布拉格光栅反射光谱的数值仿真
光纤布拉格光栅(FBG)-基础与应用
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
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FBG写入技术
FBG制作对UV激光器的要求
输出波长及其稳定性 空间及时间相干性 输出功率或脉冲能量及重复率 光斑质量 偏振特性 光束指向稳定性
FBG写入技术分类
掩模法
UV beam Phase Mask
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FBG在光通信中的应用
波分复用与解 复用 波长锁定 光纤放大器增 益平坦 色散补偿 上下路复用与 解复用 光CDMA
Components and Modules in DWDM Networks
• •
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
光栅布拉格光栅及其传感特性研究
光栅布拉格光栅及其传感特性研究2一光纤光栅概述21.1 光纤光栅的耦合模理论21.2 光纤光栅的类型31.2.1 均匀周期光纤布拉格光栅31.2.2 线性啁啾光纤光栅31.2.3 切趾光纤光栅31.2.4 闪耀光纤光栅41.2.5 相移光纤光栅41.2.6 超结构光纤光栅41.2.7 长周期光纤光栅4二光纤布拉格光栅传感器52.1 光纤布拉格光栅应力传感器52.2 光纤布拉格光栅温度传感器62.3 光纤布拉格光栅压力传感器62.4 基于双折射效应的光纤布拉格光栅传感器7三光纤光栅传感器的敏化与封装103.1 光纤光栅传感器的温度敏化103.2 光纤光栅传感器的应力敏化103.2 光纤光栅传感器的交叉敏感及其解决方法10四光纤光栅传感网络与复用技术104.1 光纤光栅传感网络常用的波分复用技术114.1.1 基于波长扫描法的波分复用技术124.1.2 基于波长分离法的波分复用技术134.1.3 基于衍射光栅和CCD阵列的复用技术134.1.4 基于码分多址(CDMA)和密集波分复用(DWDM)技术144.2光纤光栅传感网络常用的空分复用技术144.3光纤光栅传感网络常用的时分复用技术164.4 光纤光栅传感网络的副载波频分复用技术184.4.1 光纤光栅传感副载波频分复用技术184.4.2 FBG传感网络的光频域反射复用技术184.5 光纤光栅传感网络的相干复用技术184.6 混合复用FBG传感网络184.6.1 WDM/TDM混合FBG网络184.6.2 SDM/WDM混合FBG网络184.6.3 SDM/TDM混合FBG网络184.6.4 SDM/WDM/TDM混和FBG网络184.6.5 光频域反射复用/波分复用混合FBG传感网络18五光栅光栅传感信号的解调方法18六激光传感器18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。
光纤布拉格光栅(fbg)反射中心波长
光纤布拉格光栅(fbg)反射中心波长下载提示：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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体布拉格反射光栅设计程序
体布拉格反射光栅设计程序引言：体布拉格反射光栅是一种常见的光学元件，广泛应用于光谱分析、光通信、激光技术等领域。
本文将介绍如何设计一个体布拉格反射光栅的程序，以帮助读者更好地理解和应用这一光学元件。
一、体布拉格反射光栅的原理简介体布拉格反射光栅是通过在介质材料中形成周期性折射率变化，实现光的衍射和反射的光学元件。
其原理基于布拉格衍射定律，即当入射光满足一定的入射角和波长条件时，光会被反射回来。
体布拉格反射光栅的结构通常由一系列均匀周期性的折射率变化组成，通过调整折射率变化的周期和深度，可以实现对特定波长的光进行高效的反射。
二、体布拉格反射光栅的设计步骤1. 确定设计需求：首先要明确设计所需的波长范围、入射角范围和反射效率要求等。
2. 选择材料：根据设计需求，选择合适的材料，常见的材料有玻璃、硅、石英等。
3. 计算光栅周期：利用布拉格衍射定律，根据入射角和波长计算光栅的周期，公式为：光栅周期 = 波长 / (2 * sin(入射角))4. 计算折射率变化：根据设计需求和选择的材料，计算光栅中的折射率变化，常用的方法是使用传输矩阵法或有效介质理论。
5. 优化设计参数：通过调整光栅的周期、深度和折射率变化等参数，来达到设计需求的反射效率。
6. 模拟和验证：使用光学建模软件，对设计的光栅进行模拟和验证，确保满足设计要求。
7. 制备和测试：根据设计结果，制备实际的光栅样品，并使用光谱仪等设备进行测试和验证。
三、体布拉格反射光栅设计程序的实现1. 输入参数：通过用户界面或配置文件输入设计所需的波长范围、入射角范围和反射效率要求等参数。
2. 计算光栅周期：根据输入的参数，采用布拉格衍射定律计算光栅的周期。
3. 计算折射率变化：利用所选的材料参数和计算得到的光栅周期，计算光栅中的折射率变化。
4. 优化设计参数：通过遗传算法、粒子群优化算法等优化方法，自动调整光栅的周期、深度和折射率变化等参数，使得反射效率最大化。
Bragg
图10 带隙孤子中，光纤光栅透射率 （实线）及脉冲传输速度（虚线） 随入射峰值功率变化的情况图。
2.带隙孤子与布拉格孤子的比较 带隙孤子与布拉格孤子的比较
图11 布拉格孤子中， 透射脉冲宽 度随入射脉冲峰值功率的变化图。 入射脉冲的能量为0.003mJ
图12 带隙孤子中，透射脉冲宽度 随入射脉冲峰值功率的变化图。 入射脉冲的能量为0.01mJ
1.
