光纖光柵技術(shù)與應(yīng)用.ppt

1,光纖光柵技術(shù)與應(yīng)用,From:GDFT,2,內(nèi)容,光纖光柵技術(shù)與應(yīng)用,3,Part1光纖及光通信技術(shù)簡介,4,通信波段劃分及相應(yīng)傳輸媒介,頻率Hz,5,光纖及光通信技術(shù)簡介,光纖光柵技術(shù)與應(yīng)用,光通信用光波載運信息，實現(xiàn)通信光纖通信以光波載運信息，用光纖作傳輸媒體，實現(xiàn)通信光纖通信的優(yōu)點頻帶寬、信息容量大傳輸損耗低、無中繼距離遠(yuǎn)材料豐富抗電磁干擾光纖間串話小，保密性好耐腐蝕、耐高壓體積小、質(zhì)量輕,6,光通信的發(fā)展,光纖光柵技術(shù)與應(yīng)用,光通信的發(fā)展過程,雛形：古代烽火、手旗、燈光,7,光纖基本理論,光纖光柵技術(shù)與應(yīng)用,菲涅耳定律：n1sin1=n2sin2,結(jié)論：若要實現(xiàn)全反射，則必須有n1n2,8,9,可見，光纖的數(shù)值孔徑（NA）僅取決于纖芯的折射率的大小及包層相對折射率差，而于光纖的直徑無關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)多模光纖的NA公稱值一般為0.2，對應(yīng)的孔徑角約為11.5。標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的NA公稱值一般為0.10.15，對應(yīng)的孔徑角約為5.78.6。,10,光纖結(jié)構(gòu),光纖結(jié)構(gòu),光纖光柵技術(shù)與應(yīng)用,11,光纖結(jié)構(gòu),光纖光柵技術(shù)與應(yīng)用,兩種常用光纖的結(jié)構(gòu)及其折射率分布,12,機械手Mechanicalhandle,13,光纜構(gòu)成,光纖光柵技術(shù)與應(yīng)用,常用光纜的典型構(gòu)成,14,國外光纖技術(shù)發(fā)展情況,光纖技術(shù)發(fā)展概況,光纖光柵技術(shù)與應(yīng)用,20世紀(jì)60年代中期，所研制的最好的光纖損耗在400dB以上1966年英國標(biāo)準(zhǔn)電信研究所高錕及Hockham從理論上預(yù)言光纖損耗可降至20dB/km以下日本于1969年研制出第一根通信用光纖損耗為100dB/km1970年康寧公司（Corning）采用“粉末法”先后獲得了損耗低于20dB/km和4dB/km的低損耗石英光纖1974年貝爾實驗室（Bell）采用改進的化學(xué)汽相沉積法制出性能優(yōu)于康寧公司的光纖產(chǎn)品。到1979年，摻鍺石英光纖在1.55m處的損耗已經(jīng)降到0.2dB/km，這一數(shù)值已經(jīng)十分接近由Rayleigh散射所決定的石英光纖理論損耗極限,15,光纖技術(shù)發(fā)展概況,光纖光柵技術(shù)與應(yīng)用,1963年開始光通信的研究1977年，第一根短波長(0.85mm)階躍型石英光纖問世，損耗為300dB/km1978年，階躍光纖的衰減降至5dB/km。研制出短波長多模梯度光纖，即G.651光纖1979年，研制出多模長波長光纖，衰減為1dB/km。建成5.7km、8Mb/s光通信系統(tǒng)試驗段1980年1300nm窗口衰減降至0.48dB/km，1550nm窗口衰減為0.29dB/km。1981年多模光纖活動連接器進入實用1984年武漢、天津34Mb/s市話中繼光傳輸系統(tǒng)工程建成(多模)1990年，研制出G.652標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，最小衰減達(dá)0.35dB/km1992年降至0.26dB/km,國內(nèi)現(xiàn)狀,16,1991年，研制出G.653色散位移光纖。最小衰減達(dá)0.22dB/km1997年，研制出G.655非零色散位移光纖“六五”、“七五”、“八五”鋪設(shè)“八縱八橫”光纖線路總長約七萬公里,光纖技術(shù)發(fā)展概況,光纖光柵技術(shù)與應(yīng)用,雖然光纖光纜的研制僅短短的20多年，其應(yīng)用卻已相當(dāng)普遍。迄今，已敷設(shè)光纜長度超過100萬km，光纜已敷設(shè)到世界屋脊西藏。生產(chǎn)光纜的廠家有200多家，每年所用光纖的數(shù)量超過400萬km。在實際網(wǎng)絡(luò)中，無論是核心網(wǎng)還是接入網(wǎng)，目前主要應(yīng)用的還是G.652光纖。在核心網(wǎng)中新建線路已開始采用G.655光纖，在接入網(wǎng)中已開始應(yīng)用光纖帶光纜。我國光通信領(lǐng)域已掌握了光纖、器件、系統(tǒng)等各方面的關(guān)鍵技術(shù)，逐漸走進了國際光通信的先進行列。