光纤技术

太原科技大学本科生课程考试试卷院、系（所）应用科学学院物理系姓名吴应发学号200918010133 专业光信息科学与技术任课教师李晋红考试课程光纤技术考试成绩一、在光纤通信方面，目前有那三个快速发展的趋势与光纤网络相关？二、相干光通信的基本原理是什么？光波分复用的基本原理是什么？三、1.一单模光纤的截止波长为λc ，现有一波长为λ，谱宽为△λ的激光入射到光纤中(λ＞λc)，传输距离为L ，色度色散和偏振色散分别为D c 和D p ，试求系统最大传输速率？2.某单模光纤按λ=1.2µm ，n 1=1.45，3105Δ-⨯=设计，当a =3.2µm 时，能满足V<2.405。

若将Δ降至3103-⨯，则a 大约增到4µm 。

证明：欲使光纤设计在可见光谱区仍能工作于单模，则a 应减小大约两倍。

光纤光栅传感器目录第一章光纤光栅传感器的概念 (4)第二章光纤光栅传感器的研究进程和展望 (4)1、光纤光栅传感器的研究进程 (4)2、光纤光栅传感器的展望 (4)第三章光纤光栅传感器的应用 (5)1、土木及水利工程中的应用 (5)2、航空航天中的应用 (8)3、船舶航运业中的应用 (8)4、石化工业中的应用 (13)第四章结论 (13)参考文献 (14)第一章光纤光栅传感器的概念光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的新型传感器，与常规的各类传感器相比有很多优点。

光纤传感器原理:研究光在调制区内,外界信号与光的相互作用,即研究光被外界参数的调制原理，外界信号可能引起光的强度,波长,频率,相位,偏振态等光学性质的变化,从而形成不同的调制。

光栅传感器是光纤传感器的一种，单纯的光纤传感器是分布式测量，不支持实时测量，光纤光栅传感器是多点测量，支持实时测量，光纤光栅传感器是利用光纤光栅的形变导致的光波波长位移来测应力应变温度等等，而光纤传感器是利用光波被外界环境调制引起参数变化，比如光强、波长、频率、相位等。

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。

第二章光纤光栅传感器的研究进程和展望1、光纤光栅传感器的研究进程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根光纤光栅。

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，使光纤光栅的制作技术实现了突破性进展。

1993年，K.O.Hill等人利用紫外激光通过相位模板后的+1级衍射光相干形成的周期性明暗条纹对光纤曝光，制作光纤光栅，提出了相位掩模成栅技术。

同年，P.J.Lemaire等人提出了一种简单而有效的光纤敏化技术。

自此光纤光栅器件逐步走向实用化，也在世界各地掀起了光纤光栅技术及其应用的研究热潮。

2、光纤光栅传感器的展望目前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。

光纤光栅是目前也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。

对光纤光栅的研究和开发正逐步深入到光纤通信系统的每一个细节，从波分复用系统的合波/分波、光纤放大器的增益平坦、色散补偿，到全光网络上下路、波长路由、光交换等，光纤光栅的应用将推动高速光通信的发展，将在未来的高速全光通信系统中扮演重要的角色。

在光纤光栅研究成果转化方面目前国内外的差距还不算太大，我国应集中力量发展民族光电子产业，使光纤光栅研究成果尽早产业化，为国家经济服务。

第三章光纤光栅传感器的应用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.。

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。

（1）在桥梁安全监测中的应用目前, 应用光纤光栅传感器最多的领域当数桥梁的安全监测。

斜拉桥斜拉索、悬索桥主缆及吊杆和系杆拱桥系杆等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体系,如结构加固采用的锚索、锚杆也是关键的受力构件。

上述受力构件的受力大小及分布变化最直接地反映结构的健康状况,因此对这些构件的受力状况监测及在此基础上的安全分析评估具有重大意义。

加拿大卡尔加里附近的Beddington Trail 大桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一(1993 年), 16 个光纤光栅传感器贴在预应力混凝土支撑的钢增强杆和炭纤复合材料筋上,对桥梁结构进行长期监测, 而这在以前被认为是不可能。

德国德累斯顿附近A 4 高速公路上有一座跨度72 m的预应力混凝土桥, 德累斯顿大学的Meis－sner 等人将布拉格光栅埋入桥的混凝土棱柱中, 测量荷载下的基本线性响应, 并且用常规的应变测量仪器作了对比试验, 证实了光纤光栅传感器的应用可行性。

瑞士应力分析实验室和美国海军研究实验室, 在瑞士洛桑附近的V aux 箱形梁高架桥的建造过程中, 使用了32个光纤光栅传感器对箱形梁被推拉时的准静态应变进行了监测, 32个光纤光栅分布于箱形梁的不同位置、用扫描法- 泊系统进行信号解调。

