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5.2.3 光纤布拉格光栅 _光纤通信(第2版)_[共2页]

5.2.3  光纤布拉格光栅 _光纤通信(第2版)_[共2页]

第章 无源光器件和WDM 技术 1775得多,约为750mm ,圆盘的圆周上有槽,光纤可以缠绕在盘上。

当光纤被缠绕在圆盘上弯曲成小圆圈时,光纤外面被拉伸,里面被压缩,如图5-8(b )所示。

这种应力引起光纤的感生双折射,使输入光在两个偏振方向上产生相移,从而起到控制偏振的作用。

当光纤线圈被转动时,光纤中的快轴和慢轴也发生旋转,因此,通过调整线圈的方向可以获得所需要的任意的偏振方向。

图5-8 可转动光纤线圈型偏振控制器2.挤压型偏振控制器与可转动光纤线圈型偏振控制器的原理类似,挤压型偏振控制器利用电磁挤压使光纤产生附加的双折射,达到控制偏振状态的目的。

一种挤压型偏振控制器的结构如图5-9所示,光纤和压电晶体被固定在一起,当晶体上外加电压时,晶体的长度发生变化,压挤光纤,使光纤产生附加双折射,压力的大小可以通过外加电压精细控制。

4个挤压器连接使用可以达到良好的控制效果。

图5-9 挤压型偏振控制器 5.2.3 光纤布拉格光栅在光通信中光纤光栅有多种应用,如作为反射型光滤波器,用作色散补偿器,制作光分插复用器,用于光纤激光器等。

本节介绍一般的光纤光栅和啁啾光纤光栅的原理、结构和应用。

1.光纤光栅滤波器光纤光栅是利用光纤材料的光敏性质制作的。

所谓光敏性质,是指紫外光通过光纤时,光纤的折射率会随光强的空间分布发生相应的变化,并在紫外光撤销后这种变化可以永久保存下来。

如果利用掩模使紫外光的强度在纤芯中的分布是周期性的,就可在纤芯中形成折射率周期性分布的结构,如图5-10所示。

图5-11所示是光纤光栅原理示意图。

纤芯中折射率的周期性分布实际上构成布拉格衍射的结构,称为光纤布拉格光栅(FBG )。

这种结构和DFB 激光器周期性波纹结构的作用一样,提供周期性的耦合点,使单模光纤中入射的基模根据光栅和不同传输常数决定的相。

(完整版)第5讲光纤布拉格光栅(FBG)解读

(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
光电子技术精品课程
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)

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

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
光电子技术精品课程
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

光纤光学8-光纤光栅PPT课件

光纤光学8-光纤光栅PPT课件

,从而引起掺锗石英玻璃中引起折射率的改变,
其改变的具体数值如下式:Kramers-Kronig关系

n(')
c
()d 0 2 '2
色心模型认为,在紫外 光照射下电子在不同位置上 的重新分布是掺锗石英光纤 折射率改变的主要原因。
8
密致模型
玻璃的光敏性与玻璃中缺陷有关,在紫外光照射 下光纤材料中的局部应力和密度将发生变化。掺锗 石英玻璃的折射率与其密度呈线性关系,因此这种 应力和密度的变化被认为是光纤材料中光致折射率 的一种可能的机制-密致模型。
纤形成的折射率变化是持久的,室温条件下放置2个星
期下降11%。
10
3、光纤材料的还原性处理
通过在光纤拉制中完成后用氢灯对所要曝光的 光纤段进行“焰刷”处理。把拉制好的标准通信锗 光纤段放在~1700℃的氢氧焰下灼烧,使光纤在 240nm处的吸收增加,可获得大于10-3的折射率变化 ,光纤材料的光敏性提高了一个数量级。缺点就是 高温灼绕破坏了光纤,有长期稳定性的问题。
• 1989年 G.Melts 报道了从光纤的侧面用激光的干 涉曝光制作了光纤光栅,使光纤光栅得到迅速发 展。
• 1993年 K.O. Hill提出的相位掩模制造法使光纤 光栅的制造技术得到重大发展,使光纤光栅的大 批量制造成为可能。
3
一、 光纤光栅的基本概念
1.光纤光栅
光纤光栅是一种折射率沿光纤纵向周期变化的波 导。当光通过这样的波导时将产生相位的周 期性变化。
载氢光纤在紫外光照射时将引起氢气和掺锗石英 光纤之间产生化学反应,H2分子在Si-O-Ge区发生变 化,形成与折射率有关的Ge-OH,Si-OH,Ge-H,Si-H等
化学键和缺氧锗缺陷中心,从而产生光致折射率变化

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(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。

