光纖光柵傳感器

光纖光柵傳感器第一頁，共六十五頁，2022年，8月28日光纖的紫外光敏性1978，，加拿大渥太華研究中心發(fā)現(xiàn)光纖的光敏性所謂的光敏性，就是指當(dāng)材料被外部光照射時，引起該材料物理或化學(xué)特性的暫時或永久性變化的一種特性。光纖中的光敏性通常是特指光纖纖芯折射率在外部光源照射時發(fā)生改變的特性。在一定條件下，變化的大小與光強成線性關(guān)系并可保存下來。光纖的光敏性與摻雜有關(guān)。石英材料的分子結(jié)構(gòu)通常為四面體結(jié)構(gòu)，每個Si原子通過形成共價鍵與四個氧原子相連。由于純石英的吸收帶位于160nm處，對波長在190nm以上一直到紅外區(qū)的光具有大于90％的透過率。這些波長的光不會對石英材料的性質(zhì)產(chǎn)生任何形式的影響。因此，光纖的光敏性與摻雜有關(guān)。第二頁，共六十五頁，2022年，8月28日~500nm(Bragggrating:FBG)~200μm(Long-periodgrating:LPG)8μm1mmto1500mmSinglemodefibreCoreCladdingRegionswithhigherrefractiveindexthan

thatofcore’s光纖光柵1989，G.Meltz，美國聯(lián)合研究中心，側(cè)向?qū)懭敕?，通信波長的光纖光柵。UV125μm第三頁，共六十五頁，2022年，8月28日光纖光柵的重要性光纖光柵的實質(zhì)是在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的（透射或反射）濾波器或反射鏡，利用這一特性構(gòu)成光纖無源器件傳輸損耗低、抗電磁干擾、質(zhì)量輕、柔韌、化學(xué)穩(wěn)定及電絕緣光纖光柵在光纖通信系統(tǒng)中的重要作用，類似于傳傳統(tǒng)光學(xué)中透鏡的作用第四頁，共六十五頁，2022年，8月28日FBG（fiberBragggrating)型高精度應(yīng)用問題解調(diào)技術(shù)復(fù)用技術(shù)LPG(longperiodgrating)型靈敏的溫度、應(yīng)力傳感器機械感應(yīng)式LPG光纖光柵傳感器第五頁，共六十五頁，2022年，8月28日1、光纖光柵的原理2、光纖光柵的制作3、光纖光柵的應(yīng)用4、光纖光柵技術(shù)的展望第六頁，共六十五頁，2022年，8月28日1、光纖光柵的原理

FBG是通過紫外光曝光的方法，使光纖纖芯內(nèi)產(chǎn)生折射率的周期性變化，其分布函數(shù)可以表示為：

z是沿光纖縱向的坐標(biāo)，0是光柵起點的周期；ndc是有效折射率微擾的直流分量；nac是有效折射率微擾的交流分量；是一個附加的相位項，表示光柵的啁啾，它們都是z的函數(shù)。

第七頁，共六十五頁，2022年，8月28日光纖光柵的模式耦合理論在光柵區(qū)域，光纖芯區(qū)光場滿足方程：而光柵中的光場包括前向基模、后向基模和包層模，因此，可以表示為：將它帶入光場方程，通過化簡可以得到第八頁，共六十五頁，2022年，8月28日

利用模式之間的正交性，光纖中傳輸?shù)膬蓚€光波，只有當(dāng)其傳播常數(shù)β1，βj滿足Bragg條件：光柵周期這兩個波之間會才發(fā)生能量的耦合。第九頁，共六十五頁，2022年，8月28日光纖Bragg光柵（FBG）

輸入環(huán)形器

FBG123（1）當(dāng)β1-（-β1）=2π/∧時，即同向纖芯基模與反向纖芯基模之間滿足相位匹配時，該光柵被稱為Bragg光柵（FBG）第十頁，共六十五頁，2022年，8月28日FBG透射和反射特性第十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日FBG的特性A、均勻光柵B、切趾光柵C、啁啾光柵幾類FBG的折射率分布第十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日第十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日LPG

