光纤光栅的发展历史
在光纤中掺入锗元素后光纤就具有光敏性，通过强激光照射会使其纤芯内的纵向折射率呈周期性变化，从而形成光纤光栅。光纤光栅的作用实际上是在纤芯内形成一个窄带滤波器。通过选择不同的参数使光有选择性地透射或反射。
1978年，Hill等首次发现掺锗光纤具有光敏效应，随后采用驻波法制造了可以实现反向模式间耦合的光纤光栅——布拉格光栅。但是它对光纤的要求很高——掺锗量高，纤芯细。其次，该光纤的周期取决于氩离子激的光波长，且反射波的波长范围很窄，因此其实用性受到限制。
1988年，Meltz等采用相干的紫外光形成的干涉条纹侧面曝光氢载光纤写入布拉格光栅的全息法制作光光栅技术。与驻波法相比，全息法可以通过选择激光波长或改变相干光之间的夹角在任意波段写入光纤布拉格光栅，推动了光纤光栅制作技术的发展。全息法对光源的相干性要求很严，同时对周围环境的稳定性也有较高的要求，执行起来较为困难。
1993年，Hill等使用相位掩膜法来制作光栅，即用紫外线垂直照射相位掩膜形成的衍射条纹曝光氢载光纤。由于这种方法制作的光栅仅由相位光栅的周期有关而与辐射光的波长无关，所以对光源的相干性的要求大大降低。该方法对写入装置的复杂程度要求有所降低，对周围环境也要求较低，这使得光栅的批量生产成为可能，极大地推动了光纤光栅在通信领域的应用。
自1978年首个光纤光栅问世以来，光纤光栅的制作方法和理论研究都获得了飞速发展，这促进了其在通信领域的推广和应用。在光纤布拉格光栅的基础上，人们研制出特殊光栅，比如啁啾光纤光栅，高斯变迹光栅升余弦变迹光栅，相移光纤光栅和倾斜光纤光栅等。1995年，光纤光栅实现了商品化。1997年，光纤光栅成为光波技术中的标准器件。
光栅光纤的应用
光想光上具有体积小，熔接损耗小，与光纤全兼容，抗电磁干扰能力强，化学稳定和电绝缘等特点，这使得它在光纤通信和光信息处理等领域得到了广泛的应用。在光纤通信中，光纤光栅可以用于光纤激光器、光纤放大器、光栅滤波器、色散补偿器、波分复用器，也可以用于全光波长路由和光交换等。它为全光通信中的许多关键问题提供了有效的解决方案。
光纤光栅用作激光器。光栅具有窄带滤波的功能，这可以使其实现稳定的高功率的线性腔和环形腔激光输出。光纤布拉格光栅的波长选择连续可调、调谐范围大、线宽窄、输出功率高和相对强度噪声低等优点。
光纤光栅用作干涉仪。将光纤布拉格光栅和光纤耦合器结合使用，可以构成干涉仪。其中比较常见的有法布利波罗干涉仪、萨格纳克干涉仪、马赫增德尔干涉仪和迈克尔逊干涉仪。法布里波罗干涉仪常用来制作激光器。
光栅光纤用作放大器。光纤放大器的研究主要集中在掺饵光纤上，但掺饵光纤放大器具有增益不平坦性，这导致不同频率的信号光的放大倍数不同，影响了信息的传输质量。可以使用布拉格光栅的反射或滤波特性来提高放大器的性能。把光栅写入掺饵光纤中，可以使增益谱线平坦的同时又不会影响放大器的噪声系数和饱和输出功率。
光栅光纤用于色散补偿。在阻带附近，普通光栅光纤的色散参量要比普通光纤高出几个数量级，该特性可以使其用于色散补偿。半极大全宽度为40ps的脉冲在长度为100km、波长为1550nm色散为-20ps2/km的光纤传输后，脉冲展宽为144ps，在经过长度为10cm、失谐量为9.9cm?1耦合系数为50cm?1的光栅补偿后脉冲宽度变为46ps。啁啾光栅的带宽和色散都很大，也可以用于色散补偿。但和普通光栅相比，啁啾光栅需要更复杂的设计，同时还须要增加一个光环行器或耦合器，这会增加系统的插入损耗。如果增加普通光栅的写入长度或增加光栅的强度，也可以达到提高压缩比率和增加带宽的目的。
光纤光栅用作滤波器。普通光栅在阻带内的反射率很容易超过90%，选取适当的参数甚
至可以接近100%，而在阻带边缘反射率会急剧减小。这样的频率相关性决定了光纤光栅的滤波特性。将普通光栅放入干涉仪结构或使用莫尔光栅均可构造滤波器。通过将光栅级联可以获得更高的反射率。
光纤光栅用作波分复用器。光纤通信中的波分复用/解复用对器件要求较高，一般要求在通信频带内的滤波带宽窄、体积小及回波损耗小等，而布拉格光纤光栅正好满足这些条件。在信道间隔为25GHz时密集波分复用也能够很好的实现。光纤光栅还能够提高波分复用系统的性能，在基于分插复用（Optical Add and Drop Multiplexing，OADM）的波分复用系统中加入光栅可以减小串扰的影响。
有源光纤光栅耦合器传输及开关特性研究
光纤光栅的分类
现根据光纤光栅的常用名特征来对光纤光栅进行分类。一种光纤光栅的名字通常需要包括其耦合方向、折射率函数分布特点和光纤种类，才可以直接明确的看出其简要光谱特性。1按耦合方向分类
根据光纤光栅的耦合方向，可将光纤光栅分为FBG和LPFG。这两种类型的光纤光栅因其耦合方向不同，因而具有截然不同的耦合机理及分析方法，并决定了光纤光栅最基本的光谱特性。由于这两种光纤光栅的周期有着明显差别，因而也有人称这种分类方法为根据光栅周期的长短分类。
1.1光纤Bragg光栅
FBG的耦合机理是纤芯基膜向反向传输的纤芯基膜，包层模或辐射膜耦合，是个反射型的光纤光栅。FBG栅格周期一般为几百nm，谐振峰带宽为0.5nm左右。这类光纤光栅是最早发展起来的，写制方法以及成栅机理都已经很成熟稳定，目前在实际的应用方面最为广泛。
1.2长周期光纤光栅
LPFG的耦合机理是纤芯基膜向同向传输的包层模或辐射膜耦合，是个消耗型光纤光栅。LPFG栅格周期一般为几百μm。与FBG相比，LPFG的谐振峰带宽要大得多，约为几十nm。
2.按折射率函数分布特征分类
光纤光栅是对光纤中传导膜有效折射率进行周期性空间调制的器件，其折射率分布可表示为：
δn eff z=δn eff z{1+νcos 2π
z+?z}
其中，z为沿光纤轴向的坐标，δn eff是一个光栅周期内空间平均“dc”折射率改变，Λ是光栅周期，ν是折射率改变的条纹可见度，一般取1，?z表示光纤光栅的啁啾。根据光栅的折射率函数的分布特点来进行分类命名，典型的有以下几种：
2.1均匀光纤光栅
均匀光纤光栅的折射率函数为一理想的正弦或余弦函数。如图。其栅格周期Λz，折射率调制函数δn eff(z)和相位函数?z均为常数，是最早出现也是应用最普遍的光纤光栅。
2.2倾斜光纤光栅
倾斜光纤光栅（Titled fiber grating ,TFG）也称为闪耀光线光栅的折射率沿光纤轴向的分布为：
δn eff z=δn eff z{1+νcos 2π
z cosθ }
其中θ为光栅条纹与光纤轴的夹角。
图为一个夹角为1°的TFG的折射率分布图，可以看出它的折射率函数分布为一个倾斜的
余弦函数。TFG光谱的特点是：存在很多向前传输的纤芯基膜与高阶辐射模耦合形成的谐振峰，并且光栅条纹倾斜有效的降低了光栅条纹的可见度，因此布拉格反射峰会减小。对于倾斜角度很小的TFBG，在紧靠Bragg谐振峰的短波长方向还有一个由纤芯导模与低阶包层模耦合形成的幻影模。由于存在的包层模式的耦合，因此TFBG可用于各类折射率和浓度的传感器，并且它具有比LPFG更好的温度稳定性。
2.3啁啾光纤光栅
啁啾光纤光栅（Chirped Fiber grating）的折射率调制深度δn eff z为一个常数，而光栅周期是一个与z有关的函数?z。图为一个线性啁啾光纤光栅的折射率沿光纤轴向分布的示意图。
常见的?z有一阶函数、分段函数等等。对于线性函数，?z为
?z=?πz
2
dΛ
啁啾光纤光栅的光谱特点是与均匀光纤光栅相比，它极大地增加了谐振峰的带宽。如啁啾FBG带宽可达几十nm，因而可应用于色散补偿和光纤放大器的增益平坦。
2.4相移光纤光栅
相移光纤光栅（Phase-shifted fiber grating ,PSFG）的相位函数?z为一个类δ函数，也就是沿着光纤轴向上某一点或多点存在突变，除了相位突变区域外光栅周期及折射率调制深度均为常数。图为一个单π相移PSFG的折射率分布示意图。
相移光纤光栅的光谱特点是：在光栅光谱的谐振峰中打开若干个投射窗口。因此被广泛的应用于可调谐光器件以及多参量传感方面，在光通信及光谱分析等领域具有很高的应用价值。
2.5取样光纤光栅
取样光纤光栅（Sampled fiber grating ,SFG）可视为均匀光纤光栅的振幅或折射率调制深度被特殊函数（如方波函数、sinc函数等）调制的结果，而每个单元的光栅折射率调制深度和周期均为常数。方波调制的取样光纤光栅的折射率分布可表示为：
n(z)=[comb z
rect
z
]{δn eff z1+νcos
