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1、第十章 光纤光栅传感器,光纤的紫外光敏性,1978，K.O.Hill，加拿大渥太华研究中心 发现光纤的光敏性,所谓的光敏性，就是指当材料被外部光照射时，引起该材料物理或化学特性的暂时或永久性变化的一种特性。 光纤中的光敏性通常是特指光纤纤芯折射率在外部光源照射时发生改变的特性。在一定条件下，变化的大小与光强成线性关系并可保存下来。 光纤的光敏性与掺杂有关。石英材料的分子结构通常为四面体结构，每个Si原子通过形成共价键与四个氧原子相连。由于纯石英的吸收带位于160nm处，对波长在190nm以上一直到红外区的光具有大于90的透过率。这些波长的光不会对石英材料的性质产生任何形式的影响。因此，光纤的光
2、敏性与掺杂有关。,光纤光栅,1989，G.Meltz，美国联合研究中心，侧向写入法，通信波长的光纤光栅。,UV,125 m,光纤光栅的重要性,光纤光栅的实质是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜，利用这一特性构成光纤无源器件,传输损耗低、抗电磁干扰、质量轻、柔韧、化学稳定及电绝缘,光纤光栅在光纤通信系统中的重要作用，类似于传传统光学中透镜的作用,FBG（fiber Bragg grating) 型 高精度应用问题 解调技术 复用技术 LPG ( long period grating ) 型 灵敏的温度、应力传感器 机械感应式 LPG,光纤光栅传感器,1、光纤光栅的原理 2、光纤
3、光栅的制作 3、光纤光栅的应用 4、光纤光栅技术的展望,1、光纤光栅的原理,FBG是通过紫外光曝光的方法，使光纤纤芯内产生折射率的周期性变化，其分布函数可以表示为：,z是沿光纤纵向的坐标，0是光栅起点的周期； ndc是有效折射率微扰的直流分量； nac是有效折射率微扰的交流分量； 是一个附加的相位项，表示光栅的啁啾，它们都是z的函数。,光纤光栅的模式耦合理论,在光栅区域，光纤芯区光场满足方程：,而光栅中的光场包括前向基模、后向基模和包层模， 因此，可以表示为：,将它带入光场方程，通过化简可以得到,利用模式之间的正交性，光纤中传输的两个光波，只有当其传播常数1，j满足Bragg条件：,这两个波之
4、间会才发生能量的耦合。,光纤Bragg光栅（FBG）,（1）当1-（-1）=2/时，即同向纤芯基模与反向纤芯基模之间满足相位匹配时，该光栅被称为Bragg光栅（FBG）,FBG透射和反射特性,FBG的特性,A、均匀光栅 B、切趾光栅 C、啁啾光栅,几类FBG的折射率分布,LPG,LPG（长周期）,（2）特别的1-j=2/时，即纤芯基模与同向传输的包层模之间满足相位匹配时，该光栅被称为长周期光栅（LPG）,闪耀光纤光栅,闪耀光栅的光栅周期与折射率调制深度均为常数，但其光栅波矢方向却不是与光纤轴线相一致，而是与其成一定的角度。 闪耀光栅不仅引起反向导波模耦合，而且还将基阶模耦合至包层中损耗掉。,闪
5、耀光纤光栅写入,超结构光纤光栅,又称取样光栅，折 射率调制是周期性 间断的，相当于在 光纤Bragg光栅或 啁啾光纤光栅的折 射率调制上又加一 个调制函数,相移光纤光栅,是指在光纤Bragg光栅的某些点，通过一些方法破坏其周期的连续性而得到的，每个不连续连接都会产生一个相移。,相移光纤光栅的透射谱,其主要特点是在Bragg反射带中打开透射窗口，使波长具有更高的选择性，通过选择合适的相移点位置和相移量，能够使光纤光栅更好地满足EDFA增益平坦的需要；常采用相移相位掩模法,Moire光纤光栅,采用两个具有微小周期差异的紫外条纹对光纤的同一位置进行二次曝光的结果，其谱特征是在反射带中开了很窄的透射窗
