端面反射对于取样光栅分布布拉格反射激光器及其集成器件性能的影响

基于机器学习的光纤布拉格光栅传感技术研究光纤布拉格光栅传感技术是利用光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）作为信号传输和反射元件，进行物理量或化学量测量的一种先进技术。

FBG传感器由于具有抗干扰、高灵敏度、低成本、便于集成等优点，被广泛应用于工业自动化、航空航天、海洋等领域。

近年来，随着机器学习技术的发展，基于机器学习的光纤布拉格光栅传感技术也进一步得到了发展和应用。

一、光纤布拉格光栅传感技术的优势光纤布拉格光栅传感技术具有以下几个优势：1. 高灵敏度：FBG传感器具有高灵敏度和高稳定性，能够对细微的物理量或化学量进行测量和监测。

2. 抗干扰：FBG传感器利用光学技术进行测量和反馈，免受电磁干扰影响，具有高抗干扰能力，能够在复杂环境下可靠地工作。

3. 低成本：传统的物理量或化学量测量方法需要昂贵的传感器和设备，而FBG传感器可以通过自制或批量化生产实现低成本生产，降低了生产和应用成本。

4. 便于集成：FBG传感器可以通过光纤技术与其他设备进行集成，实现多个传感器的同时监测和反馈，提高了生产效率和精度。

二、基于机器学习的光纤布拉格光栅传感技术的发展基于机器学习的光纤布拉格光栅传感技术是将机器学习技术应用于光纤布拉格光栅传感技术中，将传感器测得的数据通过算法和模型进行学习和处理，实现对物理量或化学量的精准预测和监测。

近年来，随着机器学习技术的发展和FBG传感器的应用范围的不断拓展，基于机器学习的光纤布拉格光栅传感技术也得到了快速发展和应用。

1. 监测结构健康光纤布拉格光栅传感技术可以用于监测结构健康状况，如桥梁、建筑物、大型机械等。

利用FBG传感器监测结构物的应力、挠度、变形等物理量，并将数据传输到机器学习算法中进行学习和处理，可以实现对结构健康状况的预测和监测。

2. 监测环境污染光纤布拉格光栅传感技术还可以用于监测环境的污染状况，如大气污染、水质污染等。

利用FBG传感器监测环境参数的变化，如气体浓度、水质指标等，并将数据传输到机器学习算法中进行学习和处理，可以实现对环境污染状况的预测和监测。

反射光栅原理1反射光栅原理反射光栅（Reflective grating）是一种拥有全矩形反射板和光线发射设备的光学元件，可以实现反射光和分光，广泛应用于各种光学技术和光通信技术。

1.1工作原理反射光栅的形成机理，是将激光发射到反射板上，反射板上布满精密镀亮的反射片片，使得反射板面上分布着微小棱镜，座线型棱镜反射出原先发出光束所有不同传播方向改变被称为反射光栅，精密镀亮的棱镜贴附在反射板上形成反射片分布均匀，因而分拆出固定的反射光束，而小的棱镜的发射角度也和它们的空间排列有关，其可以发射角度变为狭窄和大的棱镜安装准确度也影响光照强度，如果安装有偏差的话将会影响光的反射效果。

1.2实际应用由于它可以实现反射光和分光，所以它广泛应用在各种光学技术和光通信技术中。

它可以应用于照明，工业技术，配置，显示，传感，灯光，复刻，安全扫描，太阳能，无线电，消费类产品，电信，和医疗等领域。

它也可以被用于控制光线的方向，它可以增加光的穿透度，减少光照亮的位置，增强照明质量，提高节能率。

还可以被应用于光学仪器，仪器技术，瞬态调制，光纤通信技术，数据处理技术等。

1.3反射光栅的优缺点反射光栅拥有很好的穿透率，不仅可以由另一侧反射，一旦反射板上布满精密镀亮的反射片片其反射夹角也较大，当物体在反射时可以比较精确地达到要求的效果。

但它的缺点在于，棱镜分散的光改变反射角度时它的调节性差，尤其是微小棱镜时受制于涂层和空间排列。

另外因为空间要求比较高，故安装设计也要耗费更多时间和材料。

2结论反射光栅是一种重要的光技术工具，它可以用来进行光学技术和光通信技术的反射与分光，在光照，工业技术，灯光，复刻，安全扫描，太阳能，节能，无线电，消费类产品，电信，和医疗等多个领域都有广泛的应用，但由于反射片的安装准确度及其空间要求比较高，是其发挥效能的一大障碍。

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-=ΛΛ=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。

