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/313133846.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。
这种方法最大的优点在于突破了纵向驻波法对光纤光栅中心反射波长的限制,使人们可以更充分地利用最感兴趣的波段。在实验中只要适当调整两个点光源的相对位置和相干波前的曲率半径,就可获得所需周期分布、带宽、反射中心波长的光纤光栅。
1.3刷火
从提高光纤氧缺陷的角度出发,Bilodeau[4]等人利用高达1700哈的氢氧火焰对光纤进行了加热处理,处理后242nm 附近的GeO 相关吸收明显提高,用相应波长的UV 光照射后,在普通光纤上获得了大于10-3量级的折射率变化量。这种光纤增敏机制被称作为刷火。
1.4载氢
贝尔实验室的Lemaire 和Atkins 提出,高压低温条件下向光纤内扩散氢可以在不增加光纤损耗的前提下大大提高光纤的光敏特性。这种方法不仅简单易行,而且可以在任何锗含量的光纤上得到极高的光敏性。目前利用该方法在普通光纤上很容易获得大于0.01的折射率变化量,可以将折射率差提高10~50倍,超过了光纤包层与纤芯的折射率差。
2 主流的光纤光栅的制作方法
2.1内部写入法
将波长488nm 的基模氩离子激光从一个端面耦合到掺杂光纤中,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,其折射率随着光强发生相应的变化,形成与干涉周期相同的光纤光栅,从而起到了布拉格反射器的作用。K.O.Hill 等人用这种方法制成了第一个光纤光栅[4]。由于此方法对要写入光栅的光纤要求很高,而且只能够制作布拉格波长与写入波长相同的光栅,制作出的光栅特性不好。
2.2全息曝光法
侧面全息曝光法是最早用于横向写入制作光纤光栅的一种方法,入射紫外光经分光镜分成两束,经全反射后相交于光纤上,产生干涉场,形成正弦分布明暗相间的干涉条纹。光纤经过一定时间的照射,在纤芯内部引起和干涉条纹相同分布的折射率变化,从而在光纤上写入正弦分布的立体光栅。干涉条纹间距由两束光的夹角决定:d=K/(2sinH)。式中入为照射光波长;H 为两束光夹角的一半。通过调整H 可以得到任意的条纹间距。显然,纤芯上光栅的周期K 即为d 。这种方法最大的优点在于:(1)它行之有效、操作简单;(2)采用改变两光束的夹角或旋转光纤放置位置的方法都可以方便地改变反射光的波长;(3)如果将光纤以一定的弧度放置于相干场,又可以很容易得到啁啾光纤光栅。但这种方法亦存在很大的缺 点:(1)全息相干对光源的空间相干性和时间相干性
都有很高的要求;(2)欲得到准确的布拉格中心反射波长,对光路的调整有着极高的精度要求,稍有偏差,中心波长就会有很大的偏离;(3)全息相干法要有一定的曝光时间,这就要求在曝光时间内光路保持良好的防震,以避免波长量级的扰动造成光路错位,恶化相干效果。
2.3相位掩膜法
相位掩模写入法是现在最有前途、使用最广泛的一种方法。周期分布的准分子激光条纹对光敏光纤曝光,可以在光纤纤芯中诱发周期折射率调制,形成光纤光栅。用准分子激光光源照射掩膜,可以形成近场条纹分布。相位模板是一块在高纯度石英基片上刻制的相位光栅,其基本原理是由+1级和-1级衍射光束之间的干涉在掩模板的后面形成周期为掩模光栅周期一半的近场光强度分布,或者斜入射时利用0级与-1级衍射光束之间的干涉在掩模版的后面形成周期与掩模光栅周期相同的近场光强度分布,从而在位于其后的光纤芯区引起周期性的折射率。相位掩模法的优点是对光源的相干性要求不高,重复性好,光学系统简单,可靠性高等,并且易得到准确的光纤光栅周期,因此被光纤光栅研究者们广泛采用并得到了很大的发展。但欲得到高质量的相位光栅必须严格控制相位光栅的刻蚀深度和占空比,否则很难达到预期的目的,而这一点正是这种方法的关键所在。
图1相位掩模版制作光纤光栅示意图
2.4逐点写入法
逐点写入法是利用聚焦激光束在光纤上移动曝光形成光栅的方法,它一般利用光纤固定光斑逐点运动或光斑固定光纤逐点运动,从而在光纤内写入光栅[7]。此法要求带动光纤的微电机每一步的步距等于所需要光栅的栅距,对于1550nm 的布拉格反射波长,步距应为0.53Lm,这样小的步距对电机的精度和传动机构的精度要求都非常苛刻。由于很难将紫外光斑聚焦到1Lm 以下,因此这种技术目前也只能用来制作高阶光栅或长周期光栅。这种方法的优点是灵活性高,周期容易控制,可以制作变迹光栅,并且非常适合制作长周期光纤光栅,另外对光源的相干性也没有要求;缺点是需要复杂的聚焦光学系统和精确的位移移动技术。随着各种聚焦系统的研制和精密移动平台的研究,逐点写入法正在越来越多地被采用。
图2逐点写入法制作光纤光栅示意图
2.5全息相干法
全息相干法也称非相似波前法,是一种方便灵活的制备方法,其原理是:位于同一平面不同点的两个点光源,在菲涅尔近似下相干形成干涉条纹,这些干涉条纹映射到光敏光纤上形成光纤光栅。图1所示即为利用紫外光全息相干法制作光纤光栅原理图。两个具有相同光程的相干光束在光纤平台上实现了干涉条纹,在光纤纤芯内引起与干涉条纹相同分布的折射率变化。
