第5讲光纤布拉格光栅(FBG)解读
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。
光纤布拉格光栅传感器测量温度和应变的原理
光纤布拉格光栅传感器测量温度和应变的原理光纤布拉格光栅传感器，简称FBG传感器，这可是个神奇的东西哦！它不仅可以测量温度，还能测量应变，简直就是个万能的小助手。
今天，我就来给大家聊聊这个神奇的小家伙是怎么工作的，让我们一起揭开它的神秘面纱吧！我们来了解一下FBG传感器的基本结构。
它是由一系列周期性折射率不同的光纤组成的，这些光纤就像一根根细细的琴弦，当光线通过它们时，会发生折射现象。
而这种折射现象正是FBG传感器测量温度和应变的关键所在。
FBG传感器是如何测量温度的呢？其实，这就要靠那些神奇的光纤了。
当阳光或者光源照射到光纤上时，光纤中的原子会吸收一部分光线，使得光线在光纤内部发生反射。
而反射回来的光线经过多次反射后，最终到达了FBG传感器的检测器。
检测器会根据反射光线的强度和时间变化来计算出光纤的温度。
是不是很厉害啊！我们再来聊聊FBG传感器是如何测量应变的。
其实，这也是利用了光纤的折射现象。
当FBG传感器受到外力作用时，光纤会发生形变，从而导致折射光线的变化。
而这种变化又被检测器捕捉到，从而计算出了应变的大小。
是不是感觉FBG传感器就像一个神奇的变形金刚一样，可以感知到周围的变化呢！FBG传感器有哪些应用呢？其实，它的应用范围非常广泛。
在建筑行业中，它可以用来检测混凝土的结构变化；在医疗行业中，它可以用来监测人体的生理指标；在汽车制造行业中，它可以用来检测车身的变形情况。
只要有需要测量温度和应变的地方，FBG传感器都可以派上用场哦！当然啦，虽然FBG传感器非常神奇，但它也有一些局限性。
比如说，它的灵敏度有限，不能用来检测非常微小的应变；而且，它的精度也有一定的误差。
随着科技的发展，相信这些问题都会得到解决的。
今天关于光纤布拉格光栅传感器测量温度和应变的原理就给大家介绍到这里了。
希望对大家有所帮助哦！下次再见啦！。
(完整word版)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(fbg)反射中心波长
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(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)
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(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。
FBG布拉格光纤光栅传感技术及其优势
ti = 2li c/n式中，c为光在真空中传播的速度，n为光纤的折射率。 确定阵列中光栅的位置后，可使用如前所述的无缘倾斜滤波器来确定每个脉冲在其到来 时的波长。当然，也可使用高速分光计。
3
三．布拉格光纤光栅传感技术优势
布拉格光纤光栅传感技术及其优势
基于布拉格光纤光栅（FBG）的传感器相对于传统的电子传感器技术具有很多重大优势： 适用于严苛环境 布拉格光纤光栅传感器完全无源，没有使用任何仪表无法工作的地方长期工作。 抗电磁干扰 布拉格光纤光栅传感器的无源特性的另一个好处就是它们不受到静电、电磁及无线电频率源的干扰。所以 它们可以安装在发电站等具有严重电子噪声的场所。另外，由于无源，本质上它们是100%安全的，它可用 于大多数危险爆破环境。 远程感应光纤是一个效率非常高的信号载体。因此，电子调制解调单元可安装在距传感器位置几十千米的 地方。而传统电子应变测量系统需要适当放大以防止噪声淹没信号。对于监测油井、提升柱、管道或隧道 等长距离、偏远建筑结构，此特点具有特有和巨大的好处。光学传感器没有引线的影响，由于布拉格光纤 光栅传感系统的被测量为波长，它不受到信号衰减的影响，所以远端的传感器信号在沿着较长光纤传输的 过程中不可能发生错误。 长期稳定性 布拉格光纤光栅传感器的另一个优点是其对于远程监控具有长期的稳定性。作为无源传感器，布拉格光纤 光栅具有零漂移的特性，因而可以使用很多年而不需要重新标定。将传感器安装在结构上，然后连接到调 制解调设备，每隔几年采集一次数据，就可获得结构自上次读数后的真实动作情况。由于一个调制解调单 元可用于很多结构，这大大增加了这项科技的经济优势。 微小尺寸 刻录布拉格光栅的光纤非常小，直径只有约0.15mm。因此，很多传感器可应用于非常小扰动的结构。特别 地，光纤传感器阵列可以嵌入复合材料，用于检测内部应变、温度和损伤，而不影响复合材料的结构性能。
