光纤光栅
光纤光栅
2.基片式封装FBG应变传感器
基片式封装FBG应变传感器基本结构是在其传感器基片上刻一小槽， 然后用粘结剂将；裸光纤光栅固定在小槽内。刻小槽的目的主要是增加 基片和光纤的接触面积，从而能有效的将基片的应变传递到光纤光栅上。 相比于管式封装，基片式封装结构不需要将粘结剂灌入套管，传感器 制作比较方便，适合于结构表面应变的测量。但是在使用过程中，粘结 剂直接暴露在空气中，容易受到环境腐蚀，其耐久性需要进一步研究。
(8.3-4)
这里，ξ 为光纤的热光系数，表示折射率随温度的变化率。 式(8.3-3)、(8.3-4)结合(8.3-1)，可知 Bragg 光栅的波长在变化的温度场中的表达式为
B / B ( ) T
(8.3-5)
Bragg 波长的变化与温度之间的变化有良好的线性关系，光栅的温度灵敏度为
(8.3-9)
Pe
1 2 neff [ P 12 ( P 11 P 12 )] z 2
B / B 1 Pe
(8.3-10)
综合式 (8.3-7)、(8.3-9) 、(8.3-10) 代入(8.3-2)，可得应变的灵敏度
K
z
(8.3-11)
若沿光纤轴向施加拉力 F，根据胡克定律，光纤产生的轴向应变为
8
6.1.1 温度传感原理 温度影响 Bragg 波长是由热膨胀效应和热光效应引起的。 假设均匀压力场和轴向应力场保持恒 定，由热膨胀效应引起的光栅周期变化为
T
(8.3-3)
式中 α 为光纤的热膨胀系数。 热光效应引起的折射率变化为
neff neff T
6
2015-6-3
将光栅区用作传感区，当被传感物质温度、结构或是位臵发生变化的时候， 光栅的周期和纤芯模的有效折射率将会发生相应的变化，从而改变 Bragg 中心波长。通过光谱分析仪或是其它的波长解调技术对反射光的Bragg 波 长进行检测就可以获得待测参量的变化情况（见图2）。
光纤光栅
（k = 0,1,2,3…）
N=2 d=3a N=3 d=3a N=4 d=3a N=5 d=3a
-2 -1 0 1 2
衍射图样
归一化强度分布(N为狭缝数目)
光栅衍射图样及强度分布
1.光纤光栅的定义
光纤光栅：在一定长度的光纤上，在光纤的纤芯或者
包层中，周期性的改变折射率。
边界条件
dR ( z ) ˆ i R ( z ) i S ( z ) dz dS ( z ) ˆS ( z ) i R ( z ) i dz
d 令D dz
ˆ R ikS D i ˆ S ikR D i
光栅衍射
平行光垂直照到光栅平面时， 光波将在每个狭缝处发生衍射， a b 衍射光干涉后再经透镜会聚到 屏幕上，使屏幕上出现细亮的 等间距条纹。 是单缝衍射与各个缝之间干 涉的综合效果
d
θ
f
o
P
θ
o
f
光栅衍射
光栅方程（亮纹条件） ：
(a b) sin k
N=1
d=a+b 为光栅常量 亮纹到中心的距离：
*
ˆ
2
neff
1 d 是光纤光栅的直流自耦合系数 2 dz
neff 表示光纤光栅的交流耦合系数
布拉格波长 2neff
均匀光纤光栅耦合模方程组的解析解
R L / 2 1
L z , S ( L / 2) 0 光栅长度外无反向传输光存在 2
光栅的相位变化即chirp
2 neff ( z) neff ( z)1 v cos z ( z) * f ( z)
光纤光栅的分类
光纤光栅的分类1均匀光纤光栅 (1)2非均匀光纤光栅 (1)由于折射率的变化导致的结构差异，即光纤光栅空间周期分布及折射率调制深度分布是否均匀，可以将其分为均匀光纤光栅和非均匀光纤光栅两大基本类型。
1均匀光纤光栅均匀光纤光栅是指栅格周期沿纤芯轴向均匀折射率调制深度为常数的一类光纤光栅。
从光栅周期的长短及波矢方向的差异等因素考虑，这类光纤光栅的典型代表如下:1.光纤布拉格光栅的栅格周期一般210nm量级，折射率调制深度一般为310-，光栅波矢方向与光纤轴线方向一致。
