光纖光柵在各大測量領域的應用研究

2023/2/4光纖光柵在各大測量領域的應用研究2023/2/4主要內(nèi)容：1、光纖光柵的原理、分類2、光纖光柵在光通信中的應用-----以線性啁啾光纖光柵為例3、光纖光柵濾波選頻作用-----以微波光子濾波器中的相移布拉格光柵為例4、光纖光柵在傳感領域的應用5、光纖光柵的未來應用展望2023/2/41、光纖光柵的原理、分類光纖光柵實際上是一小段光纖，利用芯區(qū)摻鍺的光纖在紫外光的照射下折射率發(fā)生永久性改變的現(xiàn)象，使它的芯區(qū)折射率沿縱向發(fā)生周期性的改變，可以把光柵直接“寫入”光纖之中。描述光纖光柵的理論方法有：耦合模理論;轉移矩陣方法;Fourier變換法;2023/2/4

圖1、光纖Bragg光柵的折射率分布相位掩膜法、逐點寫入法、振幅掩膜法、雙光束干涉法2023/2/4分類：根據(jù)芯區(qū)折射率沿縱向變化規(guī)律的不同，按不同的標準，光纖光柵可以分為不同的種類。按周期長度，可分為短周期光纖光柵和長周期光纖光柵；按周期變化規(guī)律，可分為啁啾光纖光柵和非啁啾光纖光柵；按波導結構，可分為均勻光纖光柵和非均勻光纖光柵等。2023/2/42、光纖光柵在光通信中的應用----以線性啁啾光纖光柵為例我們知道，一般而言，光纖中存在三種常見的色散，包括：模式色散，材料色散和波導色散，其中波導色散和材料色散將導致單模光纖中傳輸?shù)拿}沖展寬，影響通信質量。光纖中也有很多的色散補償措施，包括(1)色散補償光纖（負色散光纖）法；(2)啁啾光纖光柵法；(3)預啁啾技術；(4)色散支持法；(5)頻譜反轉法；(6)多電平編碼；(7)相干光檢測（電均衡法）；(8)集成Mach-Zehnder干涉法；(9)時延線光均衡器等。下面介紹一下啁啾光纖光柵法是如何實現(xiàn)色散補償。2023/2/4線性啁啾光纖光柵

2023/2/4圖2線性啁啾光纖光柵補償原理示意2023/2/43、光纖光柵濾波選頻作用---以微波光子濾波器中的相移布拉格光柵為例圖3相移光纖光柵的折射率分布示意圖相移布拉格光柵(PS-FBG)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。對PS-FBG用傳輸矩陣方法分析，可以得到如下結論：2023/2/4在光纖Bragg光柵中引入相移前后的透射譜2023/2/4基于相移布拉格光纖光柵(PS-FBG)的微波光子濾波器(MPF)的原理圖PM信號IM信號光頻：w0;notch頻率：wn;MPF中心頻率：w0-wn;MPF帶寬：notch區(qū)的寬度(窄帶)2023/2/44、光纖光柵在傳感領域的應用光纖Bragg光柵(FBG)的傳感模型分析：(一)、溫度應變模型外界溫度改變同樣也會引起光纖光柵Bragg波長的移位。從物理本質看，引起波長移位的原因主要有三個方面：光纖熱膨脹效應、光纖熱光效應以及光纖內(nèi)部熱應力引起的彈光效應。當外界溫度改變時，溫度變化導致光纖光柵的相對波長移位為：

式中第一項代表光纖光柵的熱光系數(shù)；第二項代表熱膨脹引起的彈光效應；第三項代表熱膨脹導致光纖芯徑變化而產(chǎn)生的波導效應；第四項線性熱膨脹系數(shù)。2023/2/4

(二)、應變傳感模型應力引起光柵Bragg波長的移位可由下式統(tǒng)一描述：

式中為光纖本身在應力作用下的彈性形變，光纖的彈光效應。外界應力的改變會引起光纖Bragg光柵波長的移位。從物理本質上來看，引起波長移位的原因主要包括三個方面：光纖彈性形變、光纖的彈光效應以及光纖內(nèi)部應力引起的波導效應。

當周圍環(huán)境溫度恒定時，光柵受到軸向應變時，中心波長將發(fā)生偏移，如下式所示：

其中,是光纖的Pockel張量系數(shù)，是纖芯材料的泊松比，為有效彈光系數(shù)，例如，常見的熔融石英光纖Pe=0.22。2023/2/4懸臂梁式結構傳感示意圖FBG應變傳感系統(tǒng)示意圖OSA:光譜分析儀2023/2/4光纖光柵鋼表面應變計埋入式光纖光柵應變傳感器應變傳感用于建筑物結構健康測試2023/2/45、光纖光柵的應用展望1）抗干擾能力強：這一方面是因為普通傳輸光纖不會影響光波的頻率特性（忽略光纖的非線性效應）；另一方面光纖光柵傳感系統(tǒng)從本質上排除了各種光強起伏引起的干擾，例如光源強度的起伏、光纖微彎效應引起的隨機起伏等都不可能影響傳感信號的波長特性，因而基于光纖光柵的傳感系統(tǒng)具有很高的可靠性和穩(wěn)定性；2）光纖光柵傳感器是自參考的，可以絕對測量（在對光纖光柵進行定標后），不必如基于條紋計數(shù)的干涉型傳感器那樣要求初始參考；3）傳感探頭結構簡單、尺寸小（其外徑與光纖本身等同），適于各種場合，尤其是智能材料和結構。便于埋入復合材料構件及大型建筑物內(nèi)部，對結構的完整性、安全性、載荷疲勞、損傷程度等狀態(tài)進行連續(xù)實時監(jiān)測；4）便于構成各種形式的光纖傳感網(wǎng)絡，尤其是采用波分復用（WDM）技術構成分布式光纖光柵傳感器陣列，進行大面積的多點測量；5）測量結果具有良好的重復性；6）光柵的寫入工藝己較成熟，便于形成規(guī)模生產(chǎn)（商品化）。光纖光柵的優(yōu)點：2023/2/45.1、光纖光柵未來主要研究方向：1、全光纖、分布式、多功能傳感系統(tǒng)的研究與開發(fā)；2、開展各應用領域的專業(yè)化成套傳感技術的研究，如航空航天、航海、土木工程、醫(yī)學和生物、電力工業(yè)、核工業(yè)以及化學和環(huán)境等。2023/2/45.2、光纖光柵在DWDM全光網(wǎng)絡中的應用：應該說沒有FBG，就沒有真正的全光網(wǎng)絡，可以想見未來FBG在光通信系統(tǒng)中的應用包括：FBG在