啁啾光纤光栅
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光栅布拉格光栅及其传感特性研究2一光纤光栅概述21.1 光纤光栅的耦合模理论21.2 光纤光栅的类型31.2.1 均匀周期光纤布拉格光栅31.2.2 线性啁啾光纤光栅31.2.3 切趾光纤光栅31.2.4 闪耀光纤光栅41.2.5 相移光纤光栅41.2.6 超结构光纤光栅41.2.7 长周期光纤光栅4二光纤布拉格光栅传感器52.1 光纤布拉格光栅应力传感器52.2 光纤布拉格光栅温度传感器62.3 光纤布拉格光栅压力传感器62.4 基于双折射效应的光纤布拉格光栅传感器7三光纤光栅传感器的敏化与封装103.1 光纤光栅传感器的温度敏化103.2 光纤光栅传感器的应力敏化103.2 光纤光栅传感器的交叉敏感及其解决方法10四光纤光栅传感网络与复用技术104.1 光纤光栅传感网络常用的波分复用技术114.1.1 基于波长扫描法的波分复用技术124.1.2 基于波长分离法的波分复用技术134.1.3 基于衍射光栅和CCD阵列的复用技术134.1.4 基于码分多址(CDMA)和密集波分复用(DWDM)技术144.2光纤光栅传感网络常用的空分复用技术144.3光纤光栅传感网络常用的时分复用技术164.4 光纤光栅传感网络的副载波频分复用技术184.4.1 光纤光栅传感副载波频分复用技术184.4.2 FBG传感网络的光频域反射复用技术184.5 光纤光栅传感网络的相干复用技术184.6 混合复用FBG传感网络184.6.1 WDM/TDM混合FBG网络184.6.2 SDM/WDM混合FBG网络184.6.3 SDM/TDM混合FBG网络184.6.4 SDM/WDM/TDM混和FBG网络184.6.5 光频域反射复用/波分复用混合FBG传感网络18五光栅光栅传感信号的解调方法18六激光传感器18光栅布拉格光栅及其传感特性研究一 光纤光栅概述1.1 光纤光栅的耦合模理论光纤光栅的形成基于光纤的光敏性,不同的曝光条件下、不同类型的光纤可产生多种不同的折射率分布的光纤光栅。
随着紫外写入光纤光栅制作技术的日趋成熟,人们逐渐认识到从光纤通信、光纤传感到光计算和光学信息处理的整个光纤领域都将由于光纤材料这种感光特性的发现而发生革命性的变化。
尤其是在光纤通信方面,光纤光栅将影响到从光发送、光放大、光纤色散补偿到光接收的几乎每个方面。
光纤光栅是利用光纤材料的光敏性(外界入射光子与纤芯离子相互作用引起的折射率的洋机永久性变化)在纤芯内形成空间相位光栅,其作用实质上是纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜,利用这种特性可以构成许多独特性能的光纤无源器件。
由光纤光栅提供选择性反馈的光纤激光器和半导体激光器已可实现线宽只有kHz量级的单纵模激光输出。
在EDFA中使用光纤光栅,可以在整个放大器带宽内实现平坦的增益并有效地抑制放大器的自发辐射噪声(ASE),同时极大地提高泵浦效率,从而对光信号实现接近理想水平的低噪声放大。
采用光纤光栅可以制成结构简单、性能优良的全光纤波分复用器,用单个器件即可同时实现上下话路的功能。
此外,适当设计的周期渐变(Chirp)光纤光栅在理论和实验上均被证明具有很强的色散补偿能力,它可以在很大程度上消除光纤色散对系统通信速率的限制。
除了其独特的光谱特征外,光纤光栅还具有体积小、插入损耗低以及与普通通信光纤良好匹配的优点。
利用光纤光栅对波长的良好选择性和上述基于光纤光栅的各种器件和技术,可以很方便地在光纤线路上实现超高速数据的波分复用和全光解复用。
因此,光纤光栅将是下一代超高速光纤通信系统中不可缺少的重要光纤器件。
1.光纤光栅在激光器中的应用在光纤通信系统中,能够进行高速调制的窄线宽单频激光器对于高速率光纤通信系统的建立具有十分重要的意义。
目前这种光源主要采用DFB或DBR结构的半导体激光器实现。
但是这种半导体单纵模激光器的芯片制作工艺复杂,成本高,不利于高速调制,并且难于实现激射波长在0.1nm精度上的严格控制。
光纤光栅的出现,在很大程度上使上述问题得到了解决。
为光纤光栅外腔半导体激光器的基本结构是将光纤布喇格光栅耦合在普通半导体激光器芯片镀有增透膜的输出端面上即构成该器件。
光纤光栅的原理概述及特征参量光纤光栅的形成方式主要是使用各类激光使光纤产生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(透射或反射)滤波器或反射镜,将确定频率/波长的导模反射,原理类似多层增反膜,其滤波波长称为布拉格波长,在确定条件下布拉格波长等于光栅所在位置的有效折射率乘以光栅几何周期,而有效折射率和光栅周期会随温度和应力状态改变,这也是光纤光栅应用于应力及温度传感的基础。
光纤光栅的用途及市场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。
传感器中光纤光栅自问世以来,已广泛应用于光纤传感领域。
由于光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、抗腐蚀、电绝缘、高灵敏度和低成本以及和普通光纤的良好的兼容性等优点,所以越来越受关注。
由于光纤光栅的谐振波长对应力应变和温度的变化敏感,所以主要用于温度和应力应变的测量。
这种传感器是通过外界参量(温度或应力应变)对Bragg光纤光栅的中心波长调制来获得传感信息的。
因此,传感器灵敏度高,抗干扰能力强,对光源能量和稳定性要求低,适合作精密、精确测量。
光纤光栅传感器现已占以光纤为主的材料的44.2 %。