輸入

LPGLPG（長周期）（2）特別的β1-βj=2π/∧時，即纖芯基模與同向傳輸?shù)陌鼘幽Ｖg滿足相位匹配時，該光柵被稱為長周期光柵（LPG）第十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日閃耀光纖光柵閃耀光柵的光柵周期與折射率調(diào)制深度均為常數(shù)，但其光柵波矢方向卻不是與光纖軸線相一致，而是與其成一定的角度。閃耀光柵不僅引起反向?qū)Рｑ詈?，而且還將基階模耦合至包層中損耗掉。第十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日閃耀光纖光柵寫入第十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日超結(jié)構(gòu)光纖光柵又稱取樣光柵，折射率調(diào)制是周期性間斷的，相當(dāng)于在光纖Bragg光柵或啁啾光纖光柵的折射率調(diào)制上又加一個調(diào)制函數(shù)第十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日相移光纖光柵是指在光纖Bragg光柵的某些點，通過一些方法破壞其周期的連續(xù)性而得到的，每個不連續(xù)連接都會產(chǎn)生一個相移。第十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日相移光纖光柵的透射譜其主要特點是在Bragg反射帶中打開透射窗口，使波長具有更高的選擇性，通過選擇合適的相移點位置和相移量，能夠使光纖光柵更好地滿足EDFA增益平坦的需要；常采用相移相位掩模法第十九頁，共六十五頁，2022年，8月28日Moire光纖光柵采用兩個具有微小周期差異的紫外條紋對光纖的同一位置進(jìn)行二次曝光的結(jié)果，其譜特征是在反射帶中開了很窄的透射窗口。第二十頁，共六十五頁，2022年，8月28日變跡光纖光柵采用特殊形式對光纖Bragg光柵的折射率調(diào)制深度進(jìn)行調(diào)制，可形成變跡光柵，這種光柵具有豐富的譜特性，通過改變其調(diào)制函數(shù)及其他有關(guān)參數(shù)可根據(jù)需要控制其反射譜形狀。第二十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日啁啾光纖光柵l3l2l1接縫接縫啁啾光纖光柵的周期不是常數(shù)而是沿軸向單調(diào)變化的,是一個非周期的光柵間距，可改變軸向的光柵周期Λ或光纖纖芯折射率或同時改變兩者獲得。第二十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日2、光纖光柵的制作光纖光柵的制作方法有很多種，如縱向駐波干涉法，雙光束橫向干涉寫入法，相位模版法等。其中相位模版法以其工藝簡單、重復(fù)性好、成品率高、便于大規(guī)模生產(chǎn)、光柵周期與光源無關(guān)等優(yōu)點而得到廣泛的應(yīng)用。

第二十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日前提：光敏光纖普通光纖氫載光纖中摻入光敏性雜質(zhì)，如：鍺、錫、硼等；或多種摻雜。第二十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日載氫增敏技術(shù)1、載氫增敏技術(shù)

