1、2020年8月31日星期一,光纖通信器件,1,知識(shí)點(diǎn)回顧,光纖光柵：,用特定波長(zhǎng)的激光以特定方式照射光纖，導(dǎo)致光纖內(nèi)部的折射率沿軸向形成周期性或非周期性的空間分布，形成光柵結(jié)構(gòu)，并且能精確控制諧振波長(zhǎng)。,光纖光柵的的主要制作方法：,1. 縱向駐波寫入技術(shù)(內(nèi)部寫入技術(shù)),2. 橫向全息寫入技術(shù),3. 相位掩模寫入技術(shù),4. 逐點(diǎn)曝光寫入技術(shù),5. 振幅掩模寫入技術(shù),2020年8月31日星期一,光纖通信器件,2,第四章 光纖光柵原理及應(yīng)用,一、光纖光柵的工作原理,光纖光柵的最基本原理是相位匹配條件：,1、2是正、反向傳輸常數(shù)，是光纖光柵的周期，在寫入光柵的過(guò)程中確定下來(lái)。,2020年8月31日星

2、期一,光纖通信器件,3,光纖光柵工作原理,光纖布拉格光柵(FBG)的工作原理,當(dāng)一束寬譜帶光波在光柵中傳輸時(shí)，入射光在相應(yīng)的頻率上被反射回來(lái)，其余的不受影響從光柵的另外一端透射出來(lái)。,光纖光柵起到了光波選頻的作用，反射的條件稱為布拉格條件。由光纖光柵相位匹配條件得到反射中心波長(zhǎng)（布拉格波長(zhǎng)）表達(dá)式：,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,4,光纖光柵工作原理,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,5,均勻FBG的反射特性,由以上兩式可知，光柵互耦合系數(shù)k（正比于折射率調(diào)制深度）與長(zhǎng)度乘積kL越大，則峰值反射率越高；折射率調(diào)制深度越大，則反射帶寬越寬。,峰值反射率：,反射帶寬：,光纖光柵

3、工作原理,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,6,光纖光柵工作原理,長(zhǎng)周期光纖光柵的工作原理,當(dāng)一束光在長(zhǎng)周期光纖光柵中傳輸時(shí)，滿足相位匹配條件的特定波長(zhǎng)的光由纖芯耦合進(jìn)包層向前傳播，很快被衰減掉。這樣在透射光譜圖上就有一個(gè)損耗峰，并且沒(méi)有反射波。其他不滿足相位匹配條件的波長(zhǎng)，基本上無(wú)損耗的在光纖纖芯中傳播，從而實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)選擇損耗特性。,為光柵周期，n01為纖芯模式折射率，n(m)為m階包層模式的折射率。,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,7,光纖光柵工作原理,長(zhǎng)周期光纖光柵的光譜特點(diǎn),基模至包層模的轉(zhuǎn)換譜（ 是自耦系數(shù)，k是互耦系數(shù)）：,峰值轉(zhuǎn)換率：,2020年8月31日星期一,

4、光纖通信器件,8,光纖光柵的封裝工藝與技術(shù),二、摻雜光纖的光敏性 1. 摻雜光纖光敏性機(jī)理 摻雜物質(zhì)與SiO2混合時(shí)形成的結(jié)構(gòu)缺陷 外界光場(chǎng)作用下通過(guò)單光子或雙光子吸收過(guò)程使錯(cuò)位鍵破裂形成色心 標(biāo)準(zhǔn)光纖：GeO2 其它摻雜：Erbium（鉺）, Europium（銪）, Cerium（鈰） 2. 影響光纖光敏性的因素 摻雜種類與摻雜濃度 預(yù)制棒 拉纖速度影響光纖光敏性 光纖光敏性與曝光時(shí)所施加的應(yīng)力有關(guān),2020年8月31日星期一,光纖通信器件,9,光纖光柵的封裝工藝與技術(shù),3. 增加光纖光敏性的方法 （1）低溫載氫處理 壓力：20750atm(典型150atm)，溫度：2075，時(shí)間：數(shù)十小

5、時(shí)至數(shù)天 形成Ge-H，Si-H，Ge-OH，Si-OH 有效增加標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的光敏性 標(biāo)準(zhǔn)單模光纖損耗增大 光敏性變化大 退火及老化處理,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,10,光纖光柵的封裝工藝與技術(shù),（2）高溫載氫處理 在含氫1mol%環(huán)境下，使用CO2激光將光纖加溫至600 短時(shí)間（10秒）內(nèi)增加光纖的光敏性 （3）火焰熱處理 氫氣火焰+少量氧氣將光纖加熱至1700 持續(xù)20分鐘 光纖的光敏性增加10倍，折射率變化10-3 高溫對(duì)光纖造成損傷，引起可靠性等方面問(wèn)題,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,11,光纖光柵的封裝工藝與技術(shù),4. 混合摻雜 （1）摻Boron（硼）

6、 降低折射率，可提高Ge摻雜濃度 光纖的光敏性增加3倍 30min400退火可使折射率變化減半 1500nm窗口付加損耗0.1dB/m 雙折射效應(yīng) （2）摻Tin（錫） 較B-Ge光纖的光敏性增加3倍 熱穩(wěn)定性優(yōu)于B-Ge光纖,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,12,光纖光柵的封裝工藝與技術(shù),（3）摻N2（氮?dú)猓?SPCVD過(guò)程中，加入0.1%氮?dú)饪墒构饷粜约颖?折射率變化2.810-3,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,13,光纖光柵工作原理,三、光纖光柵的波長(zhǎng)調(diào)諧技術(shù) 光纖光柵的波長(zhǎng)調(diào)諧是指對(duì)制作好的光纖光柵進(jìn)行操作，通過(guò)不同物理效應(yīng)改變光纖光柵的光柵常數(shù)（柵距）及光柵位置

7、的折射率分布，使其反射（或透射）波長(zhǎng)產(chǎn)生一定的漂移量，以達(dá)到調(diào)諧光纖光柵反射（或透射）波長(zhǎng)的目的。 1. 電磁調(diào)諧 將光纖光柵固定在磁致伸縮棒上，連同該磁致伸縮棒置于均勻磁場(chǎng)中，磁致伸縮棒將磁力轉(zhuǎn)化為應(yīng)力作用于光柵上，從而完成光纖光柵波長(zhǎng)的連續(xù)均勻調(diào)諧。103mT的磁場(chǎng)產(chǎn)生1.1nm的漂移量。,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,14,光纖光柵工作原理,如何產(chǎn)生光纖光柵波長(zhǎng)的非均勻調(diào)諧，即調(diào)諧后為啁啾光纖光柵？ 磁致伸縮棒置于非均勻磁場(chǎng)中，則磁致伸縮棒表面不同位置產(chǎn)生的應(yīng)力大小也不同，使得光纖光柵上不同位置的柵格間距（光柵常數(shù)）被拉伸或擠壓的程度也有區(qū)別，折射率變化程度也不一致，使得原本

