光纤布拉格光栅
光纤布拉格光栅的透射光谱

光纤布拉格光栅的透射光谱光纤布拉格光栅是一种基于光纤的传感器装置,利用光纤中的布拉格光栅结构来实现光信号的调制和传输。
它具有便携性、高灵敏度和低损耗的特点,在光通信、光传感、光谱分析等领域得到广泛应用。
光纤布拉格光栅的原理是利用光纤中的光折射率周期性调制的特性,产生布拉格光栅。
在光纤中引入一束激光,经过光纤中的折射率调制区域,光信号将被调制后传输到另一端。
光纤布拉格光栅的关键部件是光纤中的折射率调制区域,通常是通过刻蚀、光敏效应或热效应等方法制作的。
光纤布拉格光栅的透射光谱是指光信号透过光纤布拉格光栅后的光谱分布。
光纤布拉格光栅由于其特殊的光学结构,具有准连续的光谱分布。
通过分析光纤布拉格光栅的透射光谱,可以获取光信号的频率、强度、相位等信息。
光纤布拉格光栅的透射光谱受到多个因素的影响,如光纤布拉格光栅的周期和形态、光纤材料的折射率、光纤布拉格光栅的长度和形状、光信号的波长和功率等。
其中,光纤布拉格光栅的周期和形态是决定透射光谱特征的关键因素。
光纤布拉格光栅的周期决定了光信号的频率分布,而光纤布拉格光栅的形态决定了透射光谱的波形。
一般情况下,光纤布拉格光栅的透射光谱呈现出多个峰的特征。
这是由于光纤布拉格光栅的周期性结构导致光信号在光纤中发生干涉,形成多个反射波,最终在输出端形成多个光峰。
光纤布拉格光栅的峰值波长与光纤布拉格光栅的周期有关,通过改变光纤布拉格光栅的周期,可以调节透射光谱的峰值波长。
除了周期影响外,光纤布拉格光栅的长度和形状也会对透射光谱产生影响。
光纤布拉格光栅的长度决定了光信号在光纤中传输的距离,不同长度的光纤布拉格光栅会导致不同的光传输特性,进而影响透射光谱的形状和强度。
光纤布拉格光栅的形状也会影响透射光谱的形态,例如,光纤布拉格光栅的端面反射率、光纤的曲率等都会对透射光谱产生影响。
光纤布拉格光栅的透射光谱不仅可以用于光信号的频率分析,还可以用于光信号的强度测量。
通过测量透射光谱的峰值强度,可以获取光信号的功率信息。
光纤布拉格光栅理念原理与技术特征

光纤布拉格光栅理念原理与技术特征光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)是一种利用光纤中的布拉格光栅实现光波频率选择与调制的技术。
它在光通信、传感器等领域具有广泛的应用。
本文将从原理和技术特征两个方面来详细介绍光纤布拉格光栅技术。
光纤布拉格光栅的原理可追溯到布拉格散射理论。
布拉格散射是指当一束光波经过一个均匀光周期结构时,会在每个周期出现反射或透射,形成和入射光波相干的反射光波。
布拉格光栅是一种具有空间周期结构的光学元件,由一系列等距离的折射率变化组成。
光纤布拉格光栅则将布拉格光栅结构移植到了光纤中,形成了一种具有周期性折射率变化的光纤元件。
光纤布拉格光栅一般采用两种方法制备,即直写法和光干涉法。
直写法是指通过高能激光束直接照射在光纤的芯部,通过光纤材料的光学非线性效应和热效应来形成布拉格光栅结构。
光干涉法是指将两束光波通过干涉结构产生干涉现象,经过光纤芯部后,在折射率变化的作用下形成布拉格光栅。
1.高可靠性:光纤材料的插入损耗低,与光纤之间的耦合效率高,使得光纤布拉格光栅具有较高的传输效率,并且能够长时间保持稳定的性能。
2. 宽带性:光纤布拉格光栅的制备工艺已经趋于成熟,能够制备出能够覆盖整个光通信波段(1260~1650 nm)的宽带布拉格光栅。
3.稳定性:光纤布拉格光栅在光纤中的固定度较高,不易受到外界环境的干扰,能够长时间稳定地工作。
4.温度和应变传感:由于光纤布拉格光栅的折射率与温度和应变有关,因此可以通过测量布拉格光栅的中心波长偏移来实现温度和应变的传感。