尤其在主要技術(shù)上，都有了自己的特色和創(chuàng)新。,17,中國網(wǎng)通公司光纖通信網(wǎng)絡(luò),采用鐵道部光纖連接成環(huán)，總長3400km；江蘇/安徽/上海/江西/浙江/福建6省市，17個節(jié)點，52個傳輸站；系統(tǒng)容量162.5=400Gb/s；應(yīng)用IPoverSDH/WDM技術(shù)；2000年底開通運行,上海,石家莊,18,光纖通信系統(tǒng)方框圖,19,時分復(fù)用TDMTimeDivisionMultiplexing,OpticalFiber,20,Lucent公司研制的單波長速率320Gb/sOTDM試驗系統(tǒng)是目前單波長速率最高的系統(tǒng)。在發(fā)送端：20Gb/s電信號經(jīng)光調(diào)制器輸出光信號，再經(jīng)由20GHz驅(qū)動的半導(dǎo)體電吸收光調(diào)制器、再生器使20Gb/s的光信號的脈沖寬度壓縮變窄，之后采用延遲插入和極化正交的光時分復(fù)用OTDMMUX，產(chǎn)生出320Gb/s光信號。,21,波分復(fù)用WDMWavelengthDivisionMultiplexing,n,1,2,n,3,Demultiplexer,Multiplexer,1,2,3,22,Nortel和Worldcom公司聯(lián)合對1Tb/sWDM系統(tǒng)進行現(xiàn)場試驗。從美國Dallas到Longview市。全長200公里，采用單纖雙向傳輸。,23,密集波分復(fù)用(DWDM,DenseWavelengthDivisionMultiplexing)當(dāng)波分復(fù)用的峰波長之間的間隔為1.6nm，0.8nm或更低時(對應(yīng)的約為200G，100GHz或更窄的帶寬)。頻分復(fù)用(FDM,FrequencyDivisionMultiplexing)更為密集的波分復(fù)用。波分復(fù)用系統(tǒng)的主要缺點是由于WDM的插入損耗減小了系統(tǒng)的可用功率，信道間的串?dāng)_也會惡化接收機的靈敏度，最關(guān)鍵的是波分復(fù)用器件的價格仍太高。,24,時分波分復(fù)用Time-FrequencyDivisionMultiplexing,25,Lucent公司研制的3.28Tb/s試驗系統(tǒng)是目前容量最大的試驗系統(tǒng)。系統(tǒng)速率為40Gb/s,共82個波長光濾波器波長間隔為100GHz，系統(tǒng)工作于C和L兩個波段分別容納40和42個波長通道波分復(fù)用，后采用時分復(fù)用。,26,Part2光纖光柵,27,光纖光柵簡介,光纖光柵技術(shù)與應(yīng)用,光纖光柵是在光纖纖芯內(nèi)介質(zhì)折射率呈周期性調(diào)制的一種光纖無源器件，它是利用摻雜（如鍺、磷等）光纖的光敏性，通過某種工藝方法使外界入射光子和纖芯內(nèi)的摻雜離子相互作用導(dǎo)致纖芯折射率沿纖軸方向周期性或非周期性的永久變化，在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵。,28,K.O.Hill等人實驗原理示意圖,29,光纖光柵有如一道道的柵門，一個波長的光線經(jīng)過這一排柵門，就會被分解成很多道波長比較短的光線，不能通過柵門的光線就會被打回頭，由另一個儀器收集后交給接收者。其作用實質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的（透射或反射）濾光器或反射鏡。,光纖光柵簡介,光纖光柵技術(shù)與應(yīng)用,30,根據(jù)光纖光柵周期的長短及均勻性的不同，光纖光柵可分為短周期光柵(BraggGrating，也稱光纖反射光柵)長周期光柵(LongPeriodGrating，也稱光纖透射光柵)和啁啾光柵(ChirpedGrating，又稱為非周期光柵)。,31,FBG有較小且均勻的周期，一般約為0.51m，具有反射固定波長之特性。多用于溫度、應(yīng)力以及以此為基礎(chǔ)而發(fā)展出的振動、流量、載荷疲勞、結(jié)構(gòu)損傷、腐蝕等方面的分布式檢測系統(tǒng)。,光纖布拉格光柵,32,啁啾光柵,33,啁啾通常是指一種頻率變化的現(xiàn)象，如果Bragg光纖光柵的周期或折射率沿長度方向發(fā)生一定變化，則其Bragg頻率沿長度方向也會發(fā)生一定變化，即發(fā)生了啁啾，這種光纖光柵就稱為啁啾光纖光柵。啁啾可以是線性的也可以是非線性的，周期沿長度方向線性變化的光柵稱為線性啁啾光柵。,34,色散產(chǎn)生原理示意圖,波長色散的起因有兩個：1）折射率隨波長呈非線性變化，色散系數(shù)與折射率的二階導(dǎo)數(shù)成正比，稱為材料色散；2）傳播常數(shù)與波長呈非線性關(guān)系，色散系數(shù)與傳播常數(shù)的二階導(dǎo)數(shù)成正比，稱為波導(dǎo)色散。