8、均勻周期的光纖光柵變?yōu)榉蔷鶆蛑芷诘倪惫饫w光柵。磁場(chǎng)梯度為23mT/cm時(shí)，帶寬為0.92nm的光纖光柵被調(diào)諧成1.63nm的啁啾光纖光柵。,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,15,光纖光柵工作原理,2. 熱調(diào)諧法 熱調(diào)諧法是基于折射率與溫度的依賴關(guān)系，實(shí)驗(yàn)證明：光纖布拉格光柵波長(zhǎng)的溫度靈敏度為0.011 nm/oC（或者0.015nm/oC ）。熱調(diào)諧的方法可以使光纖光柵波長(zhǎng)的調(diào)諧量達(dá)到30nm，但是調(diào)諧溫度不易控制，容易受應(yīng)力的交叉影響，而且熱傳遞速度緩慢決定調(diào)諧過(guò)程緩慢，以至于適用價(jià)值不是很大。,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,16,光纖光柵工作原理,3. 機(jī)械調(diào)諧法

9、機(jī)械調(diào)諧法是基于折射率與應(yīng)力的依賴關(guān)系。各種縱向應(yīng)力（使光纖光柵軸向拉伸或壓縮）、橫向應(yīng)力（使光纖光柵側(cè)向彎曲）、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（使光纖光柵產(chǎn)生形變）都可以實(shí)現(xiàn)光纖光柵的波長(zhǎng)調(diào)諧?；跈C(jī)械方法實(shí)現(xiàn)調(diào)諧的不同途徑，可以分為以下幾種： （1）軸向應(yīng)力機(jī)械調(diào)諧 a. 梯度應(yīng)變調(diào)諧,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,17,光纖光柵工作原理,a. 梯度應(yīng)變調(diào)諧 應(yīng)力可以改變光纖光柵的光柵常數(shù)，也可以改變光纖光柵的折射率分布，從而影響光纖光柵的工作波長(zhǎng)，完成波長(zhǎng)調(diào)諧。 將光纖光柵部位嵌在松軟的介質(zhì)中，一端固定，另外一端施加拉力，造成介質(zhì)內(nèi)光纖光柵部位出現(xiàn)梯度分布的應(yīng)力，使光纖光柵變成啁啾光纖光柵。,20

10、20年8月31日星期一,光纖通信器件,18,光纖光柵工作原理,b. 壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)法 用壓電陶瓷的伸縮驅(qū)動(dòng)光纖光柵參數(shù)的線性調(diào)節(jié)，如此可以利用光纖光柵在壓電陶瓷的輔助下設(shè)計(jì)可調(diào)諧激光器。 也可以利用壓電陶瓷完成光纖光柵柵格間距的非均勻調(diào)節(jié)，得到啁啾光纖光柵的波長(zhǎng)輸出。 將薄壓電陶瓷片堆相互粘貼在一起，每片被獨(dú)立控制，將光纖光柵沿軸向粘貼在陶瓷串的側(cè)壁，由PZT片堆靈活控制光纖光柵各個(gè)局部的應(yīng)變，如果每片陶瓷上應(yīng)變呈非均勻分布，則光纖光柵調(diào)諧為啁啾光纖光柵，否則還是均勻周期的光纖光柵。,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,19,光纖光柵工作原理,c 軸向擠壓法 1994年，Ball等人在壓電

11、陶瓷驅(qū)動(dòng)法的基礎(chǔ)上，用兩個(gè)光纖布拉格光柵構(gòu)成線性諧振腔，其中一端固定，另外一端改用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的移動(dòng)擠壓光纖布拉格光柵來(lái)改變其波長(zhǎng)，調(diào)諧量達(dá)到32nm。 （2）簡(jiǎn)支梁調(diào)諧法 將待調(diào)諧的光纖光柵剛性地粘貼于中央部位，對(duì)中間位置施加外力P，通過(guò)改變梁偏離水平位置的距離影響作用于光纖光柵上的應(yīng)變，從而達(dá)到調(diào)諧光纖光柵波長(zhǎng)的目的。,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,20,光纖光柵工作原理,（3）懸梁臂調(diào)諧法 相對(duì)于簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)而言，該結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，波長(zhǎng)調(diào)諧范圍也較寬，可以達(dá)到17nm以上，但是這兩種方法都比較難以控制啁啾度，都可以實(shí)現(xiàn)啁啾和非啁啾調(diào)諧。,2020年8月31日星期一,

12、光纖通信器件,21,光纖光柵工作原理,4. 非軸向應(yīng)力產(chǎn)生的光纖光柵應(yīng)變分析 （1）純彎曲情況 對(duì)于純彎曲情況，受彎矩M作用的彈性梁表面任一點(diǎn)的軸向應(yīng)變可表示為 式中，Z0是考察點(diǎn)距梁中點(diǎn)的距離；E是梁的楊氏模量；I是梁的慣性距。 如果光纖光柵沿梁軸向粘貼于表面，則波長(zhǎng)漂移量為,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,22,光纖光柵工作原理,（2）純轉(zhuǎn)動(dòng)情況 對(duì)于純轉(zhuǎn)動(dòng)情況，在扭轉(zhuǎn)角不大的情況下，光纖光柵的應(yīng)變可表示為 式中，是軸距MF作用的梁表面任一點(diǎn)的扭應(yīng)變，可表示為 式中，G、IP和D分別為梁的剪切橫量、橫截面積慣性矩和橫截面外直徑。如果光纖光柵沿梁軸向粘貼于表面，則波長(zhǎng)漂移量為,20

13、20年8月31日星期一,光纖通信器件,23,光纖光柵原理及應(yīng)用,1. 在光纖通信中的應(yīng)用：,四、光纖光柵的應(yīng)用：,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,24,在光纖通信中的應(yīng)用,相關(guān)參數(shù)(續(xù)):,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,25,在光纖通信中的應(yīng)用,(1) 光源,a. DFB (Distributed Feedback) 光纖光柵激光器,直接在摻鉺光纖或其他稀土摻雜的光纖上寫入光纖光柵，構(gòu)成諧振腔，且有源區(qū)和反饋區(qū)同為一體。,多波長(zhǎng)光纖激光器。,邊模抑制比優(yōu)于DBR光纖光柵激光器。,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,26,在光纖通信中的應(yīng)用,b. DBR光纖光柵激光器

14、 (Distributed Bragg Reflector),FBG寫在摻鉺光纖或其他稀土摻雜的光纖的兩端，構(gòu)成諧振腔，也可以構(gòu)成多波長(zhǎng)激光器。,DBR光纖光柵激光器可獲得比DFB光纖光柵激光器更高的模式選擇性，獲得穩(wěn)定的單模運(yùn)行；DBR光纖光柵激光器也是目前商用化最好的一種可調(diào)諧激光器。,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,27,在光纖通信中的應(yīng)用,c.光纖光柵外腔半導(dǎo)體激光器,將一個(gè)半導(dǎo)體激光器的輸出耦合到一支光纖光柵上便可以得到光纖光柵外腔半導(dǎo)體激光器。,多波長(zhǎng)輸出半導(dǎo)體激光器。,閾值電流低，并且具有極低的溫度依賴性，以及很高的邊模抑制比，可獲得窄線寬穩(wěn)定激光輸出，特別適用于DWD