（2）在混凝土梁应变监测中的应用1989年, 美国Brown University 的Mendez 等人首先提出把光纤传感器埋入混凝土建筑和结构中, 并描述了实际应用中这一研究领域的一些基本设想。

此后, 美国、英国、加拿大、日本等国家的大学、研究机构投入了很大力量研究光纤传感器在智能混凝土结构中的应用。

在混凝土结构浇注时所遇到的一个非常棘手的问题是: 如何才能在混凝土浇捣时避免破坏传感器及光缆。

光纤Bragg光栅通常写于普通单模通讯光纤上, 其质地脆, 易断裂, 为适应土木工程施工粗放性的特点, 在将其作为传感器测量建筑结构应变时,应采取适当保护措施。

一种可行的方案是：在钢筋笼中布置好混凝土应变传感器的光纤线路后, 将混凝土应变传感器用铁丝等按照预定位置固定在钢筋笼中, 然后将中间段用纱布缠绕并用胶带固定。

而对粘贴式钢筋应变传感器一般则用外涂胶层进行保护。

2003年9月，上海紫珊光电技术有限公司自主研发的光纤光栅传感应变计埋设于混凝土中对北京中关村某标志性建筑进行静态应变测量。

上海紫珊光电技术有限公司自主研发的光线光栅应变计具有精度高（一般为1με，如果是小量程的应变测量，可以达到0.5με）、可靠性高、安装方式多样、使用方便等优点，成功应用于北京中关村某标志性建筑中，布设在钢梁上并埋设在混凝土中对支柱钢梁进行施工过程监测。

埋入混凝土后（3）在水位遥测中的应用在光纤光栅技术平台上研制出的高精度光学水位传感器专门用于江河、湖泊以及排污系统水位的测量。

传感器的精度可以到达±0.1％F·S。

光纤安装在传感器内部，由于光纤纤芯折射率的周期性变化形成了FBG，并反射符合布拉格条件的某一波长的光信号。

当FBG与弹性膜片或其它设备连接在一起时，水位的变化会拉伸或压缩FBG。

而且，反射波长会随着折射率周期性变化而发生变化。

那么，根据反射波长的偏移就可以监测出水位的变化。

（4）在公路健康检测中的应用公路健康监测必要性：交通是与人们息息相关的事情，同样也是制约城市发展的主要因素，可以说交通的好坏可以直接决定一个城市的发展命运。

每年国家都要投入大量资金用在公路修建以及维护上，其中维护费用占据了很大一部分。

所以在公路施工过程以及使用过程中进行健康检测是非常有必要的。

现在的公路一般分三层进行施工，分为底基层、普通层和沥青层，在施工过程中埋入温度以及应变传感器可以及时得到温度以及应变的变化情况，对公路质量进行实时监控。

详细了解施工材料的特点以及影响施工质量的因素。

传感器设计方案：由于公路施工过程中条件比较恶劣，主要问题有以下几点：（1）. 在沥青层铺设过程中温度可达160℃。

（2）. 在施工过程中，每层受到的压力达20t 以上。

（3）. 由于沥青层随着环境温度变化，其强度变化明显。

传感器需要能真实反映沥青层应变。

所以传感器在埋入过程中的成活率是最关键的问题。

首先为了解决高温的问题，传感器本身采用不锈钢材料封装，尾纤采用抗高温铠装光缆。

为了使传感器在强压力下仍然能继续工作，并且和沥青层比较好的配合，能真实反映沥青层挠度，设计传感器外形的时候可以采用增加沥青层与传感器的接触面积。

H 形FBGS-H 沥青计装配图与实物图如下：圆型FBGS-O 沥青计装配图与实物图如下：这样，在城市交通要道以及高速公路监测点埋入传感器，组建公路监测系统，统一监控。

在数据处理方面进行研究，除了能监测公路健康状况，还可实现车流量统计，对公路上超速超载情况进行监测等功能。

2、航空航天中的应用智能材料与结构的研究起源于20世纪80年代的航空航天领域。

1979年，美国国家宇航局（NASA）创始了一项光纤机敏结构与蒙皮计划，首次将光纤传感器埋入先进聚合物复合材料蒙皮中，用以监控复合材料应变与温度。

先进的复合材料抗疲劳、抗腐蚀性能较好，而且可以减轻船体或航天器的重量，对于快速航运或飞行具有重要意义，因此复合材料越来越多地被用于制造航空航海工具(如飞机的机翼)。

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X-33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的健康监测。

X-33是一架原型机, 设计用来作“国际空间站”的往返飞行。

BlueRoadResearch 联合美国海军空战中心和波音幻影工作组, 使用 B IueRoadResearch 生产的光纤光栅传感器对飞机的粘和接头完好性进行了评估。