这种方法最大的优点在于突破了纵向驻波法对光纤光栅中心反射波长的限制,使人们可以更充分地利用最感兴趣的波段。在实验中只要适当调整两个点光源的相对位置和相干波前的曲率半径,就可获得所需周期分布、带宽、反射中心波长的光纤光栅。但这种方法亦存在很大的缺点,给制作带来了诸多问题。首先,全息相干对光源的空间相干性和时间相干性都有很高要求,而且对周围环境要求严格(如振动会对实验效果产生不良影响);其次,欲得到准确的光纤光栅中心反射波长,对光路的调整有着极高的精度要求。哈稍有偏差,中心波长就会有很大的偏离。
图3哈全息相干法制作光纤光栅
2.6光束干涉法
光束干涉法制作光纤光栅是人们较早采用的一种工艺。它首先通过分束器将光源分成两束等强度的光束,经过相同光程照射在光纤上,形成强度周期变化的干涉条纹,光纤折射率随光强发生周期性的变化便形成了均匀周期光纤光栅。光栅的周期决定于紫外光的波长和两束光纤间的夹角θ,利用这种方法也可以制成啁啾光栅。2.7紫外激光双光束干涉法
利用紫外脉冲相干写入变迹光栅[12]是一种最新的变迹写入技术。反射镜可沿x轴方向移动扫描相位掩模板,光纤置于相位掩模板处。相位掩模板用作分光器,将入射紫外光束分成腐蚀光纤法±1级衍射光,两衍射紫外光束在镜M1、M2上反射。当紫外光从掩模板右端入射时,干涉图形就会在光纤左端产生干涉,反之亦然。当紫外光束入射到相位掩模板的中心时,两反向传播的光束的光程差为0;而当紫外光向掩模板边缘移动时光程差会线性增加。假设脉冲是高斯脉冲,沿光栅方向两脉冲进行卷积就会产生高斯变迹函数,而且平均折射率的变化沿变迹光栅方向是均匀的。这种方法写入的光栅的变迹图样和光栅长度是固定的。但是由于这种方法写入光栅具有稳定性、可以提供灵活的布拉格波长选择性,而且对均匀相位掩模板进行单次曝光即可以制成变迹的布拉格光栅等优点,所以还是较好的方法。
3 试验分析
3.1光栅制作试验
我们选用上述光纤光栅制作前期处理方法中的氢载方法和掩模版光纤光栅制作方法进行了单模光纤光栅的制作研究。实验采用Corning公司的HI980光纤,在写入光栅之前预先将对光不敏感HI980光纤进行增敏处理,即将光纤进行低温高压氢载处理,将光纤放入掺氢气罐中,在大约100atm(1atm=101325Pa)和20条件下使氢气扩散两个月左右,氢离子向光纤中扩散,以增加光纤的光敏性,形成光敏光纤。所选用的相位掩模板周期为743.5nm的均匀周期相位掩模板,该相位掩模版对应的Bragg反射波长为1080nm左右。实验装置如图4所示,实验使用的紫外光源为Lumonics公司的PM886氟化氪(KrF)准分子激光器,工作波长为248nm,脉冲输出能量为380mJ,其最高输出能量可达到400mJ以上。其高压触发范围28.0~39.0kV,触发频率0~50Hz,脉宽为20ns,最高重复频率为100Hz,光斑面积3015nm,输出Gauss光束,具有一定的切趾效果。我们使用了一个光纤耦合器连接宽带光源、光敏光纤和光谱分析仪,以便在刻制光栅的同时观测光栅的反射谱。实验中使用的光谱分析仪为ANDO公司生产的AQ6317B光谱分析仪。氟化氪(KrF)准分子紫外激光输出经柱面透镜聚焦到相位模板上,而增敏后的光纤紧贴置于模板下方。在紫外光曝光过程中用光谱分析仪在线监测光纤布拉格光栅的反射谱。通过反复的实验,摸索和D施加初始频移的同时,对B和C也施加初始频移,也许可以进一步提高传输距离。数值模拟证明,该方法是行得通的。需要注意的是,孤子A和D的频移量需比孤子B和C大。该方法还可进一步延伸到孤子串长度更长的情况,根据孤子与孤子串中点的距离
进行初始频移,频移的量由内层到外层依次增大。 本文应用分步傅里叶方法,对基于初始载波频移抑制孤子互作用的方法进行了数值模拟,结果表明初始频移可以延长孤子的传输距离。为了使该方法的效果最佳,选择合适的频移量很重要。频移量不宜太小,否则对传输距离的提高不够。频移量的选择也不宜太大,需要考虑以下两个方面:(1)系统对孤子偏离初始位置的容忍能力;(2)对孤子串最外侧孤子施加初始频移后,孤子间排斥的强度和孤子本身相互吸引叠加的结果。此外,如果孤子串的长度不小于4时,内层孤子的相互作用不可忽略,作为对该方法的改进,以对孤子串中的孤子按由内层到外层依次增大的原则施加不同的初始频移,以进一步提高传输距离。
3.2光栅栅距测定
序号
1 2 3 4
L(mm) 134 194 264 294
S(mm) 5 8 10 11
D(μm) 17432.1 15775.9 17172.3 17384.9
4 计算公式
当光栅周期的温度或应力发生变化时，将导致光栅栅距周期及纤芯折射率的变化，从而使光纤光栅中心波长发生移动，通过检测波长移动的情况，即可获得待测温度、力的变化情况。ΔλB=2ΛΔneff+2neffΔΛ。Neff 是光纤芯区的有效折射率Λ为光栅的栅距。
Λ
=eff B n 2λ
式中 为Bragg 波长（即光栅的反射波长）,为
光栅周期， 为光纤材料的有效折射率。如果光纤光栅的长度为L ,由耦合波方程可以计算出反射率R
为
：
()sL
sL s sL A A R i r 2222
2*2
sinh )2/(cosh sinh )0(0βκκ?+==
5 结 论