15、M系統(tǒng)上。,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,28,在光纖通信中的應(yīng)用,(2) 波分復(fù)用器(WDM),光纖布拉格光柵具有波長(zhǎng)選擇濾波的作用，并且可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)小到0.1nm的帶寬，因此光纖光柵適合于高速密集波分復(fù)用的光纖通信系統(tǒng)中。,光纖布拉格光柵(FBG)與光纖耦合器或者光環(huán)形器組合使用就可以構(gòu)成波分復(fù)用器。,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,29,在光纖通信中的應(yīng)用,基于光纖光柵的WDM,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,30,在光纖通信中的應(yīng)用,光纖光柵型WDM,器件中的光環(huán)行器部件可以用光纖耦合器替代，但使用光纖耦合器時(shí)必須和光隔離器配合使用。,與輸入光的偏振

16、態(tài)無(wú)關(guān)；插入損耗低；中心反射波長(zhǎng)可得到精確控制；反射帶寬可以任意選擇；反射率可接近100；對(duì)外界溫度不敏感，溫度補(bǔ)償后其溫度靈敏度可達(dá)0.0007nm/oC。,光纖光柵型WDM的優(yōu)點(diǎn),2020年8月31日星期一,光纖通信器件,31,在光纖通信中的應(yīng)用,(3) 光分插復(fù)用器(OADM),在某個(gè)站點(diǎn)下載一個(gè)信號(hào)的同時(shí)，用具有相同波長(zhǎng)的其他光波長(zhǎng)信號(hào)代替原來(lái)的信號(hào)上載到通信系統(tǒng)中。,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,32,在光纖通信中的應(yīng)用,基于光纖光柵的OADM,波長(zhǎng)i的信號(hào)城鎮(zhèn)A的(N-1)個(gè)波長(zhǎng)攜帶的信號(hào)一起傳輸?shù)匠擎?zhèn)C。,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,33,在光纖通信中的

17、應(yīng)用,(4) 光放大器中的應(yīng)用,a. 穩(wěn)定泵浦光源的輸出激光波長(zhǎng)； b. EDFA的增益平坦化； c. 抑制EDFA的ASE噪聲。,利用多個(gè)長(zhǎng)周期光纖光柵(LPFG)對(duì)EDFA的增益進(jìn)行均衡，則在15301560nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的增益波動(dòng)控制在0.20.3dB，從而獲得比較完美的增益平坦化效果。,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,34,在光纖通信中的應(yīng)用,(5) 色散補(bǔ)償,不同波長(zhǎng)的光在啁啾光纖光柵中的不同位置上發(fā)生諧振反射，如果在光纖通信線路中放置這么一個(gè)啁啾光纖光柵，使最長(zhǎng)波長(zhǎng)的信號(hào)光(紅移分量)在光柵末端反射，最短波長(zhǎng)的信號(hào)光(藍(lán)移分量)在光柵前端反射，那么，可以設(shè)計(jì)一個(gè)啁啾光纖光

18、柵，在紅、藍(lán)分量之間產(chǎn)生一個(gè)時(shí)延差，使得藍(lán)移分量趕上紅移分量，從而補(bǔ)償光纖線路中由于色散效應(yīng)展寬的光脈沖。,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,35,在光纖通信中的應(yīng)用,光纖光柵的色散補(bǔ)償原理,還可以補(bǔ)償WDM系統(tǒng)中多信道的色散，另外，還可以補(bǔ)償高速光纖通信系統(tǒng)中的PMD。,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,36,在光纖通信中的應(yīng)用,(6)光交叉連接器(OXC),所謂光交叉連接器，是指用于光纖網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處的裝置，該裝置在光層上通過(guò)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行交叉互連，從而靈活有效地管理光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)可靠的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)/恢復(fù)、自動(dòng)配線、調(diào)度和監(jiān)控；是實(shí)現(xiàn)光信號(hào)高速交叉連接的理想器件。,2.5G的DW

19、DM網(wǎng)元10G的DWDM網(wǎng)元40G的DWDM網(wǎng)元,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,37,在光纖通信中的應(yīng)用,22的4波交換單元光交叉連接原理,反射波長(zhǎng)由同一個(gè)控制器控制；在兩端口分別和光環(huán)行器連接，光環(huán)行器的其中一個(gè)端口和另一路光纖上的光環(huán)行器交叉互連。,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,38,在光纖通信中的應(yīng)用,采用光纖光柵提高全光網(wǎng)整體性能的方案構(gòu)想,Giles C R. Lightwave applications of fiber Bragg gratings. J Lightwave Technol., 1997, 15(8): 1391-1404.,2020年8月

20、31日星期一,光纖通信器件,39,基于光纖光柵的傳感技術(shù),光纖光柵的基本光學(xué)特性就是以諧振波長(zhǎng)為中心(布拉格波長(zhǎng))的光學(xué)濾波器，并且FBG的諧振波長(zhǎng)滿足式:,當(dāng)一束寬帶光波（或者說(shuō)是白光）在FBG中傳輸時(shí)，入射光在滿足式上式的頻率(對(duì)應(yīng)諧振波長(zhǎng))處被反射回來(lái)，其余的則幾乎不會(huì)受到影響，從光柵的另外一端透射出去。,2. 光纖光柵在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,40,光譜特性主要由反射帶寬和峰值反射率兩個(gè)參數(shù)決定，而這些參數(shù)又是光柵長(zhǎng)度、折射率調(diào)制和Bragg波長(zhǎng)的函數(shù)，而且，F(xiàn)BG具有優(yōu)良的反射光譜特性: 在中心反射波長(zhǎng)附近有很高的反射率，而在遠(yuǎn)離中心反射波長(zhǎng)處反射率

21、急劇下降。,基于光纖光柵的傳感技術(shù),光纖布拉格光柵的光譜特性:,折射率調(diào)制,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,41,基于光纖光柵的傳感技術(shù),光纖布拉格光柵傳感的基本原理,對(duì)于光纖通信來(lái)說(shuō)，布拉格波長(zhǎng)越穩(wěn)定越好！相反，基于光纖光柵的傳感技術(shù)是利用布拉格波長(zhǎng)隨著外界環(huán)境的變化而變化的這一特點(diǎn)。,FBG傳感的基本原理是利用折射率和光柵周期對(duì)外界參量的敏感特性，對(duì)(1)式進(jìn)行全微分:,可以改寫成:,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,42,式中neff表示溫度引起的熱光效應(yīng)或者是軸向應(yīng)變引起的彈光效應(yīng)對(duì)光纖纖芯有效折射率neff的影響，表示溫度引起的熱膨脹效應(yīng)或者是軸向應(yīng)變引起的軸向形變

22、對(duì)光柵周期的影響。,基于光纖光柵的傳感技術(shù),由式（3）如果由于外界物理量，比如溫度或者應(yīng)力的變化使neff和分別發(fā)生neff和的變化，則會(huì)導(dǎo)致Bragg波長(zhǎng)B也隨之產(chǎn)生B的偏移，因此通過(guò)波長(zhǎng)解調(diào)裝置檢測(cè)出Bragg波長(zhǎng)的偏移量B就可以知道相應(yīng)的被測(cè)量的變化。,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,43,基于光纖光柵的傳感技術(shù),I,I,I,B,B,寬譜,光源,波長(zhǎng),監(jiān)測(cè)器,波長(zhǎng),監(jiān)測(cè)器,3dB,耦合器,FBG,反射光譜,出射光譜,溫度或應(yīng)變變化引起 Bragg波長(zhǎng)的偏移,出射光譜,溫度或應(yīng)變變化引起 Bragg波長(zhǎng)的偏移,傳感原理示意圖,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,44,如圖所

