光纤光栅及其传感技术

光纤光栅传感技术的基本原理及其优缺点

基本原理

光纤光栅是利用光纤材料的光敏性：即外界入射光子和纤芯相互作用而引起后者折射率的永久性变化，用紫外激光直接写入法在单模光纤的纤芯内形成的空间相位光栅，其实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜。

常用的Bragg光纤光栅属于反射型工作器件，当光源发出的连续宽带光（下图中Ιi）通过传输光纤射入时，它与光场发生耦合作用，对该宽带光有选择地反射回相应的一个窄带光（下图中Ιr），并沿原传输光纤返回；其余宽带光（下图中Ιt）则直接透射过去，在下一个具有不同中心波长的光纤光栅处进行反射，多个光纤光栅阵列形成光纤光栅传感网络。

各光纤光栅反射光的中心波长λ为：

（1）

式中n为纤芯的有效折射率；Λ为纤芯折射率的调制周期。目前，在结构变形和温度监测中，普遍采用周期Λ＜1 μm的短周期光纤光栅传感器，其反射波长人称为Bragg波长。根据式（1），解调出反射光波长即可以寻址到光纤光栅传感网络中每个传感器。

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：

（2）

式中ε为应变量；Δt为温度变化量。由式（2）可知，光纤光栅反射光中心波长同时受温度和应变的影响，比较成熟的方法是采用同种温度环境下的光纤光栅温度补偿传感器进行克服。

光纤光栅传感器可以用于应力、应变或温度等物理量的传感测量，具有较高的灵敏度和测量范围。在光纤若干个部位写入不同栅距的光纤光栅，就可以同时测定若干部位相应物理量及其变化，实现准分布式光纤传感。

光纤光栅传感技术的优点在于：

1）抗电磁干扰，传输距离远。

2）多个不同类型的传感器可以在一条光纤上串接复用，增加了系统容量。

3）以反射光的中心波长表征被测量，系统安装及长期使用过程中无需定标。

4）适合结构健康监测（SHM）系统中长距离动静态应变信号（电压信号微弱，易受干扰）的采集。

光纤光栅传感技术的缺点在于：

光通信中的光纤光栅技术

光通信发展至今已有数十年的历史，伴随着技术的不断进步，光通信系统的带宽逐渐加大，距离变得更远。在这个过程中，光纤光栅技术（Fiber Bragg Grating，FBG）应运而生，成为实现光通信高效稳定传输的重要手段之一。本文将从光纤光栅技术的原理、制备和应用等方面进行分析探讨。

一、光纤光栅技术的原理

光纤光栅技术是一种光纤传感技术，基于Bragg衍射原理实现。Bragg衍射原理是指当光波垂直入射到一个具有等间隔折射率变化的介质中时，在该介质内部会发生衍射现象。此时，入射光波的一部分将被反射回来，反射光波与入射光波形成了一条干涉光路，呈现出若干个互相衬托的衍射峰，这些峰的形成与介质参数的均匀性有关。

在光纤光栅的情景中，光纤轴向周期性发生折射率的变化，形成了光栅的结构。当光波进入光栅结构后，其中一部分光波将被反射回来，其反射光波的频率满足：

λB=2neΛ

其中，λB为Bragg衍射波长，ne为折射率，Λ为光栅垂直于光纤轴向的周期。

这种原理下，可以通过微调光栅的周期、折射率的变化及光栅长度，通过制备FBG，将其应用于光通信技术中。

二、光纤光栅技术的制备

FBG的制备需要先制备光栅。制备光栅的方法主要有两种，一种是光刻法，另一种是相机法。

光刻法制备FBG：使用光刻技术，在光学玻璃片表面形成光刻胶图案，然后通过电子束曝光、显影、重复处理，形成光栅。

相机法制备FBG：使用激光将光栅图案投影到硅片上，再通过化学腐蚀方式取下硅片表面非光栅部分来制得光栅。

制备好的光栅需要粘在光纤的端面或裸露部位，然后在光栅表面对准波长和幅值调节等进行校准，形成FBG。

三、光纤光栅技术的应用

1. 光通信

光栅的反射波长可以通过不同波长的传输来进行制备，这样可以实现在光通信系统中的复用。同样，FBG技术也可以实现线性、瞬态及非线性光学特性的研究。

2. 压力、温度等环境监测

FBG结构在纤维力学传感中可使用。比如，在火山岩浆或区域板块中进行温度或压力的监测。 因为光纤传感器可以精确制备，因此监测的精度高。FBG也可用于风力发电机，可以通过FBG的技术获得旋转部件的位置进行监测。

