光纤光栅传感器

光纤光栅传感器第一页，共六十五页，2022年，8月28日光纤的紫外光敏性1978，，加拿大渥太华研究中心发现光纤的光敏性所谓的光敏性，就是指当材料被外部光照射时，引起该材料物理或化学特性的暂时或永久性变化的一种特性。光纤中的光敏性通常是特指光纤纤芯折射率在外部光源照射时发生改变的特性。在一定条件下，变化的大小与光强成线性关系并可保存下来。光纤的光敏性与掺杂有关。石英材料的分子结构通常为四面体结构，每个Si原子通过形成共价键与四个氧原子相连。由于纯石英的吸收带位于160nm处，对波长在190nm以上一直到红外区的光具有大于90％的透过率。这些波长的光不会对石英材料的性质产生任何形式的影响。因此，光纤的光敏性与掺杂有关。第二页，共六十五页，2022年，8月28日~500nm(Bragggrating:FBG)~200µm(Long-periodgrating:LPG)8µm1mmto1500mmSinglemodefibreCoreCladdingRegionswithhigherrefractiveindexthan

thatofcore’s光纤光栅1989，G.Meltz，美国联合研究中心，侧向写入法，通信波长的光纤光栅。UV125µm第三页，共六十五页，2022年，8月28日光纤光栅的重要性光纤光栅的实质是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜，利用这一特性构成光纤无源器件传输损耗低、抗电磁干扰、质量轻、柔韧、化学稳定及电绝缘光纤光栅在光纤通信系统中的重要作用，类似于传传统光学中透镜的作用第四页，共六十五页，2022年，8月28日FBG（fiberBragggrating)型高精度应用问题解调技术复用技术LPG(longperiodgrating)型灵敏的温度、应力传感器机械感应式LPG光纤光栅传感器第五页，共六十五页，2022年，8月28日1、光纤光栅的原理2、光纤光栅的制作3、光纤光栅的应用4、光纤光栅技术的展望第六页，共六十五页，2022年，8月28日1、光纤光栅的原理

FBG是通过紫外光曝光的方法，使光纤纤芯内产生折射率的周期性变化，其分布函数可以表示为：

z是沿光纤纵向的坐标，0是光栅起点的周期；ndc是有效折射率微扰的直流分量；nac是有效折射率微扰的交流分量；是一个附加的相位项，表示光栅的啁啾，它们都是z的函数。

第七页，共六十五页，2022年，8月28日光纤光栅的模式耦合理论在光栅区域，光纤芯区光场满足方程：而光栅中的光场包括前向基模、后向基模和包层模，因此，可以表示为：将它带入光场方程，通过化简可以得到第八页，共六十五页，2022年，8月28日

利用模式之间的正交性，光纤中传输的两个光波，只有当其传播常数β1，βj满足Bragg条件：光栅周期这两个波之间会才发生能量的耦合。第九页，共六十五页，2022年，8月28日光纤Bragg光栅（FBG）

输入环形器

FBG123（1）当β1-（-β1）=2π/∧时，即同向纤芯基模与反向纤芯基模之间满足相位匹配时，该光栅被称为Bragg光栅（FBG）第十页，共六十五页，2022年，8月28日FBG透射和反射特性第十一页，共六十五页，2022年，8月28日FBG的特性A、均匀光栅B、切趾光栅C、啁啾光栅几类FBG的折射率分布第十二页，共六十五页，2022年，8月28日第十三页，共六十五页，2022年，8月28日LPG

输入

LPGLPG（长周期）（2）特别的β1-βj=2π/∧时，即纤芯基模与同向传输的包层模之间满足相位匹配时，该光栅被称为长周期光栅（LPG）第十四页，共六十五页，2022年，8月28日闪耀光纤光栅闪耀光栅的光栅周期与折射率调制深度均为常数，但其光栅波矢方向却不是与光纤轴线相一致，而是与其成一定的角度。闪耀光栅不仅引起反向导波模耦合，而且还将基阶模耦合至包层中损耗掉。第十五页，共六十五页，2022年，8月28日闪耀光纤光栅写入第十六页，共六十五页，2022年，8月28日超结构光纤光栅又称取样光栅，折射率调制是周期性间断的，相当于在光纤Bragg光栅或啁啾光纤光栅的折射率调制上又加一个调制函数第十七页，共六十五页，2022年，8月28日相移光纤光栅是指在光纤Bragg光栅的某些点，通过一些方法破坏其周期的连续性而得到的，每个不连续连接都会产生一个相移。第十八页，共六十五页，2022年，8月28日相移光纤光栅的透射谱其主要特点是在Bragg反射带中打开透射窗口，使波长具有更高的选择性，通过选择合适的相移点位置和相移量，能够使光纤光栅更好地满足EDFA增益平坦的需要；常采用相移相位掩模法第十九页，共六十五页，2022年，8月28日Moire光纤光栅采用两个具有微小周期差异的紫外条纹对光纤的同一位置进行二次曝光的结果，其谱特征是在反射带中开了很窄的透射窗口。第二十页，共六十五页，2022年，8月28日变迹光纤光栅采用特殊形式对光纤Bragg光栅的折射率调制深度进行调制，可形成变迹光栅，这种光栅具有丰富的谱特性，通过改变其调制函数及其他有关参数可根据需要控制其反射谱形状。第二十一页，共六十五页，2022年，8月28日啁啾光纤光栅l3l2l1接缝接缝啁啾光纤光栅的周期不是常数而是沿轴向单调变化的,是一个非周期的光栅间距，可改变轴向的光栅周期Λ或光纤纤芯折射率或同时改变两者获得。第二十二页，共六十五页，2022年，8月28日2、光纤光栅的制作光纤光栅的制作方法有很多种，如纵向驻波干涉法，双光束横向干涉写入法，相位模版法等。其中相位模版法以其工艺简单、重复性好、成品率高、便于大规模生产、光栅周期与光源无关等优点而得到广泛的应用。