本文介绍了光纤的增敏措施、光纤光栅制作方法以及光纤光栅制作的后工艺等,分析了各种制作方法的优缺点,并通过实验成功制作出了单模光纤光栅,实验结果非常好,光栅反射率达到了99.96%,带宽为0.1nm 。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。
本文应用分步傅里叶方法,对基于初始载波频移抑制孤子互作用的方法进行了数值模拟,结果表明初始频移可以延长孤子的传输距离。为了使该方法的效果最佳,选择合适的频移量很重要。频移量不宜太小,否则对传输距离的提高不够。频移量的选择也不宜太大,需要考虑以下两个方面:(1)系统对孤子偏离初始位置的容忍能力;(2)对孤子串最外侧孤子施加初始频移后,孤子间排斥的强度和孤子本身相互吸引叠加的结果。此外,如果孤子串的长度不小于4时,内层孤子的相互作用不可忽略,作为对该方法的改进,以对孤子串中的孤子按由内层到外层依次增大的原则施加不同的初始频移,以进一步提高传输距离。紫外激光脉冲能量、脉冲频率与光栅刻制时间关系,获得了最佳的配置比例关系。发现当激光脉冲能量为300mJ 、频率8Hz 时,180s 的光栅刻制时间最为适宜,实验最后得到的光纤光栅的透射谱如图5所示,光栅反射率已达到99.96%,带宽0.1nm,心波长为1083.2nm 。
光纤光栅在光纤通信、光纤传感及光纤光学等领域内具有重大的现实和潜在的应用价值,因此受到了人们的广泛关注和高度重视。光纤光栅是在纤芯本身上刻录的,与光纤连成一体高度融合,不占任何额外体积,无任何插入损耗,不怕任何振动和杂物的侵入,从根本上解决了震动、灰尘和潮湿等引起的一系列光路需调节的烦琐问题。人们普遍认为,光纤光栅的出现及其逐步走向实用化将促使光纤通信、光纤传感、光信息处理以及光纤光学的整个光纤领域发生革命性的变化。
参考文献:
[1]K.O.Hill ：《Photorefrantive fiber devices and application 》，Ottawa ，University of Ottawa Press ，2006：paper CWK1.241
[2]高雪松：《互联网信息处理系统解决方案》，上海，中国科学技术协，2005：56-57
[3]范滇元：《激光与光电子学发展》，北京，中国激光
杂志社，2011：12-17
[4]赵鑫：《Journal of Optoelectronics Laser》，南京，科学出版社，2010：31-33
[5]赵旭东：《应用激光》，上海，上海市激光研究所，2011：3-6 [6]陈才和:《光纤通信》, 北京, 电子工业出版社, 2004：49-52
[6]LIUSY,TAMHY,DEMOKANMS.Effectivefabricationof long-periodgratingfabrication[J].ElectronLett,1999,35(1):79-81.
[7]LIUSY,MANWS,TAMHY,etal.Long-periodgratingsfabr icationusingplano-convexmicrolensar-ray[J].IEICETransElectro n,2000,E83-C(3):444-447.
[8]HWANGIK,YUNSH,KIMBY.Long-periodfibergratings basedonperiodicmicrobends[J].Op-ticLett,1999,24(18):1263-12 65.
[9]SA VINS,DIGONNETMJ,etal.Tunableme-chanicallyind ucedlong-periodfibergrating[J].Op-ticLett,2000,25(10):710-712
[10]贾宏志,李育林,忽满利.光纤光栅的制作方法[J].激光技术,2001,25(1):23-26.
[11]?苑立波,FarhadAnsar.i光纤光栅原理与应用光纤光栅制作方法[J].光通信技术,2008,22(4):312-319.
[12]?EFertein,SLegoubin,MDouayS,eta.lShiftsinreso-nan cewavelengthsofBragggratingsduringwritingorbleachingexperi mentsbyUVilluminationwithinger-manosilicateopticalfibre[J].El ectron.Lett.,2009(27):1838.
[13]DLWilliams,BJAinslie,JRArmitage,eta.lEnhancedUVp hotosensitivityinboroncodopedgermanosilicatef-ibres[J].Electro n.Lett.,1993(29):45.[5]?BMalo,JAlbert,KOHil,leta.lEffectivein dexdriftfrommolecularhydrogendiffusioninhydrogen-loadedop-t icalfibrresanditseffectonBragggratingfabrication[J].Electronics Letters,2005(30):442.