23、示，F(xiàn)BG將外界參量的變化轉(zhuǎn)化為Bragg波長(zhǎng)的偏移，通過(guò)監(jiān)測(cè)Bragg波長(zhǎng)的偏移實(shí)現(xiàn)對(duì)外界參量變化情況的監(jiān)控。FBG的反射光譜和透射光譜之間具有互補(bǔ)性，因此檢測(cè)Bragg波長(zhǎng)的偏移量B既可以通過(guò)監(jiān)測(cè)FBG反射光譜的變化來(lái)完成，也可以通過(guò)監(jiān)測(cè)FBG透射光譜的變化來(lái)完成，此方案可以提高光功率的利用率。在光源功率不大，F(xiàn)BG的反射率又不高的情況下，透射光譜監(jiān)測(cè)方式可以提高測(cè)量系統(tǒng)的信噪比。,基于光纖光柵的傳感技術(shù),2020年8月31日星期一,光纖通信器件,45,當(dāng)FBG處于沒(méi)有外力引起應(yīng)變的自然狀態(tài)時(shí)，如果溫度發(fā)生變化，光纖材料的熱光效應(yīng)會(huì)引起光纖纖芯有效折射率neff的變化，光纖材料的熱膨脹效應(yīng)

24、會(huì)引起光柵周期的變化。,基于光纖光柵的傳感技術(shù),溫度變化引起B(yǎng)ragg波長(zhǎng)變化的相關(guān)假設(shè):,假設(shè)FBG的溫度效應(yīng)和應(yīng)力效應(yīng)是相互獨(dú)立的，忽略它們之間的交叉敏感性。由于FBG的尺寸一般都在幾個(gè)mm，最大也不超過(guò)20mm，可以認(rèn)為FBG處于一個(gè)均勻溫度場(chǎng)中，忽略FBG不同位置之間的溫差引起熱應(yīng)力的影響；,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,46,假設(shè)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程FBG處于光纖材料的線性熱膨脹區(qū)，忽略溫度變化對(duì)其熱膨脹系數(shù)的影響，認(rèn)為熱膨脹系數(shù)在測(cè)量溫度范圍內(nèi)始終保持常數(shù)不變。由于石英光纖的軟化點(diǎn)在17000C附近，所以在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)可以忽略溫度變化對(duì)熱膨脹系數(shù)的影響，認(rèn)為熱膨脹系數(shù)在測(cè)量范

25、圍內(nèi)始終是常數(shù)；,基于光纖光柵的傳感技術(shù),假設(shè)在Bragg波長(zhǎng)變化范圍內(nèi)以及在整個(gè)實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，光纖材料的熱光系數(shù)始終保持不變。,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,47,基于光纖光柵的傳感技術(shù),基于以上三點(diǎn)假設(shè)，下面將逐步建立FBG的溫度傳感模型:,式(3)兩邊分別除以T，整理得:,熱光效應(yīng)引起光纖纖芯有效折射率neff的變化為:,上式中是光纖材料的熱光系數(shù)，它表示折射率隨溫度的變化率。,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,48,基于光纖光柵的傳感技術(shù),光纖材料的熱膨脹效應(yīng)會(huì)引起光柵周期的變化:,上式中是光纖材料的熱膨脹系數(shù)，它表示光柵周期隨溫度的變化率。,把式(6)和(5)代

26、入式(4)，得:,把Bragg波長(zhǎng)偏移量BT寫成相對(duì)偏移量的形式，聯(lián)立式(1)和式(7)，得:,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,49,基于光纖光柵的傳感技術(shù),令kT+，則:,由式(8)可知，BT和T存在線性關(guān)系，因此通過(guò)解調(diào)裝置檢測(cè)出Bragg波長(zhǎng)的偏移量BT，則很容易就可以確定被測(cè)量T的變化。,kT為FBG的溫度系數(shù)，由光纖材料的熱光系數(shù)和熱膨脹系數(shù)決定，它表示Bragg波長(zhǎng)變化率隨溫度的變化。,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,50,基于光纖光柵的傳感技術(shù),對(duì)摻鍺石英光纖，熱光系數(shù)=6.3410-6/0C,熱膨脹系數(shù)=0.5510-6/0C，因此可以得到Bragg波長(zhǎng)變化

27、率隨溫度變化的理論值，即FBG溫度系數(shù)kT的理論值為：,因此，Bragg波長(zhǎng)的相對(duì)偏移量表達(dá)式可以直接寫成:,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,51,式(11)就是光纖Bragg光柵在不受外界應(yīng)力的自然狀態(tài)下，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)的傳感模型的表達(dá)式，其溫度靈敏度為:,光纖Bragg光柵應(yīng)變傳感模型:,建立應(yīng)變傳感模型之前，先做以下幾點(diǎn)必要的假設(shè)：,假設(shè)光纖光柵在所研究的應(yīng)力范圍內(nèi)是一個(gè)理想的彈性體，遵循胡克定律，并且內(nèi)部不存在切應(yīng)變；,基于光纖光柵的傳感技術(shù),2020年8月31日星期一,光纖通信器件,52,假設(shè)光纖光柵折射率變化在橫截面上均勻分布，并且這種由于激光誘導(dǎo)引起的光致折變不會(huì)影響

28、光纖本身各向同性的特點(diǎn)；,基于光纖光柵的傳感技術(shù),假設(shè)應(yīng)力是靜應(yīng)力，不考慮應(yīng)力隨時(shí)間的變化情況。,基于以上三點(diǎn)假設(shè)，下面將建立光纖Bragg光柵的應(yīng)變傳感模型。應(yīng)變通過(guò)彈光效應(yīng)和軸向形變分別對(duì)FBG的有效折射率和光柵周期產(chǎn)生影響，從而使Bragg波長(zhǎng)產(chǎn)生偏移。,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,53,由式(3)得:,基于光纖光柵的傳感技術(shù),設(shè)FBG受到軸向應(yīng)變時(shí)，其應(yīng)變量為z為:,施加軸向應(yīng)變引起的折射率變化非常小，通常用 表示，有：,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,54,聯(lián)立式(13)和式(15)，得:,基于光纖光柵的傳感技術(shù),根據(jù)材料的光彈性質(zhì)，有效折射率neff的變化可

29、以由彈光系數(shù)矩陣Pij和應(yīng)變張量矩陣j表示:,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,55,應(yīng)變張量矩陣j可用軸向應(yīng)變z表示，由于切應(yīng)變?yōu)?，即 4 =5=6= 0，因此:,基于光纖光柵的傳感技術(shù),彈光系數(shù)矩陣為:,其中，P11、P12和P44是彈光系數(shù)，是光纖纖芯材料的泊松比，P44=(P11-P12)/2。,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,56,聯(lián)立式(15)和式(17)、(18)和(19)，整理得:,基于光纖光柵的傳感技術(shù),因此，式(16)可改寫為:,式中Peff是有效彈光系數(shù),且,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,57,對(duì)于摻鍺石英光纖，相應(yīng)的參數(shù)為P11=0.12