第二十三页，共六十五页，2022年，8月28日前提：光敏光纤普通光纤氢载光纤中掺入光敏性杂质，如：锗、锡、硼等；或多种掺杂。第二十四页，共六十五页，2022年，8月28日载氢增敏技术1、载氢增敏技术

1993年AT&TBell实验室的P.J.Lemaire掺锗光纤的载氢增敏技术。掺锗3％光纤被放入气压为2.0-76MPa，温度为20－75℃的氢气中，形成载氢光纤。载氢光纤在紫外光照射或加热时将引起氢气和掺锗石英光纤之间产生化学反应，从而产生光致折射率变化，光敏性可提高1－2个数量级，折射率变化提高两个数量级。还有载氘光纤。特别说明，载氢光纤形成的折射率变化是持久的，由于光纤中存在未反应的氢，使光纤光栅的折射率随时间变化而变化，引起紫外写入光栅的Bragg波长的变化。室温条件下放置2个星期下降11％。解决方法：1）加速老化，用事后热处理来稳定波长；2）载氢光纤先经均匀曝光处理再写入光栅；第二十五页，共六十五页，2022年，8月28日在锗硅光纤材料中，掺入B、Sn或Al等元素可提高光纤材料的光敏性，其中以B/Ge双掺杂光纤材料的光敏性最强，其光敏性要比含锗量相当的单掺锗光纤材料要高出约一个数量级。这些光纤都可以采用MCVD技术生产。因此，对这种高度光敏光纤材料的研究具有很大的意义。（1）避免了对光纤材料进行长时间且具有危险性的氢气敏化处理。（2）可避免由于载氢增敏在光栅区域引起的羟基吸收损耗；这一损耗在长度较大的Chirp光纤光栅中是十分严重（3）提高了光栅的制作效率。如果对B/Ge双掺光纤材料进一步载氢处理，可以在较短的曝光时间内获得很高的光栅反射率。光纤中掺入光敏性杂质第二十六页，共六十五页，2022年，8月28日成栅的紫外光源准分子激光器窄线宽准分子激光器倍频Ar离子激光器倍频染料激光器倍频OPO激光器第二十七页，共六十五页，2022年，8月28日相位模版法制做光纤光栅LaserBeam-1级+1级0级<3%TranslationofUVBeam相位模板光敏光纤zn0n0+neffn干涉区域光斑逐点扫描，通过控制曝光量来控制折射率振幅改变量第二十八页，共六十五页，2022年，8月28日KrF准分子激光器相位掩膜板环行器EDFA光敏光纤光谱仪汇聚柱透镜计算机驻点扫描法高精度扫描平台UV第二十九页，共六十五页，2022年，8月28日例如，模版的刻蚀周期为

m=1068nm,光栅周期=

m/2=534nm，光纤有效折射率Neff=1.45,反射谱中心波长：B=

2Neff=1550nm.第三十页，共六十五页，2022年，8月28日

FBG作为滤波器最大的问题是反射谱的旁瓣。它由于光纤光栅两端折射率突变引起边界效应导致的。旁瓣会给其它信道带来窜扰。折射率调制振幅不连续、外界扰动、光纤的不均匀、相位掩模板的接缝误差等会引起FBG的群时延抖动。

抑制旁瓣和纹波的主要方法是采用切趾型光栅，就是使两端折射率分布逐渐递减至零，消除了折射率突变，可以分为高斯切趾、余弦切趾、采样函数切趾等。光纤光栅的切趾第三十一页，共六十五页，2022年，8月28日切趾的作用反射谱曲线时延曲线普通切趾反射谱曲线时延曲线第三十二页，共六十五页，2022年，8月28日光纤光栅的封装光纤光栅的温度特性0.014nm/℃