[14]?赵浩,丁浩,刘斌,等.载氢光纤光致折变布拉格光栅[J].光报,2000,16(4):575-576.
[15]?MeltzG,MoreyM,GlennWH.FormationofBragggra-ti ngsinopticalfiltersbyatransverseholographicmethod[J].OptLett,1 989(14):823-825.
[16]BennionJAR,Williams,LZhang,eta.lUV-writtenin-f-ibe rBragggratings[J].OpticalandQuantumElectronics,2009,28(2):9 3-135.
[17]GovindPAgrawa.l非线性光纤光学原理及应用[M].贾东方,余震虹,等译.北京:电子工业出版社,2002:282-316.
[18]宁提纲,文冀萍,赵玉成,等.光纤光栅写入技术的最新进展[J].光通信技术,1999,23(4):282-287.
[19]CHENVC,LINGH.Jointtime-frequencyanalysisforrada rsignalandimageprocessing[J].IEEESig-nalProcessingMagazine ,2007,Mar:81-93.
[20]OZDEMIRC,LINGH.Jointtime-frequencyinter-pretati onofscatteringphenomenologyindielectric-coatedwires[J].IEEE TransactionsonAntennasandPropagation,2003,45(8):1259-1264.
[21]闫润卿,李英惠.微波技术基础[M].北京:北京理工大学出版社,2004.
[22]KONDOY,NOUCHIK,MITSUYUT,etal.Fab-ricationo flong-periodfibergratingsbyfocusedirra-diationofinfraredfemtos econdlaserpulses[J].Op-ticsLett,2008,24(10):646-648.
[23]FUJIMAKIM,OHKIY,BREBNERJL,etal.Fabricationo flong-periodopticalfibergratingsbyuseofionimplantation[J].Opti cLett,2000,25
[24]LIUSY,TAMHY,DUWC.Effectivefabricationoflong-pe riodgratingsbytheuseofmicro-lensarray
[25].The1998InternationalConferenceonApplica-tionsofPh otonicTechnology[C].Ottawa,2006.T266:79-81.
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
光纤光栅传感器及其在土木工程中的发 展应用 摘要：介绍了光纤光栅的传感技术及其封装方式，特别是采用FRP筋嵌入式封装光纤光栅传感器(OFBG)制成的FRPOFBG筋，并对光纤光栅传感器在土木工程监测中的发展应用进行综述，以期促进该技术的推广普及。 关键词：光纤光栅，嵌入式封装，土木工程监测 0、引言
新发展起来的光纤光栅传感技术可通过反射中心波长的变化测量由外界引起的温度、应力应变变化，具有线性程度高、重复性好等优点，可对结构的应力、应变高精度地进行绝对、准分布式数字测量，比较适合结构的健康监测。光纤光栅传感器除了有光纤传感器具有的质量轻、体积小、灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、可分布或者准分布式测量、使用期限内维护费用低等优点外，还具有以下一些独特优点J：如测量精度高，抗干扰能力强，可在同一根光纤上制作多个光栅实现分布式测量，测量范围大，稳定性、重复性好，非传导性材料，耐腐蚀、抗电磁干扰等特点，适合运用于恶劣环境中，避免了干涉型光纤传感器相位测量模糊不清等问题。 光纤光栅传感器由于自身的优点在土木工程界得到很大的应用和发展。本文先介绍光纤光栅传感技术及其封装方式，并主要阐述光纤光栅传感器在土木工程领域的一些发展应用情况。 1、光纤光栅的传感技术特点及其封装 1.1 光纤光栅的传感技术特点光纤光栅就是一段光纤，其纤芯中具有折射率周期性变化的结构。光纤光栅传感器的基本原理为：光纤光栅可将入射光中某一特定波长的光部分或全部反射。 1.2 光纤光栅的封装
1)基片式封装。将光纤光栅装在刻有小槽的基片上，通过基片将被测结构的应变传到光栅上，封装结构主要由金属薄片(或树脂薄片)、胶粘剂、护套、尾纤、传输光缆组成。基片式封装包括金属基片封装和树脂基片封装，金属基片有钢片、钛合金片等。 这种传感器结构简单，易于安装，但容易产生应变传递损耗，使得测量精度有所降低。 2)金属管式封装。管式封装应变传感器主要由封装管、光纤光栅、传输光缆、尾纤、胶粘剂组成。该封装工艺具有加工方便、产品率高、成本低廉等优点，可以满足工业化大批量生产需要。 3)夹持式封装。主要思想是在钢管封装的光纤光栅传感器的两端安装夹持构件，待测结构的应变通过夹持构件传递给光纤光栅，其标距长度可根据实际需要改变。此种传感器具有布设简单、可拆换、耐久性好、布线方便等优点，可作为桥梁、建筑等土木工程结构施工、竣工试验和运营监测的表面传感器。 4)嵌人式封装。这里特别介绍FRP-OFBG智能复合筋。FRP筋是采用连续纤维通过拉挤工艺和合成树脂基按照一定的比例胶合而成的一种纤维增强塑料筋，在其制备过程中放人光纤光栅，便可得到FRP-OFBG智能复合筋。该复合筋目前研究得比较多，它保留了FRP良好的力学等性能，又具备光纤光栅的传感特性，而且大大提高了光纤光栅的应变测量量程，是光栅传感器较好的一