30、、P12=0.27、=0.16、neff=1.46，由上式可得Peff0.22，則式(21)可以改寫為:,基于光纖光柵的傳感技術(shù),因此，對(duì)于一個(gè)理想的光纖Bragg光柵應(yīng)變傳感模型，當(dāng)溫度不變時(shí)，Bragg波長(zhǎng)的偏移量與軸向應(yīng)變呈線性關(guān)系；應(yīng)變系數(shù)的論值為0.78/。,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,58,光纖光柵傳感技術(shù),基于光纖光柵的傳感技術(shù),快速發(fā)展的光纖通信以及光纖光柵技術(shù)為光纖傳感技術(shù)開(kāi)辟了一個(gè)新的領(lǐng)域，光纖光柵傳感是光纖傳感器家族的一個(gè)重要成員，具有光纖技術(shù)本身的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，而且還具有其自身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：,傳感信號(hào)是波長(zhǎng)調(diào)制，測(cè)量信號(hào)不受光源起伏和光路系統(tǒng)損耗因素的影響；,具

31、有自參考點(diǎn)，測(cè)量的是絕對(duì)值；,調(diào)制區(qū)直接寫入纖芯，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好和插入損耗低，無(wú)需研磨和對(duì)準(zhǔn)等工藝要求；,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,59,光纖光柵傳感技術(shù)可以采用光纖通信中成熟的波分復(fù)用等技術(shù)構(gòu)建傳感網(wǎng)絡(luò)，波分復(fù)用中的每個(gè)光纖光柵波長(zhǎng)信號(hào)可以攜帶不同測(cè)量點(diǎn)、不同參量的信息；,基于光纖光柵的傳感技術(shù),光纖光柵很容易埋入復(fù)合材料、混凝土等材料中，從而對(duì)其內(nèi)部的應(yīng)變和溫度進(jìn)行高分辨率和大范圍的測(cè)量。,光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，每一個(gè)探測(cè)點(diǎn)(即光柵)相當(dāng)于一個(gè)神經(jīng)，很容易實(shí)現(xiàn)所謂的3S(Smart material, Smart structure, Smart sk

32、in)”系統(tǒng)。,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,60,光纖光柵傳感器的關(guān)鍵技術(shù)之一是如何精確、快速、方便地檢測(cè)和處理由于被測(cè)量變化引起的每個(gè)傳感光柵Bragg中心波長(zhǎng)的微小偏移量，即實(shí)現(xiàn)每個(gè)波長(zhǎng)編碼信號(hào)的解調(diào)。其解調(diào)的實(shí)質(zhì)是對(duì)傳感光柵的反射譜或者透射譜進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，檢測(cè)出波長(zhǎng)編碼信息。,基于光纖光柵的傳感技術(shù),解調(diào)方法分為傳統(tǒng)方案（比如用單色儀對(duì)信號(hào)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)）和新型波長(zhǎng)信號(hào)解調(diào)方案（可調(diào)諧F-P濾波器法和匹配光纖光柵濾波器法等 ），商用化最好的Microoptics公司的可調(diào)諧F-P解調(diào)裝置。,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,61,基于光纖光柵的傳感技術(shù),(1) 傳統(tǒng)的

33、波長(zhǎng)信號(hào)解調(diào)方案(采用單色儀或者光纖光譜儀),由傳感光柵獲得的光信號(hào)直接輸入到光譜儀或單色儀，直接測(cè)量出光信號(hào)的波長(zhǎng)位置，從而實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感器波長(zhǎng)信號(hào)的解調(diào)。這種解調(diào)方案測(cè)量精度較高，是一種有效的解調(diào)方案，但是這些儀器價(jià)格比較高，體積大不易攜帶，難以滿足實(shí)際工程應(yīng)用的需要，適合于實(shí)驗(yàn)室使用。,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,62,基于光纖光柵的傳感技術(shù),2020年8月31日星期一,光纖通信器件,63,(2) 新型的波長(zhǎng)信號(hào)解調(diào)方案,基于光纖光柵的傳感技術(shù),在實(shí)際工程應(yīng)用中，光纖光柵傳感器波長(zhǎng)信號(hào)解調(diào)方案分為兩部分: (1)光信號(hào)處理部分，把光參量(波長(zhǎng)信號(hào))轉(zhuǎn)化為電參量，這是波長(zhǎng)信

34、號(hào)解調(diào)的核心部分; (2)電信號(hào)處理部分，對(duì)電參量進(jìn)行分析處理，提取外界的有用信息，以可視化界面或其他直觀的界面輸出顯示，并以數(shù)字化信息存儲(chǔ)。,從傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和檢測(cè)方法來(lái)考慮，大致可以歸納為以下三大類型:,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,64,a 可調(diào)諧窄帶激光掃描解調(diào)方案,基于光纖光柵的傳感技術(shù),這種解調(diào)方案是利用可調(diào)諧激光器跟蹤傳感光纖光柵的波長(zhǎng)信號(hào)，要求激光器輸出波長(zhǎng)的線寬遠(yuǎn)小于光纖光柵的反射帶寬，理想光源是可調(diào)諧光纖激光器。通過(guò)調(diào)節(jié)窄帶光纖激光器的輸出波長(zhǎng)來(lái)掃描傳感光柵的反射譜，如果對(duì)光纖激光器的輸出波長(zhǎng)作連續(xù)掃描，則探測(cè)器接收到的光功率隨激光波長(zhǎng)的變化曲線便反應(yīng)了傳感光柵

35、的反射譜型，當(dāng)光纖激光器輸出的中心波長(zhǎng)調(diào)諧至光纖光柵反射峰值波長(zhǎng)時(shí)，探測(cè)器接收到的反射信號(hào)光功率最大，因此此時(shí)光纖激光器的輸出波長(zhǎng)就是傳感光纖光柵的Bragg波長(zhǎng)。,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,65,可調(diào)諧窄帶激光掃描解調(diào)方案的原理:,基于光纖光柵的傳感技術(shù),IMG: 折射率匹配膏(折射率匹配液)，為減少光纖端面纖芯和空氣界面產(chǎn)生的菲涅爾反射，降低非傳感光信號(hào)的對(duì)結(jié)果的影響。,可調(diào)諧,激光器,信號(hào)處理,3dB,耦合器,傳感光纖光柵,IMG,信號(hào)輸出,隔離器,PD,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,66,信號(hào)處理輸出:,基于光纖光柵的傳感技術(shù),考慮參數(shù): 工作波長(zhǎng)，光譜響應(yīng)

36、范圍，響應(yīng)度，暗電流，擊穿電壓，光敏面直徑。,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,67,b 寬譜光源和窄帶濾波掃描組合的解調(diào)方案,基于光纖光柵的傳感技術(shù),寬譜光源: 各種類型的LED，或其他寬光譜光源。,按照窄帶濾波可以分為兩種方法:,(a) 匹配光纖光柵濾波解調(diào)法,寬譜光源,信號(hào)處理,PD,信號(hào)輸出,IMG,IMG,傳感光纖光柵,3dB,耦合器,1,3dB,耦合器,2,匹配光纖光柵,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,68,這種解調(diào)方法要求傳感光纖光柵和匹配光纖光柵的參數(shù)完全相同。傳感光纖光柵的波長(zhǎng)信號(hào)經(jīng)耦合器進(jìn)入匹配光柵，由PZT調(diào)節(jié)匹配光纖光柵的反射中心波長(zhǎng)，并且由探測(cè)器檢測(cè)

