光纖光柵在各大測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用研究

2023/2/4光纖光柵在各大測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用研究2023/2/4主要內(nèi)容：1、光纖光柵的原理、分類(lèi)2、光纖光柵在光通信中的應(yīng)用-----以線性啁啾光纖光柵為例3、光纖光柵濾波選頻作用-----以微波光子濾波器中的相移布拉格光柵為例4、光纖光柵在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用5、光纖光柵的未來(lái)應(yīng)用展望2023/2/41、光纖光柵的原理、分類(lèi)光纖光柵實(shí)際上是一小段光纖，利用芯區(qū)摻鍺的光纖在紫外光的照射下折射率發(fā)生永久性改變的現(xiàn)象，使它的芯區(qū)折射率沿縱向發(fā)生周期性的改變，可以把光柵直接“寫(xiě)入”光纖之中。描述光纖光柵的理論方法有：耦合模理論;轉(zhuǎn)移矩陣方法;Fourier變換法;2023/2/4

圖1、光纖Bragg光柵的折射率分布相位掩膜法、逐點(diǎn)寫(xiě)入法、振幅掩膜法、雙光束干涉法2023/2/4分類(lèi)：根據(jù)芯區(qū)折射率沿縱向變化規(guī)律的不同，按不同的標(biāo)準(zhǔn)，光纖光柵可以分為不同的種類(lèi)。按周期長(zhǎng)度，可分為短周期光纖光柵和長(zhǎng)周期光纖光柵；按周期變化規(guī)律，可分為啁啾光纖光柵和非啁啾光纖光柵；按波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可分為均勻光纖光柵和非均勻光纖光柵等。2023/2/42、光纖光柵在光通信中的應(yīng)用----以線性啁啾光纖光柵為例我們知道，一般而言，光纖中存在三種常見(jiàn)的色散，包括：模式色散，材料色散和波導(dǎo)色散，其中波導(dǎo)色散和材料色散將導(dǎo)致單模光纖中傳輸?shù)拿}沖展寬，影響通信質(zhì)量。光纖中也有很多的色散補(bǔ)償措施，包括(1)色散補(bǔ)償光纖（負(fù)色散光纖）法；(2)啁啾光纖光柵法；(3)預(yù)啁啾技術(shù)；(4)色散支持法；(5)頻譜反轉(zhuǎn)法；(6)多電平編碼；(7)相干光檢測(cè)（電均衡法）；(8)集成Mach-Zehnder干涉法；(9)時(shí)延線光均衡器等。下面介紹一下啁啾光纖光柵法是如何實(shí)現(xiàn)色散補(bǔ)償。2023/2/4線性啁啾光纖光柵

2023/2/4圖2線性啁啾光纖光柵補(bǔ)償原理示意2023/2/43、光纖光柵濾波選頻作用---以微波光子濾波器中的相移布拉格光柵為例圖3相移光纖光柵的折射率分布示意圖相移布拉格光柵(PS-FBG)是指在光纖Bragg光柵的某些點(diǎn)，通過(guò)一些方法破壞其周期的連續(xù)性而得到的，每個(gè)不連續(xù)連接都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相移。對(duì)PS-FBG用傳輸矩陣方法分析，可以得到如下結(jié)論：2023/2/4在光纖Bragg光柵中引入相移前后的透射譜2023/2/4基于相移布拉格光纖光柵(PS-FBG)的微波光子濾波器(MPF)的原理圖PM信號(hào)IM信號(hào)光頻：w0;notch頻率：wn;MPF中心頻率：w0-wn;MPF帶寬：notch區(qū)的寬度(窄帶)2023/2/44、光纖光柵在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用光纖Bragg光柵(FBG)的傳感模型分析：(一)、溫度應(yīng)變模型外界溫度改變同樣也會(huì)引起光纖光柵Bragg波長(zhǎng)的移位。從物理本質(zhì)看，引起波長(zhǎng)移位的原因主要有三個(gè)方面：光纖熱膨脹效應(yīng)、光纖熱光效應(yīng)以及光纖內(nèi)部熱應(yīng)力引起的彈光效應(yīng)。當(dāng)外界溫度改變時(shí)，溫度變化導(dǎo)致光纖光柵的相對(duì)波長(zhǎng)移位為：

