光栅布拉格光栅及其传感特研究

光栅布拉格光栅及其传感特研究光栅布拉格光栅及其传感特性研究2一光纤光栅概述31.1 光纤光栅的耦合模理论31.2 光纤光栅的类型41.2.1 均匀周期光纤布拉格光栅41.2.2 线性啁啾光纤光栅41.2.3 切趾光纤光栅51.2.4 闪耀光纤光栅51.2.5 相移光纤光栅51.2.6 超结构光纤光栅51.2.7 长周期光纤光栅6二光纤布拉格光栅传感器62.1 光纤布拉格光栅应力传感器62.2 光纤布拉格光栅温度传感器72.3 光纤布拉格光栅压力传感器82.4 基于双折射效应的光纤布拉格光栅传感器8三光纤光栅传感器的敏化与封装113.1 光纤光栅传感器的温度敏化113.2 光纤光栅传感器的应力敏化113.2 光纤光栅传感器的交叉敏感及其解决方法11四光纤光栅传感网络与复用技术114.1 光纤光栅传感网络常用的波分复用技术124.1.1 基于波长扫描法的波分复用技术144.1.2 基于波长分离法的波分复用技术154.1.3 基于衍射光栅和CCD阵列的复用技术154.1.4 基于码分多址(CDMA)和密集波分复用(DWDM)技术154.2光纤光栅传感网络常用的空分复用技术164.3光纤光栅传感网络常用的时分复用技术174.4 光纤光栅传感网络的副载波频分复用技术194.4.1 光纤光栅传感副载波频分复用技术194.4.2 FBG传感网络的光频域反射复用技术194.5 光纤光栅传感网络的相干复用技术194.6 混合复用FBG传感网络194.6.1 WDM/TDM混合FBG网络194.6.2 SDM/WDM混合FBG网络194.6.3 SDM/TDM混合FBG网络194.6.4 SDM/WDM/TDM混和FBG网络194.6.5 光频域反射复用/波分复用混合FBG传感网络19五光栅光栅传感信号的解调方法19六激光传感器19毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

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作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日指导教师评阅书评阅教师评阅书教研室（或答辩小组）及教学系意见光栅布拉格光栅及其传感特性研究一 光纤光栅概述1.1 光纤光栅的耦合模理论光纤光栅的形成基于光纤的光敏性，不同的曝光条件下、不同类型的光纤可产生多种不同的折射率分布的光纤光栅。

光纤芯区折射率周期变化造成光纤波导条件的改变，导致一定波长的光波发生相应的模式耦合，对于整个光纤曝光区域，可以由下列表示折射率分布较为一般的描述：()()11212331,,,,n F r z r a n r z n a r a n r a ϕϕ⎧+≤⎡⎤⎣⎦⎪⎪=≤≤⎨⎪≥⎪⎩ (1-1)式中：1a 为光纤纤芯半径；2a 为光纤包层半径；1n 为纤芯初始折射率；2n 为包层折射率；(),,F r z ϕ为光致折射率变化函数，在光纤曝光区，其最大值为()maxmax 1,,n F r z n ϕ∆=；max n ∆为折射率变化最大值。

光纤光栅区域的光场满足模式耦合方程：()()()()()()()()00exp exp z z dA z k z B z i q z dz dz dB z k z A z i q z dz dz⎡⎤=-⎢⎥⎣⎦⎡⎤=⎢⎥⎣⎦⎰⎰ (1-2)式中：()A z 、()B z 分别为光纤光栅区域的前向波、后向波；()k z 为耦合系数；()q z 与光栅周期和传播常数β有关。

利用此方程和光纤光栅的折射率分布、结构参量及边界条件，并借助于四阶Runge-Kutta 数值算法，可求出光纤光栅的光谱特性。

光纤光栅的不同光谱特性呈现出不同的传输或调制特性，因而可构成不同功能的光线器件。

1.2 光纤光栅的类型光纤光栅按结构的空间周期分布是否均匀可分为：周期性光纤光栅和非周期性光纤光栅。

周期性光纤光栅制造简单，但其特性容易受到限制。

非周期性光纤光栅结构制造困难，但其特性容易满足各种要求。

光纤光栅按功能可分为：滤波型光纤光栅和色散补偿性型光纤光栅。

色散补偿型光纤光栅属于非周期型光纤光栅，又称为啁啾光纤光栅。

光纤光栅按结构的空间周期和折射率的分布可分为：1.2.1 均匀周期光纤布拉格光栅这是目前最常用的光纤光栅，多数情况下生产的属于均匀周期正弦型光栅。

由这种均匀光栅的光谱特性可知，在一定带宽的谐振峰两边有一些旁瓣，这是由于光纤光栅两端的折射率突变引起的Fabry-Perot 效应所致。

这些旁瓣分散了光能量，不利于光纤光栅的应用，所以均匀光纤光栅的旁瓣抑制是表征其性能的主要指标之一。

1.2.2 线性啁啾光纤光栅栅格间距不等的光栅，通常称为啁啾光纤光栅。

不同的栅格周期对应不同的反射波长，因此啁啾光纤光栅能够形成很宽的反射带宽。

线性啁啾光纤光栅是折射率调制幅度不变、周期沿光栅轴向线性变化的光栅，线性啁啾光纤光栅谐振峰两边也有一些旁瓣，产生的原因与均匀光纤光栅一样，也不利于应用。

1.2.3 切趾光纤光栅切趾光纤光栅的周期是均匀的，折射率随一定的函数关系呈一个钟形包络变化，典型的包络函数有高斯分布函数、超高斯分布函数、升余弦函数、帽型函数、柯西函数。