37、其光信號(hào)的強(qiáng)度，使探測(cè)器接收到的光強(qiáng)最大，依據(jù)PZT驅(qū)動(dòng)電壓-波長(zhǎng)關(guān)系即可得到傳感光纖光柵的中心反射波長(zhǎng)。這種方法也可以采用透射方式，檢測(cè)匹配光纖光柵的透射光強(qiáng)。,基于光纖光柵的傳感技術(shù),(b) 可調(diào)諧光纖F-P濾波解調(diào)法,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,69,這種解調(diào)方法利用可調(diào)諧光纖F-P濾波器對(duì)傳感光纖光柵的反射信號(hào)進(jìn)行光譜分析，從而獲得反射信號(hào)的峰值波長(zhǎng)。傳感光纖光柵的反射信號(hào)經(jīng)耦合器進(jìn)入可調(diào)諧光纖F-P濾波器，通過(guò)PZT調(diào)節(jié)光纖F-P濾波器的透射波長(zhǎng)，當(dāng)其透射波長(zhǎng)與傳感光纖光柵反射峰值波長(zhǎng)相等時(shí)，探測(cè)器接收到的光強(qiáng)達(dá)到最大，根據(jù)電壓-波長(zhǎng)關(guān)系即可得到該傳感光纖光柵的反射峰值

38、波長(zhǎng)。,基于光纖光柵的傳感技術(shù),可調(diào)光纖,F-,P,濾波器,寬譜光源,傳感光纖光柵,3dB,耦合器,信號(hào)處,理,信號(hào)輸出,PD,PZT,IMG,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,70,c 參量轉(zhuǎn)化解調(diào)方案,基于光纖光柵的傳感技術(shù),參量轉(zhuǎn)化解調(diào)方案是把波長(zhǎng)偏移量轉(zhuǎn)化成相位或者光強(qiáng)等參量的變化，從而獲得峰值波長(zhǎng)的位置。目前，這種解調(diào)方案主要有以下兩種:,(a) 非平衡M-Z干涉解調(diào)法,這種解調(diào)方法是把傳感光纖光柵的Bragg波長(zhǎng)偏移量轉(zhuǎn)化為相位的變化來(lái)檢測(cè)。傳感光纖光柵的反射波長(zhǎng)信號(hào)經(jīng)耦合器進(jìn)入不等臂長(zhǎng)的M-Z干涉儀，兩臂的光程差為nd(n為纖芯折射率，d為兩干涉臂之差)，當(dāng)外界環(huán)境變化導(dǎo)

39、致傳感光纖光柵的反射波長(zhǎng)變化時(shí)，M-Z干涉儀輸出的相位變化為:,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,71,因此通過(guò)測(cè)定相位的變化就可以得到波長(zhǎng)的變化量，從而獲得外界環(huán)境的信息變化。,基于光纖光柵的傳感技術(shù),+,-,PD,示波器,OPD = n, d,寬譜光源,3dB,耦合器,1,傳感光纖光柵,IMG,相移,補(bǔ)償反饋,3dB,耦合器,2,3dB,耦合器,3,PZT,圓柱體,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,72,(b)邊緣濾波線性函數(shù)解調(diào)法,基于光纖光柵的傳感技術(shù),這種解調(diào)方法要求濾波器在傳感光纖光柵的反射譜范圍之內(nèi)是線性變化的，利用具有較大線寬、透過(guò)率對(duì)光波長(zhǎng)的響應(yīng)呈線性變化的濾

40、波器，將波長(zhǎng)信號(hào)的變化轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)的變化，光強(qiáng)信號(hào)隨波長(zhǎng)按濾波器的線性函數(shù)變化，最終得到傳感光纖光柵的反射中心波長(zhǎng)。傳感光纖光柵的反射波長(zhǎng)信號(hào)由3dB耦合器分成兩份:其中一部分經(jīng)LPG(濾波器)進(jìn)入電路處理部分，另外一部分作為參考信號(hào)直接進(jìn)入電路處理部分，以消除光源波動(dòng)和光路系統(tǒng)造成的附加損耗對(duì)信號(hào)的影響，電路部分的最終輸出反映了加載于傳感光纖光柵上的外界參量變化。,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,73,光纖光柵傳感的組網(wǎng)技術(shù),基于光纖光柵的傳感技術(shù),由于有些被測(cè)對(duì)象可能不止一個(gè)點(diǎn)，而是呈現(xiàn)一個(gè)分布的場(chǎng)，如溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等，為了獲得這一類被測(cè)對(duì)象比較完整的信息，需要采用分布式的傳感網(wǎng)絡(luò)

41、，使被測(cè)信號(hào)對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行分布式的調(diào)制，形成所謂的“3S”系統(tǒng)。,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,74,所謂分布式調(diào)制，就是指被測(cè)場(chǎng)的信息以一定的空間分布方式對(duì)光纖光柵波長(zhǎng)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，形成調(diào)制信號(hào)譜帶。通過(guò)詢址、解調(diào)調(diào)制信號(hào)譜帶即可測(cè)出被測(cè)場(chǎng)信號(hào)的大小和空間分布，每個(gè)光纖光柵波長(zhǎng)信號(hào)可攜帶不同測(cè)量點(diǎn)、不同參量的信息。,基于光纖光柵的傳感技術(shù),(1) 光纖光柵準(zhǔn)分布式傳感技術(shù),光纖光柵是一維光子器件，彼此之間很容易實(shí)現(xiàn)串聯(lián)，隨著光纖光柵寫入技術(shù)的發(fā)展和制作工藝的日臻完善，目前可以在一根光纖上寫入多個(gè)不同波長(zhǎng)的光柵，形成光纖光柵串。,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,75,所謂

42、的準(zhǔn)分布式傳感技術(shù)，是在一根光纖上寫入多個(gè)光纖布拉格光柵，它們的Bragg波長(zhǎng)之間具有一定的間距，或是將Bragg波長(zhǎng)具有一定間距的多個(gè)光纖布拉格光柵通過(guò)熔接或其他方法串接在一根光纖上，然后通過(guò)波分詢址的方法獲得同一根光纖線路上各個(gè)光纖布拉格光柵處的被測(cè)場(chǎng)的信息。,基于光纖光柵的傳感技術(shù),2020年8月31日星期一,光纖通信器件,76,基于光纖布拉格光柵的準(zhǔn)分布式傳感系統(tǒng)如圖所示，通過(guò)解調(diào)系統(tǒng)可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)分布式的、多點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)多參量的空間監(jiān)測(cè)，每根光纖可以復(fù)用20個(gè)以上的光纖布拉格光柵。,基于光纖光柵的傳感技術(shù),2020年8月31日星期一,光纖通信器件,77,(2) 光纖光柵分布式傳感技術(shù),