2π
z rect
z
}
其中，a是每一段均匀光纤光栅的长度，p为取样周期，L为光栅总长度，如图。
取样光纤光栅的光谱主要特点是：具有很多带宽相同的谐振峰。因而在多通道滤波，波分复用通信系统中的色散补偿方面具有潜在的应用价值。
2.6Tapered光纤光栅
Tapered光纤光栅可视为FBG的折射率调制深度被特定的函数（如正弦或余弦函数的平方）调制的结果，而栅格周期不变。其折射率分布函数为：
n z=n0+2δn eff F[1+νcos 2πz
]
其中F为调制函数，它可以为正弦、余弦和高斯函数。图为一个余弦函数调制的Tapered 光纤光栅折射率沿光纤轴向的分布示意图。
根据实际需要，可以通过改变调制函数F及有关结构参数来控制其谐振峰的形状。常见的有高斯分布型及正弦调制型，可用于群色散的补偿或多波长激光器的输出。
2.7Moire光纤光栅
Moire光纤光栅即莫尔光纤光栅，其平均折射率调制深度和栅格周期沿光纤轴向均为非线性变化。其折射率沿光纤轴向分布表达式为：
n z=n0+δn eff[1+νsin(2πz
a
)cos
2πz
b
]
如图，是一种具有慢变包络的快变余弦函数，其中Λa是快变包络周期，Λb是慢变包络周期。
Moire光纤光栅大多采用二次曝光法制作，若第一次曝光的频率为Λ1，第二次曝光的频率为Λ2，那么形成的莫尔光栅的包络周期为：
Λa=
2Λ1Λ2Λ1+Λ2
Λb=
2Λ1Λ2Λ1?Λ2
根据上式，我们可以通过设计曝光的周期得到实际需要的光谱。
Moire光纤光栅的光谱类似于π相移光纤光栅，其慢包络的零点位置相当于引入了一个π相移。均匀的或啁啾的Moire光纤光栅的光纤参量对光谱的影响不相同。均匀莫尔光栅的慢包络零点位置决定了投射窗口的透射率，但增加慢包络零点只增加光谱透射峰的带宽，而透射峰数量不变。对于啁啾莫尔光栅，增加慢包络的零点，透射窗口也会增加，并且慢包络零点位置变化，透射峰的透射率和位置都会变化。
2.8切趾光纤光栅
切趾光纤光栅（Apodized fiber grating ,AFG）的折射率调制深度从光栅中心向光栅两端逐渐递减，在光栅边缘降为零。其折射率沿光纤轴向分布的表达式为：
δn eff=δn eff f z(1+νcos 2π
z+?z)
其中，f x为切趾函数，常见的有高斯函数、余弦函数等。图为一高斯型切趾光纤光栅的折射率分布示意图。
切趾光纤光栅光谱的主要特点是：光谱的旁瓣被抑制。由于这个特点使其具有更高的波长选择性，避免了在多波长系统中的串扰。
3.按光纤种类分类
除按光纤的耦合方向，其折射率分布特点分类外，还有重要的一项就是按光纤的种类分类来说明光纤光栅的特点。根据光纤的材料可分为硅玻璃光纤光栅和塑料光纤光栅。而根据光纤的结构特点可分为单模光纤光栅，多模光栅光纤，保偏光纤光栅，微结构光纤光栅（包含光子晶体光纤光栅）。其中微结构光纤光栅根据不同微孔排列特征又可以进行细分。
不同类型的光纤中传导的模式的有效折射率均不同，所以用其写制的光纤光栅所具有的光谱特性也不相同。采用特殊的光纤写制的光栅会具有一些特殊的应用，例如利用微结构光纤中空气孔的存在，在其中填充温度敏感材料或者液晶材料，能实现可调谐的光纤光栅。在塑料光纤中写制光栅实现大范围的波长可调谐。
新型相移光纤光栅的设计及传感特性研究.pdf
光纤布拉格光栅
在光纤光栅技术发展过程中，Hill等人首先在1978年发现了掺锗光纤的紫色光敏特性，并展示在光纤芯部形成光栅的可能性。由于制作技术上的困难，很难重复制作出相同的光纤光栅。直到十年之后Meltz等人发展了横向侧面暴光光纤光栅制作技术以及在光纤拉制过程
中在线光纤光栅的制作方法，从而使得这种光纤器件具有了可重复性和规模制作的现实性。光纤光栅是通过改变光纤芯区折射率，产生小的周期性调制而形成的，其折射率变化通常仅在10?8—10?2之间。将光纤置于周期性空间变化的紫外光源下，即可在光纤芯中产生这样的折射率变化。用于制作这种光纤光栅的主要技术之一是用两个之外光束形成的空间干涉斑纹图来照射光纤，这样就在光纤芯部生成了永久的周期性折射率调制。【光纤光栅原理与应用（一）——光纤光栅原理】
光栅光纤开关效应的研究
光开关是按一定要求将一个光通道的光信号装换到另一个光通道的器件，可使光路之间进行直接交换。在全光网络中，光开关可实现在全光层的路由选择、波长选择、光交叉连接以及自愈保护等重要功能；另外，光交叉连接设备（Optical Cross Connct,OXC）和光差分复用设备（Optical Add Drop Multiplex , OADM）是全光网的核心，而光开关是全光通信网中的关键光器件。
本章采用了数值模拟法对光纤布拉格光栅和长周期光栅的开关特性进行了理论分析，并讨论了不同变量对光开关性能的影响。
1.布拉格光栅的开关效应
1.1开关原理及模型
采用光纤布拉格光栅实现光开关的方法有两种，一种是利用光纤光栅的自相位调制效应。光栅带隙内的光在低功率时会被反射，但当光功率很高时，由于光的自相位调制，使得带隙内的光被调谐到带隙外，从而可以通过光栅；第二种方法是利用光的交叉相位调制，利用强的泵浦光改变光栅的禁带特性，从而控制信号光的开关特性。本节主要讨论交叉相位调制效应引起的光开关现象。
在没有泵浦光输入时，布拉格光栅的耦合模方程可以表示为：
?A f ?z +
n
c
?A f
?t
=iδA f+iΚA b+iγ(A f2+2A b2)A f
??A b
?z
+
n
c
?A b
?t
=iδA b+iΚA f+iγ(A b2+2A f2)A b
式中，A f和A b分别表示前向和后向传输波的振幅，γ为非线性系数，δ为失谐量，Κ为交叉耦合系数。
在非线性情况下，考虑泵浦光的输入，则上式可以表示为：
?A f ?z +
n
c
?A f
?t
=iδA f+iΚA b+iγ(A f2+2A b2+2P p)A f
??A b
+
n?A b
=iδA b+iΚA f+iγ(A b2+2A f2+2P p)A b
P p表示泵浦光功率的大小。通常情况下，泵浦功率远远大于信号光功率，因此上式可化简为：
?A f
+n?A f
=iδA f+iΚA b+i2γP p A f
??A b
?z
+
n
c
?A b
?t
=iδA b+iΚA f+i2γP p A b
该模型中，光纤布拉格光栅的开关原理是：在没有泵浦光的条件下，当低功率的连续信号光的波长位于光纤光栅的禁带内时，信号光几乎被完全反射，此时光纤光栅相当于处于关的状态。当输入泵浦光时，因三阶非线性克尔效应，光纤光栅的有效折射率增大，随着折射
率的增大，光纤光栅的布拉格波长向长波长方向移动，是的光纤光栅的整个禁带向长波长方向偏移，从而使得原来处于禁带内的信号光波长移除到禁带之外，因此信号光也由原来的高反射变成高透射，从而实现了对信号光的开关转换。
1.2数值计算结果
2.长周期光纤光栅的开关效应
2.1开关原理及模型
长周期光纤光栅最初是作为全光纤带阻滤波器提出来的，与短周期相比，长周期光纤光栅中的能量耦合主要在两传输方向相同、模场分布不同的模式之间进行。
全光光开关是长周期光纤光栅的重要应用之一。长周期光纤光栅具有比光纤布拉格光栅更强的非线性效应。1997年Eggleton等人利用1.05μm波长的Q-开关激光脉冲在输入激光脉冲能量只有5GW/cm2时观察到了开关效应，这个能量远小于基于布拉格光栅的光开关所需的脉冲能量，并且低于光纤的损伤阈值。因此，这种基于长周期光纤光栅的全光光开关将在全光网络中有着广泛应用。
长周期光纤光栅中的脉冲传输可以用归一化非线性耦合模方程描述：
eU
+i δ21e2V
2
=i
Δ
U+id1j V+i(c11U2+2c1j V2)U
eV eξ+V g
eV
eτ
+i
δ22
2
e2U
eτ2
=i
Δ
2
V+id1j U+i(c1j U2+2c jj V2)V
式中，U和V分别表示纤芯模和包层模的归一化脉冲振幅；δ21=β21L0/T02、δ22=β22L0/T02，其中β21和β22分别表示纤芯模和包层模的二阶色散系数；L0和T0分别表示光栅的长度和输入脉冲的宽度；ξ=z/L0和τ=（T?β21z)T0分别表示归一化传输距离和时间；V g表示归一化纤芯模和包层模群速度之差；?表示归一化失衡量，当?=0时对应谐振情况（即满足谐振条件的纤芯模将耦合为包层模），而当?≠0时则对应谐振情况（即脉冲仍然以纤芯模的形式在纤芯中传播，而不会耦合为包层模）；d1j表示归一化的纤芯模和第j阶包层耦合的线性耦合系数，它和光栅中由紫外线引起的折射率的变化量以及两个耦合模之间的重积分成正比；c11和c jj分别表示归一化的纤芯模的自相位调制系数一集第j阶包层模的自相位调制系数；而c1j则表示归一化的纤芯模和第j阶包层模的交叉相位调制系数，在足够高的光强下，自相位和交叉相位调制项将通过引起一个与光强有关的相位改变使得光栅的最小透射谱向长波长段偏移。