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/313133846.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。
高等光学论文 光纤光栅的理论基础研究 光纤光栅的理论基础研究 光纤由于具有损耗低、带宽大、不受电磁干扰和对许多物理量具有敏感性等优点，已成为现代通信网络中的重要传输媒介和传感领域的重要器件。光纤传感以其灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、可弯曲、体积小、可埋入工程材料及进行分布式测量等优点受到了广泛重视。 光纤光栅是近十多年来得到迅速发展的一种光纤器件，其应用是随着写入技术的不断改进而发展起来的。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。 第一部分光纤光栅的简介 1 光纤光栅的发展 1978年，加拿大通信研究中心的Hill等发现纤芯掺锗的光纤具有光敏性，并利用驻波干涉法制成了世界上第一根光纤光栅[1]。 1989年，美国东哈特福联合技术研究中心的Meltz等利用244nm的紫外光双光束全息曝光法成功地制成了光纤光栅[2]，用两束相干光相遇时所产生的干涉条纹使光敏光纤曝光，形成折射率的周期性永久改变，从而制成光栅。这种光栅已达到实用阶段。但这种方法有其缺点：一是对光源的相干性要求较高；二是对系统的稳定性要求高。 1993年，贝尔实验室的Lemaire等用光纤载氢技术增强了光纤的光敏性[3]，这种方法适用于任何掺锗的光纤。通过光纤的载氢能够将在不增加掺锗浓度的情况下，使光纤的光敏性大大提高。1993年，又提出了制作光纤Bragg光栅的相位掩模法[4,5]，是到目前为止最为实用化的一种方法，仍被普遍采用，但这种方法的主要缺点是制作掩模版，一种掩模版只对应一种波段的光纤光栅。 1996年，出现了长周期光纤光栅[6～8]，这种光栅的周期较长，可以在数十微米到几百微米之间。光纤Bragg光栅具有选择性反射作用，是将前向传输的纤芯模耦合到后向传输的纤芯模中去，而长周期光纤光栅则是将纤芯模耦合到包层模，而包层模在传播不远后会损耗掉，从而在透射光中形成损耗峰。 2 光纤光栅的类型 根据周期的长短，通常把周期小于1μm的光纤光栅称为短周期光纤光栅，又称为光纤Bragg光栅或反射光栅，Bragg光栅的特点是传输方向相反的纤芯模式之间发生耦合，属于反射型带通滤波器；而把周期为几十至几百μm的光纤光栅称为长周期光纤光栅，又称为透射光栅，长周期光纤光栅的特点是同向传输的纤芯基模和包层模之间的耦合，无后向反射，属于透射型带阻滤波。 光纤光栅按波导类型可分为均匀光栅和非均匀光栅。均匀光纤光栅的特点是光栅的周期和折射率调制的大小均为常数，这是最常见的一种光纤光栅，其反射谱具有对称的边模振荡，但是其边模振荡较大，在通信中容易引起码间串扰，而最典型的均匀光栅为均匀光纤Bragg光栅。而非均匀周期光纤光栅的特点是光栅的周期或
?8?铁路匸程技术与经济2019年1月基于光纤光栅技术进行?尖轨密贝占监测可彳亍4生研究 王洪涛程伟鹫S高俊启-姚红兴J贾强S江向阳"，郑之良5 (1.安徽省综合交通研究院股份有限公司，安徽合肥230001；2.合安高铁股份有限公司， 安徽合肥，230001；3.南京航空航天大学土木工程系，江苏南京210016； 4.安徽庐铜铁路有限公司，安徽合肥230001； 5.安徽省铁路投资有限责任公司， 安徽合肥20001) 摘要：道岔尖轨密贴间隙的变化关系到行车安全，需要定时检测和严格控制。为解决目前道岔尖轨、心轨等密贴间隙测量困难的问题，此文引入光纤光栅技术，采用光纤光栅密贴计进行道岔尖轨密贴度的检测。介绍了安装方法，并通过现场试验，分析其灵敏度和测量误差。结果表明，现场测试的灵敏度与厂家提供的灵敏度相差8.5%,相差较小；最大测量误差为0.15mm,比标准要求的0.5mm小，符合测量要求。表明使用光纤光栅密贴检测计进行密贴度测量是可行的。 关键词:道岔尖轨；光纤光栅技术；密贴计；测量 中图分类号:U270.11文献标识码：A文章编号：1007-9890(2019)01-0008-04 Feasibility Study of Switch Rail Closely Connect Monitoring Based on Fiber Bragg Grating Technology Abstract:The change of closely connect clearance of switch rail is related to traffic safety,which requires regular detection and strict control.In order to solve the problem of the closely connect clearance measurement of switch rail and frog,the closely connect gauge based on fiber bragg grating technology is used to detect the switch rail closely connect.The installation method is introduced,and its sensitivity and measure?ment error are analyzed through field test.The