光纤光栅技术及应用(光电子材料)

1光纤光栅技术与应用许立新王安廷2内容光纤光栅技术与应用Part1光纤及光通信技术简介Part2光纤光栅Part3光纤光栅的应用内容3Part1光纤及光通信技术简介4光纤及光通信技术简介光纤光栅技术与应用光纤通信–以光波载运信息，用光纤作传输媒体，实现通信光纤通信的优点频带宽、信息容量大传输损耗低、无中继距离远材料丰富抗电磁干扰光纤间串话小，保密性好耐腐蚀、耐高压体积小、质量轻5MonitoringofTsingMaBridgeFBGsensorslocation:–Hangercables–Rockerbearing–TrussgirderOpticalsensingnetworkwith42FBGsensorstomeasuretemperatureanddynamicstrainofTsingMaBridge.6PolyUOpticalSensorsforOilindustryInstalleda10kmopticalsensingnetworkforliquid-levelandtemperaturemeasurementsinoiltanks.7准分子激光器光纤光栅刻写系统－包括准分子激光器和微动控制系统8光纤光栅15441545154615471548154915501551-50-40-30-20-100Reflectivity(dB)Wavelength(nm)154815501552155415561558-30-25-20-15-10-505Outputpower(dBm)Wavelength(nm)9Experimentalsetupofthe80Gbps,DWDMfibre-opticscirculatingloop10Yb-dopedDFBfiberlaser1048105010521054105610581060-60-50-40-30-20-10010Outputpower(dBm)Wavelength(nm)掺YbDFB光纤激光器，功率9.73dBm,波长1554.33nm5cm11光纤通信系统方框图单信道全光中继数字通信光--电--光中继的数字通信光纤通信技术基础光纤光栅技术与应用12时分复用技术光纤光栅技术与应用时分复用TDM－TimeDivisionMultiplexingSignal1Signal2SignalnSignal3MultiplexerDemultiplexerOpticalFiber13波分复用技术光纤光栅技术与应用波分复用WDM－WavelengthDivisionMultiplexingλnλ1λ2λnλ3DemultiplexerMultiplexerλ1λ2λ314波分复用技术光纤光栅技术与应用密集波分复用(DWDM)：波分复用的频率之间的间隔为200G、100GHz、50GHz或更窄。频分复用(FDM)：更为密集的波分复用。波分复用系统的主要缺点是由于WDM的插入损耗减小了系统的可用功率，信道间的串扰也会恶化接收机的灵敏度，最关键的是波分复用器件的价格仍太高。15时分—波分复用技术光纤光栅技术与应用时分－波分复用Time-FrequencyDivisionMultiplexingλ1,λ2…λkTx1TxnTx2Tx2WDMMUXTx(λ1）λ1λ2λkTDMMUX16Lucent公司研制的3.28Tb/s试验系统是目前容量最大的试验系统。系统速率为40Gb/s,共82个波长，光滤波器波长间隔为100GHz，系统工作于C和L两个波段，分别容纳40和42个波长。时分—波分复用技术光纤光栅技术与应用17Part2光纤光栅18光纤光栅是在光纤纤芯折射率呈周期性调制的一种光纤无源器件，它是利用掺杂（如锗、硼等）光纤的光敏性，通过紫外曝光导致纤芯折射率沿纤轴方向周期性或非周期性的永久变化，在纤芯内形成空间相位光栅。光纤折射率变化部分Λ光纤光栅简介光纤光栅技术与应用正弦型光栅折射率变化Λ∆=∆znznπ2cos)(max19光纤光栅的光谱特性可通过耦合波理论求得；对于光纤布拉格光栅的，只考虑正向传播模和相反方向传播模耦合的情况，则光纤中场强为耦合波理论光纤光栅技术与应用)](exp[),()()](exp[),()()(11ztiyxfzAztiyxfzAzEβωβω++−=−在弱导条件下，其幅度耦合方程为)()2exp()(11zAziikdzzdAac−⋅=δ)()2exp()(11zAziikdzzdAac⋅−=−δΛ−=−=πβββδ0λπmax2nkac∆=20光纤布拉格光栅的反射率和透射率光纤光栅反射率和透射率光纤光栅技术与应用)sinh()cosh()sinh()0()0(11LLiLkAAracαδααα+−==−)sinh()cosh()exp()0()(11LLiLiALAtαδααδα−==22222)(cosh)(sinhδαα−=LkLkRacac22δα−=ack211052.01052.51053.01053.51054.00.00.20.40.60.81.0∆n=0.00001∆n=0.00005ReflectivityWavelength(nm)(a)L=5mm∆n=0.00011052.01052.51053.01053.51054.00.00.20.40.60.81.0L=5mmL=2mmReflectivityWavelength(nm)(b)∆n=0.0001L=1mm中心波长Λ=effBn2λ2max2)2()(effBnnL∆+Λ⋅=∆λλ光纤布拉格光栅反射谱光纤光栅技术与应用反射带宽22In1989,Meltzshowedthatastrongindexofrefractionchangeoccurredwhenagermanium-dopedfiberwasexposedtoUVlightclosetotheabsorptionpeak(240-250nm)ofagermania-relateddefect;Hydrogenloading(hydrogenation),flamebrushing,andboroncodopinghavebeenusedforenhancingthephotosensitivityofgermanosilicafibers;Exposurewith193nmArFeximerlaserradiationprovedtobeanalternativemethodforinscribingstrongBragggratingsinfiberswithouttheneedofhydrogenation.