43、基于光纖光柵的傳感技術(shù),在某些場(chǎng)合，準(zhǔn)分布式的光纖光柵傳感技術(shù)可能滿足不了工程上的需要，為此人們?cè)跍?zhǔn)分布式傳感技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究發(fā)展了光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)。,該技術(shù)是在準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感技術(shù)的基礎(chǔ)上利用波分復(fù)用技術(shù)、時(shí)分復(fù)用技術(shù)和空分復(fù)用技術(shù)，根據(jù)工程需要構(gòu)建點(diǎn)陣、面陣和體陣等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。,典型的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖所示:,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,78,基于光纖光柵的傳感技術(shù),2020年8月31日星期一,光纖通信器件,79,圖中n2個(gè)光纖布拉格光柵可以根據(jù)工程需要按照一定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組合在一起，并通過(guò)一個(gè)光電終端來(lái)協(xié)調(diào)工作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)場(chǎng)的多點(diǎn)、多參量的探測(cè)

44、和解調(diào)功能；傳感網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)通道可以通過(guò)光開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換，而且各通道之間的光纖布拉格光柵可以采用相同Bragg波長(zhǎng)的光柵，從而有效地利用頻帶資源。另外，在光源譜寬、功率和解調(diào)技術(shù)允許的情況下，光源和光開(kāi)關(guān)之間可以接入一個(gè)1N(N2)的耦合器，耦合器的輸出端與更多數(shù)量的光開(kāi)關(guān)連接，從而實(shí)現(xiàn)更多數(shù)量的光纖布拉格光柵的詢址。,基于光纖光柵的傳感技術(shù),2020年8月31日星期一,光纖通信器件,80,光纖光柵傳感組網(wǎng)中的復(fù)用技術(shù),基于光纖光柵的傳感技術(shù),在大多數(shù)的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，光纖光柵傳感都要借助于波分復(fù)用(WDM)技術(shù)、時(shí)分復(fù)用(TDM:Time Division Multiplexing)技術(shù)、空分復(fù)

45、用(SDM: Space Division Multiplexing)技術(shù)或是這些技術(shù)的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式傳感技術(shù)或者傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。,(1) WDM技術(shù),WDM技術(shù)在光纖通信領(lǐng)域是一種非常成熟的技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)未來(lái)超大容量的全光通信的技術(shù)手段之一。,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,81,在傳感網(wǎng)絡(luò)中借用了WDM這一技術(shù)，通過(guò)光纖總線上各傳感光纖光柵的波長(zhǎng)信號(hào)來(lái)詢址，每個(gè)波長(zhǎng)信號(hào)攜帶不同測(cè)量點(diǎn)、不同參量(可以是同一測(cè)量點(diǎn)的信息)的信息，從而實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感大容量詢址的目的。,基于光纖光柵的傳感技術(shù),比較典型的復(fù)用傳感系統(tǒng)其原理是：當(dāng)寬帶光源/可調(diào)諧光源注入到光纖總線時(shí)，由于各傳感光纖光柵波

46、長(zhǎng)信號(hào)的差異，通過(guò)傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀就可以知道被測(cè)信號(hào)的特征。由于受光源帶寬和功率以及解調(diào)技術(shù)的限制，每根光纖線路上復(fù)用的光纖光柵數(shù)目會(huì)受到一定的限制。,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,82,(2) TDM技術(shù),基于光纖光柵的傳感技術(shù),TDM技術(shù)利用同一根光纖線路上各傳感光纖光柵之間波長(zhǎng)信號(hào)的光程差，由一根光纖延遲線使它們?nèi)我鈨蓚€(gè)傳感光纖光柵之間產(chǎn)生時(shí)延差，從而達(dá)到及時(shí)地分離不同傳感光纖光柵波長(zhǎng)信號(hào)的目的。,其原理是：當(dāng)一個(gè)光脈沖(脈寬小于光纖延遲線的傳輸時(shí)間)注入到光纖總線時(shí)，由于光纖延遲線的作用在光纖總線的終端將會(huì)接收到多個(gè)光脈沖，因此一個(gè)光脈沖對(duì)應(yīng)光纖總線上的一個(gè)傳感光纖光柵，光脈

47、沖的延遲反映了傳感光纖光柵在光纖總線上的地址，而光脈沖的波長(zhǎng)變化反映了該傳感光纖光柵處被測(cè)量的特征。,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,83,(3) SDM技術(shù),基于光纖光柵的傳感技術(shù),2020年8月31日星期一,光纖通信器件,84,傳感網(wǎng)絡(luò)中，各光纖通路按照空間位置進(jìn)行編碼，SDM技術(shù)將光源發(fā)出的光信號(hào)通過(guò)選通光開(kāi)關(guān)切換到所需要詢址的光纖通路，因此該光纖通路上的光纖光柵受到被測(cè)場(chǎng)的調(diào)制，從而把被測(cè)場(chǎng)的信息反饋到網(wǎng)絡(luò)分析儀。,基于光纖光柵的傳感技術(shù),這種技術(shù)允許各光纖通路上的光纖光柵具有相同的特征，從而有效地利用光源的頻帶資源。另外，該技術(shù)在航空航天和安全監(jiān)測(cè)方面愈加顯示出網(wǎng)絡(luò)的靈活性

48、和安全性，在某一光纖線路出現(xiàn)故障時(shí)，可以安全、及時(shí)地切換到另外一路具有相同功能的光纖線路，從而保證傳感網(wǎng)絡(luò)正常工作。,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,85,實(shí)際應(yīng)用中，光開(kāi)關(guān)可以根據(jù)需要合理地布置在相應(yīng)的位置。,基于光纖光柵的傳感技術(shù),2020年8月31日星期一,光纖通信器件,86,基于光纖光柵的傳感技術(shù),2020年8月31日星期一,光纖通信器件,87,利用啁啾光纖光柵對(duì)傳感信號(hào)進(jìn)行解調(diào),基于光纖光柵的傳感技術(shù),2020年8月31日星期一,光纖通信器件,88,應(yīng)用WDM和TDM技術(shù)解調(diào)FBG傳感器陣列,基于光纖光柵的傳感技術(shù),2020年8月31日星期一,光纖通信器件,89,C1,應(yīng)用

49、解復(fù)用器解調(diào)波長(zhǎng)信號(hào)的光纖光柵分布式傳感,基于光纖光柵的傳感技術(shù),2020年8月31日星期一,光纖通信器件,90,Sabeus公司的光纖光柵聲探測(cè)陣列,基于光纖光柵的傳感技術(shù),2020年8月31日星期一,光纖通信器件,91,光纖光柵傳感技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用,基于光纖光柵的傳感技術(shù),利用光纖光柵傳感技術(shù)，把光纖光柵掩埋或貼附在飛機(jī)、航天器、艦船等運(yùn)載體或者是橋梁、大壩等建筑體的框架、承力件以及外蒙皮的復(fù)合材料中，制成智能結(jié)構(gòu)、智能材料、智能皮膚，形成智能傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)被測(cè)場(chǎng)的多種參數(shù)如溫度、應(yīng)變、老化和裂變等進(jìn)行大范圍的實(shí)時(shí)監(jiān)控、診斷和測(cè)量，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行狀態(tài)分析，同時(shí)對(duì)各種越限行為及時(shí)

