的要求。 随着中央政府加大对农村经济的扶持和投资，贵州黔西南州的经济得到快速发展，广大农民的富裕度得到迅速的提高，人们在生活、商贸、工作中对移动通信的需求越来越大，对通信质量要求也越来越高；因此贵州通信服务公司本着回报社会的态度，决定加大对农村的投入，扩大信号覆盖面，为百姓的经济发展服务，于是提出了安龙等村通二期工程。 光缆线路工程设计的研究表明，在同一地区的不同地段，对于光纤和路由的选取、敷设都是不同的，根据具体的现场情况和经济、建设要求做出正确的、合理的选择，是保证光纤通信系统长期、稳定、安全工作的前提。对于光缆的敷设也有各种具体的要求，同样保证光纤通信的正常工作。系统的调试开通与验收，后期的维护都是光缆工程必不可少的工作。 【关键词】：光缆线路，光纤，工程设计，概、预算
ABSTRACT Today's communication is based on optical fiber telecommunications, microwave and satellite communications supplemented pattern.For this reason, the development of optical communication is becoming more and more important. As international Internet and other information technologies widely used, And because of the rapid economic development, for the communications needs of more intense, require fiber communication toward large-capacity, high-speed, the rapid development of long-range direction. The development of optical network cable also makes the new structure will continue to emerge. The new generation of all-optical cable network requirements for wider bandwidth to accommodate more wavelengths and higher transmission rate, ease of installation and maintenance, such as longer life expectancy.This type of cable is also tending to diversify ,for some special environment more special cable to meet special requirements. Along with the central government to increase rural economic support and investment, the Guizhou Qianxinan’s economic have got rapid development, The wealth of the majority of farmers was rapidly increased, people in life, business, work on the Mobile Communication growing demand for quality communications are increasingly high requirements; Therefore Guizhou communications services company in return society's attitude and decided to increase their investment in rural areas and expand signal coverage, for the people in the economic development of services, and the second project about villages such as Anlong. Optical Cable Design Research