2.2数值计算结果
10级毕设\光开关\相移光栅和光纤光栅非线性特性的研究.pdf
一：引言
可以说，没有开关就没有通信网络。从第一代电信网络开始，即电话交换系统就采用了大量
的开关形成交换单元完成用户间的电路交换。今天，以DWDM为基础的全光网络已称为新一代电信网络研究的热点和发展方向，不同波长的光信号在网络中要实现路由选择必然要使用光开关，光开关时完成交换的核心器件，在目前广泛使用的光网络中具有不可替代的作用。二：光开关的关键指标
通信网络的发展为光开关的应用提出了新的要求，未来的全光网络需要全光开关构成的光交换机完成信号路由功能以实现网络的高速率和协议透明性。评价新的光开关技术必须考虑七个指标。
1长期可靠性满足大容量通信系统要求，必须保证高可靠性和非常低的故障率。2低损耗和高耦合效率考虑光开关的大数量的应用，低损耗极为关键，与光纤保持较高的耦合效率也就是减少光功率损耗。3串音小消光比大，串音直接影响信号传输质量，典型隔离度为40或50db。4低驱动和温度特性，低驱动减少光开关的功耗，温度变化不敏感可拓宽光开关的应用环境和领域，使其工作稳定，往往通过精确的温控电路实现。5光开关的速率对应不同的应用场合，因此对光开关切换速率会有特别的要求。6光开关工作带宽对应于新的光纤、光滤波和放大器技术的DWDM工作窗口1300nm---1650nm，光开关同样要与之吻合。7光开关成本和可扩展性，光产品价格整体每年以10%---30%速度下降，并且要考虑长期成本的下降。光开关是否满足大规模阵列扩展及相应性能参数的变化也需要注意。
三：光开关形式
光开关以其高速度、高稳定性、低串扰等优势成为各大通信公司和研究单位的研究重点。光开关有着广阔的市场前景，是最具发展潜力的光无源器件之一。光开关采用的主要技术有机械式、MEMS、铁电液晶、气泡、热光、全息、声光、热毛细管等。在光开关的性能上，主要指标有插损、隔离度、消光比、偏振敏感性、开关时间、开关规模及开关尺寸等。在各式各样的光开关中， MEMS光开关具有较好的性能，并且由于采用微电子工艺可以大量生产，适于产业化。特别是它的工作方式与光信号的格式、波长、偏振方向、传输方向、调制方式均无关，因此不受带宽的限制可以处理任意波长的光信号。不仅如此，它还具有较低的插损与较高的扩展性，可以满足未来光通信网络发展所要求的透明性和扩展性。这里简单介绍几种光开关。
3.1 机械式光开关
传统的机械式光开关插入损耗较低（<2db）、隔离度高（>45db)，不受偏振和波长的影响。多路输入输出光束的机械光开关中的关键单元是具有光路二度对称的复合反射镜。复合反射镜是由几何形状尺寸和光学性能完全形同的两块镜子粘合在一起构成，以粘合面为对称平面，具有二度镜面对称性。对单个复合反射镜的往返运动的控制，可同时改变两路输入输出光路的相互连接状态，实现光路的平行或交叉连接，形成2X2光开关。采用多个复合反射镜和合理的光路布局，可实现更多光路之间的相互连接状态，形成多路输入输出光束无阻塞交换，同时大幅度减少光开关矩阵中的光学元件和相应驱动器数量，具有频带宽广、结构紧凑、体积小的特点。
3.2 微电子机械光开关（MEMS）
MEMS光开关是一种自由空间微型光开关，是目前全世界都十分关注的一项新技术，MEMS主要是利用移动光纤或利用微镜反射原理进行光交换的光开关。MEMS是由半导体材料，如Si 等组成的微机械结构。MEMS光开关结构紧凑、重量轻、易于扩展，此种光开关同时具有机械光开关和波导光开关的优点，又克服了它们的缺点。MEMS光开关的驱动方式主要有静电驱动、电致伸缩、磁致伸缩、形变记忆合金、光功率驱动、热驱动和光子开关等。其原理是微反射镜和上电极连接在一起，在没有电压输入时，上电极的位置不动，微反射镜处在光通路上，从入射光纤发出的光被微反射镜反射，改变方向后进入到镜面同一侧的出射光纤中，这是开关的反射状态。当上电极和下电极之间有电压输入时，静电力的作用下，上电极带动
微反射镜移开光通路，入射光沿直线传播进入前方的出射光纤，这是开关的直通状态。作为一种全光开关，由于具有可移动的反射表面或反射镜、可通过施加电或热变化方法改变其反射角，光波长对准反射面按指令让光子通过，或把光信号分流到另一个端口。
3.3 波导型光开关
波导型光开关是近年来发展起来的一种光开关，它采用波导结构。波导型光开关同样利用电光、声光、热光、磁光效应来进行控制。最一般的介质波导是平板波导结构，它由衬底、薄膜层和覆盖层组成。平面波导型开关主要有两种，热光型和全内反射型。热光型开关，是利用Si波导的热感应折射率变化原理制作的，其M-Z干设计是由两个3db定向耦合器和两个波导臂组成，臂上还有一个用作热光移相器的薄膜加热器。其工作原理是未受热时这种单元结构处于分叉态，当对热光移相器加热时，开关为条形状，完成开关功能。全内反射型开关的原理是利用在交叉波导中制作的槽里内反射，实现大型的广播电路开关。
3.4 液晶光开关
液晶光开关是根据其偏振特性来完成交换的，其工作状态时基于对偏振的控制，工作时，一路偏振光被反射。而另一路可以通过。
3.5 热光效应开关
热光技术主要用来制作小的光开关。现在主要有两种类型的热光开关，数字型光开关和干涉型光开关。干涉型光开关具有结构紧凑的优点，缺点是对波长敏感，因此，通常需要进行温度控制。它们都是在介质材料上先做上波导结构，通过改变波导折射率实现光的开关动作。
3.6 声光开关
在声光开关结构中，控制信号采用声波，主要作用是用来控制光线的偏转。声光开关的交换速度从500ns到10us。由于在声光开关中没有课移动的部分，因此，1x2声光开关的可靠性比较高。
3.7 磁光开关
磁光开关的原理是利用法拉第旋光效应，通过外加磁场的变化来改变磁光晶体对入射偏振光偏振面的作用，从而达到切换光路的作用。相对于传统的机械式光开关，慈光开关具有开关速度快、稳定性高等优势，而相对于其他的非机械式光开关，它又具有驱动电压低、串扰小等优点，因此，磁光开关将是一种具有竞争力的光开关。
四：应用及前景分析
光开关在光网络中起到十分重要的作用，它不仅构成了波分复用网络中关键设备的交换核心，本身也是光网络中的关键器件。其应用范围主要有：
保护倒换功能：光开关通常用于网络的故障恢复。当光纤断裂或其他传输故障发生时，利用光开关实现信号迂回路由，从主路由切换到备用路由上。这种保护通常只需要最简单的1X2光开关。
网络监视功能：在远端光纤测试点通过1xN光开关把多根光纤接到一个光时域反射仪上，通过光开关倒换实现对所有光纤的监测。另外，利用光开关也可以在光纤线路中插入网络分析仪，实现网络在线分析。这种光开关也可以用于光纤器件测试。
光器件的测试：可以将多个待测光器件通过光纤连接，通过1xN光开关，可以通过监测光开关的每个通道信号来测试器件。<
应用于OADM和光交叉连接：光上下复用器主要应用于环形的城域网中，实现单个波长和多个波长从光路上自由上下，而不需要电解复用或复用过程。用光开关实现的OADM可以通过软件控制动态上下任意波长，这样大大增加了网络配置的灵活性。OXC由光开关矩阵组成，它主要用于核心光网络的交叉连接，实现光网络的故障保护，动态的光路径管理，灵活增加新业务等。
随着光传送网技术的发展，新型的光开关技术不断出现。同时，原有的光开关技术性能不断
地改进。随着光传送网向超高速、超大容量的方向发展，网络的生存能力、网络的保护倒换和恢复问题成为网络关键问题，而光开关在光层的保护倒换对业务的保护和恢复起到了更为重要的作用。未来的光传送网事能支持多业务的透明光传送平台，要求对各种速率业务能透明传送。同时，随着业务需求的急剧增长，骨干网业务交换容量也急剧增长。因此，光开关的交换矩阵的大小也要不断提高。同时由于IP业务的急剧增长，要求未来的光传送网能支持光分组交换业务，未来的核心路由器能在光层交换。这样，对光开关的交换速度提出更高的要求（ns数量级）。总之，大容量、高速交换、透明、低损耗的关开关将在光网络发展中起到更为重要的作用。
光开关是一种具有一个或多个可选的传输端口.
其作用是对光传输线路或集成光路中的光信号进行物理切换或逻辑操作的光学器件.