21000

510000第三十三页，共六十五页，2022年，8月28日窄带滤波器宽带带阻滤波器梳状带阻滤波器光脉冲压缩光纤色散补偿光纤激光器波分复用器放大器增益平坦光纤传感器模式转换器光纤光栅的波长选择反射特性、时延特性以及中心波长对外界条件的敏感性等特征3、光纤光栅的应用第三十四页，共六十五页，2022年，8月28日

G.652光纤在1550nm附近典型参数为色散量在17ps/km/nm左右1000/17=59km;60/17=4km目前多数G.655光纤的色散量多在6～8ps/km/nm左右1000/7=143km；60/7=9km

无论是在G.652光纤还是在G.655光纤上开通10Gbit/s以上的系统都需要色散补偿。色散补偿是超长距离光纤通信系统的关键光纤光栅色散补偿第三十五页，共六十五页，2022年，8月28日Chirped

Bragggrating••

•

llonglshortl3l2l1

啁啾光纤光栅ChirpedFibreBraggGratings第三十六页，共六十五页，2022年，8月28日啁啾光栅用作色散补偿啁啾光栅的色散：2neffL/c/Dlc

neff

：有效折射率；c：光速

Dlc：光栅两边缘反射波长之差.5cm长的线性啁啾光栅可以补偿100km的10Gb/(光谱宽度0.3nm)传输线的色散优点：体积小、插损小、低非线性易调谐等。第三十七页，共六十五页，2022年，8月28日色散补偿光纤光栅测试结果啁啾光栅的折射率调制周期延轴向呈线性变化时，

即，光栅的时延曲线为一条直线。第三十八页，共六十五页，2022年，8月28日误码率曲线与眼图(b)3100km(a)1500km第三十九页，共六十五页，2022年，8月28日光纤光栅传感系统国外应用概况第四十页，共六十五页，2022年，8月28日航天飞机X-33上温度，应变监测瑞典SMART的国家计划，光纤光栅监视战斗机复合材料结构美国宇航研究院光纤光栅自适应机翼美国全光纤水听拖曳阵列(AO-TA)和共形水听阵列(LWPA)英国全光纤海底声监视系统美海军和航运公司合作GCRMTC计划，已成功将光纤光栅传感大规模用于船舶、潜艇损伤监测)阿林顿海军研究办公室资助光纤光栅海军舰艇结构健康监测比利时、日本、法国等用于核电站安全监测英美等用光纤光栅监测火药安全……光纤光栅传感军用第四十一页，共六十五页，2022年，8月28日大坝、边坡、隧道、建筑等土木工程安全监测发达国家几乎所有桥梁的安全监测都采用光纤光栅传感技术德西门子等公司等已用于大型电机和高压传输电缆美CIDRA和英SunartFibersLtd等用于输油管线和海洋石油……光纤光栅传感民用第四十二页，共六十五页，2022年，8月28日光纤光栅传感系统在国内的应用第四十三页，共六十五页，2022年，8月28日典型市场应用(1)石油石化08年启动、09年规划、10年启动并且达到建设高峰长远看好：石油战略储备由目前7～10天，到2020年规划到60～90天预计每年翻一翻第四十四页，共六十五页，2022年，8月28日典型市场应用(2)公路隧道还可以快速发展2～3年，每年>500公里的项目建设重点在西部、云贵、东北等地区“珠—港—澳”隧道工程超过100公里第四十五页，共六十五页，2022年，8月28日典型市场应用(3)地铁、高铁国家对铁路建设的投资进一步加大，达到6000亿湖北4条200Km以上时速城际铁路建设投资450亿国家地铁市场将有20年的建设期产品应用在“火灾报警、异物侵限、轮轴技术、轨道变形、基础沉降”等方面第四十六页，共六十五页，2022年，8月28日典型市场应用(4)桥梁监测全国新老桥梁60万座，每年新增～1万座桥梁超过1Km以上的特大桥1254座建设部已经有专门文件要求加强特大桥的长期健康监测第四十七页，共六十五页，2022年，8月28日典型市场应用(5)智能别墅、周界安防、石油管线防盗已经有产品成功应用在智能别墅小区大型场所的可定址周界安防：飞机场、边界、敏感军事设施与基地石油管线防盗缺少有效手段，光纤光栅传感器有可能提供解决方案第四十八页，共六十五页，2022年，8月28日典型市场应用(6)大型机械装备安全监测飞机发动机等大型旋转机械装备安全监测港口翻车机安全监测港岸桥起重机大型浮吊安全监测第四十九页，共六十五页，2022年，8月28日典型市场应用(7)冶金电力市场电缆沟在线温度监测电缆接头测温、高压开关柜电缆隧道