光纤光栅在各大测量领域的应用研究

2023/2/4光纤光栅在各大测量领域的应用研究2023/2/4主要内容：1、光纤光栅的原理、分类2、光纤光栅在光通信中的应用-----以线性啁啾光纤光栅为例3、光纤光栅滤波选频作用-----以微波光子滤波器中的相移布拉格光栅为例4、光纤光栅在传感领域的应用5、光纤光栅的未来应用展望2023/2/41、光纤光栅的原理、分类光纤光栅实际上是一小段光纤，利用芯区掺锗的光纤在紫外光的照射下折射率发生永久性改变的现象，使它的芯区折射率沿纵向发生周期性的改变，可以把光栅直接“写入”光纤之中。描述光纤光栅的理论方法有：耦合模理论;转移矩阵方法;Fourier变换法;2023/2/4

图1、光纤Bragg光栅的折射率分布相位掩膜法、逐点写入法、振幅掩膜法、双光束干涉法2023/2/4分类：根据芯区折射率沿纵向变化规律的不同，按不同的标准，光纤光栅可以分为不同的种类。按周期长度，可分为短周期光纤光栅和长周期光纤光栅；按周期变化规律，可分为啁啾光纤光栅和非啁啾光纤光栅；按波导结构，可分为均匀光纤光栅和非均匀光纤光栅等。2023/2/42、光纤光栅在光通信中的应用----以线性啁啾光纤光栅为例我们知道，一般而言，光纤中存在三种常见的色散，包括：模式色散，材料色散和波导色散，其中波导色散和材料色散将导致单模光纤中传输的脉冲展宽，影响通信质量。光纤中也有很多的色散补偿措施，包括(1)色散补偿光纤（负色散光纤）法；(2)啁啾光纤光栅法；(3)预啁啾技术；(4)色散支持法；(5)频谱反转法；(6)多电平编码；(7)相干光检测（电均衡法）；(8)集成Mach-Zehnder干涉法；(9)时延线光均衡器等。下面介绍一下啁啾光纤光栅法是如何实现色散补偿。2023/2/4线性啁啾光纤光栅

2023/2/4图2线性啁啾光纤光栅补偿原理示意2023/2/43、光纤光栅滤波选频作用---以微波光子滤波器中的相移布拉格光栅为例图3相移光纤光栅的折射率分布示意图相移布拉格光栅(PS-FBG)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。对PS-FBG用传输矩阵方法分析，可以得到如下结论：2023/2/4在光纤Bragg光栅中引入相移前后的透射谱2023/2/4基于相移布拉格光纤光栅(PS-FBG)的微波光子滤波器(MPF)的原理图PM信号IM信号光频：w0;notch频率：wn;MPF中心频率：w0-wn;MPF带宽：notch区的宽度(窄带)2023/2/44、光纤光栅在传感领域的应用光纤Bragg光栅(FBG)的传感模型分析：(一)、温度应变模型外界温度改变同样也会引起光纤光栅Bragg波长的移位。从物理本质看，引起波长移位的原因主要有三个方面：光纤热膨胀效应、光纤热光效应以及光纤内部热应力引起的弹光效应。当外界温度改变时，温度变化导致光纤光栅的相对波长移位为：

式中第一项代表光纤光栅的热光系数；第二项代表热膨胀引起的弹光效应；第三项代表热膨胀导致光纤芯径变化而产生的波导效应；第四项线性热膨胀系数。2023/2/4

(二)、应变传感模型应力引起光栅Bragg波长的移位可由下式统一描述：

式中为光纤本身在应力作用下的弹性形变，光纤的弹光效应。外界应力的改变会引起光纤Bragg光栅波长的移位。从物理本质上来看，引起波长移位的原因主要包括三个方面：光纤弹性形变、光纤的弹光效应以及光纤内部应力引起的波导效应。

当周围环境温度恒定时，光栅受到轴向应变时，中心波长将发生偏移，如下式所示：

其中,是光纤的Pockel张量系数，是纤芯材料的泊松比，为有效弹光系数，例如，常见的熔融石英光纤Pe=0.22。2023/2/4悬臂梁式结构传感示意图FBG应变传感系统示意图OSA:光谱分析仪2023/2/4光纤光栅钢表面应变计埋入式光纤光栅应变传感器应变传感用于建筑物结构健康测试2023/2/45、光纤光栅的应用展望1）抗干扰能力强：这一方面是因为普通传输光纤不会影响光波的频率特性（忽略光纤的非线性效应）；另一方面光纤光栅传感系统从本质上排除了各种光强起伏引起的干扰，例如光源强度的起伏、光纤微弯效应引起的随机起伏等都不可能影响传感信号的波长特性，因而基于光纤光栅的传感系统具有很高的可靠性和稳定性；2）光纤光栅传感器是自参考的，可以绝对测量（在对光纤光栅进行定标后），不必如基于条纹计数的干涉型传感器那样要求初始参考；3）传感探头结构简单、尺寸小（其外径与光纤本身等同），适于各种场合，尤其是智能材料和结构。便于埋入复合材料构件及大型建筑物内部，对结构的完整性、安全性、载荷疲劳、损伤程度等状态进行连续实时监测；4）便于构成各种形式的光纤传感网络，尤其是采用波分复用（WDM）技术构成分布式光纤光栅传感器阵列，进行大面积的多点测量；5）测量结果具有良好的重复性；6）光栅的写入工艺己较成熟，便于形成规模生产（商品化）。光纤光栅的优点：2023/2/45.1、光纤光栅未来主要研究方向：1、全光纤、分布式、多功能传感系统的研究与开发；2、开展各应用领域的专业化成套传感技术的研究，如航空航天、航海、土木工程、医学和生物、电力工业、核工业以及化学和环境等。2023/2/45.2、光纤光栅在DWDM全光网络中的应用：应该说没有FBG，就没有真正的全光网络，可以想见未来FBG在光通信系统中的应用包括：FBG在