shows that in the same area lots, and fiber routing selection, installation is different, according to the specific circumstances and the economy, the demand to make a correct and reasonable choice is the guarantee of optical fiber communications system long-term, stable, safe working premise. Cable installation for a variety of specific demands, and also assue optical fiber communications normal work.
光纤通信技术 光纤即为光导纤维的简称。光纤通信是以光波作为信息载体,以光纤作为传输媒介的一种通信方式。从原理上看,构成光纤通信的基本物质要素是光纤、光源和光检测器。光纤除了按制造工艺、材料组成以及光学特性进行分类外,在应用中,光纤常按用途进行分类,可分为通信用光纤和传感用光纤。传输介质光纤又分为通用与专用两种,而功能器件光纤则指用于完成光波的放大、整形、分频、倍频、调制以及光振荡等功能的光纤,并常以某种功能器件的形式出现。 光纤通信就是利用光导纤维传输信号，以实现信息传递的一种通信方式。光导纤维通信简称光纤通信。可以把光纤通信看成是以光导纤维为传输媒介的“有线”光通信。实际上光纤通信系统使用的不是单根的光纤，而是许多光纤聚集在一起的组成的光缆。光纤通信具有以下特点：(1)通信容量大、传输距离远。 (2)信号串扰小、保密性能好; (3)抗电磁干扰、传输质量佳。 (4)光纤尺寸小、重量轻,便于敷设和运输; (5)材料来源丰富,环境保护好，有利于节约有色金属铜。 (6)无辐射,难于窃听, (7)光缆适应性强,寿命长。 (8)质地脆，机械强度差。 (9)光纤的切断和接续需要一定的工具、设备和技术。 (10)分路、耦合不灵活。 (11)光纤光缆的弯曲半径不能过小（>20cm） (12)有供电困难问题。 就光纤通信技术本身来说，应该包括以下几个主要部分:光纤光缆技术、光交换技术传输技术、光有源器件、光无源器件以及光网络技术等。 光纤光缆技术 光纤技术的进步可以从两个方面来说明: 一是通信系统所用的光纤; 二是特种光纤。早期光纤的传输窗口只有3个，即850nm(第一窗口)、1310nm(第二窗口)以及1550nm(第三窗口)。近几年相继开发出第四窗口(L波段)、第五窗口(全波光纤)以及S波段窗口。其中特别重要的是无水峰的全波窗口。这些窗口开发成功的巨大意义就在于从1280nm到1625nm的广阔的光频范围内，都能实现低损耗、低色散传输，使传输容量几百倍、几千倍甚至上万倍的增长。这一技术成果将带来巨大的经济效益。另一方面是特种光纤的开发及其产业化，这是一个相当活跃的领域。 光复用技术 复用技术是为了提高通信线路的利用率，而采用的在同一传输线路上同时传输多路不同信号而互不干扰的技术。光复用技术种类很多，其中最为重要的是波分复用(WDM)技术和光时分复用(OTDM)技术。光波分复用(WDM)技术是在一芯光纤中同时传输多波长光信号的一项技术。其基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端将组合波长的光信号分开，并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端。波分复用当前的商业水平是273个或更多的波长，研究水平是1022个波长(能传输368亿路电话)，近期的潜在水平为几千个波长，理论极限约为15000个波长(包括光的偏振模色散复用，OPDM)。而光时分复用(OTDM)技术指利用高速光开关把多路光信号在时域里复用到一路上的技术。光时分复用(OTDM)的原理与电时分复用相同，只不过电时分复用是在电域中完成，而光时分复用是在光域中进行，即将高速的光支路数据流(例如10Gbit/s，甚至40Gbit/s)直接复用进光域，产生极高比特率的合成光数据流。