results show that the sensitivity of field test is8.5%dif-ferent from that provided by manufacturer,and the maximum measurement error is0.15mm,which is smaller than0.5mm required by standard.It shows that it is feasible to use closely connect gauge to measure the closely connect clearance. Key Words：Switch rail；Fiber bragg grating technology；Closely connect gauge,Measurement o引言 随着铁路和城市轨道交通建设的发展，对运输的安全要求越来越高。受环境温度变化的影响和列车通过道岔时的冲击作用，道岔尖轨静态位置和动态时的位移量,特别是“密贴”间隙的变化关系到行车安全，需要定时检测和严格控制。 根据目前对这方面的研究状况，道岔尖轨、心轨等密贴间隙测量困难，精度较差，为解决这一问题,本文在检测密贴间隙试验中引入光纤光栅技术，采用光纤光栅密贴计进行密贴度数据测量。李维来等人⑵采用光纤光栅传感技术对钢轨进行了检测，得出的监测结果与手测值以及理论计算值相吻合,证明了光纤光栅技术在轨道领域应用的可行性。徐玉胜⑶通过光纤传感技术对广深港客运专线莲花湖桥隧试验段进行了监测，得出的光栅传感器监测精度高，可对钢轨进行实时动态监测,能够及时监测到这些参数的微小变化。张政⑷采用光纤光栅传感技术对轨道结构服役状态进行了实时在线监测，总结了已实施的光纤光栅传感监测项目经验,对实施过程中存在的问题给出了相应改进措施。以上几位学者所研究的都是光纤光栅技术在轨道领域的应用实例，证明了光纤光栅技术在轨道领域应用的优越性,但并没有将光
光纤振动传感技术综述 摘要：随着设备朝着大型化、高速化的发展，振动引起的问题更为突出，需要 解决的问题更为迫切，也对振动测试与振动分析技术的研究提出了越来越高的要求。用光纤振动传感器取代常规的振动传感器，尤其是在一些具有强电磁干扰等 环境恶劣的特殊场合，己成为发展的趋势，不同类型、不同原理的光纤振动传感 技术对于振动检测领域的发展有着非常重要的现实意义。本文对光纤振动传感技 术的全球专利申请脉络进行了详细梳理，并通过专利数据统计分析，认识了光纤 振动传感技术的专利申请状况、研究热点以及核心技术的发展，为光纤振动传感 技术的后续审查工作打下了坚实的基础。 关键词：光纤；光栅；振动；传感；解调；分布式 一、引言 振动问题是近代物理学和科学技术众多领域中的重要课题。目前比较成熟的 振动加速度传感器主要为动圈式、压电式、涡流式和微机电系统等电类传感器， 上述类型的传感器都存在易受电磁干扰的问题，应用受到一定的限制。由于光纤 不仅可以作为光波的传输介质，而且光波在光纤中传播的特征参量（振幅、相位、偏振态、波长等）会因外界因素（如温度、压力、磁场等）的作用而发生变化。 用光纤振动传感器取代常规的振动传感器，尤其是在一些具有强电磁干扰等环境 恶劣的特殊场合，己成为发展的趋势。本文旨在通过梳理光纤振动传感技术的全 球专利申请，通过专利数据统计分析，认识了解光纤振动传感技术的专利申请状况、研究热点以及核心技术的发展，为光纤振动传感技术的审查工作打下一定的 基础。 二、专利分析 本文在中国专利文摘数据库（CNABS）和世界专利文摘库（SIPOABS）中，筛 选从1969年6月25日至2017年12月22日申请的国内外专利申请。将从以下 三个方面对光纤振动传感技术的专利进行分析： （1）专利申请发展趋势状况分析 全球范围内关于光纤振动传感技术的专利申请共计1268项，其中向中国专利局提交的国内申请为857项。图1示出了光纤振动传感技术的全球、国内和国外 的专利申请量的发展趋势，从图中可以清楚地看到：光纤传感技术发展中经历了 主要三个阶段，即：1980年以前，光纤传感技术的研究主要停留在理论阶段，以强度调制型光纤传感器的研究为主；从1980年后，开始大规模研究光纤传感技术，出现了大量不同的光纤传感原理和光纤检测技术；进入2000后，各种技术 和器件的研究已基本成熟，光纤传感器开始进入了商业化的进程，光纤传感进入 实用阶段。 图1.专利申请量的发展趋势 对于国外申请而言，尽管他们对于光纤振动传感技术的研究起步很早，但是 总体来看其发展一直呈现较为平稳状态，起伏不大；对于国内申请而言，呈现出 的趋势与国外申请有很大的不同，尽管国内的第一件申请出现的时间较晚，但是 后期发展势头尤为迅猛。 （2）专利申请地域分布状况分析 图2示出了光纤振动传感技术专利申请的国别/地区分布情况，显而易见，中 国是该领域最大的申请来源国；日本是该领域的第二大申请来源国，剩余的部分
光纤光栅的发展状况 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。
现代传感器论文 题目：光纤传感器综述 姓名：张艳婷 学院：物理与机电工程学院 系：机电系 专业：精密仪器与机械 年级：2013级 学号：19920131152905 指导教师：吴德会老师 2014 年2月18日
