光纤布拉格光栅(FBG)-基础与应用
光纤光栅的原理以及在电力系统中的运用
光纤光栅的原理以及在电力系统中的运用1.光纤光栅的原理光纤布拉格光栅（简称FBG）是在单模光纤的纤芯内通过紫外刻写技术在光纤上产生周期性折射率的调制而形成的一种全光纤器件(图1）。
图1 光纤光栅制备当宽带光波通过光纤光栅时，对满足Bragg条件的入射光产生强烈的发射，并沿原传输光纤返回，而其他波长的光波可以无损耗的通过。
透射过去的其他波长光波可以继续传输给其他具有不同中心波长的光纤光栅阵列，其中相应中心波长的窄带光系列将被逐一发射，全部沿原传输光纤返回，由此可实现多个光纤光栅传感器的波分复用，实现分布式测量。
光纤光栅反射的中心波长由光栅周期决定，反射光谱如图2所示；当外界物理量引起光栅周期改变时，反射光谱中心波长随之变化，由此光纤光栅可以作为传感元件。
光纤光栅可以串联或并联，通过解调仪进行解调。
图2光纤光栅反射谱光纤光栅反射的中心发射波长值随光纤光栅所受环境温度和应力的变化而变化，并具有一定良好的线性关系。
同时光纤光栅温度/应变传感器是以光的波长为最小计量单位的，而目前对光纤光栅Bragg波长移动的探测达到了pm量级的高分辨率，因而具有测量灵敏度高的特点，而且只需要探测到光纤中光栅波长分布图中波峰的准确位置，与光强无关，对光强的波动不敏感，比一般的光纤传感器具有更高的抗干扰能力。
使用光纤布拉格光栅这一光纤传感技术来实现输电线杆塔倾斜、舞动、覆冰、负荷监测温度对比等状态监测时，利用光纤布拉格光栅上应力变化引起的波长位移信息，得到光栅所感应到的应力变化信息，从而对应得到杆塔的倾斜状态信息，实现对杆塔倾斜状态的检测。
为了使光纤布拉格光栅能够准确地反映输电线杆塔的倾斜状态变化，必须使光纤布拉格光栅与杆塔同步变形。
所以需要对光栅进行封装，即用金属材料对光栅进行封装，使得金属封装所感应的应力变化能够反应在光栅上。
为了使封装以后的传感器更加方便地固定在输电线塔杆的表面，在金属封装的两端各留钻孔，这样可以用螺母将封装好的光栅固定在输电线杆塔的表面，而且能够保证两者之间同步变形，使得有效地实现倾斜监测成为可能。
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
FBG传感器应用及设计实例
FBG传感器应用及设计实例FBG（Fiber Bragg Grating）传感器是一种基于光纤布拉格光栅原理设计的光纤传感器。
光纤布拉格光栅是通过在光纤内部引入一定的折射率改变周期性的折射率变化结构，形成的一种反射光栅。
FBG传感器利用光纤布拉格光栅的特性，可以对环境中的温度、应变等物理量进行测量。
FBG传感器具有体积小、抗干扰能力强、测量范围广等优点，因此被广泛应用于各个领域。
以下是几个FBG传感器的应用及设计实例：1.建筑结构监测：FBG传感器可以用来监测建筑结构的应变情况。
通过将多个FBG传感器布置在建筑结构上，可以实时监测结构的应变情况，及时发现结构的变形、开裂等问题，提前采取修复措施，保证建筑结构的安全性。
2.油气管道监测：FBG传感器可以用来监测油气管道的变形和温度变化。
将FBG传感器安装在油气管道上，可以实时监测管道的应变和温度变化，及时发现管道的变形、破损等问题，避免事故的发生。
3.地下水监测：FBG传感器可以用来监测地下水位的变化。
将FBG传感器固定在井口或地下水管道中，通过测量光纤的折射率变化来判断地下水位的变化情况。
这对于地下水资源的合理利用和保护具有重要意义。
4.航天器结构监测：FBG传感器可以用来监测航天器的结构应变情况。
将FBG传感器布置在航天器的关键结构上，可以实时监测结构的应变情况，判断航天器的工作状态是否正常，及时发现结构的变形和疲劳损伤，提高航天器的运行安全性。
5.生物医学应用：FBG传感器可以用于生物医学领域中的温度、压力和拉伸等参数的测量。
例如，可以将FBG传感器固定在医用器械上，实时测量医用器械的温度和应变情况，确保医疗操作的安全性。
以上是几个FBG传感器的应用及设计实例。
随着光纤技术的不断发展，FBG传感器将在更多的领域发挥更大的作用，为人们的生活和工作带来更多便利和安全。
(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
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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
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
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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
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
FBG光纤光栅的原理和应用
第08卷 第5期 中 国 水 运 Vol.8 No.5 2008年 5月 China Water Transport May 2008收稿日期：2008-04-01 作者简介：姜志刚（1977-），男，武汉理工大学材料科学与工程学院，硕士，主要从事光纤传感技术研究及其应用研究。