分布反馈式半导体激光器在实际工程系统中的应用摘要：DFB (Distributed Feed Back) DFB型光发射机，分布反馈（激光器）半导体激光器因其波长的扩展、高功率激光阵列的出现以及可兼容的激光导光和激光能量参数微机控制的出现而迅速发展、半导体激光器体积小、重量轻、成本低、波长可选择，其应用范围遍及的领域越来越宽广，其的出现带来了巨大的变化，使科技更发达，人们生活更加丰富多彩，应用范围遍及医学、科技、航天交通，通信等各个领域。

自从1962 年世界上第一台半导体激光器(Diode Laser)发明问世以来, 由于其体积小、重量轻、易于调制、效率高以及价格低廉等优点, 被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一. 四十几年来半导体激光器逐步应用在激光唱机、光存储器、激光打印机、条形码解读器、光纤电信以及激光光谱学中, 不断扩大应用范围, 进入了一些其它类型激光器难以进入的新的应用领域。

关键字: DFB、工作波长、边模抑制比、阈值电流、输出光功率一、分布反馈式半导体激光器简介1、分布反馈式半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件.其工作原理是,通过一定的激励方式,在半导体物质的能带之间,或者半导体物质的能带与杂质能级之间,实现非平衡载流子的粒子数反转,当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时,便产生受激发射作用.半导体激光器的激励方式主要有三种,即电注入式,光泵式和高能电子束激励式.电注入式半导体激光器,一般是由GaAS,InAS,Insb等材料制成的半导体面结型二极管,沿正向偏压注入电流进行激励,在结平面区域产生受激发射.光泵式半导体激光器,一般用N型或P型半导体单晶(如GaAS,InAs,InSb等)做工作物质,以其他激光器发出的激光作光泵激励.高能电子束激励式半导体激光器,一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物质,通过由外部注入高能电子束进行激励.在半导体激光器件中,目前性能较好,应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。

DFB分布式反馈激光器091041A 谢伟超DFB( Distributed Feedback Laser)，即分布式反馈激光器，其不同之处是内置了布拉格光栅（Bragg Grating），属于侧面发射的半导体激光器。

DFB激光器将布拉格光栅集成到激光器内部的有源层中（也就是增益介质中），在谐振腔内即形成选模结构，可以实现完全单模工作。

目前，DFB激光器主要以半导体材料为介质，包括锑化镓(GaSb）、砷化镓（GaAs）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。

DFB激光器最大特点是具有非常好的单色性（即光谱纯度），它的线宽普遍可以做到1MHz以内，以及具有非常高的边摸抑制比（SMSR），目前可高达40-50dB以上。

设计和制作在高速调制下仍能保持单纵模工作的激光器是十分重要的，这类激光器统称动态单模半导体激光器。

实现动态单纵模工作的最有效的方法之一，就是在半导体激光器内部建立一个布拉格光栅，靠光栅的反馈来实现纵模选择。

这种结构还能够在更宽的工作温度和工作电流范围内抑制模式跳变，实现动态单模。

分布反馈半导体激光器（DFB－LD）,在DFB－LD中，光栅分布在整个谐振腔中，所以称为分布反馈。

因为采用了内部布拉格光栅选择波长，所以DFB－LD的谐振腔损耗有明显的波长依存性，这一点决定了它在单色性和稳定性方面优于一般的F－P腔激光器。

结构及工作机理DFB激光器的激光振荡不是靠F—P腔来实现，而是依靠沿纵向等间隔分布的光栅所形成的光耦合，如图2—81所示。

图中光栅的周期为A，称为栅距。

当电流注入激光器后，有源区内电子——空穴复合，辐射出能量相应的光子，这些光子将受到有源层表面每一条光栅的反射。

在DFB激光器的分布反馈中，此时的反射是布拉格发射，光栅的栅条间入射光和反射光的方向恰好相反。

满足上式的那些特定波长的光才会受到强烈反射，从而实现动态单纵模工作。

式也称为分布反馈条件（一般m取1）。

DFB－LD的光栅是完全均匀对称的，使得其发光出现了两个主模同时振荡的现象。

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圭寸装工艺研究 (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] (24)3.4 FBG温度传感器的响应时间 (26)3.4光纤布拉格光栅解调技术 (29)3.4.1 非平衡M-Z光纤干涉仪法 (29)3.4.2可调谐光纤F-P滤波法 (30)3.4.3 匹配光栅法 (31)4. 系统的设计 (33)第I页共n页4.1 光纤光栅温度传感系统 (33)4.2高温测试的分析 (33)4.3 FBG温度传感器响应时间的测试 (34)4.4 实验仿真 (35)5 结论 (42)参考文献 (43)致谢 (45)第II 页共n页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。