光开关是一种光路转换器件。在光纤传输系统，光开关用于多重监视器，LAN，多光源，探测器和保护以太网的转换。在光纤测试系统，用于光纤，光纤设备测试和网络测试，光纤传感多点监测系统。
全光通信
全光通信是指用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光波技术，即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行，而且其在各网络节点的交换则使用高可靠、大容量和高度灵活的光交叉连接设备（oxc）。在全光网络中，由于无需电信号的处理，所以允许存在不同的协议和编码，使信息传输具有透明性。它同SDH传送网一样，满足传送网通信模型，遵循—般传送网的组织原理、功能结构的建模和信息定义，采用了相似的描述方式。因此，很多SDH传送网的功能和体系构想都可以用于全光通信网。
1技术背景
随着社会经济的发展，人们对信息的需求急剧增加，信息量呈指数增长，仅Internet用户需要传送的信息比特速率每年就增加8倍。通信业务需求的迅速增长对通信容量提出越来越高的要求。
光纤近30THz的巨大潜在带宽容量，使光纤通信成为支撑通信业务量增长最重要的技术。现阶段采用时分复用单波长的光纤传输系统容量已达10Gbit/s，再提高系统速率就会产生技术和经济上的问题。人们普遍认为波分复用是充分利用光纤低损耗区30THz带宽的一种可行技术，可以打破单个波长系统带宽的限制，是提高光纤容量的一种有效途径。
但是光纤传输系统速率的提高也带来了一个新的问题。在这种高速传输的网络中，如果网络
节点处仍以电信号处理信息的速度进行交换，就会受到所谓“电子瓶颈”（10Gbps）的限制，节点将变得庞大而复杂，超高速传输所带来的经济效益将被昂贵的光/电和电/光转换费用所抵消。为了解决这一问题，人们提出了全光网AON（All Optical Network）的概念。[1] 2系统概述
全光通信网，又称宽带高速光联网，它以波长路由光交换技术和波分复用传输技术为基础，在光域上实现信息的高速传输和交换，数据信号从源节点到目的节点的整个传输过程中始终使用光信号，在各节点处无光/电、电/光转换。全光网，从原理上讲就是网中直到端用户节点之间的信号通道仍然保持着光的形式，即端到端的全光路，中间没有光电转换器。这样，网内光信号的流动就没有光电转换的障碍，信息传递过程无需面对电子器件处理信息速率难以提高的困难。
全光通信网技术是光纤通讯领域的前沿技术，是21世纪真正的高速公路。许多国家都把全光网作为建设“信息高速公路”的基础，将其提升到战略地位的高度。[1]
3技术优势
全光通信网与现有光纤网的区别之一在于其波长路由，通过波长选择性器件实现路由选择。其二是信号传输无电中继，具有信号透明性，即数据速率透明和信号格式透明。另外全光网还具有可扩展性、可重构性和可操作性。具备以往通信网和现行光通信系统所不具备的优点：1．简单可靠。全光网结构简单，端到端采用透明光通路连接，沿途没有光电转换与存储，网中许多光器件都是无源的，便于维护、可靠性高。
2．可扩展性好。加入新的网络节点时，不影响原有的网络结构和设备，降低成本，具有网络可扩展性。
3．透明传输。全光网以波长选择路由，对传输码率、数据格式及调制方式均具有透明性，可提供多种协议业务，可不受限制地提供端到端业务。
4．灵活重组。可根据通信业务量的需求，动态地改变网络结构，充分利用网络资源，具有网络可重组性。
5．快速恢复。实现快速网络恢复，恢复时间可达100ms，对绝大多数业务无损伤。
6．提供多种业务。全光网提供多种宽带信息业务，包括数据、音频和视频通信，可以把全光网支持的业务及应用分为3类：
传统数字信号业务，其数据速率范围从低速Kbps至高速Gpbs，如异步传送模式（ATM）、局域网的互连、多路数字电话、以太网等。
模拟信号业务，如有线电视（CATV）节目的多路传送。
用户需要光接口业务，高速数据和多媒体业务，包括视频工作站、大规模数据库和多路高清晰度电视等，这将是全光网业务的主流。
4主要特点
全光通信是用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光波技术，即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行，而其在各网络节点的交换则采用全光网络交换技术。全光通信与传统的通信网络与现有的光纤通信系统相比，具有其独具的特点：
（1）全光通信是历史发展的必然。电子交换机代替了模拟传输，在数字传输之后，引入了数字交换。采用光传输技术是历史的螺旋上升，光网络是下一步必然的发展对象。
（2）降低成本。在采用电子交换及光传输的体系中，光/电及电/光转换的接口是必要的，如果整个采用光技术可以避免这些昂贵的光电转换器材。而且，在全光通信中，大多采用无源光学器件，从而降低了成本和功耗。
（3）解决了“电子瓶颈”问题。在光纤系统中，影响系统容量提高的关键因素是电子器件速率的限制，如电子交换速率大概为每秒几百兆位，而只在大规模图像传输研究领域达Tbit/s的速率。CMOS技术及ECL技术的交换机系统可以达到Gbii/s范围，不久的将来，采
用砷化铸技术可使速率达到几十个Gbit/s以上，但是电子交换的速率也似乎达到了极限。为此，网络需要更高的速度则应采用光交换与光传输相结合的全光通信。
总之，“全光通信”是一种无须进行任何光电变化的全新光波通信。在全光通信系统中，图像和话音信息直接变换为光信号，并在传输媒体中传输。在摄像光学系统、光纤系统和接收放大系统组成的全光通信系统中，由于不要求光电变换，所以没有任何电子元件，信号失真小，能够在100°C以上的高温环境中连续工作，是理想的通信方式。[3]
5网络结构
全光通信网络的结构分为服务层（Service layer）和传送层（Transport layer），网络传送层分为SDH层、ATM层和光传送层。光传送层由光分插复用器（OADM）和光交叉连接（OXC）组成。在光传送层，通过迂回路由波长（Rerouting wavelength），在网络中形成大带宽的重新分配。在光缆断开时，光传送层起网络恢复（Restoration）的作用。在远端，光纤环中的光分插复用器OADM插入/分离所确定的波长通道至ATM复用器，而OXC则连接两个光WDM环路到ATM交换机。
利用波分复用技术的全光网将采用三级体系结构。0级（最低一级）是众多单位各自拥有的局域网（LAN），它们各自连接若干用户的光终端（OT）。每个0级网的内部使用一套波长，但各个0级网多数也可重复使用同一套波长，1级可看作许多城域网（MAN），它们各自设置波长路由器连接若干个0级网。2级可以看作全国或国际的骨干网，它们利用波长转换器或交换机连接所有的1级网。
6关键技术
为了实现准确、有效、可靠的全光通信，应采用以下关键技术：
光多址技术
光多址技术是光纤通信系统的关键技术之一。选用哪一种光多址方式直接影响到系统的频谱利用率、系统容量、设备的复杂度及成本等。光多址方式主要有3种：光波分多址、光时分多址、副载波多址。
（1）光波分多址(WDMA)是将多个不同波长且互不交叠的光载波分配给不同的光网络单元（ONU），用以实现上行信号的传输，即各ONU根据所分配的光载波对发送的信息脉冲进行调制，从而产生多路不同波长的光脉冲，然后利用波分复用方法经过合波器形成一路光脉冲信号来共享传输光纤并送入到光交换局。在WDMA系统中为了实现任何允许节点共享信道的多波长接入，必须建立一个防止或处理碰撞的协议。该协议包括固定分配协议、随机接入协议（包括预留机制、交换和碰撞预留技术）及仲裁规程和改装发送许可等。
WDMA的研究比较广泛，已提出了两种WDMA网络：单转发网络和多转发网络。前者有：
①IBM BAINBOW的单转发副载波控制的WDMA网络，即在每一个节点上只需一个激光器，并在控制信道上采用副载波多址接入（SCMA）来解决控制信道竞争问题；
②具有低功耗，树型或多星型结构的无源光波分多址网络等；后者包括：具有多种可能配置的Gemnet网络，具有KAVTE拓扑结构的多转发网络、基于超图理论的超图网络及由斯坦福大学光通信实验室开发的Starnet网络。
（2）副载波多址（SCMA）多用于光交换局到不同ONU的控制信号的传送。其基本原理是将多路基带控制信号调制到不同频率的射频（超短波到微波频率）波上，然后将多路射频信号复用后再去调制一个光载波。在ONU端进行二次解调，首先利用光探测器从光信号中得到多路射频信号，并多中选出该单元需要接收的控制信号，再用电子学的方法从射频波中恢复出基带控制信号。在控制信道上使用SGMA接入，不仅可降低网络成本，还可解决控制信道的竞争。
（3）光时分多址（OTDM）是在同一光载波波长上，把时间分割成周期性的帧，每一个帧再分割成若干个时隙（无论帧或时隙都是互不重叠的），然后根据一定的时隙分配原则，使每
个ONU在每帧内只按指定的时隙发送信号，然后利用全光时分复用方法在光功率分配器中合成一路光时分脉冲信号，再经全光放大器放大后送入光纤中传输。在交换局，利用全光时分分解复用。为了实现准确，可靠的光时分多址通信，避免各ONU向上游发送的码流在光功率分配器合路时可能发生碰撞，光交换局必须测定它与各ONU的距离，并在下行信号中规定ONU的严格发送定时。
除以上多址技术以外，随着光纤通信技术的发展，还会出现其他的多址方式，如利用不同的代码序列来区分各ONU的光码分多址，利用不同的光纤或将光纤中的光速沿空间分割给不同的ONU来实现通信的空分多址方式等。当然，其中也包括上述多址方式的混合多址方式，如将光时分多址与光波分多址相结合，可进一步提高系统容量。
全光信息再生技术
在光纤通信中，光纤的损耗和色散严重影响通信质量。损耗导致光信号的幅度随传输距离按指数规律衰减，这可以通过全光放大器来提高光信号功率。色散会导致光脉冲发生展宽，发生码间干扰，使系统的误码率增大，严重影响了通信质量。因此，必须采取措施对光信号进行再生。对光信号的再生都是利用光电中继器，即光信号首先由光电二极管转变为电信号，经电路整形放大后，再重新驱动一个光源，从而实现光信号的再生。这种光电中继器具有装置复杂、体积大、耗能多的缺点。出现了全光信息再生技术后，即在光纤链路上每隔几个放大器的距离接入一个光调制器和滤波器，从链路传输的光信号中提取同步时钟信号输入到光调制器中，对光信号进行周期性同步调制，使光脉冲变窄、频谱展宽、频率漂移和系统噪声降低，光脉冲位置得到校准和重新定时。全光信息再生技术不仅能从根本上消除色散等不利因素的影响，而且克服了光电中继器的缺点，成为全光信息处理的基础技术之一。[3]