这种光纤光栅具有较窄的反射10-~5带宽和较高的反射率，其反射带宽和反射率可以根据需要，通过改变写入条件而加以灵活地调节。
这是最早发展起来的一类光纤光栅，目前在光纤通信及光纤传感领域应用极其广泛。
2.长周期光纤光栅的栅格周期远大于布拉格光栅的栅格周期，一般为几十到几百微米，光栅波矢方向与光纤轴线方向一致。
与光纤布拉格光栅不同，长周期光纤光栅是一种透射型光纤光栅，它不是将某个波长的光反射，而是耦合到包层中损耗掉。
这种光纤光栅除了具有插入损耗小、易于集成等优点外，还是一种性能优异的波长选择性损耗元件，目前主要用于掺饵光纤放大器的增益平坦和光纤传感。
3.闪耀光纤光栅与光纤布拉格光栅不同之处在于光栅波矢方向与光纤轴线方向有一定的交角。
这种光纤光栅不但能引起反向导模的耦合，而且还能将基模耦合到包层模中辐射掉。
这种宽带损耗特性可用于掺饵光纤放大器的增益平坦。
对于交角很小的闪耀，可做成模式转换器，将一种导模祸合到另一种导模之中。
2非均匀光纤光栅非均匀光纤光栅是指栅格周期沿纤芯轴向不均匀或折射率调制深度不为常数。
从栅格周期与折射率调制深度等因素考虑，这类光纤光栅的典型代表如下：1.线性碉啾光纤光栅的栅格周期沿纤芯轴向在整个区域内单调、连续、准周期线性变化，折射率调制深度为常数。
这种碉啾光纤光栅可视为仅对光栅周期进行线性调制的情况。
2.分段碉啾光纤光栅的栅格周期沿纤芯轴向在分段区域内单调、连续、准周期线性变化，折射率调制深度为常数。
光纤光栅 hr
光纤光栅（FBG）是一种反射型光纤传感器，其反射光谱的中心波长与光纤光栅的折射率调制深度和写入的光栅长度相关。
光纤光栅的反射光谱具有窄线宽、稳定性好、抗干扰能力强等特点，因此被广泛应用于各种光纤传感和通信系统。
高分辨率（HR）光纤光栅是一种特殊的光纤光栅，其反射光谱具有高分辨率和高精度测量等特点。
HR光纤光栅通常采用高折射率调制深度和高光栅长度的技术实现，其反射光谱的线宽非常窄，可以精确测量和监测光纤中的微小变化。
因此，HR光纤光栅在光纤传感和通信领域具有广泛的应用前景。
除了HR光纤光栅外，还有长周期光纤光栅（LPFG）、全息光纤光栅等不同类型的光纤光栅，每种光纤光栅都具有其独特的特点和应用场景。
光纤光栅 光格科技-概述说明以及解释
光纤光栅光格科技-概述说明以及解释1.引言1.1 概述光纤光栅是一种利用光栅原理制造出来的光学器件，其具有很高的光学性能和稳定性，被广泛应用于光通信、激光技术、光谱分析等领域。
光格科技作为光纤光栅的领军企业之一，致力于研究和开发先进的光纤光栅技术，不断推动该领域的发展与应用。
本文将介绍光纤光栅的原理与特点，探讨其在各个应用领域的重要性，以及光格科技在该领域的研究与发展成果。
通过对这些内容的了解，可以更好地认识光纤光栅技术的重要性和前景，促进光学领域的发展与进步。
1.2文章结构文章结构部分文章的整体结构包括引言、正文和结论三个部分。
引言部分将介绍光纤光栅和光格科技的背景和意义，正文部分将详细介绍光纤光栅的原理与特点以及在各个领域的应用情况，最后结合光格科技在光纤光栅领域的研究和发展进行介绍。
结论部分将对文章的内容进行总结，展望未来光纤光栅技术的发展前景，并留下一些结束语。
整体结构清晰明了，每个部分都将围绕光纤光栅和光格科技展开讨论，使读者能够全面了解这一领域的最新研究和发展。
1.3 目的：本文旨在介绍光纤光栅这一重要的光学器件，探讨其原理与特点，深入探讨其在各个领域的应用，以及光格科技在该领域的研究和发展情况。
通过对光纤光栅和光格科技的综合介绍，读者将能够更全面地了解光学器件的重要性和应用前景，同时也能够对光格科技在该领域的成就有一个更清晰的认识。
希望本文能够给读者带来启发和启示，促进光纤光栅领域的研究与发展。
