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2

1.1 光纤光栅的耦合模理论2

1.2 光纤光栅的类型3

1.2.1 均匀周期光纤布拉格光栅3

1.2.2 线性啁啾光纤光栅3

1.2.3 切趾光纤光栅3

1.2.4 闪耀光纤光栅4

1.2.5 相移光纤光栅4

1.2.6 超结构光纤光栅4

1.2.7 长周期光纤光栅4

二光纤布拉格光栅传感器5

2.1 光纤布拉格光栅应力传感器5

2.2 光纤布拉格光栅温度传感器6

2.3 光纤布拉格光栅压力传感器6

2.4 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10

3.1 光纤光栅传感器的温度敏化10

3.2 光纤光栅传感器的应力敏化10

3.2 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10

4.1 光纤光栅传感网络常用的波分复用技术11

4.1.1 基于波长扫描法的波分复用技术12

4.1.2 基于波长分离法的波分复用技术13

4.1.3 基于衍射光栅和CCD阵列的复用技术13

4.1.4 基于码分多址(CDMA)和密集波分复用(DWDM)技术14

4.2光纤光栅传感网络常用的空分复用技术14

4.3光纤光栅传感网络常用的时分复用技术16

4.4 光纤光栅传感网络的副载波频分复用技术18

4.4.1 光纤光栅传感副载波频分复用技术18

4.4.2 FBG传感网络的光频域反射复用技术18

4.5 光纤光栅传感网络的相干复用技术18

4.6 混合复用FBG传感网络18

4.6.1 WDM/TDM混合FBG网络18

4.6.2 SDM/WDM混合FBG网络18

4.6.3 SDM/TDM混合FBG网络18

4.6.4 SDM/WDM/TDM混和FBG网络18

4.6.5 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。光纤芯区折射率周期变化造成光纤波导条件的改变，导致一定波长的光波发生相应的模式耦合，对于整个光纤曝光区域，可以由下列表示折射率分布较为一般的描述：

()()11

2

123

3

1,,,,n F r z r a n r z n a r a n r a ϕϕ⎧+≤⎡⎤

⎣⎦⎪⎪

=≤≤⎨⎪≥⎪⎩ (1-1) 式中：1a 为光纤纤芯半径；2a 为光纤包层半径；1n 为纤芯初始折射率；2n 为包层折射率；(),,F r z ϕ为光致折射率变化函数，在光纤曝光区，其最大值为

()

m ax

m ax

1

,,n F r z n ϕ∆=；m ax n ∆为折射率变化最大值。

光纤光栅区域的光场满足模式耦合方程：

()()()()()()()()00exp exp z

z

dA z k z B z i q z dz dz dB z k z A z i q z dz dz

⎡⎤=-⎢⎥⎣⎦

⎡⎤=⎢⎥⎣⎦

⎰⎰ (1-2)

式中：()A z 、()B z 分别为光纤光栅区域的前向波、后向波；()k z 为耦合系数；()q z 与光栅周期和传播常数β有关。利用此方程和光纤光栅的折射率分布、结构参量及边界条件，并借助于四阶Runge-Kutta 数值算法，可求出光纤光栅的光谱特性。光纤光栅的不同光谱特性呈现出不同的传输或调制特性，因而可构成不同功能的光线器件。

1.2 光纤光栅的类型

光纤光栅按结构的空间周期分布是否均匀可分为：周期性光纤光栅和非周期性光纤光栅。周期性光纤光栅制造简单，但其特性容易受到限制。非周期性光纤光栅结构制造困难，但其特性容易满足各种要求。

光纤光栅按功能可分为：滤波型光纤光栅和色散补偿性型光纤光栅。色散补偿型光纤光栅属于非周期型光纤光栅，又称为啁啾光纤光栅。

光纤光栅按结构的空间周期和折射率的分布可分为：

1.2.1 均匀周期光纤布拉格光栅

这是目前最常用的光纤光栅，多数情况下生产的属于均匀周期正弦型光栅。

由这种均匀光栅的光谱特性可知，在一定带宽的谐振峰两边有一些旁瓣，这是由于光纤光栅两端的折射率突变引起的Fabry-Perot效应所致。这些旁瓣分散了光能量，不利于光纤光栅的应用，所以均匀光纤光栅的旁瓣抑制是表征其性能的主要指标之一。

1.2.2 线性啁啾光纤光栅

栅格间距不等的光栅，通常称为啁啾光纤光栅。不同的栅格周期对应不同的反射波长，因此啁啾光纤光栅能够形成很宽的反射带宽。线性啁啾光纤光栅是折射率调制幅度不变、周期沿光栅轴向线性变化的光栅，线性啁啾光纤光栅谐振峰两边也有一些旁瓣，产生的原因与均匀光纤光栅一样，也不利于应用。

1.2.3 切趾光纤光栅

切趾光纤光栅的周期是均匀的，折射率随一定的函数关系呈一个钟形包络变化，典型的包络函数有高斯分布函数、超高斯分布函数、升余弦函数、帽型函数、柯西函数。这种光栅的两端折射率分布逐渐递减至零，消除了折射率突变，从而使它的反射谱不存在旁瓣。

1.2.4 闪耀光纤光栅

光栅制作过程中，如果紫外侧写光束与光纤轴不垂直，造成其折射率的空间分布与光纤轴有一个小角度，但光纤光栅的周期和折射率调制深度均为常数，这就形成了闪耀光纤光栅。闪耀光纤光栅的光谱特性类似于均匀光纤光栅，也有旁瓣。

1.2.5 相移光纤光栅

相移光纤光栅是在均匀光纤光栅的某些特点上，通过一些方法破坏其周期的延续性而得到的。相移光纤光栅可以看做是若干个周期性光栅的不连续连接，每个不连续连接都会产生一个相移，它能够在周期性光栅的光谱阻带内打开一个透射窗口，使得光栅对某一波长或多个波长有更高的选择度。

1.2.6 超结构光纤光栅

超结构光纤光栅亦称为取样光栅，其折射率调制不是连续的，而是周期性间断的，相当于在布拉格光栅的折射率正弦调制下加上一个方形包络函数，这是一种特殊的光栅结构，它既有布喇格光栅的反射特性，亦有长周期光纤光栅的包层模耦合特性。这种光纤光栅的反射谱具有一组分立的反射峰，故可用做梳状滤波器，在多波长光纤激光器、可调谐分布布拉格反射光纤激光器、以及多通道色散补偿等方面有潜在的应用。另一方面，由于方波包络的周期通常为几百个微米，因此，超结构光纤光栅亦可看作是一个长周期光纤光栅，它将引起基阶导波模与包层模之间的耦合，在光栅透射谱中产生宽带损耗峰。由于包层模耦合引起的谐振峰与布喇格反射峰对外界环境参量(如温度、应变、折射率等)具有不同的响应特性，故超结构光栅是一种理想的多参量传感元件。

1.2.7 长周期光纤光栅

长周期光纤光栅的栅格周期远大于一般的光纤光栅，一般可达到几百微米，而一般布拉格光纤光栅的周期不到一微米。与光纤布拉格光栅不同，它不是将某个波长的光反射，而是将特定波长的光耦合到包层中损耗掉，从而在透射谱中形