网络管理控制
为了充分发挥光通信的优势，必须研究开发行之有效的网络管理控制系统。网络的配置管理、信道的分配管理、管理控制协议、网络的性能测试等都是网络管理方面需要解决的技术。由于全光网络采用了先进的多址技术，因此如何根据当前的业务负载及信道的使用情况来动态地分配信道资源，对于全光网络尤为重要。只有高效地分配信道，才可使系统达到最大容量和最佳通信质量。
光交换网络技术
光交换是指光纤传送的信息直接进行交换。与电子数字程控交换相比，光交换无需在光纤传输线路和交换机这间设置光端机进行光/电、电/光变换，并且在交换过程中还能充分发挥光信号的高速、宽带和无电磁感应的优点。光交换技术作为全新的交换技术，与光纤传输技术相融合可形成全光通信网络，从而将通信网和广播网综合在一个网中，成为通信的未来发展方向。它主要有5种交换方式：空分光交换、时分光交换、波分光交换、复合型光交换及自由空间光交换。
（1）空分光交换是指空间划分的交换。其基本原理是将光交换元件组成门阵列开关，并适当控制门阵列开关，即可在任一路输入光纤和任一输出光纤之间构成通路。因其交换元件的不同可分为机械型、光电转换型、复合波导型、全反射型和激光二极管门开关等。如耦合波导型交换元件铌酸锂，它是一种电光材料，具有折射率随外界电场的变化而发生变化的光学特性。以铌酸锂为基片，在基片上进行钛扩散，以形成折射率逐渐增加的光波导，即光通路，再焊上电极后即可将它作为光交换元件使用。当将两条很接近的波导进行适当的复合，通过这两条波导的光速将发生能量交换。能量交换的强弱随复全系数、平行波导的长度和两波导之间的相位差变化，只要所选取的参数适当，光速就在波导上完全交错。如果在电极上施加一定的电压，可改变折射率及相位差。由此可见，通过控制电极上的电压，可以得到平行和交叉两种交换状态。
时分光交换方式的原理与现行的电子程控交换中的时分交换系统完全相同，因此它能与采用
全光时分多路复用方法的光传输系统匹配。在这种方式下，可以时分复用各个光器件，能够减少硬件设备，构成大容量的光交换机。
（2）时分光交换网由时分型交换模块和空分型交换模块构成。它所采用的空分交换模块与上述的空分光交换功能块完全相同，而在时分型光交换模块中则需要有光存储器（如光纤延迟存储器、双稳态激光二极管存储器）、光选通器（如定向复合阵列开关）以进行相应的交换。
（3）波分光交换方式能充分利用光跌的宽带特性，可以获得以电子线路所不能实现的波分型交换网。可调波长滤波器和波长变换器是实现波分交换的基本元件，前者的作用是从输入的多路波分光信号中选出所需波长的光信号，后者则将可变波长滤波器选出的光信号变换成适当的波长后输出。这可以通过DFB（分布反馈型）和DBR（分布DBR反射）型的半导体激光器来实现。
（4）复合型光交换是指在一个交换网络中同时应用两种以上的光交换方式。例如，在波分技术的基础上设计大规模交换网络的一种方法是进行多极链路连接，链路连接在各级内均采用波分交换技术。因这种方法需要把多路信号分路接入链路，故抵消了波分复用的优点。解决这个问题的措施是在链路上利用波分复用方法，实现多路化链路的连接，空分-波分复全型光交换系统就是复合型光交换技术的一个应用。除此之外，还可将波分和时分技术结合起来得到另一种极有前途的复合型光交换，其复用度是时分多路复用度与波分多路复用度的和乘积。如它们的复用度分别为16，则可实现256路的时分----波分复合型交换。
（5）自由空间光交换可以看作是一种空分交换，然而这种交换方式在空分复用方面具有显著的特点，尤其是它在1mm范围内具有高达10um量级的分辩率，因此自由空间光交换方式被认为是一种新型交换技术。
除以上必须采取的关键技术外，为了进一步提高全光通信的系统容量及获得最大的传输距离，还可采用非线性（光孤子）传输技术、变换极限超短光脉冲的产生等技术。
第32卷 第4期光电工程V ol.32, No.4 2005年4月 Opto-Electronic Engineering April, 2005文章编号：1003-501X (2005) 04-0053-03 取样光纤布拉格光栅特性的研究 肖永良1，秦子雄1，曾庆科1，韦芙芽2 ( 1. 广西师范大学物理与信息工程学院，广西桂林 541004； 2. 南昌航空工业学院电子系，江西南昌 330034 ) 摘要：用传输矩阵法从理论上计算了取样光纤布拉格光栅的反射谱特性。这种方法将光栅视为多 层均匀薄膜的叠加，利用每一层的传输矩阵相乘获得了光栅的反射谱特性。研究表明，随着光栅长度的增加和采样率、折射率调制深度的减少，反射峰的均匀性得到了改善，旁瓣的反射率变小，带宽明显变窄，而反射峰间隔保持不变。反射峰的间隔由光栅周期决定，与采样率无关，而某些文献则要求采样率小于10%。这与频谱分析所得结论相吻合。 关键词：光纤光栅；取样光纤布拉格光栅；反射谱；传输矩阵 中图分类号：TN253 文献标识码：A Study on properties of sampled fiber Bragg grating XIAO Yong-liang1, QIN Zi-xiong1, ZENG Qing-ke1, WEI Fu-ya2 (1. College of Physics and Information Engineering, Guangxi Normal University, Guilin 541004, China; 2.Department of Electronics, Nanchang Institute of Aeronautical Technology, Nanchang 330034, China ) Abstract:Reflective spectral properties of sampled fiber Bragg grating is theoretically calculated by transfer matrix method. With this method, the grating is regarded as the overlapping of multi-layer uniform thin film and the reflective spectral properties of the grating are calculated by multiplying transfer matrix of each layer. The study shows that with the increase of grating length and the decrease of sampling rate and refractive index modulation depth, the uniformity of reflective peak will be improved, the reflectance of the side lobes will decrease slightly and the band width will be obviously narrowed but the interval between two reflective peaks is maintained constant. The interval between reflective peaks is determined by grating period and is independent of sampling rate. Some references require that the sampling rate must be less than 10%. This is consistent with the conclusion obtained from spectrum analysis. Key words: Optical fiber grating；Sampled fiber Bragg grating；Reflective spectrum；Transmission matrix 引言 光纤光栅具有插入损耗低、对偏振不敏感、与普通光纤接续简便、光谱响应特性动态可控以及结构紧凑、易于集成等特点。取样光纤光栅除有一般光纤光栅的优点之外，它的反射谱响应还具有通道多、通道间隔稳定、通带窄的独特特性，在现代大容量高速率波分复用光纤通信网中有着广阔的应用前景。由取样光栅构成的新型光子学器件有：多波长激光器、信道交错器、波分复用/解复用器和多信道色散补偿器等[1-4]。分析光纤光栅可以用傅立叶变换法和耦合模理论[5]。前者物理意义直观，但难于求解；后者采用数值法解 收稿日期：2004-08-05；收到修改稿日期：2004-12-19 基金项目：广西科学基金(桂科回0448011)；广西高校百名中青年学科带头人资助计划；广西师范大学校重点基金 作者简介：肖永良(1978-)，男(汉族)，湖南双峰人，硕士生，从事光纤通信器件与传感器方面的研究。E-mail: xylroc@https://www.doczj.com/doc/58997251.html,
光纤布拉格光栅(FBG)的光学传感技术 电子传感器数十年来一直作为测量物理与机械现象的标准机制。尽管具有普遍性，却因为种种限制，在许多应用中显得缺乏安全、不切实际或无法使用。基于光纤布拉格光栅(FBG)的光学传感技术，利用“光”作为介质取代“电”，使用标准光纤替代铜线，从而克服种种的挑战：由于光纤不导电且电气无源的良好特性，可以消除由电磁干扰(EMI)引起的噪声影响，并且能在少量损耗乃至不损耗信号完整性的前提下远距离传输数据。此外，多个FBG传感器可沿一根光纤通过菊花链(daisy chain)方式连接，极大减少了测量系统的尺寸、重量和复杂性。 1.FBG 光学传感器基础 1.1概述 近几十年以来，电气传感器一直作为测量物理与机械现象的标准设备发挥着它的作用。尽管它们在测试测量中无处不在，但作为电气化的设备，他们有着与生俱来的缺陷，例如信号传输过程中的损耗，容易受电磁噪声的干扰等等。这些缺陷会造成在一些特殊的应用场合中，电气传感器的使用变得相当具有挑战性，甚至完全不适用。光纤光学传感器就是针对这些应用挑战极好的解决方法，使用光束代替电流，而使用标准光纤代替铜线作为传输介质。 在过去的二十年中，光电子学的发展以及光纤通信行业中大量的革新极大地降低了光学器件的价格，提高了质量。通过调整光学器件行业的经济规模，光纤传感器和光纤仪器已经从实验室试验研究阶段扩展到了现场实际应用场合，比如建筑结构健康监测应用等。 1.2光纤传感器简介 从基本原理来看，光纤传感器会根据所测试的外部环境参数的变化来改变其传播的光波的一个或几个属性，比如强度、相位、偏振状态以及频率等。非固有型 (混合型) 光纤传感器仅仅将光纤作为光波在设备与传感元件之间的传输介质，而固有型光纤传感器则将光纤本身作为传感元件使用。 光纤传感技术的核心是光纤–一条纤细的玻璃线，光波能够在其中心进行传播。光纤主要由三个部分组成：纤芯(core)，包层(cladding)和保护层(buffer coating)。其中包层能够将纤芯发出的杂散光波反射回纤芯中，以保证光波在纤芯中具有最低的传输损耗。这个功能的实现原理是纤芯的光折射率比包层的折射率高，这样光波从纤芯传播到包层的时候会发生全内反射。最外面的保护层提供保护作用，避免外界环境或外力对光纤造成损坏。而且可以根据需要要强度和保护程序的不同，使用多层保护层。