,35,36,長周期光柵,光纖光柵技術(shù)與應(yīng)用,LPG周期在100m以上。其主要特性則是透射光在耦合的波長下將耦合到光線薄層中去損耗掉，而不是被反射。這樣在某些不需要回波、甚至盡量避免回波的場合，長周期光柵將一展身手。另外，長周期光柵對環(huán)境的變化與FBG相比更加敏感。但是，在實際應(yīng)用中，長周期光柵還存在著一些局限性，比如：它對彎曲過于敏感，一個很小的彎曲會將他的峰值波長向短波方向移動；另外，由于它的透射譜具有幾個峰，且每個峰都有一定的帶寬，這限制了LPG在準(zhǔn)分布式傳感系統(tǒng)中的應(yīng)用。,37,Part3光纖光柵應(yīng)用,38,3S：SmartSkinSmartMaterialSmartStructure,39,分布式光纖傳感器測量是運用光纖的一維特性進行測量的技術(shù)，它可同時獲得被測量的空間分布狀態(tài)和隨時間變化的信息。它可以在整個光纖上對沿光纖分布的環(huán)境參數(shù)進行連續(xù)測量。在理論上，它可以把被測量作為光纖位置長度的函數(shù)，能得到任意大小的分辨率。,分布式光纖傳感系統(tǒng),40,1、反射法：利用光纖在外部擾動作用下產(chǎn)生的Reyleigh、Raman、Brillouin等效應(yīng)進行測量的方法。2、偏振光時域反射法(POTDR)：利用后向散射光的偏振態(tài)信息進行分布式測量的技術(shù)。3、波長掃描法(WLS)：用白光照射保偏光柵，運用快速Fourier算法來確定模式耦合系數(shù)的分布。4、干涉法：利用各種形式的干涉儀或干涉裝置把被測參量對干涉光路中光波的相位調(diào)制進行解調(diào)，從而得到被測參量信息的方法。,41,準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感結(jié)構(gòu),準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感系統(tǒng),光纖光柵技術(shù)與應(yīng)用,42,1、在光敏光纖同一位置重疊寫入兩個具有不同Bragg波長的光柵來區(qū)別溫度和應(yīng)變效應(yīng)；2、利用同一光纖Bragg光柵的一階和二階衍射效應(yīng)來區(qū)別出溫度和應(yīng)變效應(yīng)；3、采用特殊封裝、埋入方式的方法來消除溫度應(yīng)力的交叉敏感問題。,光纖光柵溫度去敏,光纖光柵技術(shù)與應(yīng)用,光纖光柵的溫度去敏,43,光纖光柵溫度補償裝置結(jié)構(gòu),44,采用空心玻璃球提高光纖光柵壓力靈敏度,45,準(zhǔn)分布式光纖光柵的信號解調(diào),準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感(光柵復(fù)用技術(shù))是光纖傳感器獨有的技術(shù)，能實現(xiàn)沿光纖鋪設(shè)路徑上分布場的測量，顯著降低系統(tǒng)成本，減少引線。光纖光柵通過波長編碼易于實現(xiàn)復(fù)用，這種復(fù)用光纖光柵傳感器在大型結(jié)構(gòu)(如水壩、橋梁、建筑物及飛行器等)的安全監(jiān)測方面有極為廣闊的應(yīng)用前景。,46,多波長移動探測解調(diào)技術(shù)1、利用光譜儀進行反射波長的掃描；2、通過匹配光柵法檢測光纖光柵的反射波長；3、利用“可調(diào)諧法布里-珀羅腔”方法檢測光纖光柵的反射波長；4、利用線陣CCD來同時探測多個光纖光柵反射波長的移動。,47,光纖光柵的封裝,在混凝土注入的過程中，由于混凝土中所含有的大量碎石的移動可能造成所埋入光纖的損傷。同時，混凝土中所含的水或羥基離子在應(yīng)力作用下與光纖表面進行反應(yīng)會加速光纖表面微裂紋的生長，最后導(dǎo)致光纖強度的削弱。另外，采用特定的封裝方式還可對由溫度造成的光纖光柵反射波長的漂移進行補償。,48,將光纖兩端固定在夾具上，移動其中一個夾具使得光纖光柵受到預(yù)應(yīng)變，此時利用濺鍍技術(shù)，在光纖中含有布拉格光柵的部分鍍上一層薄金屬層，再利用電化學(xué)方式在薄金屬層上鍍一層金屬（假設(shè)為銅），此層金屬和待測結(jié)構(gòu)物相同，鍍上銅后，將光纖自夾具取下，光纖的預(yù)應(yīng)變即會馬上消失，恢復(fù)到原先的初始狀態(tài)，而布拉格光柵的預(yù)應(yīng)變則被固定住，此時利用光譜分析儀所看到的光譜即為傳感器未受腐蝕的光譜，當(dāng)腐蝕發(fā)生時，由光柵所反射回來的光譜便會產(chǎn)生漂移，觀察漂移量，再利用數(shù)學(xué)方法計算出腐蝕量。,光纖光柵腐蝕檢測,49,光纖光柵的應(yīng)用幾乎滲透在光纖通信系統(tǒng)的每個角落，有關(guān)專家預(yù)言：