2.
3.
布拉格光纤光栅中 皮秒激光带隙孤子的产生与特性
布拉格光纤光栅带隙孤子研究的回顾 非线性耦合模方程（NLCME’s） 非线性耦合模方程（NLCME’s） 布拉格光纤光栅中皮秒激光带隙孤子的特性 带隙孤子与布拉格孤子的比较 总结
1.布拉格孤子（ 带隙边缘外的孤子） 布拉格孤子（ 带隙边缘外的孤子） 布拉格孤子
非线性耦合模方程
利用非线性耦合模方程可从理论上分析出布拉 格孤子和准连续光带隙孤子的特性，并与实验 结果相一致
布拉格光纤光栅中 皮秒激光带隙孤子的产生与特性
布拉格光纤光栅带隙孤子研究的回顾 非线性耦合模方程（NLCME’s） 非线性耦合模方程（NLCME’s） 布拉格光纤光栅中皮秒激光带隙孤子的特性 带隙孤子与布拉格孤子的比较 总结
1998年， Taverner等人使用了2ns的准连续光 入射到光纤光栅的带隙，观察到一系列的带隙 孤子。 这是实验上第一次在光纤光栅上观察到真正的 带隙孤子。
3.准连续光带隙孤子 准连续光带隙孤子
D.Taverner,N.G.R.Broderick,D.J.Richardson,et al.Opt.Lett.,1998,23,328.
2.布拉格孤子 布拉格孤子
(B.J.Eggleton, R.E.Slusher, C.M.de Sterke. Phys.Rev.Lett.,1996,76,1627)
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
光纤布拉格光栅传感器(共10张PPT)
2021/12/9
3
第3页，共10页。
光纤Bragg 光栅在桥梁、通讯、建筑、机械、医疗、航海、航天、矿业等领域
都能发挥重要作用，所以具有广阔的应用前景。它具有体积小、重量轻、与光
纤兼容、插入损耗低、性能长期稳定性好等特点。特别适合在易燃，易爆，和 特Δλ别B=适强2Δ合电n在ef易f磁Λ燃+2等，n易e恶ff爆ΔΛ劣，和环强电境磁下等恶使劣用环境。下(8使. 用。
当各个光栅光谱空间必须互不重叠时，我们可以方便地将波分复用技术应用于FBG传感系统中。 布拉格光纤光栅复用传感技术具有减少昂贵的传感元件、降低系统成本、节省能量和使用空间等优点。 响应时间短——单个FBG 传感器响应时间小于。
光它纤具F光 有B栅体G的积技B小r、a术g重g的波量长轻特是、随点与光光：栅纤的兼周容期、和插纤入芯损模耗的低有、效性折能射长率期变稳化定的性，好因等此特B点ra。gg波长对于外界力、热负荷等极为敏感。 当将而外光改界 栅 变的区Br温用a••g测度作响g、传中量应应感心精时力区波和，度长间压当。高短力被—等传——参感—量物F发质单B生温G个变度应F化、B时结力G，构测或B传r是a量g感位g精波置器长度发的响生可变变应化以化可的时达表时示到间候为，1小μ光ε于栅，的。温周期度（和测时纤量芯间模精与的度有F效可B折G以射传率达将感到会器0发.距生1℃相离应。监的变化，从
光将纤光B栅r区a式g用g中光作栅传α在感为桥区光梁，纤、当通被的讯传热、感膨建物胀筑质、温系机度数械、。、结医构疗或、是航位海置、发航生天变、化矿的业时等候领，域光都栅能的周发期挥和重纤要芯作模用的，有所效以折具射有率广将阔会的发应生用相前应景的。变化，从
而它改具变 有体Br积ag小热g、中光重心效量波应轻长、引。与起光的纤折兼容射、率插变入损化耗为低、性能长期稳定性好等特点。
啁啾光纤光栅仿真-
φ (z,ω)
=
AT0
exp−
1 2
(ω
− ω0 )2
⋅ T02
−i
d 2β dω 2
z + i(ω
− ω0 )
dβ dω
z
+
iβ
0
z
(7)
对光脉冲的频谱进行变换，假定能够得到一个系统，其频谱函数Φ(ω) 使得光脉冲经过该系 统后，光脉冲的频谱为：
φout (ω) = φin (ω)Φ(ω)
(8)
下面从公式的角度进行分析。
-1-
中国科技论文在线
激光器出射的光脉冲复振幅在初始点是高斯型[1]：
ψ
(0, t )
=
A exp[−
1 2
t T0
2 ]⋅ exp(−iω0t)
(1)
其中对T0它为进光行脉傅冲立半叶宽变度换(在，振得幅到的光1脉/e冲)处的，频ω谱0 是为光：脉冲的中心频率。
1
0.9
0.8
0.7
0.6
Reflectivity
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0 1.548 1.5485 1.549 1.5495 1.55 1.5505 1.551 1.5515 1.552
wavelength/m
x 10-6
图 2 均匀光纤光栅反射谱
对于线性啁啾光栅可采取传输矩阵法求解方程(13，14)。假设把光栅分成 M 段子光栅， 且将子光栅当作均匀光栅处理。但是 M 不能无限扩大，必须保证[1]：
M << 2neff L
λd
(23)
传输矩阵法将每段都用一个 2×2 矩阵表述，然后将所有的矩阵相乘得到一个总的 2×2
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题 专 班 学 学 目 光纤布拉格光栅反 射光谱的数值仿真 业 光信息科学与技术 级 光信 091 号 3090242007 生 丽 副教授
指导教师 汪
二○一三 年
I
布拉格光栅反射光谱的数值仿真 摘 要
光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating，FBG）是一种利用光纤材料的光敏性，在纤芯 内形成空间相位的光栅，其作用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。从上世纪七十年代末诞生以来，经过三十年的发展，它凭借体积小、易与光纤耦合、 可与其它光器件兼容成一体、低耗传输、工作稳定性高、带宽更窄且不受环境尘埃影响等一 系列优异性能，在光纤通信、光纤传感和光信息处理等领域广泛应用。对于反射式光栅布拉 格光栅来说，反射率谱是其特性的重要指标和评估指标，反射率谱的性能是光栅布拉格光栅 的重要性能参数。通过使用耦合模理论推导和传输矩阵推导，我们已经得出了光栅布拉格光 栅反射率谱的理论算方法，可以看出光栅布拉格光栅反射率谱是多个参量的函数，反射率谱 是各个制作参量共同作用的结果。因此，分析不同参数对光栅布拉格光栅反射率谱的影响， 并对不同参数对光栅布拉格光栅反射率谱的影响进行比较，可以帮助我们得到清晰的认识， 获得一种理想的光栅布拉格光栅设计方法，更容易得到想要获取的光栅布拉格光栅的参数。 例如：地球动力学、航天器及船舶航运、民用工程结构、电力工业、医学和化学行业等。正 是基于它独特的工作特性以及广泛的应用，对于FBG的特性研究显得十分重要。 关键词：光纤布拉格光栅、光敏性、光栅、FBG
I
目录
布拉格光栅反射光谱的数值仿真..................................................................................................... I 摘要......................................................................................................................................................I Numerical simulation of the optical fiber Bragg grating reflective spectrum............................ II 第一章 绪 论..................................................................................................................................... 1 1.1 课题研究意义...................................................................................................................... 1 1.2 国内外研究动态、文献综述与分析.................................................................................. 