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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
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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
s 2 2 k 2 M p 1 V 2 n 2 2 1/ 2 ncl ) M p V (2a / )(nco 2 R ( l , ) tanh (l ) 最大反射率为 2 1 2 ) 反射谱带宽为 B s ( 2nn0 ) ( N
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FBG原理与特性
FBG是在光纤纤芯内形成的空间相位光栅，通过光栅前向传输的纤芯模式与后 向传输的纤芯模式之间发生耦合，而使前向传输的纤芯模式的能量传递给后向 传输的纤芯模式，形成对入射波的反射。其反射波长即布拉格波长为λB=2neffΛ， 其中，Λ为光栅周期特性
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 （铕）, Cerium（铈） 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 火焰热处理
设光纤纤芯折射率为 n( z ) n0 n cos( 2z / ) 由耦合模理论得到光栅的反射光谱为 2 sinh 2 ( sl ) R(l , ) 2 k sinh 2 ( sl ) s 2 cosh 2 ( sl ) k k / k 2n0 /
ⅡA（Ⅲ）类光栅
Ⅱ类光栅
光电子技术精品课程
光致折射率变化的特性
光致折射率变化的各向异性
光纤光栅双折射～10-6 侧向写入制成的光纤光栅双折射要 大2个数量级 双折射与UV激光的偏振方向有关：P 方向小，S方向大，可相差10倍 双折射与UV激光的波长有关：193nm 较240nm UV激光产生更大的双折射
• • • • 氢气火焰+少量氧气将光纤加热至1700℃ 持续20分钟 光纤的光敏性增加10倍，折射率变化＞10-3 高温对光纤造成损伤，引起可靠性等方面问 题
影响光纤光敏性的因素
混合掺杂 掺Boron（硼）
• • • • • 降低折射率，可提高Ge掺杂浓度 光纤的光敏性增加3倍 30min @400℃退火可使折射率变化减半 1500nm窗口付加损耗～0.1dB/m 双折射效应 较B-Ge光纤的光敏性增加3倍 热稳定性优于B-Ge光纤
光电子技术 精品课程
第5讲:光纤布拉格光栅(FBG) --基础与应用
电子科学与技术 精密仪器与光电子工程学院
李恩邦
FBG的发现与发展 光纤布拉格光栅（简称FBG）是在 单模光纤的纤芯内通过某种方式 对其折射率产生周期性的调制而 形成的一种全光纤器件 (如右图 所示)。 1978年，加拿大Hill 等人使用如左图 所示的实验装置将488nm的氩离子激光 注入到掺锗光纤中，首次观察到入射 光与反射光在光纤纤芯内形成的干涉 条纹场而导致的纤芯折射率沿光纤轴 向的周期性调制，从而发现了光纤的 光敏特性，并制成了世界上第一个光 纤布拉格光栅。
光电子技术精品课程
FBG写入技术分类
掩模法
UV beam Phase Mask
光电子技术精品课程
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
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 • 形成Ge-H,Si-H,Ge-OH,Si-OH • 有效增加标准单模光纤的光敏性 • 标准单模光纤损耗增大 • 光敏性变化大 • 退火及老化处理
掺Tin（锡）
双光束干涉法
用于FBG制作的UV激光器
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
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
WDM Amplifiers
WDM
Switching
• Optical Switches • Circulator s • Couplers • Add/drop modules
• Isolators • Tap couplers • Pump lasers • Gain equalizers • Attenuators • Integrated amplifiers • SOAs