光纤通信技术的现状及发展趋势 摘要:光缆通信在我国已有20多年的使用历史,这段历史也就是光通信技术的发展史和光纤光缆的发展史。光纤通信因其具有的损耗低、传输频带宽、容量大、体积小、重量轻、抗电磁干扰、不易串音等优点,备受业内人士青睐,发展非常迅速。目前,光纤光缆已经进入了有线通信的各个领域,包括邮电通信、广播通信、电力通信、石油通信和军用通信等领域。本文主要综述我国光纤通信研究现状及其发展。 关键词:光纤通信核心网接入网光孤子通信全光网络 光纤通信的发展依赖于光纤通信技术的进步。近年来,光纤通信技术得到了长足的发展,新技术不断涌现,这大幅提高了通信能力,并使光纤通信的应用范围不断扩大。 1 我国光纤光缆发展的现状 1.1 普通光纤 普通单模光纤是最常用的一种光纤。随着光通信系统的发展,光中继距离和单一波长信道容量增大,G.652.A光纤的性能还有可能进一步优化,表现在1550rim区的低衰减系数没有得到充分的利用和光纤的最低衰减系数和零色散点不在同一区域。符合ITUTG.654规定的截止波长位移单模光纤和符合G.653规定的色散位移单模光纤实现了这样的改进。 1.2 核心网光缆 我国已在干线(包括国家干线、省内干线和区内干线)上全面采用光缆,其中多模光纤已被淘汰,全部采用单模光纤,包括G.652光纤和G.655光纤。G.653光纤虽然在我国曾经采用过,但今后不会再发展。G.654光纤因其不能很大幅度地增加光纤系统容量,它
在我国的陆地光缆中没有使用过。干线光缆中采用分立的光纤,不采用光纤带。干线光缆主要用于室外,在这些光缆中,曾经使用过 的紧套层绞式和骨架式结构,目前已停止使用。 1.3 接入网光缆 接入网中的光缆距离短,分支多,分插频繁,为了增加网的容量,通常是增加光纤芯数。特别是在市内管道中,由于管道内径有限, 在增加光纤芯数的同时增加光缆的光纤集装密度、减小光缆直径 和重量,是很重要的。接入网使用G.652普通单模光纤和G.652.C 低水峰单模光纤。低水峰单模光纤适合于密集波分复用,目前在我国已有少量的使用。 1.4 室内光缆 室内光缆往往需要同时用于话音、数据和视频信号的传输。 并目还可能用于遥测与传感器。国际电工委员会(IEC)在光缆分类中所指的室内光缆,笔者认为至少应包括局内光缆和综合布线用光缆两大部分。局用光缆布放在中心局或其他电信机房内,布放紧密有序和位置相对固定。综合布线光缆布放在用户端的室内,主要由用户使用,因此对其易损性应比局用光缆有更严格的考虑。 1.5 电力线路中的通信光缆 光纤是介电质,光缆也可作成全介质,完全无金属。这样的全 介质光缆将是电力系统最理想的通信线路。用于电力线杆路敷设 的全介质光缆有两种结构:即全介质自承式(ADSS)结构和用于架空地线上的缠绕式结构。ADSS光缆因其可以单独布放,适应范围广,在当前我国电力输电系统改造中得到了广泛的应用。国内已能生 产多种ADSS光缆满足市场需要。但在产品结构和性能方面,例如 大志数光缆结构、光缆蠕变和耐电弧性能等方面,还有待进一步完善。ADSS光缆在国内的近期需求量较大,是目前的一种热门产品。 2 光纤通信技术的发展趋势 对光纤通信而言,超高速度、超大容量和超长距离传输一直是
光纤光栅传感系统的现状及发展趋势 自1978年，加拿大的Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现光敏现象并采用驻波法制造出世界上第一根光纤光栅和1989年美国的Melt等人实现了光纤Bragg光栅（FBG）的UV激光侧面写入技术以来，光纤光栅的制造技术不断完善，人们对光纤光栅在光传感方面的研究变得更为广泛和深入。光纤光栅传感器具有一般传感器抗电磁干扰、灵敏度高、尺寸小、重量轻、成本低，适于在高温、腐蚀性等环境中使用的优点外，还具有本征自相干能力强和在一根光纤上利用复用技术实现多点复用、多参量分布式区分测量的独特优势。故光纤光栅传感器已成为当前传感器的研究热点。由光源、光纤光栅传感器和信号解调系统为主构成的光纤光栅系统如何能够在降低成本、提高测量精度、满足实时测量等方面的前提下，使各部分达到最优匹配，满足光纤光栅传感系统在现代化各个领域实用化的需要也是研究人员重点考虑的问题。 本文对光纤光栅传感系统进行了介绍，对光纤光栅系统的宽带光源进行了说明，重点分析了光纤光栅传感器的传感原理及如何区分测量技术，对信号常用的信号解调方法进行了总结，最后，提出为适应未来的需要对系统各部分的优化措施。 1 光纤光栅传感系统 光纤光栅传感系统主要由宽带光源、光纤光栅传感器、信号解调等组成。宽带光源为系统提供光能量，光纤光栅传感器利用光源的光波感应外界被测量的信息，外界被测量的信息通过信号解调系统实时地反映出来。 1．1 光源 光源性能的好坏决定着整个系统所送光信号的好坏。在光纤光栅传感中，由于传感量是对波长编码，光源必须有较宽的带宽和较强的输出功率与稳定性，以满足分布式传感系统中多点多参量测量的需要。光纤光栅传感系统常用的光源的有LED，LD和掺杂不同浓度、不同种类的稀土离子的光源。LED光源有较宽的带宽，可达到几十个纳米，有较高的可靠性，但光源的输出功率较低，且很难与单模光纤耦合。LD光源具有单色性好、相干性强、功率高的特点。但LD光谱的稳定性差（4×10-4／℃）。因此，这2种光源自身的缺点制约了它们在光传感中的应用。掺杂不同种类、不同浓度的稀土离子的光源研究最广泛的是掺铒光源。现在C波段掺铒光源已经研制成功并使用，随着光通信中对通信容量和速度的要