光纤布拉格光栅温度应力传感器 崔丽 10401067 摘要：光纤光栅传感器是一种新型的波长编码传感器，与传统的“光强型”和“干涉型”光纤传感器相比，具有很强的抗干扰能力，为温度、应力、应变等物理量的精确测量提供了很好的方法。本文在对光纤布拉格光栅温度和应力传感原理分析的基础上，讨论了多种解决交叉敏感问题的方法，归纳出建立“复用”传感器的一般方法。文章同时给出了基于悬臂梁结构的传感器，其位移与Bragg波长的关系，进而提出了光纤光栅位移和温度“复用”传感器的基本结构和原理。 关键词：光纤布拉格光栅；温度；应力；传感器 1. 引言 光纤光栅是近几年发展最快的光纤无源器件之一。自从1978年加拿大渥太华通信研究中心的K. O. Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏效应，并采用驻波写入法制成世界上第一只光纤光栅[1,2]开始，直到1989年，美国联合技术研究中心的G. Meltz等人实现了光纤Bragg光栅(FBG)的UV激光侧面写入技术[3]，才使得光纤光栅的制作技术实现了突破性的进展。其后，1993年，K. O. Hill等人提出了相位掩膜制造法，光纤光栅的制造技术得到了更进一步地发展[4]，使它灵活的大批量制造成为可能，之后，光纤光栅器件逐步走向实用化。 光纤传感技术是伴随着光导纤维及光纤通信技术发展而迅速发展起来的，一种以光为载体、光纤为媒质、感知和传输外界信号(被测量)的新型传感技术。光纤光栅传感器是一种用光纤布拉格光栅（FBG）作敏感元件的功能型光纤传感器。自1989年Morey报道[5]将其用于传感技术以来，光纤光栅在传感领域的理论和应用研究引起了人们的极大兴趣[6-9]。光纤光栅通常是通过外界参量对布拉格中心反射波长的调制来获取传感信息的。作为一种波长调制型的光纤传感器，它除了具有普通光纤传感器抗电磁、抗腐蚀、耐高温、重量轻、体积小等优点外，与传统的“光强型”[10]和“干涉型”[11]光纤传感器相比,还具有自身独特的优点[12-14]：探头结构简单，尺寸小，易于与光纤耦合，耦合损耗小；与光源强度、光源起伏、光纤弯
第42卷第8期 2015年8月Vol.42,No.8August,2015中国激光CHINESE JOURNAL OF LASERS 多峰光纤布拉格光栅传感信号的自适应寻峰处理 陈勇1杨凯1刘焕淋2* 1重庆邮电大学工业物联网与网络化控制教育部重点实验室,重庆400065 2重庆邮电大学光纤通信技术重点实验室,重庆400065 摘要针对寻峰算法不能自适应检测光纤布拉格光栅(FBG)多峰值光谱的问题，提出了一种多峰自适应寻峰算法。 采用滑动均值滤波法对光谱信号进行去噪预处理，并结合希尔伯特变换对多峰光谱自适应峰值区域分割；分析了 谱峰的不对称特性，对单峰光谱采用基于非对称广义高斯模型的峰值修正策略，实现了峰值的精确定位。实验结 果表明，与对比算法相比所提算法寻峰精度最高，稳定性最好，检测误差在1pm 以下，对分布式传感网络中的多峰 值检测具有借鉴意义。 关键词光纤光学;多峰寻峰算法;光纤布拉格光栅;自适应;非对称光谱 中图分类号TP212文献标识码A doi:10.3788/CJL201542.0805008 A Self-adaptive Peak Detection Algorithm to Process Multi-peak Fiber Bragg Grating Sensing Signal Chen Yong 1 Yang Kai 1Liu Huanlin 21Key Laboratory of Industrial Internet of Things &Network Control,MOE,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China 2Key Laboratory of Optical Fiber Communication Technology,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China Abstract To the problem of the peak detection that could not be adaptively solved in the multi-peak fiber Bragg grating (FBG)signal,a self-adaptive multi-peak detection algorithm is proposed.This algorithm uses the sliding mean filtering method to remove the noise in spectral signal,and combines with the Hilbert transform to adaptively segment the peak area of the multi-peak spectrum.By analyzing the asymmetric characteristic of spectral peak, a peak value is compensated by the strategy based on the asymmetric generalized Gaussian model for improving position precision of spectral peak.Experimental results show that the proposed algorithm could gain higher accuracy and better stability than the comparing algorithms,and the detection error is under 1pm.The proposed algorithm impacts on the multi-peak detection of distributed sensor networks. Key words fiber optics;multi-peak detection algorithm;fiber Bragg grating;self-adaptive;asymmetric spectrum OCIS codes 060.3735;070.2025;070.4790 收稿日期:2015-03-12;收到修改稿日期:2015-04-12 基金项目:国家自然科学基金(61275077)、重庆市研究生科研创新项目(CYS14151) 作者简介:陈勇(1963—)，男，博士，教授，主要从事光纤传感检测及其信号处理等方面的研究。 E-mail:chenyong@https://www.doczj.com/doc/58997251.html, *通信联系人。E-mail:liuhl@https://www.doczj.com/doc/58997251.html, 1引言光纤布拉格光栅(FBG)作为一种光纤传感器件，由于其具有易弯曲、耐腐蚀、耐高温、安全性高、易串接复用、对宿主材料结构性能影响小等特点，被广泛应用于土木工程、石油化工、航空航天等工程领域。工程中将FBG 传感器复用构成分布式传感网络，以实现恶劣环境下大型复杂工程结构的实时在线监测[1-3]。FBG 传感系统是通过建立其反射谱中心波长漂移量与待测物理参量间的函数关系，间接实现对待测参量变化量的
征文专题号： P-5 倾斜布拉格光纤光栅及应用研究 刘波1，苗银萍2，张昊1 (1 南开大学信息技术科学学院，天津，300071 2 天津理工大学电子信息工程学院，天津，) 摘要：自上世纪70年代，Hill等人成功地写制了第一根布拉格光纤光栅以来，光纤光栅特别是布拉格光栅，以其低插入损耗，易于集成，稳定性好等优点被广泛应用于光通信及传感领域，成为了不可缺少的光学元件。与普通布拉格光栅相比，倾斜布拉格光纤光栅的成栅面与光纤轴向垂直面呈一定角度的倾斜。因此，其耦合特性与布拉格光栅有很大区别，并且因倾斜角度而不同。当倾斜角度较小时，其存在前向基模与后向基模以及后向包层模的耦合。随着角度增大，前向基模与后向基模耦合减弱，与后向包层模的耦合增大。当倾斜角大于一定角度时，前向基模向前向包层模耦合，耦合强度随角度增大而增大。小角度倾斜布拉格光栅由于布拉格峰的存在而自身能够解决交叉敏感问题，从而在实际中得到了广泛的应用。 由于耦合到包层中的模式很容易受到外界环境参量的调制，倾斜光纤光栅可以设计成各式各样的传感元件。利用这一特性，我们设计出了基于强度解调的倾斜布拉格光纤光栅的折射率传感器，实现了在1.3723到1.4532范围内，灵敏度为-1.913dBm/折射单位的传感。将聚乙烯醇涂敷在倾斜布拉格光栅的栅区，利用聚乙烯醇吸收水分后折射率发生改变的特性，设计出湿度传感器，实现了相对湿度在20%~74%范围内灵敏度为2.52dBm/湿度百分比以及相对湿度为74%~98%范围内灵敏度为14.947dBm/湿度百分比的传感。利用倾斜光栅浸入液体的长度不同响应不同的特性设计出了液位传感器，实现了测量范围为14mm，灵敏度为0.1dBm/mm的传感。进一步实验证明，这种基于强度解调的液位传感对于温度并不敏感。对倾斜光栅的栅区进行腐蚀，其温度灵敏度不会发生变化而对折射率的灵敏度随腐蚀程度增大而增大。此外，将倾斜光栅浸入功能性液体材料能得到其他物理参量的测量，如将倾斜光栅浸入磁流体中，我们设计出了磁场传感器。 小角度的倾斜布拉格光栅的耦合特性包括前向基模与后向基模的耦合，以及前向基模与后向包层模的耦合，由此产生了两种不同类型的谐振峰。利用这两类谐振峰对大部分外界参量响应不同可以实现单个倾斜布拉格光栅的双参量传感。由于温度对于基模和包层模有效折射率的影响一致，倾斜光栅的包层模谐振峰与布拉格谐振峰的温度响应是一致的，而对于应变的响应不同，我们设计出了应变温度双参量传感。其布拉格峰与包层模谐振峰温度响应为11.1pm/°C，应变响应分别为：K Bragg,ε=0.657pm/με，K Clad, ε=0.766pm/με。对倾斜光栅进行弯曲，我们得到布拉格峰及Ghost峰的不同响应：布拉格峰与曲率呈线性关系而Ghost峰与曲率呈二次函数关系。另外，不同弯曲方向的包层模谐振峰的响应也不同。 利用谐振峰线性边沿的特性提出了倾斜光栅线性沿解调理论。应用该理论以及布拉格峰与包层模谐振峰温度响应一致的特性设计出了基于倾斜光栅的动态温度补偿系统的应变传感器。 此外，我们利用相位掩膜紫外侧写技术在柚子型光纤上写制了倾斜角为2°~5°的倾斜布拉格光栅，研究了传感特性。对其填充功能性材料能够实现其他物理量的传感，如填充磁流体能够实现磁场的传感。