2.正文2.1 光纤光栅的原理与特点光纤光栅是一种利用光纤的周期性结构来实现光信号的衍射和反射的光学器件。
其原理是利用光纤中的折射率周期性变化来实现入射光波的衍射效应，从而实现信号的频谱分析和光谱调制。
光纤光栅具有以下几个特点：1.高效：光纤光栅能够实现高效的光信号衍射和反射，从而实现信号的频谱分析和光谱调制，提高了光信号处理的效率。
2.精确：光纤光栅的周期性结构可以精确地控制光波的传播和衍射，使其在特定波段内表现出良好的光学性能。
光纤光栅原理
光纤光栅原理
光纤光栅原理是基于光的干涉效应，通过在光纤中引入周期性的折射率变化来实现的。
光纤光栅中的周期性折射率变化可以通过不同的方式实现，其中一种常见的方式是通过在光纤中引入周期性的应变或温度变化。
这种变化会导致光纤的折射率发生变化，从而形成了光纤光栅。
当光信号传输到光纤光栅中时，会与光栅发生相互作用。
由于光纤光栅中存在周期性的折射率变化，光信号会被散射成不同的方向。
其中，散射角度与波长之间存在一定的关系，被称为布拉格条件。
根据布拉格条件，当光信号的波长等于光纤光栅中的布拉格波长时，散射角度达到最大值，此时信号被完全反射回原始的传输方向。
当光信号的波长与布拉格波长不完全匹配时，只有部分光信号会被反射回原始方向，其余的会被散射到其他方向。
基于以上原理，光纤光栅可用于实现光信号的滤波、衍射、分路、光谱分析等应用。
在光通信领域中，光纤光栅还用于实现波长选择性的光纤耦合器、滤波器、传感器等器件。
总的来说，光纤光栅通过引入周期性的折射率变化，利用光的干涉效应实现了对光信号的调控和处理。
它在光通信和光传感等领域具有广泛的应用前景。
光栅
•
产生的自由电子进入光纤材料的色心陷阱中，从而 改变了光纤的吸收、散射等光学特性，出现了折射率 的变化；另外，在光照射过程中，光纤材料结构释放 诱导应力以及结构、形状的畸变等也导致了折射率的 变化。这种光折变效应主要发生在近紫外波段。最初 光致折射率变化出现在掺锗光纤中，后来研究发现， 具有光敏特性的光纤种类很多，有些是掺磷或硼，并 不一定都掺杂，只是掺杂光纤的光敏特性更明显。有 时根据需要为了加大折射率的变化程度，就会选用高 掺杂的光纤。
•
光纤中的光敏特性于1978年由Hill等人首次发现并 成功用于研制高反射率布拉格光栅滤波器，1989年 Meltz提出的横向写入制造方法及Hill等人于1993年提 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，使得光纤光栅的大批量制造成为可能，之后， 光纤光栅器件逐步走向实用化。光纤光栅器件在光纤 通信及光纤传感领域有着广泛的应用，被认为是继掺 饵光纤放大器（EDFA）技术之后光纤技术发展的又一 重大突破。本节首先介绍光纤光栅器件的形成机理、 制造方法及工作原理，然后探讨光纤光栅器件的应用。
•
光纤光栅从本质上讲是通过波导 与光波的相互作用，将在光纤中传输的 特定频率的光波，从原来前向传输的限 定在纤芯中的模式耦合到前向或后向传 输的限定在包层或纤芯中的模式，从而 得到特定的透射和反射光谱特性。光纤 光栅中，光场与光波导之间的相互作用 可用耦合模理论来描述。
• •
1.均匀光纤光栅 最简单的具有正弦结构的滤波型光纤光栅，其 折射率可以表示为
3 .7 50
7 .5 00ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
－0 .0 6 －4 .0
－2 .0
0 .0
L
2π
2 .0
4 .0
光纤光栅结构
光纤光栅结构
光纤光栅结构：光纤纤芯、光纤包层、外包层以及折射率周期变化;它们是构造光纤光栅的主要结构。