常见光纤光栅传感器工作原理 光纤光栅传感器的工作原理 光栅的Bragg波长λB由下式决定：λB=2nΛ （1） 式中，n为芯模有效折射率，Λ为光栅周期。当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化，通过测量物理量变化前后反射光波长的变化，就可以获得待测物理量的变化情况。如利用磁场诱导的左右旋极化波的折射率变化不同，可实现对磁场的直接测量。此外，通过特定的技术，可实现对应力和温度的分别测量，也可同时测量。通过在光栅上涂敷特定的功能材料（如压电材料），还可实现对电场等物理量的间接测量。 1、啁啾光纤光栅传感器的工作原理 上面介绍的光栅传感器系统，光栅的几何结构是均匀的，对单参数的定点测量很有效，但在需要同时测量应变和温度或者测量应变或温度沿光栅长度的分布时，就显得力不从心。一种较好的方法就是采用啁啾光纤光栅传感器。 啁啾光纤光栅由于其优异的色散补偿能力而应用在高比特远程通信系统中。与光纤Bragg光栅传感器的工作原理基本相同，在外界物理量的作用下啁啾光纤光栅除了△λB的变化外，还会引起光谱的展宽。这种传感器在应变和温度均存在的场合是非常有用的，啁啾光纤光栅由于应变的影响导致了反射信号的拓宽和峰值波长的位移，而温度的变化则由于折射率的温度依赖性（dn／dT），仅影响重心的位置。通过同时测量光谱位移和展宽，就可以同时测量应变和温度。 2、长周期光纤光栅（LPG）传感器的工作原理 长周期光纤光栅（LPG）的周期一般认为有数百微米，LPG在特定的波长上把纤芯的
光耦合进包层：λi=（n0-niclad）。Λ。式中，n0为纤芯的折射率，niclad为i阶轴对称包层模的有效折射率。光在包层中将由于包层／空气界面的损耗而迅速衰减，留下一串损耗带。一个独立的LPG可能在一个很宽的波长范围上有许多的共振，LPG共振的中心波长主要取决于芯和包层的折射率差，由应变、温度或外部折射率变化而产生的任何变化都能在共振中产生大的波长位移，通过检测△λi，就可获得外界物理量变化的信息。LPG在给定波长上的共振带的响应通常有不同的幅度，因而LPG适用于多参数传感器。 光纤光栅传感器的应用 1、在民用工程结构中的应用 民用工程的结构监测是光纤光栅传感器最活跃的领域。力学参量的测量对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和状况监测是非常重要的。通过测量上述结构的应变分布，可以预知结构局部的载荷及状况。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中，对结构同时进行冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等，以监视结构的缺陷情况。另外，多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络，对结构进行准分布式检测，可以用计算机对传感信号进行远程控制。 光纤光栅传感器可以检测的建筑结构之一为桥梁。应用时，一组光纤光栅被粘于桥梁复合筋的表面，或在梁的表面开一个小凹槽，使光栅的裸纤芯部分嵌进凹槽得以保护。如果需要更加完善的保护，则最好是在建造桥时把光栅埋进复合筋，由于需要修正温度效应引起的应变，可使用应力和温度分开的传感臂，并在每一个梁上均安装这两个臂。 两个具有相同中心波长的光纤光栅代替法布里－珀罗干涉仪的反射镜，形成全光纤法布里－珀罗干涉仪（FFH），利用低相干性使干涉的相位噪声最小化，这一方法实现了高灵敏度的动态应变测量。用FFPI结合另外两个FBG，其中一个光栅用来测应变，另一个被保护起来，免受应力影响，以测量和修正温度效应，所以FFP～FBG实现了同时测量三个量：温度、静态应变、瞬时动态应变。这种方法兼有干涉仪的相干性和光纤布拉格光栅传感器的优点。已在5mε的测量范围内，实现了小于1με的静态应变测量精度、0.1℃的温度灵敏度和小于1nε/（Hz）1/2的动态应变灵敏度。