光纤光栅的发展历史 在光纤中掺入锗元素后光纤就具有光敏性，通过强激光照射会使其纤芯内的纵向折射率呈周期性变化，从而形成光纤光栅。光纤光栅的作用实际上是在纤芯内形成一个窄带滤波器。通过选择不同的参数使光有选择性地透射或反射。 1978年，Hill等首次发现掺锗光纤具有光敏效应，随后采用驻波法制造了可以实现反向模式间耦合的光纤光栅——布拉格光栅。但是它对光纤的要求很高——掺锗量高，纤芯细。其次，该光纤的周期取决于氩离子激的光波长，且反射波的波长范围很窄，因此其实用性受到限制。 1988年，Meltz等采用相干的紫外光形成的干涉条纹侧面曝光氢载光纤写入布拉格光栅的全息法制作光光栅技术。与驻波法相比，全息法可以通过选择激光波长或改变相干光之间的夹角在任意波段写入光纤布拉格光栅，推动了光纤光栅制作技术的发展。全息法对光源的相干性要求很严，同时对周围环境的稳定性也有较高的要求，执行起来较为困难。 1993年，Hill等使用相位掩膜法来制作光栅，即用紫外线垂直照射相位掩膜形成的衍射条纹曝光氢载光纤。由于这种方法制作的光栅仅由相位光栅的周期有关而与辐射光的波长无关，所以对光源的相干性的要求大大降低。该方法对写入装置的复杂程度要求有所降低，对周围环境也要求较低，这使得光栅的批量生产成为可能，极大地推动了光纤光栅在通信领域的应用。 自1978年首个光纤光栅问世以来，光纤光栅的制作方法和理论研究都获得了飞速发展，这促进了其在通信领域的推广和应用。在光纤布拉格光栅的基础上，人们研制出特殊光栅，比如啁啾光纤光栅，高斯变迹光栅升余弦变迹光栅，相移光纤光栅和倾斜光纤光栅等。1995年，光纤光栅实现了商品化。1997年，光纤光栅成为光波技术中的标准器件。 光栅光纤的应用 光想光上具有体积小，熔接损耗小，与光纤全兼容，抗电磁干扰能力强，化学稳定和电绝缘等特点，这使得它在光纤通信和光信息处理等领域得到了广泛的应用。在光纤通信中，光纤光栅可以用于光纤激光器、光纤放大器、光栅滤波器、色散补偿器、波分复用器，也可以用于全光波长路由和光交换等。它为全光通信中的许多关键问题提供了有效的解决方案。 光纤光栅用作激光器。光栅具有窄带滤波的功能，这可以使其实现稳定的高功率的线性腔和环形腔激光输出。光纤布拉格光栅的波长选择连续可调、调谐范围大、线宽窄、输出功率高和相对强度噪声低等优点。 光纤光栅用作干涉仪。将光纤布拉格光栅和光纤耦合器结合使用，可以构成干涉仪。其中比较常见的有法布利波罗干涉仪、萨格纳克干涉仪、马赫增德尔干涉仪和迈克尔逊干涉仪。法布里波罗干涉仪常用来制作激光器。 光栅光纤用作放大器。光纤放大器的研究主要集中在掺饵光纤上，但掺饵光纤放大器具有增益不平坦性，这导致不同频率的信号光的放大倍数不同，影响了信息的传输质量。可以使用布拉格光栅的反射或滤波特性来提高放大器的性能。把光栅写入掺饵光纤中，可以使增益谱线平坦的同时又不会影响放大器的噪声系数和饱和输出功率。 光栅光纤用于色散补偿。在阻带附近，普通光栅光纤的色散参量要比普通光纤高出几个数量级，该特性可以使其用于色散补偿。半极大全宽度为40ps的脉冲在长度为100km、波长为1550nm色散为-20ps2/km的光纤传输后，脉冲展宽为144ps，在经过长度为10cm、失谐量为9.9cm?1耦合系数为50cm?1的光栅补偿后脉冲宽度变为46ps。啁啾光栅的带宽和色散都很大，也可以用于色散补偿。但和普通光栅相比，啁啾光栅需要更复杂的设计，同时还须要增加一个光环行器或耦合器，这会增加系统的插入损耗。如果增加普通光栅的写入长度或增加光栅的强度，也可以达到提高压缩比率和增加带宽的目的。 光纤光栅用作滤波器。普通光栅在阻带内的反射率很容易超过90%，选取适当的参数甚
1.1.1光纤布拉格光栅在光纤传感领域中的典型应用 1.按测量种类分类 1）单参量测量 光纤光栅的单参数测量主要是指对温度，应变，浓度，折射率，磁场，电场，电流，电压，速度，加速度等单个参量分别进行测量。用一宽带发光二极管作为系统光源，利用光谱分析仪进行布拉格波长漂移检测，这是光纤光栅作为传感应用的最典型结构。 2）双参量测量 光纤光栅除对应力，应变敏感意外，对温度变化也有相当的敏感性，这意味着在使用中不可避免地会遇到双参量的相互干扰。为了解决这一问题，人们提出了许多采用多波长光纤光栅进行温度，应变双参量同时检测的实验方案。在工程结构中，由于各种因素相互影响，交叉敏感，因此这种多参数测量技术尤其重要。目前多参数传感技术中，研究最多的是温度—应变的同时测量技术，也有人进行了温度—弯曲，温度—折射率，温度—位移等双参数测量以及温度—应变—振动—负载的多参数测量。 3）分布式多点测量 将光纤光栅用于光纤传感的另一优点是便于构成准分布式传感网络，可以在大范围内对多点同时进行测量。典型的基于光纤光栅的准分布传感网络，可以看出其重点在于如何实现多光栅反射信号的检测。虽然方法各异，但均解决了分布测量的核心问题，为实用化研究奠定了基础。 2按应用领域分类 1）在土木工程中的应用 土木工程中的结构健康检测是光纤光栅传感器应用中最活跃的领域。对于桥梁，隧道，矿井，大坝，建筑物等来说，通过测量上述结构的应变分布，可以预知结构内 的局部载荷状态，方便进行维护和状况监测。光纤光栅传感器既可以贴在现存结构的表面，也可以在浇筑时埋入结构中对结构进行实时测量，监视结构缺陷的形成和生长。而且，多个光纤光栅传感器可以串接成一个网络对结构进行分布是检测，传感信号可以传输很长距离送到中心监控室进行遥测。 2)在航空航天及船舶中的应用 增强碳纤维复合材料抗疲劳，抗腐蚀性能较好，质量轻，可以减轻船体或航天器的重量，已经越来越多地被用于制造航空航海工具。在复合材料结构的制造过程中埋放光纤光栅传感器，可实现飞行器或船舰运行过程中机载传感系统的实时健康检测和损伤探测。 一架飞行器为了监测压力，温度，振动，起落驾驶状态，超声波场和加速度情况，所需要的传感器超过100个，美国国家航空和宇宙航行局对光纤光栅传感器的应用非常重视，他们在航天飞机上安装了测量应变和温度的光纤光栅传感网络，对航天飞机进行实时健康检测。 为全面衡量船体的状况，需要了解其不同部位的变形力矩，剪切压力，甲板所受的冲击力，普通船体大约需要100个以上的传感器，因此复用能力极强的光纤光栅传感器最适合于船体检测。 3)石油化工中的应用 石油化工业属于易燃易爆的领域，电类传感器用于诸如油气罐，油气井，油气管等地方的测量具有不安全的因素。光纤光栅传感器因其本质安全性非常适合在石油化工领域里应用。美国CiDRA公司发展了基于光纤光栅的监测温度，压力和流量等热工参量的传感技术，并将其应用于石油和天然气工业的钻井监测，以及海洋石油平台的结构检测。
目录 1 绪论 (1) 1.1 研究目的及意义 (1) 1.2 光纤光栅发展历史 (2) 1.3 光纤光栅传感的优点 (3) 1.4 光纤光栅传感的发展和应用情况 (4) 1.5 存在的问题 (6) 1.6 论文的主要内容及工作 (7) 2. 光纤光栅的简介 (8) 2.1 光纤光栅的分类 (8) 2.2 光纤光栅高温传感器的封装工艺研究 (10) 2.2.1 现有封装工艺分析 (10) 2.2.2 光纤光栅高温传感器的封装工艺 (12) 2.3 光纤光栅制作技术 (13) 2.3.1 干涉写入法 (13) 2.3.2 逐点写入法 (14) 2.3.3 组合写入法 (14) 3. 光纤布拉格光栅传感原理 (16) 3.1 光纤光栅传感原理 (16) 3.2 光纤布拉格光栅耦合模理论 (17) 3.2.1 光纤布拉格光栅特性 (17) 3.2.2 耦合模理论[26] (19) 3.3 光纤布拉格光栅温度传感原理[28] (25) 3.4 FBG温度传感器的响应时间 (27) 3.4 光纤布拉格光栅解调技术 (30) 3.4.1 非平衡M-Z光纤干涉仪法 (30) 3.4.2 可调谐光纤F-P滤波法 (32) 3.4.3 匹配光栅法 (32) 4. 系统的设计 (34)
4.1 光纤光栅温度传感系统 (34) 4.2 高温测试的分析 (34) 4.3 FBG温度传感器响应时间的测试 (35) 4.4 实验仿真 (36) 5 结论 (43) 参考文献 (44) 致谢 (46)