光纤光栅的原理：光纤光栅是通过光敏性材料将外界射入光纤内部的光线与内部的纤芯所含有的离子混杂，发生互相作用，使患上光纤线芯产生折射，致使其折射的变化周期有了波动(或者呈规律性波动，或者呈不规律性波动)，在光纤光栅的内部构成1个相对于而言的栅位，使其充当1个狭小的滤光器或者者反射器，至于究竟是反射器仍是滤光器，这要取决于这个窄带究竟起的是投射仍是反射的作用。
光纤光栅是1种通过必定法子使光纤纤芯的折射率产生轴向周期性调制而构成的衍射光栅，是1种无源滤波器件。
因为光栅光纤拥有体积小、熔接消耗小、全兼容于光纤、能埋入智能材料等优点，并且其谐振波长对于温度、应变、折射率、浓度等外界环境的变化比较敏感，因而在光纤通讯以及传感领域患上到了广泛的利用。
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光纤光栅制作方法XXX（XX大学XX学院，武汉湖北430000）摘要：光纤光栅是一种新型的光无源器件,在光纤通信、光纤传感及光纤光学等光纤技术领域中有着广泛的应用前景,近年来成为了一个全球性的研究热点,获得了较大的发展与进步,因此了解光纤光栅制作知识和寻求光纤光栅的最佳制作方法具有重要的意义。
关键词：光无源器件；制作方法；意义；通信中图分类号：TU375.1 文献标识码：A 文章编号：Fiber Optic Fiber Fabrication MethodXXXXXXX(College of mechanical and electric engineering, XXX University, Wuhan 430000, China)Abstract: Fiber Bragg grating is a new kind of optical passive components, such as optical fiber communication, optical fiber sensing and optical fiber optical fiber technology has a broad application prospect in the field of, in recent years has become a global research hot spot, obtained greater development and progress, so fiber grating production knowledge and seeking the best method of making fiber grating of has the vital significanceKey words:Optical passive components. Production method; Meaning; communication1全光通信的研究还处于起步阶段，许多技术难点需要克服。
虽然光纤光栅不能解决全光通信中所有的技术难点，但是对光纤光栅技术和器件的研究可以解决全光通信系统中许多关键技术。
因此对光纤光栅的研究可以促进全光通信网的早日实现。
作为一名光电信息工程的学生，我认为在光纤光栅这个器件上还有更多的东西值得挖掘，光纤光栅主要分为：均匀光纤光栅，均匀长周期光纤光栅，切趾光纤光栅，相移光纤光栅，取样光纤光栅。
光纤光栅是将来很长一段时间内光纤通信系统中最具实用价值的无源光器件之一，利用它可组成多种新型光电子器件，由于这些器件的优良性能使人们更加充分地利用光纤通信系统的带宽资源。
但是我国在这个方面的水平与国际先进水平还有一段距离，不过只有后辈努力才能使中国在这个方向上赶上国际先进水平。
更好的造福人类。
收稿日期：2015-06-xx作者简介：XXX(19XX-), 男, 学士XXXX000@；1光纤光栅制作前期处理办法光纤光栅是利用光纤的光敏性制作,所谓光敏性是指光纤受激后产生永久性的折射率变化的特性。