这种传感技术具有高灵敏度、快速响应和长距离传输等优点,在工业和生物医学领域有广泛的应用前景。
5. 光互联和光波长多路复用:光纤布拉格光栅可以用作光纤互联中的微型光学件,实现在光纤网络中的信号调制、调整和复用等功能。
同时,光纤布拉格光栅也可以用于光波长多路复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)系统中,实现光路的选择和分离。
(完整版)第5讲光纤布拉格光栅(FBG)解读

最大反射率为 R(l, ) tanh2 (l)
反射谱带宽为
Bs
(
n 2 n0
)
2
(
1 N
)2
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光纤的光敏特性
❖ 掺杂光纤光敏性机理
▪ 掺杂物质与SiO2混合时形成的结构缺陷 ▪ 外界光场作用下通过单光子或双光子吸收
过程使错位键破裂形成色心 ▪ 标准光纤:GeOx ▪ 其它掺杂物质:Erbium(铒), Europium
▪ 倍频氩离子激光器 ▪ 准分子激光器 ▪ 倍频铜蒸气激光器 ▪ 倍频可调谐染料激光器 ▪ 倍频可调谐OPO ▪ 三倍频YAG激光器 ▪ Alexandrite(紫翠玉)激光器
❖ FBG写入技术分类
▪ 内部写入法 ▪ 双光束干涉法 ▪ 掩模法 ▪ 模板+双光束干涉法 ▪ 逐点写入法 ▪ 其它写入法
FBG写入技术
(铕), Cerium(铈)
❖ 影响光纤光敏性的因素
▪ 掺杂种类与掺杂浓度 ▪ 预制棒:缩棒后光敏性高于缩棒前 ▪ 拉纤速度影响光纤光敏性 ▪ 光纤光敏性与曝光时所施加的应力有关
❖ 增加光纤光敏性的方法 ▪ 低温载氢处理
• 压力:20—750atm(典型150atm),温 度:20—75℃,时间:数十小时至数 天
❖ ⅡA(Ⅲ)类光栅
▪ 掺杂浓度较高(eg >25mol% GeO2)的光纤内形成 ▪ 较高UV曝光量( > 500J/cm2), ▪ 结构重构引起折射率变化 ▪ 折射率变化⊿n<0 ▪ 温度稳定性较好(500℃) ▪ 可使脉冲或连续激光
❖ Ⅱ类光栅
▪ 极高UV曝光量,瞬间局部温度达上千度 ▪ 物理破坏引起折射率变化 ▪ 折射率变化⊿n可达10-2 ▪ 温度稳定性好(800℃) ▪ 只能使用脉冲激光
光纤布拉格光栅(FBG)

多功能FBG
研发具有多参量感知能力 的FBG,如同时感知温度 和应变,提高FBG在实际 应用中的多功能性。
耐久性和稳定性
提高FBG的长期稳定性和 耐久性,使其在恶劣环境 下仍能保持可靠的传感性 能。
FBG在物联网领域的应用前景
智能交通
工业自动化
利用FBG传感器监测道路状况、车辆 速度和流量等信息,提高交通管理效 率和安全性。
光纤布拉格光栅(FBG)
contents
目录
• 引言 • FBG的基本原理 • FBG的制造工艺 • FBG的应用案例 • FBG的未来发展与挑战 • 结论
01 引言
FBG的定义与特性
定义
光纤布拉格光栅是一种特殊的光纤结 构,通过在光纤中产生周期性的折射 率变化,实现对特定波长光的反射。
特性
FBG具有窄带反射特性,反射光谱范 围窄、精度高、稳定性好,且易于与 光纤系统集成,适用于长距离、高可 靠性的光信号传输和传感应用。
写入技术
目前最常用的写入技术是 采用紫外激光干涉法,通 过在光纤上产生干涉图案 来形成光栅。
写入速度与精度
提高写入速度和精度是关 键技术难点,这有助于提 高生产效率和降低成本。
FBG的性能参数与测试方法
性能参数
01
光纤布拉格光栅的性能参数包括反射光谱、温度稳定性、机械
稳定性等。
测试方法
02
对光纤布拉格光栅的性能参数进行测试,可以采用光谱分析仪、
优势
FBG具有高灵敏度、高精度、抗电磁干扰等优势,使其在许多领域 中成为理想的选择。
未来发展前景