1 绪论 1.1 研究目的及意义 光纤传感技术是伴随着光导纤维及光纤通信技术发展而迅速发展起来的一种以光为载体、光纤为媒质、感知和传输外界信号（被测量）的新型传感技术。光纤布拉格光栅是用光纤布拉格光栅（FBG）作敏感元件的功能型光纤传感器，以其抗电磁干扰、灵敏度高、体积小等优点，越来越广泛应用于传感器领域。将其埋入材料或者结构，以通过光纤布拉格光栅传感器的传感特性监测内部的物理变化如应变、温度、压力，进行全面有效的在线实时监测，增加对材料制造过程中以及工作期间的状态透明度。与传统的传感器相比，光纤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，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.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.光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连接及祸合损耗、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、高分辨力。 正是由于这些独特的优点，使得光纤布拉格光栅已成为目前最具有发展前途，最具有代表性的光纤无源器件之一，其应用领域也日渐扩展。 温度传感是光纤布拉格光栅传感器最重要的应用之一。光纤布拉格光栅反射波长的漂移量是其在温度传感理论中的重要参数。作为温度传感元件，人们希望光纤布拉格光栅具有大的温度灵敏度，以期获得高的温度分辨率。然而，由于光纤光栅材料的热光系数和热膨胀系数都较小，光纤光栅的温度灵敏度非常低，并且裸光栅本身易损坏，这些问题严重影响着光纤光栅在传感领域的应用。并且，光纤布拉格传感器在进行高温测试时能测量的温度有所局限，不能满足目前某些特定领域的测量。因此，为了解决这些问题，本课题着重对用光纤布拉格传感器应用到高温测试以及光纤布拉格温度传感器响应
光纤布拉格光栅理念原理与技术特征 利用硅光纤的紫外光敏性写入光纤芯内，从而在光纤上形成周期性的光栅，故称为光纤光栅。光纤光栅传感器属于光纤传感器的一种，基于光纤光栅的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格波长的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器。 当今光纤光栅传感网络是集信号传感和传输双重作用于一体的网络结构形式，多个传感器需要按照一定的网络拓扑结构组合在一起，并通过同一个光电终端来控制和协调工作，从而实现多个传感信号的探测、识别和解调的功能。在此以光纤布拉格光栅传感器及其网络技术为典例作说明。 应用光纤布拉格光栅传感器对与温度和应变相关的物理量进行测量是目前监控领域中先进的传感技术之一。 目前，在结构变形和温度监测中，普遍采用周期 光纤布拉格光栅传感器的结构是利用紫外激光在光纤纤芯上刻写一段光栅，当光源发出的连续宽带光Li通过传输光纤射入时，在光栅处有选择的反射回一个窄带光Lr，其余宽带光Lt继续透射过去，在下一个具有不同中心波长的光栅处进行反射，多个光栅阵列形成光纤布拉格光栅(FBG)传感网络。各FBG反射光的中心波长为，=2n，式中，n 为纤芯的有效折射率；为纤芯折射率的调制周期。 作用在FBG传感器结构上有入射光谱与反射光谱及透射光谱等3种光谱。而反射回来的窄带光的中心波长随着作用于光纤光栅的温度和应变成线性变化，中心波长的变化量为。 对于光纤光栅反射中心波长(短周期光纤光栅)或透射中心波长(对长周期光纤光栅) 与介质折射率有关，在温度、应变、压强、磁场等一些参数变化时，中心波长也会随之变化。通过光谱分析仪检测反射或透射中心波长的变化，就可以间接检测外界环境参数的变化，即其变化量与应变量及温度变化相关。 基于FBG传感网络的分析仪可根据=2n，可以在反射光中寻址到每一个光栅传感器。根据变化量并利用参考光信息可以解调出被测量的温度和应变值。将FBG附着于材料性能和几何尺寸确定的机械结构上还可以制造基于应变的力传感器、位移传感器和振动传感器等。 采用FBG作为温度和应变测量的敏感元件最显而易见的优势就是实现全光测量，监测现场可以没有电气设备，不受电磁干扰。另一个最主要的优势是被测量用波长这种绝对量编码，不易受外部因素干扰，因而稳定性和可靠性极好。FBG传感器可以经受几十万次循环应变而不劣化，测量应变可以精确到。同时由于单路光纤上可以制作上百个光栅传感器，特别适合组建大范围测试网络，实现分布式测试。
光纤布拉格光栅(FBG)介绍 1 介绍 FBG是Fiber Bragg Grating的缩写，即光纤布拉格光栅。 在纤芯内形成的空间相位周期性分布的光栅，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。目前应用主要集中在光纤通信领域(光纤激光器、光纤滤波器)和光纤传感器领域(位移、速度、加速度、温度的测量)。 近年来，随光纤光栅的重要性被人们所认识，各种光纤光栅的制作方法层出不穷，这些方法各有其优缺点，下面分别进行评述。 2光纤光栅制作方法 2.1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人光栅。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。
2.2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。2.3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，使光纤中的人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。
光纤布拉格光栅写制技术研究 摘要：光纤光栅广泛应用于光纤传感和光纤通信领域，不同的应用场合对光纤光栅的特征参量提出了不同的要求。本文通过调节光纤光栅相位掩模法制作参数，测定不同参数对光纤光栅光谱特性的影响规律并分析其原因，进而通过写制参数控制光纤光栅的光谱形状，对制作确定光谱参数的光纤光栅具有指导意义。 关键词：光纤光学；光纤光栅；制作技术 中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）04-0092-03 1 引言 相位掩模法[1]是制作光纤布拉格光栅最常用的方法，在商业化的大批量生产中，一般通过制作大量光纤光栅，从中选取符合设计要求的使用。对于大规模光纤光栅传感阵列[2-4]，需要在单根光纤上制作多个具有确定性能的光纤光栅，这需要精确控制制作参数以保证写制光纤光栅的性能符合设计要求。光纤光栅新型器件[5-12]的制作需要将光纤光栅写在不同的波导结构上，同样需要对光栅写制参数的精确控制，因此，研究光纤光栅写制参数对其性能的影响规律具有重要的实用价值。 本文通过分析影响光纤光栅光谱特性的主要参数，搭建
光栅写制实验测试平台，通过调节准分子激光器的重复频率、脉冲能量、曝光时间及改变待刻栅光纤两端的预应力，测试写制参数对光纤光栅光谱特性的影响规律，为写制确定光谱特性的光纤光栅以及光纤光栅写制过程中的调整提供 指导。 2 写制参数控制实验 实验采用248nm准分子激光器曝光相位掩模板写入法，图1就是相位掩模法制作光纤光栅的示意图。 通过相位掩模法制作光纤光栅的工艺过程分析，有一些工艺制作因素对实际制作的光纤光栅性能影响颇为明显，我们选取准分子激光器的脉冲能量、重复频率和曝光时间、施加在光纤两端的预应力等写制参数作为研究对象，搭建光纤光栅制作系统，测试上述参数对光纤光栅光谱特性的影响规律，实验测试及分析过程如下： 2.1 曝光能量 ?x用载氢三周的普通抗弯光纤作为研究对象，写入光栅长度6mm，设定准分子激光器脉冲重复频率10Hz，光纤两端施加恒定0.5N的预拉力，用同一块相位掩模板，依次调节激光器输出能量为19kv、22kv、26kv、30kv，测试不同脉冲能量下写入光栅的特性差异。 从写制过程可看出，随着脉冲能量增大，刻写相同反射率光纤光栅所需的曝光时间减少，所能达到的最大反射率增
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。
一．布拉格光纤光栅原理 布拉格光纤光栅（FBG）是一种使用强烈的紫外线激光以空间变化的方式而刻录在标准、单模光纤中心的光学传感器。 UV Beam -- 紫外线激光束； FBG Region -- 布拉格光纤光栅区域； Fibre Core -- 光纤中心； FBG period Λ-- 布拉格光纤光栅周期； Fibre Cladding -- 光纤覆层； Polymer fibre coating -- 聚合物光纤涂层 短波长紫外线光子具有足够的能量打破高稳定度的氧化硅粘结料，破坏光纤的结构并轻微增加其折射率。两条连续的激光束之间或光纤与其遮罩物的干涉，会使紫外线光产生强烈的空间周期性变化，从而导致光纤的折射率相应地产生周期性的变化。在发生此变化的光纤区域形成的光栅会变为一个波长选择镜像：光沿着光纤往下传播并在每个微小变化处发生反射，但这些反射会在大多数波长上产生破坏性的干涉，并沿着光纤连续传播。然而，在某个特定的窄带波长范围内，会产生有用的干涉，这些干涉会沿着光纤返回。 布拉格波长λΒ由下式决定： λΒ=2neff Λ (1) 这里，neff 为激光在光纤内传播的有效折射率；Λ为布拉格光栅的周期。 从等式（1）可以看出，反射波长λΒ会受到光栅区域的物理或机械特性的变化的影响。例如，由于弹光效应，光纤上的应变会改变Λ和neff. 类似地，由于热光效应，温度的变化会导致neff 的改变；对于非约束光纤，Λ会受到热膨胀和热收缩的影响，如等式（2）所示。其中，等式右边的第一项描述应变对λΒ的影响，第二项描述温度对λΒ的影响。 ΔλΒ = λΒ(1-ρα)Δε + λΒ(α+ξ)ΔT (2) 式中，ΔλΒ为布拉格波长的变化，ρα, α和ξ分别表示弹光系数、热膨胀系数和热光系数，Δε表示应变的变化，ΔT表示温度的变化。对于刻录在二氧化硅上波长为λB ≈ 1550 nm的典型光栅，应变和温度的灵敏度分别约等于1.2 pm/με和10 pm/oC。 尤为重要的是，等式（2）的两项条件是独立的，这意味着布拉格光纤光栅（FBG）可通过将光纤与应变隔离，从而进行温度的测量；而具有温度补偿的应变测量可在温度确定的情况下进行，这种温度的确定通常来源于另一种应变隔离式布拉格光纤光栅（FBG）。 布拉格光纤光栅（FBG）除了可用于应变和温度测量外，还可通过植入换能器，用于压力、加速度、位移等测量。Smart Fibres公司不仅生产FBG传感器和换能器，还研发生产用于照射光纤以及调制解调布拉格反射的设备。 变化 ·可使用一种倾斜滤光片（可以是另一种布拉格光栅）直接将波长变化转换为光强变化。如果此滤光片随波长变化的透光比已知，那么，单模光栅上反射的窄带波长可通过测量和比较穿过和阻挡的光波的强度即可确定。对于具有如下左下图所示的透射谱的滤光器，当布拉格波长从λ1增加到λ2时，减少的透射强度及反射或阻挡的光波强度Ir 会相应地增加。这是对布拉格光纤光栅进行解调的最简