光栅的制作即是利用紫外光照射光敏光纤,在纤芯形成一种周期性的折射率改变,普通商用光纤光敏特性很差,饱和折射率变化一般不超过3哈10-5,因此如果不对光纤作前期的增敏处理,很难制作出高质量的光纤光栅,目前常用下面几种方案增加光纤的光敏性。
1.1高锗掺杂提高光纤中锗的含量可以使光纤中的锗相关缺陷浓度更高从而有效地提高光纤的光敏特性,在含锗11mo%l的光纤上可获得高达1.8哈10-3的折射率变化量[3]。
但高锗含量光纤不仅需要特殊制备,而且数值孔径较大,与常规光纤熔接时会因模场匹配不好而造成额外损耗。
1.2掺硼光纤中掺硼也可以有效提高锗硅光纤的光敏特性。
Dong[4]在实验中发现掺硼后的相同锗含量光纤折变幅度比不掺杂硼时增加了4倍。
同时,掺硼可以减小光纤数值孔径,允许增大锗含量。
这种方法最大的优点在于突破了纵向驻波法对光纤光栅中心反射波长的限制,使人们可以更充分地利用最感兴趣的波段。
在实验中只要适当调整两个点光源的相对位置和相干波前的曲率半径,就可获得所需周期分布、带宽、反射中心波长的光纤光栅。
1.3刷火从提高光纤氧缺陷的角度出发,Bilodeau[4]等人利用高达1700哈的氢氧火焰对光纤进行了加热处理,处理后242nm 附近的GeO 相关吸收明显提高,用相应波长的UV 光照射后,在普通光纤上获得了大于10-3量级的折射率变化量。
这种光纤增敏机制被称作为刷火。
1.4载氢贝尔实验室的Lemaire 和Atkins 提出,高压低温条件下向光纤内扩散氢可以在不增加光纤损耗的前提下大大提高光纤的光敏特性。
这种方法不仅简单易行,而且可以在任何锗含量的光纤上得到极高的光敏性。
目前利用该方法在普通光纤上很容易获得大于0.01的折射率变化量,可以将折射率差提高10~50倍,超过了光纤包层与纤芯的折射率差。
2 主流的光纤光栅的制作方法2.1内部写入法将波长488nm 的基模氩离子激光从一个端面耦合到掺杂光纤中,经过光纤另一端面反射镜的反射,使光纤中的入射和反射激光相干涉形成驻波。
由于纤芯材料具有光敏性,其折射率随着光强发生相应的变化,形成与干涉周期相同的光纤光栅,从而起到了布拉格反射器的作用。
K.O.Hill 等人用这种方法制成了第一个光纤光栅[4]。
由于此方法对要写入光栅的光纤要求很高,而且只能够制作布拉格波长与写入波长相同的光栅,制作出的光栅特性不好。
2.2全息曝光法侧面全息曝光法是最早用于横向写入制作光纤光栅的一种方法,入射紫外光经分光镜分成两束,经全反射后相交于光纤上,产生干涉场,形成正弦分布明暗相间的干涉条纹。
光纤经过一定时间的照射,在纤芯内部引起和干涉条纹相同分布的折射率变化,从而在光纤上写入正弦分布的立体光栅。
干涉条纹间距由两束光的夹角决定:d=K/(2sinH)。
式中入为照射光波长;H 为两束光夹角的一半。
通过调整H 可以得到任意的条纹间距。
显然,纤芯上光栅的周期K 即为d 。
这种方法最大的优点在于:(1)它行之有效、操作简单;(2)采用改变两光束的夹角或旋转光纤放置位置的方法都可以方便地改变反射光的波长;(3)如果将光纤以一定的弧度放置于相干场,又可以很容易得到啁啾光纤光栅。
但这种方法亦存在很大的缺 点:(1)全息相干对光源的空间相干性和时间相干性都有很高的要求;(2)欲得到准确的布拉格中心反射波长,对光路的调整有着极高的精度要求,稍有偏差,中心波长就会有很大的偏离;(3)全息相干法要有一定的曝光时间,这就要求在曝光时间内光路保持良好的防震,以避免波长量级的扰动造成光路错位,恶化相干效果。
2.3相位掩膜法相位掩模写入法是现在最有前途、使用最广泛的一种方法。
周期分布的准分子激光条纹对光敏光纤曝光,可以在光纤纤芯中诱发周期折射率调制,形成光纤光栅。
用准分子激光光源照射掩膜,可以形成近场条纹分布。