1993年AT&TBell實驗室的P.J.Lemaire摻鍺光纖的載氫增敏技術(shù)。摻鍺3％光纖被放入氣壓為2.0-76MPa，溫度為20－75℃的氫氣中，形成載氫光纖。載氫光纖在紫外光照射或加熱時將引起氫氣和摻鍺石英光纖之間產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生光致折射率變化，光敏性可提高1－2個數(shù)量級，折射率變化提高兩個數(shù)量級。還有載氘光纖。特別說明，載氫光纖形成的折射率變化是持久的，由于光纖中存在未反應(yīng)的氫，使光纖光柵的折射率隨時間變化而變化，引起紫外寫入光柵的Bragg波長的變化。室溫條件下放置2個星期下降11％。解決方法：1）加速老化，用事后熱處理來穩(wěn)定波長；2）載氫光纖先經(jīng)均勻曝光處理再寫入光柵；第二十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日在鍺硅光纖材料中，摻入B、Sn或Al等元素可提高光纖材料的光敏性，其中以B/Ge雙摻雜光纖材料的光敏性最強，其光敏性要比含鍺量相當(dāng)?shù)膯螕芥N光纖材料要高出約一個數(shù)量級。這些光纖都可以采用MCVD技術(shù)生產(chǎn)。因此，對這種高度光敏光纖材料的研究具有很大的意義。（1）避免了對光纖材料進(jìn)行長時間且具有危險性的氫氣敏化處理。（2）可避免由于載氫增敏在光柵區(qū)域引起的羥基吸收損耗；這一損耗在長度較大的Chirp光纖光柵中是十分嚴(yán)重（3）提高了光柵的制作效率。如果對B/Ge雙摻光纖材料進(jìn)一步載氫處理，可以在較短的曝光時間內(nèi)獲得很高的光柵反射率。光纖中摻入光敏性雜質(zhì)第二十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日成柵的紫外光源準(zhǔn)分子激光器窄線寬準(zhǔn)分子激光器倍頻Ar離子激光器倍頻染料激光器倍頻OPO激光器第二十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日相位模版法制做光纖光柵LaserBeam-1級+1級0級<3%TranslationofUVBeam相位模板光敏光纖zn0n0+neffn干涉區(qū)域光斑逐點掃描，通過控制曝光量來控制折射率振幅改變量第二十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日KrF準(zhǔn)分子激光器相位掩膜板環(huán)行器EDFA光敏光纖光譜儀匯聚柱透鏡計算機駐點掃描法高精度掃描平臺UV第二十九頁，共六十五頁，2022年，8月28日例如，模版的刻蝕周期為

m=1068nm,光柵周期=

m/2=534nm，光纖有效折射率Neff=1.45,反射譜中心波長：B=

2Neff=1550nm.第三十頁，共六十五頁，2022年，8月28日

FBG作為濾波器最大的問題是反射譜的旁瓣。它由于光纖光柵兩端折射率突變引起邊界效應(yīng)導(dǎo)致的。旁瓣會給其它信道帶來竄擾。折射率調(diào)制振幅不連續(xù)、外界擾動、光纖的不均勻、相位掩模板的接縫誤差等會引起FBG的群時延抖動。

抑制旁瓣和紋波的主要方法是采用切趾型光柵，就是使兩端折射率分布逐漸遞減至零，消除了折射率突變，可以分為高斯切趾、余弦切趾、采樣函數(shù)切趾等。光纖光柵的切趾第三十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日切趾的作用反射譜曲線時延曲線普通切趾反射譜曲線時延曲線第三十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日光纖光柵的封裝光纖光柵的溫度特性0.014nm/℃

21000

510000第三十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日窄帶濾波器寬帶帶阻濾波器梳狀帶阻濾波器光脈沖壓縮光纖色散補償光纖激光器波分復(fù)用器放大器增益平坦光纖傳感器模式轉(zhuǎn)換器光纖光柵的波長選擇反射特性、時延特性以及中心波長對外界條件的敏感性等特征3、光纖光柵的應(yīng)用第三十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日

G.652光纖在1550nm附近典型參數(shù)為色散量在17ps/km/nm左右1000/17=59km;60/17=4km目前多數(shù)G.655光纖的色散量多在6～8ps/km/nm左右1000/7=143km；60/7=9km

無論是在G.652光纖還是在G.655光纖上開通10Gbit/s以上的系統(tǒng)都需要色散補償。色散補償是超長距離光纖通信系統(tǒng)的關(guān)鍵光纖光柵色散補償?shù)谌屙?，共六十五頁?022年，8月28日Chirped

Bragggrating??