随着科技的不断发展,FBG的应用前景将更加广阔,其在各个领域 中的价值也将得到更充分的体现。
FBG的未来发展方向与挑战
第5讲光纤布拉格光栅(FBG)解读

掺N2(氮气)
• SPCVD过程中,加入0.1%氮气可使光敏性加 倍 • 折射率变化~2.8×10-3
高温载氢处理
• 在含氢1mol%环境下,使用CO2激光将 光纤加温至600℃ • 短时间(10秒)内增加光纤的光敏性
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光纤光栅分类
Ⅰ类光栅
掺杂浓度较低的光纤内形成 较低UV曝光量 局部缺陷引起折射率变化 折射率变化⊿n~10-5—10-3>0 温度稳定性较差(300℃) 可使脉冲或连续激光,前者更有效 掺杂浓度较高(eg >25mol% GeO2)的光纤内形成 较高UV曝光量( > 500J/cm2), 结构重构引起折射率变化 折射率变化⊿n<0 温度稳定性较好(500℃) 可使脉冲或连续激光 极高UV曝光量,瞬间局部温度达上千度 物理破坏引起折射率变化 折射率变化⊿n可达10-2 温度稳定性好(800℃) 只能使用脉冲激光
WDM Transmitters
• Source lasers (CW, DML) • Lithium niobate optical assemblies and modulators • Wavelockers • Tx/Rx modules
WDM Mux/Demux
• Thin film filters • Fibre gratings • Waveguides • Diffr. gratings • Circulators • Interleavers • Mux/Demux modules
光致折射率变化的阈值特性(右上图)
折射率变化的温度稳定性(右下图)
光致折射率变化使光纤处于一种亚 稳态 在一定温度下,折射率变化变小甚 至完全消失
光纤布拉格光栅(fbg)反射谱和投射谱

光纤布拉格光栅(fbg)反射谱和投射谱光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,简称FBG)是一种在光纤中制造的周期性折射率调制结构。
它可以实现对光信号的反射和透射控制,因此在光通信、光传感和光纤激光器等领域有着广泛的应用。
FBG的反射谱和投射谱是FBG的重要特性之一,下面将对其进行详细介绍。
1.反射谱FBG的反射谱是指当光信号入射到FBG上时,被FBG反射的光的频谱特性。
当光信号穿过光纤进入FBG后,根据FBG的周期性折射率变化,会发生部分光的反射。
这些反射光的波长取决于FBG的周期和折射率调制情况。
反射谱可以通过光谱仪或光频谱分析仪来测量和观察。
典型的FBG反射谱是一个窄带滤波器,其反射峰的位置和宽度与FBG的物理参数和环境条件相关。
由于FBG 的周期性调制结构,反射谱通常呈现出周期性重复的特点。
2.投射谱FBG的投射谱是指当光信号经过FBG时,透射到光纤另一侧的光的频谱特性。
由于FBG具有特定的反射特性,它可以作为一个选择性滤波器,在特定的波长范围内使光透射,而在其他波长处进行反射或吸收。
投射谱的形状和特性取决于FBG的设计和制备参数,包括周期、折射率调制情况等。
通过调整这些参数,可以实现不同的投射谱特性,如带通滤波、带阻滤波、多通道滤波等。
3.应用FBG的反射谱和投射谱在许多应用中发挥着重要作用:-光通信:FBG可用作光纤传感器,通过测量反射谱变化来检测温度、压力、形变等物理量。
-光纤传感:利用FBG的反射谱特性,可以实现对光纤周围环境的监测,如油气管道的泄漏检测、结构的应力监测等。
-光纤激光器:FBG可用作激光器的频率选择性元件,调节反射谱特性来实现激光器的单模操作和波长选择。