相位模板是一块在高纯度石英基片上刻制的相位光栅,其基本原理是由+1级和-1级衍射光束之间的干涉在掩模板的后面形成周期为掩模光栅周期一半的近场光强度分布,或者斜入射时利用0级与-1级衍射光束之间的干涉在掩模版的后面形成周期与掩模光栅周期相同的近场光强度分布,从而在位于其后的光纤芯区引起周期性的折射率。
相位掩模法的优点是对光源的相干性要求不高,重复性好,光学系统简单,可靠性高等,并且易得到准确的光纤光栅周期,因此被光纤光栅研究者们广泛采用并得到了很大的发展。
但欲得到高质量的相位光栅必须严格控制相位光栅的刻蚀深度和占空比,否则很难达到预期的目的,而这一点正是这种方法的关键所在。
图1相位掩模版制作光纤光栅示意图2.4逐点写入法逐点写入法是利用聚焦激光束在光纤上移动曝光形成光栅的方法,它一般利用光纤固定光斑逐点运动或光斑固定光纤逐点运动,从而在光纤内写入光栅[7]。
此法要求带动光纤的微电机每一步的步距等于所需要光栅的栅距,对于1550nm 的布拉格反射波长,步距应为0.53Lm,这样小的步距对电机的精度和传动机构的精度要求都非常苛刻。
由于很难将紫外光斑聚焦到1Lm 以下,因此这种技术目前也只能用来制作高阶光栅或长周期光栅。
这种方法的优点是灵活性高,周期容易控制,可以制作变迹光栅,并且非常适合制作长周期光纤光栅,另外对光源的相干性也没有要求;缺点是需要复杂的聚焦光学系统和精确的位移移动技术。
随着各种聚焦系统的研制和精密移动平台的研究,逐点写入法正在越来越多地被采用。
图2逐点写入法制作光纤光栅示意图2.5全息相干法全息相干法也称非相似波前法,是一种方便灵活的制备方法,其原理是:位于同一平面不同点的两个点光源,在菲涅尔近似下相干形成干涉条纹,这些干涉条纹映射到光敏光纤上形成光纤光栅。
图1所示即为利用紫外光全息相干法制作光纤光栅原理图。
两个具有相同光程的相干光束在光纤平台上实现了干涉条纹,在光纤纤芯内引起与干涉条纹相同分布的折射率变化。
这种方法最大的优点在于突破了纵向驻波法对光纤光栅中心反射波长的限制,使人们可以更充分地利用最感兴趣的波段。
在实验中只要适当调整两个点光源的相对位置和相干波前的曲率半径,就可获得所需周期分布、带宽、反射中心波长的光纤光栅。
但这种方法亦存在很大的缺点,给制作带来了诸多问题。
首先,全息相干对光源的空间相干性和时间相干性都有很高要求,而且对周围环境要求严格(如振动会对实验效果产生不良影响);其次,欲得到准确的光纤光栅中心反射波长,对光路的调整有着极高的精度要求。
哈稍有偏差,中心波长就会有很大的偏离。
图3哈全息相干法制作光纤光栅2.6光束干涉法光束干涉法制作光纤光栅是人们较早采用的一种工艺。
它首先通过分束器将光源分成两束等强度的光束,经过相同光程照射在光纤上,形成强度周期变化的干涉条纹,光纤折射率随光强发生周期性的变化便形成了均匀周期光纤光栅。
光栅的周期决定于紫外光的波长和两束光纤间的夹角θ,利用这种方法也可以制成啁啾光栅。
2.7紫外激光双光束干涉法利用紫外脉冲相干写入变迹光栅[12]是一种最新的变迹写入技术。
反射镜可沿x轴方向移动扫描相位掩模板,光纤置于相位掩模板处。
相位掩模板用作分光器,将入射紫外光束分成腐蚀光纤法±1级衍射光,两衍射紫外光束在镜M1、M2上反射。
当紫外光从掩模板右端入射时,干涉图形就会在光纤左端产生干涉,反之亦然。
当紫外光束入射到相位掩模板的中心时,两反向传播的光束的光程差为0;而当紫外光向掩模板边缘移动时光程差会线性增加。
假设脉冲是高斯脉冲,沿光栅方向两脉冲进行卷积就会产生高斯变迹函数,而且平均折射率的变化沿变迹光栅方向是均匀的。
这种方法写入的光栅的变迹图样和光栅长度是固定的。
但是由于这种方法写入光栅具有稳定性、可以提供灵活的布拉格波长选择性,而且对均匀相位掩模板进行单次曝光即可以制成变迹的布拉格光栅等优点,所以还是较好的方法。