铁路通信系统光纤通信技术论文 1光纤通信技术在铁路通信系统中的应用分析 1.1SDH光纤通信在铁路通信系统中的应用 SDH光纤通信在铁路通信系统里的使用解决了PDH光纤通信使用存在的问题，并在此基础上有所突破，让铁路通信系统更 加稳定和流畅。借助SDH设备构成的具备自愈保护作用的环网形式，能在传输媒体主要信号中断的时候自动利用自愈网及时恢复 正常的通信状态。相较于与PDH技术，SDH技术有四个显著优点：一是网络管理能力更强；二是比特率和接口标准均统一，让各个 厂家设备间的互联成为了可能；三是提出“自愈网”这一新理论，能在传输媒体主要信号中断时及时恢复正常；四是运用字节复接 技术，简化网络各个支路信号。鉴于SDH光纤通信技术有诸多优点，所以在铁路通信网发展规划里，已经明确提出了要着重发展 基于同步数字系列（SDH）基础上的传送网[2]。就以xx铁路为例，该铁路基于新敷设20芯光缆里的其中4芯光纤基础上，开设 SDH2.5Gb/s（1+1）光同步传输系统为长途传输网，在铁路的相应 经过点均设置了SDH2.5Gb/sADM设备，并借助622Mb/s光口同接 入层传输设备相连，发挥上联和保护作用。此外，还借助2芯光 纤开设了SDH622Mb/s（1+0）光同步传输系统，将其作为当地的中继网，并在铁路相应经过点以及新开设的各个中间站和线路新设 置了SDH622Mb/s设备。 1.2DWDM光纤通信在铁路通信系统中的应用 DWDM光纤通信技术是借助单模光纤宽带与损耗低的特点，由多个波长构成载波，许可各个载波信道能同时在同一条光纤里 传输，如此一来，在给定信息传输容量的情况西夏，就能降低所
光纤光栅传感技术的发展及应用 单嵩 北京工业大学应用数理学院 000612班 指导教师：王丽 摘要本文综述了当前国内外对光纤光栅传感器的研究历史和现状，论述了光纤光栅传感器的工作原理，介绍了传感器在响应压力方面的研究，并讨论了光纤光栅传感器所面临的问题。 关键词光纤，光栅，传感器 一、引言 光纤通信技术在过去二十年里有了惊人的发展，它的出现，使得全球电信网络上的传输需求以指数速率增长。而新一代光纤技术——光纤光栅将在光纤技术以及众多相关领域中引起一场新的技术革命。1978年加拿大渥太华通信研究中心的K.O.HILL等人在研究光纤非线性光学性质时偶尔地制成了最初的光纤光栅并发现掺锗石英光纤紫外光敏特性。所谓光敏性是指光纤材料在一定波长的强光照射下，其折射率会发生永久变化。而折射率沿光纤按一定规律变化就可形成各种光纤光栅。1989年G.Meltz等人首次利用244nm的紫外光采用全息干涉的方法制作了侧面写入的光纤光栅，使得制作各种波长的光纤光栅成为可能。光纤光栅作为一种全光器件，其主要优点是低损耗、易于与其他光纤耦合、偏振不敏感，温度系数低、容易封装。根据光纤周期的不同，光纤光栅可以被分为短周期光纤光栅（FBG）和长周期光纤光栅（LPFG）。短周期光栅又称为Bragg光栅，它的周期尺寸可以与工作波长相比拟，一般约为0.5μm 。Bragg光栅可以有很多种应用，从滤波器、光分插复用器到色散补偿器。长周期光栅又称为传输光栅，它的周期要比工作波长大得多，从几百微米直到几个豪米。长周期光纤光栅的工作原理与Bragg光栅有所不同。在光纤Bragg光栅中，对于适当的波长，纤芯中前向传播模式的能量会被耦合进入后向传播模式中。而在长周期光栅中，纤芯中前向传播模式的能量将会被耦合到包层中前向传播的其它模式中。这些包层中的模式都是极高损耗的，随着它们沿光纤的传播，其能量迅速衰减。目前长周期光栅主要被用作滤波器及在掺铒光纤放大器中补偿不平坦的增益谱。 目前，围绕光纤光栅技术的研究主要分为二个方向: 一是光纤光栅致光机理和写入成栅技术的研究；二是关于光纤光栅应用技术的研究，由于光纤光栅本质上是一个带阻滤波器，因此在光纤通信和光纤传感方面应用广泛。光纤传感是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有一系列独特的优点。光波不产生电磁干扰，也不怕电磁干扰，易被各种光探测器接受，可方便地进行光电或电光转换。光纤工作频带宽，动态范围大，是一种优良的低损耗传输线和优良的敏感元件。因此，光纤传感技术一问世就受到极大重视，成为传感技术的先导，在某些重要领域，如惯性导航、军用告警、智能材料结构、测试与控制、机器人及信息处理等方面得到了广泛的应用。 二、光纤光栅传感技术原理 1、光纤Bragg 光栅的应变响应机理