南京邮电大学毕业设计(论文)开题报告题目可调谐激光器的研究学生姓名班级学号专业1. 对指导教师下达的课题任务的学习与理解可调谐半导体激光器是新一代密集波分复用系统以及全光网络中光子交换的关键光电子器件，它的运用使得光纤传输系统容量大大增加，灵活性和可扩展性大大增强，目前已经实现了宽波长范围的连续或准连续调谐，并有相应的产品投放市场。

随着以光纤为基础的大容量、长距离光通信网络的不断发展，密集波分复用(DWDM) 技术甚至波分复用(WDM) / 光学时分复用(OTDM) 系统的研制以及实用化已经获得了迅速的发展。

波长可调谐激光器不仅可用作DWDM 光源，而且还可用作分组交换网络结构器件、接入网波长路由器等[1] 。

2. 阅读文献资料进行调研的综述（1）可调谐激光器发展现状世界各公司和研究机构都在积极推进可调谐激光器的研发工作，在这一领域也不断取得新的进展。

可调谐激光器的性能不断完善，成本不断降低。

目前可调谐激光器主要分为两大类：半导体可调谐激光器和可调谐光纤激光器[2]。

半导体激光器是目前光通信系统中最为重要的光源，具有体积小，重量轻，转换效率高，省电等特点，便于与其他器件实现单片光电子集成。

可分为可调谐分布反馈激光器、分布布拉格反射镜激光器、微电机系统垂直腔面发射激光器和外腔半导体激光器。

可调谐光纤激光器作为增益介质的掺杂光纤工艺的成熟以及作为泵浦源的半导体激光二极管的发展极大地推动了光纤激光器的发展。

可调谐激光器是基于掺饵光纤80nm的增益带宽，在回路中加入滤波元件来控制激光器的激射波长，实现波长的调谐。

国际上对可调谐半导体激光器的研制十分活跃，进展也很快。

随着可调谐激光器在成本和性能方面与固定波长激光器的逐步接近，必然会越来越多地应用于通信系统，并在未来的全光网络中发挥重要作用[3]。

（2）可调谐激光器的特点可调谐激光器从实现技术上看主要分为：电流控制技术、温度控制技术和机械控制技术等类型。

其中电控技术是通过改变注入电流实现波长的调谐，具有ns级调谐速度，较宽的调谐带宽，但输出功率较小，基于电控技术的主要有SG-DBR（采样光栅DBR）和GCSR （辅助光栅定向耦合背向取样反射）激光器。

光纤光栅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。

定义光纤光栅是利用光纤材料的光敏性（外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起的折射率永久性变化），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。

主要特点光纤光栅具有体积小、波长选择性好、不受非线性效应影响、极化不敏感、易于与光纤系统连接、便于使用和维护、带宽范围大、附加损耗小、器件微型化、耦合性好、可与其他光纤器件融成一体等特性，而且光纤光栅制作工艺比较成熟，易于形成规模生产，成本低，因此它具有良好的实用性，其优越性是其他许多器件无法替代的。

这使得光纤光栅以及基于光纤光栅的器件成为全光网中理想的关键器件。

1978年K.O.Hill等人首先在掺锗光纤中采用驻波写入法制成第一只光纤光栅，经过二十多年来的发展，在光纤通信、光纤传感等领域均有广阔的应用前景。

随着光纤光栅制造技术的不断完善，光纤光敏性逐渐提高；各种特种光栅相继问世，光纤光栅某些应用已达到商用化程度。

应用成果日益增多，使得光纤光栅成为最有发展前途、最具代表性和发展最为迅速的光纤无源器件之一。

分类随着光纤光栅应用范围的日益扩大，光纤光栅的种类也日趋增多。

根据折射率沿光栅轴向分布的形式，可将紫外写入的光纤光栅分为均匀光纤光栅和非均匀光纤光栅。

其中均匀光纤光栅是指纤芯折射率变化幅度和折射率变化的周期(也称光纤光栅的周期)均沿光纤轴向保持不变的光纤光栅，如均匀光纤Brag光栅(折射率变化的周期一般为0.1um量级)和均匀长周期光纤光栅(折射率变化的周期一般为100um量级);非均匀光纤光栅是指纤芯折射率变化幅度或折射率变化的周期沿光纤轴向变化的光纤光栅，如chirped 光纤光栅(其周期一般与光纤Bragg光栅周期处同一量级)、切趾光纤光栅、相移光纤光栅和取样光纤光栅等。

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