光纤布拉格光栅(FBG)介绍

光纤布拉格光栅(FBG)介绍

光纤布拉格光栅(FBG)介绍1 介绍FBG是Fiber Bragg Grating的缩写,即光纤布拉格光栅。

在纤芯内形成的空间相位周期性分布的光栅,其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。

利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件。

这些器件具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小,易与光纤耦合,可与其它光器件兼容成一体,不受环境尘埃影响等一系列优异性能。

目前应用主要集中在光纤通信领域(光纤激光器、光纤滤波器)和光纤传感器领域(位移、速度、加速度、温度的测量)。

近年来,随光纤光栅的重要性被人们所认识,各种光纤光栅的制作方法层出不穷,这些方法各有其优缺点,下面分别进行评述。

2光纤光栅制作方法2.1光敏光纤的制备采用适当的光源和光纤增敏技术,可以在几乎所有种类的光纤上不同程度的写人光栅。

所谓光纤中的光折变是指激光通过光敏光纤时,光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应的变化,如这种折射率变化呈现周期性分布,并被保存下来,就成为光纤光栅。

光纤中的折射率改变量与许多参数有关,如照射波长、光纤类型、掺杂水平等。

如果不进行其它处理,直接用紫外光照射光纤,折射率增加仅为(10的负4次方)数量级便已经饱和,为了满足高速通信的需要,提高光纤光敏性日益重要,目前光纤增敏方法主要有以下几种:1)掺入光敏性杂质,如:锗、锡、棚等。

2)多种掺杂(主要是B/Ge 共接)。

3)高压低温氢气扩散处理。

4)剧火。

2.2成栅的紫外光源光纤的光致折射率变化的光敏性主要表现在244nm紫外光的错吸收峰附近,因此除驻波法用488nm可见光外,成栅光源都是紫外光。

大部分成栅方法是利用激光束的空间干涉条纹,所以成栅光源的空间相干性特别重要。

目前,主要的成栅光源有准分子激光器、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激光器等,根据实验结果,窄线宽准分子激光器是目前用来制作光纤光栅最为适宜的光源。

光纤布拉格光栅-[自动保存的]

光纤布拉格光栅-[自动保存的]
动实考 自惠核 觉的后 去东需 做西要 的员在 ︒工奖 是惩 不上 会跟 内部写入法制作光纤光栅的实验装置 主上 ︐
要求:严格要求氩离子激光器的后向反射光的隔离度 光纤放在石英管之中隔热(防止泵浦激光的不稳定)
优点:装置简单,方法简单。
缺点:谐振波长与入射光波长一致。折射率改变较小
3.FBG的制作方法
2.FBG的原理
动实考 自惠核 觉的后 去东需 做西要 的员在 ︒工奖 是惩 不上 会跟 主上 光纤布拉格光栅的模式耦合图 ︐
光纤光栅通常以一级衍射为主,取m=-1,
3.FBG的制作方法
(1)高掺锗
原理
自 觉 去 做 的 ︒
光纤的光敏性
(2)硼锗共掺 (3)高压载氢 (4)锡锗共掺
飞秒激光加工:飞秒激光脉冲借助极短的脉冲宽度和极高的峰 值功率,可以在石英光纤内诱导获得较大的折射率调制从而形 成光纤光栅。
光纤光栅
(a)
(b)
动实考 自惠核 觉的后 去东需 做西要 的员在 ︒工奖 是惩 不上 会跟 主上 ︐
Thanks
自 觉 去 做 的 ︒
飞秒激光刻写光纤光栅的原理
3.FBG的制作方法
动实考 自惠核 觉的后 去东需 做西要 的员在 ︒工奖 全息干涉法制作光纤布拉格光栅 是惩 不上 会跟 主上 ︐
相位掩膜法制作光纤布拉格光栅
3.FBG的制作方法
优点: 1.飞秒激光制备光纤光栅具有更好的加工灵活性; 动实考 自惠核 觉的后 去东需 做西要 的员在 ︒工奖 是惩 飞秒激光逐点写入法制作光纤布拉格光栅 不上 会跟 主上 ︐
相位掩膜法制作光纤光栅的实验装置
3.FBG的制作方法
(5)在线成栅
光纤拉丝塔下横向侧面干涉曝光法光纤 光栅在线制作装置示意图
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Temperature and Strain 7.5 Polarization Stability of Interrogation
Schemes
3
7.Fiber Bragg Grating Sensors
7.6 Multiplexing Techniques 7.7 Sensors Based on Chirped Bragg
L
E
(7.2a)
n n