1 1.3 论文的主要研究内容.......................................................................................................... 4 1.4 研究系统要求...................................................................................................................... 4 1.5 本章小结.............................................................................................................................. 5 第二章 反射谱理论计算概述........................................................................................................... 6 2.1 耦合模理论法....................................................................................................................... 6 2.2 传输矩阵法........................................................................................................................... 6 2.3 有效折射率法....................................................................................................................... 7 2.4 本章小结.............................................................................................................................. 7 第三章 光纤光栅的耦合模理论....................................................................................................... 8 3.1 耦合模式理论...................................................................................................................... 8 3.2 耦合模式理论 FBG 反射率的计算.................................................................................... 9 3.3 传输矩阵法 FBG 反射率的计算...................................................................................... 13 3.4 切趾技术............................................................................................................................ 15 3.4.1 切趾简介................................................................................................................. 15 3.4.2 常用切趾技术和优劣............................................................................................. 16 3.4.4 切趾方法的计算..................................................................................................... 18 3.5 本章小结............................................................................................................................ 18 第四章 参数分析............................................................................................................................. 19 4.1 研究意义和手段................................................................................................................. 19 4.2 参数具体讨论..................................................................................................................... 19 4.2.1 FBG 的反射率谱..................................................................................................... 19 4.2.2 反射率谱与光栅长度 L 的关系.............................................................................21 4.2.3 反射率谱与有效折射率 neff 的关系.....................................................................23 4.2.4 反射率谱与折射率调制深度 neff 的关系..............................................................24 4.2.5 反射率谱中光栅长度 L 与折射率调制的关系.....................................................25 4.2.6 高斯切趾对于光纤布拉格光栅反射谱的影响..................................................... 27 4.3 本章小结............................................................................................................................. 28 第五章 全文结论............................................................................................................................. 29 致谢................................................................................................................................................... 30 参考文献........................................................................................................................................... 31