光纤光栅传感技术发展综述

摘要：

本文立足于专利文献，对有关光纤光栅传感技术的发展进行分析，并对技术的发展路线、发展方向以及发展前景进行了总结，为相关领域的工作提供一定的技术支持和引导。

关键词：光纤光栅；传感技术；解调

一、技术概述

光纤光栅传感器是一种波长调制型传感器，外界物理量的变化使光纤光栅反射波中心波长产生偏移，通过监测波长偏移量实现对外界物理量的传感，由于光纤光栅具有强的抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高温等优点，因此取得了广泛的应用。本文立足于专利文献，通过对光纤光栅传感技术进行了一定的梳理，为光纤光栅传感器的研发、应用和专利申请提供一定的支撑和参考。

二、技术分支及其发展状况

通过查阅相关专利及文献，光纤光栅传感技术发展经历了光纤光栅的传感机理研究、光纤光栅传感器的制作封装、光纤光栅传感器的应用和光纤光栅传感的解调四个过程，其中在光纤光栅的传感应用方面，主要用于温度、应力、流量等参数的测量及桥梁监测方面的应用；对于解调技术，主要对光纤光栅传感系统中的光源稳定性、存在串扰和应用高精度、快速解调算法的研究，如图1所示。

图1光纤光栅传感的技术分支图

图2为光纤光栅传感技术的演进历程，光纤传感技术的研究始于20世纪70年代末，1978年加拿大渥太华通信研究中心的Hill等人首次在掺锗石英光纤中发现光纤的光敏效应，并制成了世界上第一支被称为“Hill光栅”的光纤光栅，开创了光纤光栅的研究与应用；1989年，美国的Meltz等人发明了紫外光侧面写入光敏光栅的技术，迅速促进了光纤光栅制作技术及其应用研究的发展；90年代初期，对于光纤光栅的研究主要在于光纤光栅传感机理及简单的制作；对于光纤光栅传感的解调也处于基础研究阶段，主要为光谱仪检测、滤波解调等简单的解调方法的研究。

本栏目责任编辑：谢媛媛　。。。开发研究与设计技术。　光纤光栅传感技术的原理与应用　王　颖　（云南农业职业技术学院信息工程系，云南昆明６５００３１）　摘要：简要介绍了光纤光栅传感技术的基本原理：通过测量波长的漂移实现对被测量的检测；介绍了光纤光栅所具备　的传统光纤传感器所没有的特点：自定标和易于在同一根光纤内集成多个传感器复用；以及光纤光栅在高精度测温领域、　高分辨率应变测量领域、高分辨率液位测量领域三大方面的应用。　关键词：光纤光栅；原理；应用　中图分类号：ＴＰ３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９—３０４４（２００７）２３—４１２９７—０３　Ｔｈｅ　Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｆｉｂｅｒ　Ｄｉｆｒａｃｔｉｏｎ　Ｇｒａｔｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＷＡＮＧ　Ｙｉｎｇ　ｕｎｎａｎ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ＣｏＵｅｇｅ，Ｉｎｆｏｍａａｔｉｏｎ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｋｕｎｍｉｎ　６５００３１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ　ｇｒａｔｉｎｇ：ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ　ｗｈｉｃｈ　ｓｕｒｖｅｙｓ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｓｕｒｖｅｙ　ｗａｖｅ　ｌｅｎｇｔｈ　ｄｒｉｆｔｉｎｇ．Ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ　ｇｒａｔｉｎｇ：ｅａｓｙ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｓ　ｍａｎｙ　ｓｅｎｓｏｒｓ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｉｄｅｎｔｉｃａｌｒｏｏｔ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｄｕｐｌｉｃａｔｅ　ｔｏ　ｕｓｅ．Ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ　ｇｒａｔｉｎｇ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ　ｇｒａｔｉｎｇ；ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　１光纤光栅传感技术的原理　光纤ｂｒａｇｇ光栅ＦＢＧ于１９７８年问世【ｌｊ，这种简单　的固有传感元件，可利用硅光纤的紫外光敏性写入光　纤芯内，图ｌ描述了光纤光栅的基本原理。