n2P 2E
(1
2v)(2
p12

p11 )
(7.2b)
Where E is Young’s modulus
13
7.2.1 Pressure Sensitivity
GivenL / L / ,the normalized pitch pressure is given by
The most fundamental means for interrogating a FBG relies on broad band illumination of the device.
The grating used in sensor applications have bandwidth of 0.05 to 0.3nm.
Bragg Gratings and Interferometric Sensors
17
7.3 Wavelength Demodulation of Bragg Grating Point Sensors
For FBG point sensors 1 pm resolution is required to resolve ~ 0.1o C or 1 By OSA+ Tunable laser.
FBG’s have been used for DMFS thru the Faraday effect.
n

n

VH 2
(7.5)
16
7.3 Wavelength Demodulation of Bragg Grating Point Sensors
7.3.1 Quasi-Static Strain Monitoring 7.3.2 Dynamic Strain Sensing 7.3.3 Simultaneous Interrogation of
2
7.Fiber Bragg Grating Sensors
7.1 Introduction 7.2 Sensing External Fields 7.3 Wavelength Demodulation of Bragg
Grating Point Sensors 7.4 Simultaneous Measurement of
25
7.3.1.1 Passive Broadband Interrogation
This approach provides (1) Very limited sensitivity for broadband filter.
or(2) Limited range for edge filter. (3) Rely on bulk optic components; alignment stability is critical which reduces portability.
Gratings 7.8 Distinguishing Bragg Grating Strain
Effects 7.9 Bragg Grating Fiber Laser Sensors 7.10 Bragg Gratings as Interferometer
Sensors and Reflective Markers
12
7.2.1 Pressure nsitivity
A pressure change of p wavelength shifp :
p (n) ( 1 1 n )P B n P n P
(7.1)
For SMF
L (1.2v)P
23
7.3.1.1 Passive Broadband Interrogation
24
7.3.1.1 Passive Broadband Interrogation
Comparing light Xmitted thru the filter with light passed along a reference path recovers the wavelength shift of the sensor.(ref.Fig.7.2(a))
7
7.1 Introduction
The key detection issue for FBG is - the determination of small measurand-induced
wavelength shifts. Category of FBG sensors - point sensor - array (WDM/TDM/SDM) or distributed - a reflective marker (OTDR) - extremely long grating
p

B[
(1 2v) E

n2 2E
(1
2v)(2 p12

p11 )]P
(7.3a)
For the refractive-pressure coefficients are given by
1 (1 2v)
P
E
(7.3b)
Therefore
1 n
n p
10
7.2 Sensing External Fields
Eq(3.9)&(3.10) & (3.11) works for measuring
- acceleration - ultrasonic waves - forces
11
7.2 Sensing External Fields
7.2.1 Pressure Sensitivity 7.2.2 Dynamic Magnetic Field Sensitivity
WDM Fiber Coupler 7.3.1.3 Interrogation via Scanning
Optical Filter 7.3.1.4 Bragg Grating Interrogation
Using Wavelength Tunable Source
20
7.3.1 Quasi-Static Strain Monitoring
7.3.1.7 Mode-Locked Fiber Laser 7.3.1.8 Other Lasers
21
7.3.1 Quasi-Static Strain Monitoring
A lot of schemes used for recovery the wavelength- shift information is required for smart structure application.
4
1.1 Fiber Bragg Gratings
7.11 Other Bragg Sensor Types 7.12 Applications of Bragg Grating
Sensors
5
7.1 Introduction
FBG is suitable for measuring - Temperature - strain - pressure
22
7.3.1 Passive Broadband Interrogation
Broadband or edge filters provided a wavelength - dependent loss when the cutoff is lose to the signal wavelength.(ref.Fig.7.1(a))
18
7.3 Wavelength Demodulation of Bragg Grating Point Sensors
19
7.3.1 Quasi-Static Strain Monitoring
7.3.1.1 Passive Broadband Interrogation 7.3.1.2 Ratio metric Detection with a
7.3.1.5 Recovery of Bragg Grating Wavelength Shift Using CCD Spectrometer
7.3.1.6 Analysis of Bragg Grating Wavelength Shift Using Fourier Transform Spectroscopy

for the two cp (circular polarization ,CP)
2 Bragg conditions:
B 2n B 2n
Where “+” refer to right cp. “ ” refer to left cp.
15
7.2.2 Dynamic Magnetic Field Sensitivity (DMFS)
光纖布拉格光柵
Fiber Bragg Gratings 國立中山大學 電機工程研究所
林武文教授 2006.11.1
1
Ref: Andreas Othonos & Kyriacos Kalli, Fiber Bragg Gratings, Artech House , Norwood, MA.U.S.A.1999
8
7.2 Sensing External Fields
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