总之,FBG的反射谱和投射谱是FBG的重要特性之一,它们描述了FBG对光信号的反射和透射特性。
通过测量和分析反射谱和投射谱,可以实现对FBG的性能和应用进行评估和优化,为光纤通信、光传感和光纤激光器等领域的应用提供基础支持。
光纤光栅与光纤布拉格光栅的区别

光纤光栅与光纤布拉格光栅的区别下载提示:该文档是本店铺精心编制而成的,希望大家下载后,能够帮助大家解决实际问题。
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光纤布拉格光栅基本参数

光纤布拉格光栅基本参数光纤光栅的形成方式主要是使用各类激光使光纤产生轴向的折射率周期性变化,从而形成永久性空间的相位光栅,其作用实质上是在纤芯内形成一个(透射或反射)滤波器或反射镜,将确定频率/波长的导模反射,原理类似多层增反膜,其滤波波长称为布拉格波长,在确定条件下布拉格波长=光栅所在位置的有效折射率*2光栅周期(在相位掩膜版法刻写时,此数值为相位掩膜版的周期,即相位掩膜版的周期=2*光栅周期)即λ(波长)=2*neff(折射率)*Λ(光栅周期),而有效折射率和光栅周期会随温度和应力状态改变,这也是光纤光栅应用于应力及温度传感的基础。
注:本段依据Dream的提问内容于2022年4月19日作出修改,去掉了不正规的表述内容。
光纤光栅的基础特征参数包括:光纤类型、光栅类型、中心波长,峰宽/带宽/3dB带宽/FWHM,反射率,边模/旁瓣抑制比,光栅长度。
高端特征参数包括:刻写环境温度、测试模式、反射峰的线型(近高斯,近洛伦兹型,卷积型等),色散值,啁啾率,光栅阶数等光纤类型:由于不同光纤的折射率及内部结构均有所差别,所以光纤类型是光纤光栅的重要特征参数。
光栅类型:光纤光栅有多种不同类型,例如均匀、啁啾、长周期、相移、取样、倾斜等,不同类型的光纤光栅用于不同的用途,也是光纤光栅的重要特征参数。
中心波长:中心波长一般可用光纤光谱仪测得,由于光纤光对温度及应力均比较敏感,所以一般需在悬空不受力且温度恒定的位置测量比较标准(精度要求特别高的,还需要标定测试模式),按照光纤类型的不同,其温度变化系数大约为10-20Pm/℃(升温红移,降温蓝移),所以制造时的环境温度也是光纤光栅的一个重要参数。
峰宽/带宽/3dB带宽/FWHM:一般商用光纤光栅均使用3dB带宽来进行表征,在激光用途,光纤激光器腔镜一般为低功率高反2nm低反1nm,高功率则选择高反3-4nm低反1nm的配置,而用于外腔半导体腔外稳频用途的光纤光栅,一般带宽都在0.1nm左右,而用于光纤DFB激光器中产生单频激光用途的光纤光栅,则一般选用相移光纤光栅,其相移峰带宽一般小于100MHz,而用于DBR激光器的光栅对,其低反一般需要到0.05nm以下。
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模形成工艺技术杂志 2004年7月布拉格光纤光栅温度传感器S.C.Tjin ,Member ,IEEE,R.Suresh ,and N.Q.Ngo摘要:近年来,布拉格光纤光栅(FBG )在光纤传感器中的应用取得了相当的进展。
这是因为这种光纤光栅传感器具有许多优点:实际应用中便于多路复用操作,体积小,结构简单,精确的感知能力。
人们对光纤光栅(FBG)作为张力、温度和其它物理量传感器产生了浓厚的兴趣。
因为它有很多重要的性质,如免疫电磁噪声、灵敏度高、体积小、制作简单等.ocis 代码:(60.2370)纤维光学传感器;(230.1480)布拉格反射镜。
1。
简介光纤布拉格光栅(FBG)作为一个光学传感器已被广泛研究和发展应用到各种遥感中,如土建结构健康监测,复合材料的无损检测、智能结构,和传统的损坏、压力、温度传感等 [ 1]。