?

llonglshortl3l2l1

啁啾光纖光柵ChirpedFibreBraggGratings第三十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日啁啾光柵用作色散補償啁啾光柵的色散：2neffL/c/Dlc

neff

：有效折射率；c：光速

Dlc：光柵兩邊緣反射波長之差.5cm長的線性啁啾光柵可以補償100km的10Gb/(光譜寬度0.3nm)傳輸線的色散優(yōu)點：體積小、插損小、低非線性易調(diào)諧等。第三十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日色散補償光纖光柵測試結(jié)果啁啾光柵的折射率調(diào)制周期延軸向呈線性變化時，

即，光柵的時延曲線為一條直線。第三十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日誤碼率曲線與眼圖(b)3100km(a)1500km第三十九頁，共六十五頁，2022年，8月28日光纖光柵傳感系統(tǒng)國外應(yīng)用概況第四十頁，共六十五頁，2022年，8月28日航天飛機X-33上溫度，應(yīng)變監(jiān)測瑞典SMART的國家計劃，光纖光柵監(jiān)視戰(zhàn)斗機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)美國宇航研究院光纖光柵自適應(yīng)機翼美國全光纖水聽拖曳陣列(AO-TA)和共形水聽陣列(LWPA)英國全光纖海底聲監(jiān)視系統(tǒng)美海軍和航運公司合作GCRMTC計劃，已成功將光纖光柵傳感大規(guī)模用于船舶、潛艇損傷監(jiān)測)阿林頓海軍研究辦公室資助光纖光柵海軍艦艇結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測比利時、日本、法國等用于核電站安全監(jiān)測英美等用光纖光柵監(jiān)測火藥安全……光纖光柵傳感軍用第四十一頁，共六十五頁，2022年，8月28日大壩、邊坡、隧道、建筑等土木工程安全監(jiān)測發(fā)達(dá)國家?guī)缀跛袠蛄旱陌踩O(jiān)測都采用光纖光柵傳感技術(shù)德西門子等公司等已用于大型電機和高壓傳輸電纜美CIDRA和英SunartFibersLtd等用于輸油管線和海洋石油……光纖光柵傳感民用第四十二頁，共六十五頁，2022年，8月28日光纖光柵傳感系統(tǒng)在國內(nèi)的應(yīng)用第四十三頁，共六十五頁，2022年，8月28日典型市場應(yīng)用(1)石油石化08年啟動、09年規(guī)劃、10年啟動并且達(dá)到建設(shè)高峰長遠(yuǎn)看好：石油戰(zhàn)略儲備由目前7～10天，到2020年規(guī)劃到60～90天預(yù)計每年翻一翻第四十四頁，共六十五頁，2022年，8月28日典型市場應(yīng)用(2)公路隧道還可以快速發(fā)展2～3年，每年>500公里的項目建設(shè)重點在西部、云貴、東北等地區(qū)“珠—港—澳”隧道工程超過100公里第四十五頁，共六十五頁，2022年，8月28日典型市場應(yīng)用(3)地鐵、高鐵國家對鐵路建設(shè)的投資進(jìn)一步加大，達(dá)到6000億湖北4條200Km以上時速城際鐵路建設(shè)投資450億國家地鐵市場將有20年的建設(shè)期產(chǎn)品應(yīng)用在“火災(zāi)報警、異物侵限、輪軸技術(shù)、軌道變形、基礎(chǔ)沉降”等方面第四十六頁，共六十五頁，2022年，8月28日典型市場應(yīng)用(4)橋梁監(jiān)測全國新老橋梁60萬座，每年新增～1萬座橋梁超過1Km以上的特大橋1254座建設(shè)部已經(jīng)有專門文件要求加強特大橋的長期健康監(jiān)測第四十七頁，共六十五頁，2022年，8月28日典型市場應(yīng)用(5)智能別墅、周界安防、石油管線防盜已經(jīng)有產(chǎn)品成功應(yīng)用在智能別墅小區(qū)大型場所的可定址周界安防：飛機場、邊界、敏感軍事設(shè)施與基地石油管線防盜缺少有效手段，光纖光柵傳感器有可能提供解決方案第四十八頁，共六十五頁，2022年，8月28日典型市場應(yīng)用(6)大型機械裝備安全監(jiān)測飛機發(fā)動機等大型旋轉(zhuǎn)機械裝備安全監(jiān)測港口翻車機安全監(jiān)測港岸橋起重機大型浮吊安全監(jiān)測第四十九頁，共六十五頁，2022年，8月28日典型市場應(yīng)用(7)冶金電力市場電纜溝在線溫度監(jiān)測電纜接頭測溫、高壓開關(guān)柜電纜隧道