光纤传感器综述 [摘要] 光纤传感器是一种有广泛应用前景的新型传感器。本文对光纤传感器的原理、特点、分类和发展历程进行了详细综述，介绍了光纤温度传感器、光纤陀螺仪这两种典型光纤传感器的应用，指出了这类光纤传感器在应用过程中存在的问题，并提出光纤传感器今后的发展趋势, 为光纤传感器的深入研究提供了有益参考。 [关键词]：光纤传感器原理特点发展历程发展趋势 一、引言 传感器在当代科技领域及实际应用中占有十分重要的地位，各种类型的传感器早已广泛应用于各个学科领域。近年来，传感器朝着灵敏、精巧、适应性强、智能化和网络化方向发展。光纤传感技术是20世纪70年代末新兴的一项技术［1］，在全世界成了研究热门，已与光纤通信并驾齐驱。光纤传感器作为传感器家族的一名新成员，由于其优越的性能而备受青睐，其具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、防腐蚀、灵敏度高、测量带宽、检测电子设备与传感器可以间隔很远等优点，优良的性能使得光纤传感器具有广泛的应用前景。本文从光纤传感器的基本原理及特点、光纤传感器的发展历程、光纤传感器的分类及应用原理、光纤传感器的应用及存在问题以及光纤传感器的发展趋势五大方面对光纤传感器进行介绍。 二、光纤传感器的基本原理及特点 光纤( Optical Fiber) 是光导纤维的简称，光纤的主要成份为二氧化硅，由折射较高的纤芯、折射率较低的包层及保护层组成。纤芯为直径大约0.1 mm 左右的细玻璃丝，把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波结构。光纤传感器的发现起源于探测光纤外部扰动的实践，在实践中，人们发现当光纤受到外界环境的变化时，会引起光纤内部传输光波参数的变化，而这些变化与外界因素成一定规律，由此发展出光纤传感技术。
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
光纤光栅及其技术应用研究 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 Fiber Grating and Its Application Research Abstract: analysis of the basic principle of fiber grating demodulation method and the common demodulation of the working mechanism, performance and characteristics,From the optical fiber sensing Technology, introduces the advantages of optical fiber grating sensors the advantages of intelligent structure,For wavelength demodulation methods such as matching demodulation method, the tunable laser method, interfering method, filtering method to do a detailed discussion,Expounds the corresponding system design scheme, and the advantages and disadvantages of each method are analyzed and discussed.Put forward in practical application fiber grating sensors in the
光纤光栅与结构集成工艺原理方法及国内外研究现状概述 概述 光纤传感器种类繁多，能以高分辨率测量许多物理参数，与传统的机电类传感器相比具有很多优势，如：本质防爆、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、体积小、重量轻、灵活方便等，因此其应用范围非常广泛，并且特别适于恶劣环境中的应用。但是因为裸光纤纤细、质脆、尤其是剪切能力差，直接将光纤光栅作为传感器在工程中遇到了铺设工艺上的难题。因此，对裸FBG 进行封装，是将FBG 传感器在实际应用中推广的一个重要环节，对于研制满足航空航天领域需要的体积小、质量轻FBG 传感器具有重要意义。 一、光纤光栅工作原理 光纤光栅的最基本原理是相位匹配条件： β1、β2是正、反向传输常数，Λ是光纤光栅的周期，在写入光栅的过程中确定下来。当一束宽谱带光波在光栅中传输时，入射光在相应的频率上被反射回来，其余的不受影响从光栅的另外一端透射出来。光纤光栅起到了光波选频的作用，反射的条件称为布拉格条件。由光纤光栅相位匹配条件得到反射中心波长（布拉格波长）表达式： 二、光纤光栅的写入 2.1 短周期光纤光栅的写制 内部写入法(又称驻波法) 将波长488nm 的基模氢离子激光从一个端面祸合到锗掺杂光纤中，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。此方法是早期使用的，该方法要求 122πββ-=Λ Λ =n B 2λ
锗含量很高，芯径很小，并且只能够制作布拉格波长与写入波长相同的光纤光栅，因此目前很少被采用。 全息成删法(又称外侧写入法) 1989年，Meltz等人首次用此方法制作了横向侧面曝光的光纤光栅。用两束相干紫外光束在掺锗光纤的侧面相干，形成干涉图，利用光纤材料的光敏性形成光纤光栅。写制设备装置如图2.1所示。通过改变入射光波长或两相干光束之间的夹角，可以得到不同栅格周期的光纤光栅。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。该方法采用多脉冲曝光技术，光栅性质可以精确控制，但是容易受震动或温度的影响，目前这种方法使用也不多。 单脉冲写入法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/cm2，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，因此环境因素影响较小。此外，此法可以在光纤拉制过程中实现，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。但是形成光栅的短波长损耗严重，且不稳定。该方法对光源的要求不高，适用于低成本、大批量生产。 相位掩膜法将用电子束曝光刻好的图形掩膜置于裸光纤上，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入射光波长，只与相位光栅的周期有关，因此对光源的相干性要求不高，简化了光栅的制造系统。这种方法的缺点是制作掩膜复杂。用低相干光源和相位掩膜版来制