光纤光栅阵列传输方式被用于实用的能实现多路复用能力的传感器系统。
[ 2]。
最近,温度监测的需求增长已经限制了它迅速发展的空间。
特别是,由于在不同的地点要求不同阈值,有必要构建成本低,易于反馈的系统。
在这篇文章里,FBG 是一种新颖的多点温度报警传感器,使用多通道匹配脉冲激光-基于多波长光传输理论的提出并论证。
该传感器具有很多优点,包括可灵活设置温度、结构简单、高信噪比、低成本、快速的反应系统等。
2 背景(1)测量光纤布拉格光栅应变嵌入式复合材料结构波长是Λ=eff B n 2λ这里eff n 是指光纤布拉格光栅周期的有效折射率(模态指数)。
我们获得的布拉格波长转变温度传感器相对于温度的鉴别式Eq (1):eff eff B n n 22+Λ∆=∆λ一个裸露的光纤光栅,温度变化,下面方程式右边Eq (2)是几乎不变的,因为温度对纤维伸长效应(∆Λ)的影响是远远小于折射率变化。
而包有金属带的光纤光栅比赤裸的光纤光栅可以使纤维伸长率较大。
(2)使用光纤布拉格光栅测量光学纤维在直流模块中的热应力和机械应力 光纤光栅可以用作传感器监测在纤维加工,搬运,安装,和服务项目中的压力和温度。
当光纤是受到结合机械力和热负荷,反馈的布拉格波长会转变成比例大小的负载。
重要的是要能够解析机械力和热应力所反映布拉格波长,以便该传感器实现获得准确测量的机械应力和温度的变化的预期效用。
这种转变在返回布拉格波长随温度和应力是由[ 3]λm = B T kT k B B λλσσλ+∆+∆ (3)式中m λ 测量的布拉格波长;B λ 在参考条件(通常在室温和无应力)的布拉格波长;σ∆ 应力变化量,在假定应力线性相关的情况下;ΔT 温度的变化量;σk 应力系数;T k 温度系数;T B k λ=σm ,光栅压力灵敏度(校准常数);T T B m k =λ,光栅的温度敏感性,或(校准恒量)。
根据(3),温度系数T k 相对于波长是独立的。
因此,只需要测量从最初的参考波长B λ到波长λm 的温度的变化。
温度和压力参数和B λ,(1)在已报告的出版的各种研究和总结在表1,这些研究中大多数,除了不受干扰的布拉格光栅的波长B λ,像温度和应力敏感性(光栅的校准常数)T k 和σk 都没有明确的给出。
在适当的时候热应力系数SI 要转换为公制单位。
请注意,我不是一个详尽的评论关于这个问题,只是提供足够的数据进行比较。
依赖玻璃的折射率对温度的监测在温度范围-30至80摄氏度每2◦C 引起等效非线性误差[11 ]。
然而,在这项研究中这种非线性效应的光纤是不能够在检测波长测量系统中使用的,大多数研究会认为这是可以忽略的。
一些研究人员[ 7],[ 12]线性测量布拉格光栅温度范围的实验时也假定热非线性效应在光纤是可以忽略的。
而有实验对这些实验光纤光栅涂层温度异常的报告反应在表1中,他们的影响基本上是在-40◦C 和100◦C 间的线性温度,一个研究[ 12]发现保护聚合物涂层对测得的导热系数较低的温度有明显的影响。
从部分统计表中看到热影响的涂层光栅成为非线性的温度低于0◦C ,变化中的应力系数比温度系数有着明显的变化。
这是一个令人惊讶的结果,因为波长的最大转变温度差100◦C 是接近1纳米,而改变压力的0.2千兆将产生一个接近4纳米的波长移位。
数据来自埃切瓦里等。
[ 4]表明,巨大变化的应力系数是真实而重要的。
埃切瓦里用第一和二阶衍射峰从一个单一的布拉格光栅波长的变化监测发现,造成的热膨胀系数基本相同,应力系数差别很大。
以舒等人的实验。
[ 9]表明,该方法影响了光纤光栅温度应力系数的测量。
拉丝张力[ 10]也被证明影响光敏掺杂光纤和布拉格光栅的形成。
通过学习和研究可以发现在光纤光栅的生产过程中机械力和热系数的变化差异[ 7]。