FBG 光纤光栅的原理和应用姜志刚（武汉理工大学 材料科学与工程学院，湖北 武汉 430070）摘 要：简要介绍了FBG 光纤光栅通过测量波长的漂移实现对被测量的检测原理及抗干扰能力强且易于在同一根光纤内集成多个传感器复用；以及FBG 光纤光栅在高精度测温、高分辨率应变测量液、位测量领域的应用。
关键词：FBG 光纤光栅；应力传感；温度传感中图分类号：TP212.14 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2008）05-0128-02一、前言光传感以其独特的技术特点，飞速发展，特别是光纤传感技术，利用其质轻、径细、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、信号衰减小、集信息传感与传输于一体等特点，可以解决常规检测技术难以完全胜任的测量问题，被广泛应用于医学、生物、电力工业、化学、环境、军事和智能结构等领域而布拉格光纤光栅传感器除了具有普通光纤传感器的抗电磁干扰和原子辐射、径细、质软、重量轻、绝缘、耐高温、耐腐蚀等诸多优点外，与其他传感器相比还有其独自的优点——传感信号为波长调制，这就使它还有许多独特的优势：1．避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固有参考点的需要；2．可以使用波分复用技术在一根光纤中串接多个光栅进行分布式测量；二、布拉格光纤光栅传感的基本原理图1 布拉格光纤光栅结构图布拉格光纤光栅是通过改变光纤芯区折射率，使其产生小的周期性调制而形成。
由于周期性折射率的扰动仅会对较窄的一段光谱产生影响（典型光谱宽度为0.05－0.3nm），因此，当宽带光波在光栅中传输时，入射光将在相应的频率上被反射回来，其余的透射光波则几乎不受影响。
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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WDM Transmitters
• Source lasers (CW, DML) • Lithium niobate optical assemblies and modulators • Wavelockers • Tx/Rx modules
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• Thin film filters • Fibre gratings • Waveguides • Diffr. gratings • Circulators • Interleavers • Mux/Demux modules
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。
由耦合模理论得到光栅的反射光谱为
k sinh ( sl ) s cosh k k / k 2 n 0 /
2 2 2
R (l , )
sinh
2
2
( sl )
2
( sl )
s k
2 2
2
M
p
1V
2
n
M
p
V ( 2 a / )( n co n cl )
• • • • 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
• •
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
2 2
1/ 2
最大反射率为 反射谱带宽为
R ( l , ) tanh ( l )
2
1 B s ( 2nn ) ( N ) 2
0
2
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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 （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
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）
ⅡA（Ⅲ）类光栅
Ⅱ类光栅
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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
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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，neff为纤芯等效折射率。 设光纤纤芯折射率为 n ( z ) n 0 n cos( 2 z / )
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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
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
WDM Amplifiers
WDM
Switching
• Optical Switches • Circulator s • Couplers • Add/drop modules
• Isolators • Tap couplers • Pump lasers • Gain equalizers • Attenuators • Integrated amplifiers • SOAs