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
光纤光栅制作方法<2> 3）chirp光纤光栅的制作a）两次曝光法这种方法可采用较简单的制作均匀光纤光栅的曝光光路。第一次曝光在光纤上并不形成光栅，而是仅形成一个渐变的折射率梯度，第二次曝光过程则是在第一次曝光区域上继续写入周期均匀的光栅，两次效应迭加便构成了一个chirp光栅。这种方法的优点是利用了制作均匀光栅的曝光光路，使得制作方法大大简化。b）光纤弯曲法这是在均匀光栅中引人光纤的机械变形，形成chirp光栅的一种方法，由于光纤的弯曲角度渐变，造成光栅的周期渐变。这种方法引入的chirp量不能过大，否则栅齿倾斜，会引起导模耦合成包层模而造成附加损耗。c）锥形光纤法这是利用锥形光纤形成chirp光栅的一种方法。可以在锥形光纤两端施加应力发生形变，然后写人均匀周期的光栅，应力释放后，由于锥体各部分的伸长形变不同，造成光栅周期的轴向发生均匀变化，形成chirp光栅。也可以先在锥形光纤上写人均匀光栅，然后再施加应力，可以得到相同的效果。d）应力梯度法与锥形光纤法原理相同，只是光纤中应力大小是通过将光纤粘在底座上的胶含量来调节。它的优点是可以分别调节中心波长和光栅的带宽，这对于制作高性能的色散补偿器具有重要的意义。e）复合chirp光栅法将一列不同周期的均匀光栅顺序写在光纤上，它最大限度地应用了制作均匀光纤光栅的工艺简单性，具有很大的灵活性。f）chirp光栅的全总干涉法制作这种制作chirp光栅的基本原理是通过在双光束全息光路系统中加入往面镜，使两束光的干涉角度沿着光纤轴向发生连续变化，从而造成光纤的纤芯折射率发生周期性渐变，形成chirp光纤光栅。4）新的光纤光栅制作方法a）直接写入法直接写入法是指在制作光纤光栅时，无须剥去光纤的涂覆层而直接在纤芯上写人光纤光栅的方法。此法关键是采用对紫外光透明的材料作为光纤的涂覆层。目前报道的光纤涂覆层有采用丙烯酸酯或general electric rtv615硅胶，通过加大紫外光强度、减小涂覆层厚度以及对光纤氢载等方法可以有效提高光纤光栅的写入时间。这种方法解决了以往传统方法中必须采用课光纤的弊端，减少了对光纤光栅制作完后要立即进行涂覆的工艺复杂性，具有很好的应用前景。b）在线成栅法这是最新出现的一种成栅方法。南安普敦大学的ldong等人采用脉冲单点激射的方法，首次实现了光纤拉制过程中写人光纤光栅的实验。它是在光纤拉制过程中在探光纤上直接写入光栅。通过对干涉系统中两束干涉光夹角的调节，可在线自动写入反射波长不同的一系列光纤光栅。使用这种方法，制造工艺简单，能连续大批量地制造光纤光栅，提高了光栅性能的稳定性，它的技术关键是要对所使用的准分子激光光束截面进行改进才能满足实用化的要求。c）光纤刻槽拉伸法用精密切割机对光纤进行周期性机械刻槽，用氢气火焰对v型槽区域的光泽进行拉伸退火，熔融玻璃表面应力的影响，以及v型槽一边的光纤的纤芯不平衡等因素，纤芯产生周期性的畸变，导致纤芯折射率的周期性变化。利用此方法已经成功研制成的长周期光纤光栅，具有很好的宽阻带特性（30nm），可应用于宽阻带滤波器的波分复用系统。这种方法的缺点是机械加工的精度要求较高，目前很少被采用。d）微透镜阵列法这种写入长周期光纤光栅方法的关键技术是采用一种微透镜阵列，将一平行的宽柬难分子激光聚焦成平行等间距的光条纹，投影到单模光纤上，其中相邻微透镜之间无间隙，其中心间距决定了写人光栅的空间周期。这种方法写入一个长周期光纤光栅仅需10s，大大提高了写入效率。通过控制写入时间和写入光栅的总长度，可以用同一块微透镜模板写入不同波长、不同透射率的长周期光栅。这种方法的缺点是做透镜模板制作非常困难，使它的应用受到了限制。e）用聚焦二氧化碳激光器写入lpg 采用10.6μm自由空间二氧化碳激光器对光纤直接曝光，通过计算机控制平移台，实现光纤的准直和固定及曝光间距的控制，可以写入不同周期的长周期光栅。这种方法无须采用紫外光，对光纤可以不用载氢处理，这种方法具有很好的应用前景。f）移动平台法利用一个周期不变的相位掩膜，可以写入调瞅、波长任意的光纤bragg光栅，通过改变光束的聚焦，可以写入阶跃chirp光栅。实验结构的主体包括两个移动平台，相位掩膜与光纤固定在一起，可以移动。改变两个透镜之间的距离就可以改变写入光纤的布拉格波长，控制每个基本光栅的曝光时间可控制切趾光栅剖面，这对于抑制反射谱中旁瓣的影响具有重要的意义。g）用聚焦离子束写入光纤光栅利用聚焦离子束（focused ion beam：fib）可以写入任意的光纤光栅结构，fib既可以采用研磨方式，也可以采用沉积方式。光栅研磨出的槽离纤芯只有几μm，研磨15～20个槽即可获得高的反射率，槽数越多反射越大。研磨方法简单但实现不易，常用的方法是用氟化氢腐蚀掉部分包层后开始研磨，但光纤研磨下来的物质充电沉积在研磨区，将会降低研磨效率，并且由于材料的再沉积，糟的深宽比将被限制在一个较小的值。研磨时间取决于研磨材料和束电流。这种方法的关键是要解决工艺难度，才有可能获得广泛的应用。3结束语对光纤通信而