这种光栅的两端折射率分布逐渐递减至零，消除了折射率突变，从而使它的反射谱不存在旁瓣。

1.2.4 闪耀光纤光栅光栅制作过程中，如果紫外侧写光束与光纤轴不垂直，造成其折射率的空间分布与光纤轴有一个小角度，但光纤光栅的周期和折射率调制深度均为常数，这就形成了闪耀光纤光栅。

闪耀光纤光栅的光谱特性类似于均匀光纤光栅，也有旁瓣。

1.2.5 相移光纤光栅相移光纤光栅是在均匀光纤光栅的某些特点上，通过一些方法破坏其周期的延续性而得到的。

相移光纤光栅可以看做是若干个周期性光栅的不连续连接，每个不连续连接都会产生一个相移，它能够在周期性光栅的光谱阻带内打开一个透射窗口，使得光栅对某一波长或多个波长有更高的选择度。

1.2.6 超结构光纤光栅超结构光纤光栅亦称为取样光栅，其折射率调制不是连续的，而是周期性间断的，相当于在布拉格光栅的折射率正弦调制下加上一个方形包络函数，这是一种特殊的光栅结构，它既有布喇格光栅的反射特性，亦有长周期光纤光栅的包层模耦合特性。

这种光纤光栅的反射谱具有一组分立的反射峰，故可用做梳状滤波器，在多波长光纤激光器、可调谐分布布拉格反射光纤激光器、以及多通道色散补偿等方面有潜在的应用。

另一方面，由于方波包络的周期通常为几百个微米，因此，超结构光纤光栅亦可看作是一个长周期光纤光栅，它将引起基阶导波模与包层模之间的耦合，在光栅透射谱中产生宽带损耗峰。

由于包层模耦合引起的谐振峰与布喇格反射峰对外界环境参量(如温度、应变、折射率等)具有不同的响应特性，故超结构光栅是一种理想的多参量传感元件。

1.2.7 长周期光纤光栅长周期光纤光栅的栅格周期远大于一般的光纤光栅，一般可达到几百微米，而一般布拉格光纤光栅的周期不到一微米。

与光纤布拉格光栅不同，它不是将某个波长的光反射，而是将特定波长的光耦合到包层中损耗掉，从而在透射谱中形成宽带损耗峰，因此可用作掺饵光纤放大器(EDFA)的增益平坦元件。

另外，长周期光纤光栅的波长选择特性会因外界应力、温度等因素的影响而改变。

与普通FBG 相比其对温度、应变等的灵敏度更高，且具有低反射、测量方法简便等优点，是一种理想的传感元件，在光纤光栅传感领域有重要应用。

此外莫尔光栅, Tophat 光栅等均为非均匀的光纤光栅，在通信与传感领域已引起广泛关注。

二 光纤布拉格光栅传感器2.1 光纤布拉格光栅应力传感器由耦合模理论可知，光纤布拉格光栅的中心反射波长为：2B eff n λ=Λ (2-1)式中：eff n 为导模的有效折射率，Λ为光栅的栅格间距。

当波长满足布拉格条件式(2-1)时，入射光将被光纤布拉格光栅反射回去。

由公式(2-1)可知，光纤光栅的中心反射波长B λ随eff n 和Λ的改变而改变。

光纤布拉格光栅对于应力和温度都是很敏感的，应力通过弹光效应和栅格间距Λ的变化来影响B λ，温度则是通过热光效应和热胀效应来影响B λ。

当光纤布拉格光栅仅受应力作用时，折射率和栅格间距发生变化，引起中心反射波长B λ移动，因此有：eff BB effn n λλ∆∆∆Λ=+Λ (2-2) 式中：eff n ∆为折射率的变化，∆Λ为栅格间距的变化。

光纤布拉格光栅产生应变时的折射率变化：()21211112effeff e effn n P P P n μμεε∆=---=-⎡⎤⎣⎦ 式中： ()21211112e eff P n P P μμ=--⎡⎤⎣⎦ ε是轴向应力，μ是纤芯材料的泊松比，11P 、12P 是弹光系数，e P 是有效弹光系数。

假设光纤布拉格光栅是绝对均匀的，也就是说，栅格间距的相对变化率和光栅段的物理长度的相对变化率是一致的。

L Lε∆Λ∆==Λ 所以公式(2-2)可写成：()1Be B P λελ∆=- (2-3)公式(2-3)就是裸光纤布拉格光栅应力测量的一般计算公式。

2.2 光纤布拉格光栅温度传感器当光纤布拉格光栅不受应力作用时，温度变化引起中心反射波长B λ的移动可表示为：()Bs s BT λαζλ∆=+∆ (2-4) 式中：11s L T L Tα∆Λ∆==Λ∆∆为光纤的热胀系数，描述光纤布拉格光栅的栅格间距随温度的变化关系；1eff s eff n n Tζ∆=∆为光纤的热光系数，描述光纤布拉格光栅的有效折射率随温度的变化关系。