光纤光敏性光纤光栅技术与应用23光纤光栅刻写设备由UV激光器、柱透镜和相位掩模板组成，实时检测部分由宽带光源和光谱分析仪组成。这种方法是将载氢的光敏光纤贴近掩模板，利用相位掩模板近场衍射产生的干涉条纹在光纤中形成折射率周期性分布而形成光纤光栅。光纤光栅刻写设备光纤光栅技术与应用24纵向驻波干涉法光纤光栅制作方法光纤光栅技术与应用这种方法是利用注入光纤的入射光和从另一端返回的反射光在光纤内形成驻波，经过一定时间曝光后使纤芯的折射率形成周期性分布而形成光纤光栅。25双光束全息干涉横向写入法光纤光栅技术与应用θ两相干紫外光束Λ纤芯()θλsin2/00nl=Λ光纤光栅制作方法26点光源写入法光纤光栅技术与应用触发电路准分子激光器微机步进电机干涉仪精密微调架反射镜狭缝光阑显微物镜光敏光纤光纤光栅制作方法27相位模版复制法光纤光栅技术与应用入射紫外光束硅玻璃相位光栅光纤０级＋１级－１级条纹图样(周期为Λ/2)光纤光栅制作方法28光纤光栅光纤光栅技术与应用根据光纤光栅周期的长短及均匀性的不同，光纤光栅可分为短周期光栅(BraggGrating)、长周期光栅(LongPeriodGrating)和啁啾光栅(ChirpedGrating)。29FBG有较小且均匀的周期，一般约为0.5～1.6µm，具有反射固定波长之特性。多用于温度、应力以及以此为基础而发展出的振动、流量、载荷疲劳、结构损伤、腐蚀等方面的分布式检测系统。光纤布拉格光栅光纤光栅技术与应用光纤布拉格光栅（FBG）TpeBB∆++−=∆)()1(ξαελλ30光纤布拉格光栅是一种沿光纤轴向折射率变化的波导结构，导致一定波长的光波发生相应的模式耦合，使得其透射光谱和反射光谱发生相应的模式耦合。其基本特性是以共振波长为中心的窄带滤波器。光纤布拉格光栅光纤光栅技术与应用输入谱传输谱反射谱应变引起波长移动III311550nm波段光纤光栅透射谱1053nm波段光纤光栅反射谱光纤布拉格光栅光纤光栅技术与应用32长周期光纤光栅光纤光栅技术与应用长周期光纤光栅（LPG）周期在100µm以上，其主要特性是特定波长的传播模式会被耦合到包层模式而被损耗掉；长周期光栅对环境的变化与FBG相比更加敏感，例如它对弯曲过于敏感，一个很小的弯曲会将他的峰值波长向短波方向移动；由于它的透射谱具有几个峰，且每个峰都有一定的带宽，这限制了LPG在准分布式传感系统中的应用。33长周期光纤光栅传播模式耦合到包层模式用于EDFA的增益平坦化lost长周期光纤光栅光纤光栅技术与应用34长周期光纤光栅透射谱长周期光纤光栅光纤光栅技术与应用35啁啾通常是指一种频率变化的现象，如果Bragg光纤光栅的周期或折射率沿长度方向发生一定变化，则其Bragg频率沿长度方向也会发生一定变化，这种光纤光栅就称为啁啾光纤光栅。啁啾光纤光栅光纤光栅技术与应用36啁啾光栅光栅周期沿轴向发生变化不同位置的相应波长不同可用于色散补偿等啁啾光纤光栅光纤光栅技术与应用37啁啾光纤光栅反射谱啁啾光纤光栅光纤光栅技术与应用38Part3光纤光栅应用39Mach-Zehnderadd/dropfilter波分复用光纤光栅技术与应用40Frustratedcouplertypeadd/dropmultiplexer波分复用光纤光栅技术与应用41Circulatorsandgratingbasedadd/dropfilter波分复用光纤光栅技术与应用42光纤通信系统光纤光栅技术与应用WDM系统43滤波器WDM系统解复用多信道系统中串联使用FBG滤波器光纤光栅技术与应用44GainFlatteningFilterforEDFA增益平坦滤波器光纤光栅技术与应用45相移光栅分布反馈光栅光栅中间λ/4距离与F-P腔相似相移光栅光纤光栅技术与应用46多相移光栅光栅中有多个λ/4相移出现平顶的带通多相移光栅光纤光栅技术与应用47光纤激光器FBG作为反射镜掺杂光纤作为增益介质DBR和DFB激光器光纤激光器光纤光栅技术与应用48掺镱光纤DFB激光器光谱1048105010521054105610581060-60-50-40-30-20-10010Outputpower(dBm)Wavelength(nm)光纤激光器光纤光栅技术与应用49Raman光纤激光器拉曼光纤激光器光纤光栅技术与应用50色散补偿光纤光栅技术与应用51光栅传感器光纤光栅的响应随温度和应力变化大；应用于建筑物、桥梁等；抗电磁干扰；光纤传感器光纤光栅技术与应用52分布式光纤传感器测量是运用光纤的一维特性进行测量的技术，它可同时获得被测量的空间分布状态和随时间变化的信息。它可以在整个光纤上对沿光纤分布的环境参数进行连续测量。在理论上，它可以把被测量作为光纤位置长度的函数，能得到任意大小的分辨率。分布式光纤传感器光纤光栅技术与应用分布式光纤传感系统53分布式网络化光纤光栅传感器检测系统优点:采用激光信号作为探测信号，而不是低功率的ASE，探测容易;采用可调谐带通滤波器作成自动寻址功能器件，运用时分复用技术，用一套探测系统就可以监测多个传感元件的传感量变化，极大地降低了系统成本;把探测信号输入计算机处理，可自动监测各个传感元件的传感量变化。当某个传感量变化超过一定范围时可自动报警。可发展成一种网