式中第一項(xiàng)代表光纖光柵的熱光系數(shù)；第二項(xiàng)代表熱膨脹引起的彈光效應(yīng)；第三項(xiàng)代表熱膨脹導(dǎo)致光纖芯徑變化而產(chǎn)生的波導(dǎo)效應(yīng)；第四項(xiàng)線性熱膨脹系數(shù)。2023/2/4

(二)、應(yīng)變傳感模型應(yīng)力引起光柵Bragg波長(zhǎng)的移位可由下式統(tǒng)一描述：

式中為光纖本身在應(yīng)力作用下的彈性形變，光纖的彈光效應(yīng)。外界應(yīng)力的改變會(huì)引起光纖Bragg光柵波長(zhǎng)的移位。從物理本質(zhì)上來(lái)看，引起波長(zhǎng)移位的原因主要包括三個(gè)方面：光纖彈性形變、光纖的彈光效應(yīng)以及光纖內(nèi)部應(yīng)力引起的波導(dǎo)效應(yīng)。

當(dāng)周?chē)h(huán)境溫度恒定時(shí)，光柵受到軸向應(yīng)變時(shí)，中心波長(zhǎng)將發(fā)生偏移，如下式所示：

其中,是光纖的Pockel張量系數(shù)，是纖芯材料的泊松比，為有效彈光系數(shù)，例如，常見(jiàn)的熔融石英光纖Pe=0.22。2023/2/4懸臂梁式結(jié)構(gòu)傳感示意圖FBG應(yīng)變傳感系統(tǒng)示意圖OSA:光譜分析儀2023/2/4光纖光柵鋼表面應(yīng)變計(jì)埋入式光纖光柵應(yīng)變傳感器應(yīng)變傳感用于建筑物結(jié)構(gòu)健康測(cè)試2023/2/45、光纖光柵的應(yīng)用展望1）抗干擾能力強(qiáng)：這一方面是因?yàn)槠胀▊鬏敼饫w不會(huì)影響光波的頻率特性（忽略光纖的非線性效應(yīng)）；另一方面光纖光柵傳感系統(tǒng)從本質(zhì)上排除了各種光強(qiáng)起伏引起的干擾，例如光源強(qiáng)度的起伏、光纖微彎效應(yīng)引起的隨機(jī)起伏等都不可能影響傳感信號(hào)的波長(zhǎng)特性，因而基于光纖光柵的傳感系統(tǒng)具有很高的可靠性和穩(wěn)定性；2）光纖光柵傳感器是自參考的，可以絕對(duì)測(cè)量（在對(duì)光纖光柵進(jìn)行定標(biāo)后），不必如基于條紋計(jì)數(shù)的干涉型傳感器那樣要求初始參考；3）傳感探頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小（其外徑與光纖本身等同），適于各種場(chǎng)合，尤其是智能材料和結(jié)構(gòu)。便于埋入復(fù)合材料構(gòu)件及大型建筑物內(nèi)部，對(duì)結(jié)構(gòu)的完整性、安全性、載荷疲勞、損傷程度等狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；4）便于構(gòu)成各種形式的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，尤其是采用波分復(fù)用（WDM）技術(shù)構(gòu)成分布式光纖光柵傳感器陣列，進(jìn)行大面積的多點(diǎn)測(cè)量；5）測(cè)量結(jié)果具有良好的重復(fù)性；6）光柵的寫(xiě)入工藝己較成熟，便于形成規(guī)模生產(chǎn)（商品化）。光纖光柵的優(yōu)點(diǎn)：2023/2/45.1、光纖光柵未來(lái)主要研究方向：1、全光纖、分布式、多功能傳感系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)；2、開(kāi)展各應(yīng)用領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)化成套傳感技術(shù)的研究，如航空航天、航海、土木工程、醫(yī)學(xué)和生物、電力工業(yè)、核工業(yè)以及化學(xué)和環(huán)境等。2023/2/45.2、光纖光柵在DWDM全光網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用：應(yīng)該說(shuō)沒(méi)有FBG，就沒(méi)有真正的全光網(wǎng)絡(luò)，可以想見(jiàn)未來(lái)FBG在光通信系統(tǒng)中的應(yīng)用包括：FBG在