6、口。,变迹光纤光栅,采用特殊形式对光纤Bragg光栅的折射率调制深度进行调制，可 形成变迹光栅，这种光栅具有丰富的谱特性，通过改变其调制函数及其他有关参数可根据需要控制其反射谱形状。,啁啾光纤光栅,啁啾光纤光栅的周期不是常数而是沿轴向单调变化的,是一个非周期的光栅间距，可改变轴向的光栅周期或光纤纤芯折射率或同时改变两者获得。,2、光纤光栅的制作,光纤光栅的制作方法有很多种，如纵向驻波干涉法，双光束横向干涉写入法，相位模版法等。 其中相位模版法以其工艺简单、重复性好、成品率高、便于大规模生产、光栅周期与光源无关等优点而得到广泛的应用。,前提：光敏光纤,普通光纤氢载,光纤中掺入光敏性杂质，如：锗、
7、锡、硼等；或多种掺杂。,载氢增敏技术,1、载氢增敏技术 1993年 AT &T Bell实验室的P. J. Lemaire掺锗光纤的载氢增敏技术。 掺锗3光纤被放入气压为2.0-76MPa，温度为2075的氢气中，形成载氢光纤。 载氢光纤在紫外光照射或加热时将引起氢气和掺锗石英光纤之间产生化学反应，从而产生光致折射率变化，光敏性可提高12个数量级，折射率变化提高两个数量级。 还有载氘光纤。 特别说明，载氢光纤形成的折射率变化是持久的，由于光纤中存在未反应的氢，使光纤光栅的折射率随时间变化而变化，引起紫外写入光栅的Bragg波长的变化。室温条件下放置2个星期下降11。,解决方法：1）加速老化，用
8、事后热处理来稳定波长； 2）载氢光纤先经均匀曝光处理再写入光栅；,在锗硅光纤材料中，掺入B、Sn或Al等元素可提高光纤材料的光敏性，其中以B/Ge双掺杂光纤材料的光敏性最强，其光敏性要比含锗量相当的单掺锗光纤材料要高出约一个数量级。这些光纤都可以采用MCVD技术生产。 因此，对这种高度光敏光纤材料的研究具有很大的意义。 （1）避免了对光纤材料进行长时间且具有危险性的氢气敏化处理。 （2）可避免由于载氢增敏在光栅区域引起的羟基吸收损耗；这一损耗在长度较大的Chirp光纤光栅中是十分严重 （3）提高了光栅的制作效率。 如果对B/Ge双掺光纤材料进一步载氢处理，可以在较短的曝光时间内获得很高的光栅反
9、射率。,光纤中掺入光敏性杂质,成栅的紫外光源,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,相位模版法制做光纤光栅,Laser Beam,-1级,+1级,0级 3%,Translation of UV Beam,相位模板,光敏光纤,n0,n0+neff,n,光斑逐点扫描，通过控制曝光量来控制折射率振幅改变量,KrF准分子激光器,相位掩膜板,环行器,EDFA,光敏光纤,光谱仪,汇聚柱透镜,计算机,驻点扫描法,高 精 度 扫 描 平 台,UV,例如，模版的刻蚀周期为 m=1068nm, 光栅周期= m /2=534nm， 光纤有效折射率Neff =1.45
10、, 反射谱中心波长：B = 2Neff=1550nm.,FBG作为滤波器最大的问题是反射谱的旁瓣。它由于光纤光栅两端折射率突变引起边界效应导致的。旁瓣会给其它信道带来窜扰。 折射率调制振幅不连续、外界扰动、光纤的不均匀、相位掩模板的接缝误差等会引起FBG的群时延抖动。 抑制旁瓣和纹波的主要方法是采用切趾型光栅，就是使两端折射率分布逐渐递减至零，消除了折射率突变，可以分为高斯切趾、余弦切趾、采样函数切趾等。,光纤光栅的切趾,切趾的作用,反射谱曲线 时延曲线,普通,切趾,反射谱曲线 时延曲线,光纤光栅的封装,光纤光栅的温度特性 0.014nm/,窄带滤波器 宽带带阻滤波器 梳状带阻滤波器 光脉冲压
11、缩 光纤色散补偿 光纤激光器 波分复用器 放大器增益平坦 光纤传感器 模式转换器,光纤光栅的波长选择反射特性、时延特性以及中心 波长对外界条件的敏感性等特征,3、光纤光栅的应用,G.652光纤在1550nm附近典型参数为色散量在17ps/km/nm左右 1000/17 = 59 km ; 60/17 = 4 km 目前多数G.655光纤的色散量多在68ps/km/nm左右 1000/ 7 = 143km ；60/ 7 = 9 km,无论是在G.652光纤还是在G.655光纤上开通10Gbit/s以上的系统都需要色散补偿。色散补偿是超长距离光纤通信系统的关键,光纤光栅色散补偿,啁啾光纤光栅 Ch