为光纤光栅制造使用类似的技术,精确控制的过程,(3)将产生一个依赖波长的导热系数[ 4],[ 11]。
摘自埃切瓦里等人的研究。
[ 4]监测768纳米波长光栅的第一和第二阶衍射获得热膨胀系数为0.7%。
摘自洛哈特等人的研究。
[ 11],单独的波长在三个光纤光栅的热特征。
使用倍频氩离子激光器使光纤光栅写入载氢光纤的双光束全息曝光。
双光束全息曝光过程和倍频氩离子激光器是一个更稳定的方法,不是常见使用的相位掩模和准分子紫外光源曝光[ 5]。
波长53纳米范围内三个光栅产生的热膨胀系数在0.2%以上。
应该指出的是,我们发现温度系数的理论值 [4 ]和[ 11]相差1.4%。
倾斜角度为5.5◦布拉格光栅光纤内似乎没有对热系数产生重大的影响[ 8]。
表1 各种波长下FBG 和有涂层的光栅的热应力系数热特性 压力特性布拉格波长初值(nm) Kr(C o ) Therm al Range σk ()3110--⨯GPa压力 (GPa) 有涂层光栅的特性 1557.70 7.06 20-80 5.38* 0-0.46 ? 1533.30 6.72 20-60 Na Na ?1535.85 6.36 0-100 10.1 0=0.13?*该表不被使用在统计计算中。
(3)高灵敏低温布拉格光纤光栅温度传感器光纤光栅的反射波长漂移引起的温度变化是[ 12]()[]B B P T λςελ+-=∆∆01/(4)在Po (≈0.22)是光弹性常数,ς是热光系数,ε是光纤光栅应力的变化。
图1 双金属光纤光栅传感器的基本结构。
在图1中,当温度升高到1度,双金属之间的距离扩大了()L d L d 21αα-+=∆ (5)L 是金属B 的长度,1α和2α是金属A 和B 的热膨胀系数。
当光栅伸直,温度变化1-k 时张力的变化()[]d L d L /)21ααε-+=∆ (6)由双金属装置的温度敏感得()()[]{}B B d L d L P T λςααλ+-+-=∆∆/1/210 (7)通过改变1α和2α,或L/d 的值,从而控制温度灵敏性[ 6]。
3 最近的进展 根据对材料的研究,我们把焦点主要集中在以下几个方面:光纤光栅温度传感器的可控的灵敏度;布拉格光纤光栅嵌入复合材料的结构内部核心的测量;完全分布式啁啾光纤光栅传感器及其应用在激光探测缝隙;使用光纤光栅测量光纤在直流电模式下热应力;高分辨率应变/基于温度传感系统的时域波长解调;温度补偿倾斜光纤光栅传感器管理布拉格;高灵敏光纤光栅悬臂梁布拉格低温温度传感器;使用光纤光栅测量温度补偿加速度;使用布拉格光纤光栅传感器反馈控制电路测量水下声场与温度;使用光栅传感器反馈控制电路测量水下声场与温度;自动温度补偿光纤光栅传感器的设计;使用布拉格光纤光栅测量解调的闪耀光栅的振动;使用多通道匹配布拉格光纤光栅控制多点温度警报传感器;多路复用光纤光栅传感器的温度补偿与激光二极管。
4 结论布拉格光纤光栅(FBG )对减弱了对一个实际过程应力和温度的影响。
由此产生的应力和温度系数范围与文献中的一致。
如果实际应用可以容忍的平均误差为7%,然后(1)是适用的,与光栅系数可以被认为是普遍的所有光栅。
因此,不需要校准和涂层的影响可以被忽略。
如果应用需要准确度优于平均7%的误差,每个光栅应单独校准。
一个内部核心光纤光栅已经习惯了随应各种附加条件变化而变化系统监测。
该方法被认为是准确的和具有高度的可重复性。
有人建议,这些技术的进步可以扩展到无损评价、无损检测、越来越多地使用安全和损伤容限设计复合材料结构工程检验。
这种方法可用于精确在线测量或评估损失。
我们已经表明内部核心光纤光栅监测复合材料的适用性。
此外,详细分析了应变力与温度的影响。
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