12、irped Fibre Bragg Gratings,啁啾光栅用作色散补偿,啁啾光栅的色散： 2neffL/c/Dlc neff ：有效折射率； c ：光速 Dlc ：光栅两边缘反射波长之差. 5 cm 长的线性啁啾光栅可以补偿100 km的10Gb/(光谱宽度0.3nm)传输线的色散,优 点 ： 体积小、插损小、低非线性 易调谐等。,色散补偿光纤光栅测试结果,啁啾光栅的折射率调制周期延轴向呈线性变化时， 即 ，光栅的时延曲线为一条直线。,误码率曲线与眼图,(b) 3100km,(a) 1500km,光纤光栅传感系统国外应用概况,航天飞机X-33上温度，应变监测 瑞典SMART的国家计划，光纤
13、光栅监视战斗机复合材料结构 美国宇航研究院光纤光栅自适应机翼 美国全光纤水听拖曳阵列(AO-TA)和共形水听阵列(LWPA) 英国全光纤海底声监视系统 美海军和航运公司合作 GCRMTC 计划，已成功将光纤光栅传感大规模用于船舶、潜艇损伤监测) 阿林顿海军研究办公室资助光纤光栅海军舰艇结构健康监测 比利时、日本、法国等用于核电站安全监测 英美等用光纤光栅监测火药安全 ,光纤光栅传感军用,大坝、边坡、隧道、建筑等土木工程安全监测 发达国家几乎所有桥梁的安全监测都采用光纤光栅传感技术 德西门子等公司等已用于大型电机和高压传输电缆 美 CIDRA 和英 Sunart Fibers Ltd 等用于输油
14、管线和海洋石油 ,光纤光栅传感民用,光纤光栅传感系统在国内的应用,典型市场应用(1),石油石化 08年启动、09年规划、10年启动并且达到建设高峰 长远看好： 石油战略储备由目前710天，到2020年规划到6090天 预计每年翻一翻,典型市场应用(2),公路隧道 还可以快速发展23年，每年500公里的项目建设 重点在西部、云贵、东北等地区 “珠港澳”隧道工程超过100公里,典型市场应用(3),地铁、高铁 国家对铁路建设的投资进一步加大，达到6000亿 湖北4条200Km以上时速城际铁路建设投资450亿 国家地铁市场将有20年的建设期 产品应用在“火灾报警、异物侵限、轮轴技术、轨道变形、基础沉降
15、”等方面,典型市场应用(4),桥梁监测 全国新老桥梁60万座，每年新增1万座桥梁 超过1Km以上的特大桥1254座 建设部已经有专门文件要求加强特大桥的长期健康监测,典型市场应用(5),智能别墅、周界安防、石油管线防盗 已经有产品成功应用在智能别墅小区 大型场所的可定址周界安防：飞机场、边界、敏感军事设施与基地 石油管线防盗缺少有效手段，光纤光栅传感器有可能提供解决方案,典型市场应用(6),大型机械装备安全监测 飞机发动机等大型旋转机械装备安全监测 港口翻车机安全监测 港岸桥起重机 大型浮吊安全监测,典型市场应用(7),冶金电力市场 电缆沟在线温度监测 电缆接头测温、高压开关柜 电缆隧道火灾报
16、警,典型市场应用(8),水利设施、边坡监测 大坝 水库 边坡,清江水布垭水电站工程,典型市场应用(9),煤矿瓦斯气体传感器 通过基本的煤安认证 已经开始小批量生产,应用案例,实例1：武汉市晴川桥安全监测系统,实例2：武汉阳逻长江公路大桥长期安全监测系统,实例3：海口世纪大桥长期健康监测系统,秦皇岛港口翻车机安全监测,沪蓉西施家梁子滑坡监测,清江水布垭大坝防渗监测系统,终南山隧道工程的火灾报警,在世界规模最大陕西秦岭终南山隧道火灾报警工程国际招标中中标，建成并评为优秀项目 是目前国内外唯一实现20公里长无中继的火灾监测技术,应用于镇海石化,应用于上海石化,大连石化热电厂电缆沟应用现场,大连石化热电厂电缆沟应用现场,应用于武汉高压研究所,