50、告警，從而保證系統(tǒng)安全工作和運(yùn)營(yíng)管理科學(xué)化。,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,92,1989年，Morey W W第一次用光纖光柵應(yīng)用于傳感技術(shù)，從此光纖光柵傳感技術(shù)由于其自身的獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)得到了持續(xù)快速的發(fā)展，主要表現(xiàn)在航空航天領(lǐng)域和民用工程領(lǐng)域兩個(gè)方面。,基于光纖光柵的傳感技術(shù),(1) 航空航天領(lǐng)域,航空航天是一個(gè)使用傳感器密集的領(lǐng)域，對(duì)于傳感器的靈敏度、體積和重量都有很高的要求。光纖光柵傳感器因其具有體積小、重量輕和靈敏度高、容易集成等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)而在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用中受到青睞。,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,93,為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)航天器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的安全性和可靠性，NASA

51、集中了大量的人力物力研究和開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)健康管理技術(shù)，光纖傳感器是他們的首選技術(shù)，其中包括F-P干涉儀、采用WDM技術(shù)的光纖光柵方案，蘭利研究中心開(kāi)發(fā)的光纖光柵系統(tǒng)在一條光纖里可以復(fù)用高達(dá)上千個(gè)FBG。另外，在相位陣列雷達(dá)天線上也采用了光纖光柵和波分復(fù)用技術(shù)。,基于光纖光柵的傳感技術(shù),基于光纖光柵技術(shù)和波分服用技術(shù)的相位陣列雷達(dá)天線如圖所示:,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,94,基于光纖光柵的傳感技術(shù),Application of tunable FBG to PAA (phase array antennas),2020年8月31日星期一,光纖通信器件,95,TTD (true-tim

52、e delay ) signals in a PAA system,基于光纖光柵的傳感技術(shù),2020年8月31日星期一,光纖通信器件,96,基于光纖光柵的傳感技術(shù),航行器，橋梁，建筑物，制造和過(guò)程控制設(shè)備的監(jiān)測(cè)。,監(jiān)測(cè)環(huán)境對(duì)物體結(jié)構(gòu)的腐蝕狀況。,腐蝕、化學(xué)光纖光柵傳感器,光纖光柵傳感系統(tǒng) 的改進(jìn)型。,交迭式光纖光柵傳感器,環(huán)境變化監(jiān)測(cè)的改進(jìn)型，一個(gè)測(cè)量點(diǎn)上安裝多個(gè)光柵以測(cè)量不同參量的變化或不同方向的參量變化。,光纖光柵傳感系統(tǒng),航行器，航天飛機(jī)，海軍艦隊(duì)，建筑物，橋梁以及其他結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)。,對(duì)溫度和應(yīng)力遙測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的評(píng)估，系統(tǒng)可以在開(kāi)環(huán)或閉環(huán)下工作。,環(huán)境變化監(jiān)測(cè)光纖光柵傳感器,Boei

53、ng公司,應(yīng)用情況或潛在的 應(yīng)用領(lǐng)域,功能,研究成果,國(guó)家 或單位,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,97,基于光纖光柵的傳感技術(shù),在空中客車A340/600上做測(cè)試實(shí)驗(yàn)，取得了良好結(jié)果。,監(jiān)測(cè)飛行器結(jié)構(gòu)受到的溫度變化和應(yīng)力情況,光纖光柵溫度、應(yīng)力傳感器,德國(guó),空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)備。,同時(shí)分辨溫度和剪切應(yīng)力效應(yīng)引起的布拉格波長(zhǎng)偏移。,光纖光柵溫度、剪切應(yīng)力監(jiān)測(cè)器,漢普頓大學(xué)和NASA蘭利研究中心,可重復(fù)使用的運(yùn)載火箭和McDonell Douglas、 Boeing North American以及Lockheed Martin三個(gè)公司的復(fù)合燃料箱。,監(jiān)測(cè)復(fù)合材料高壓容器的應(yīng)力、溫度和壓力情

54、況。,常溫、低溫條件下運(yùn)行的光纖光柵傳感器,航天飛機(jī)X-38安裝這種傳感裝置，12個(gè)光纖光柵安置于4個(gè)測(cè)量點(diǎn)上。,對(duì)航天飛行器結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。,分布式光纖光柵傳感系統(tǒng),NASA (美國(guó) 航空及太空總署),續(xù)上表,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,98,太空飛船X-38上用于健康監(jiān)測(cè)的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò),基于光纖光柵的傳感技術(shù),2020年8月31日星期一,光纖通信器件,99,(2) 民用工程領(lǐng)域,基于光纖光柵的傳感技術(shù),民用工程中的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)也是光纖光柵傳感技術(shù)應(yīng)用最活躍的領(lǐng)域之一，既可以把光纖光柵貼在現(xiàn)存結(jié)構(gòu)的表面，也可以在澆注時(shí)將其埋入結(jié)構(gòu)中對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程結(jié)

55、構(gòu)的健康診斷、系統(tǒng)和服務(wù)設(shè)施的管理和監(jiān)控。另外，可以把多個(gè)光纖光柵傳感器串接實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式檢測(cè)方案；傳感信號(hào)經(jīng)長(zhǎng)距離傳輸后，送到監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的遙測(cè)。,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,100,土木結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)。,測(cè)量橫向應(yīng)力、縱向應(yīng)力和溫度變化。,多軸光纖光柵傳感器,在俄勒岡州哥倫比亞河峽谷上的Horsetail Falls橋上安裝了這種裝置，28個(gè)光纖光柵對(duì)橋梁進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)。,對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)等進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，以及對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。,溫度、應(yīng)力光纖光柵傳感器，以及相關(guān)技術(shù)的專利,Blue Road Research（美國(guó)）,新墨西哥Las Cruces 10號(hào)洲際高速公路的鋼結(jié)構(gòu)橋梁

56、的監(jiān)測(cè)，橋梁上安裝了120個(gè)光纖光柵。,監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)載荷引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)、退化和損壞。,分布式光纖光柵測(cè)量系統(tǒng),美國(guó),Bedding Ton Trail大橋上安裝了這種裝置，16個(gè)光纖光柵貼附在鋼增強(qiáng)桿和炭纖復(fù)合材料上。,對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行長(zhǎng)期的應(yīng)力監(jiān)測(cè)。,應(yīng)力光纖傳感器,加拿大,應(yīng)用情況或潛在的應(yīng)用領(lǐng)域,功能,研究成果,國(guó)家或單位,基于光纖光柵的傳感技術(shù),2020年8月31日星期一,光纖通信器件,101,基于光纖光柵的傳感技術(shù),各種民用結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)，一根光纖上最大復(fù)用30個(gè)光纖光柵。,民用結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、載荷和溫度監(jiān)測(cè)，混凝土固化監(jiān)測(cè)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂縫情況的監(jiān)測(cè)。,各種參量的光纖光柵傳感器,南洋理工大學(xué)的校

57、產(chǎn)公司（新加坡）,將被應(yīng)用于鋼板的振動(dòng)測(cè)量，外界環(huán)境引起的震動(dòng)波監(jiān)測(cè)。,監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)載荷。,光纖光柵傳感系統(tǒng),荷蘭,地下礦井、隧道、以及儲(chǔ)藏山洞的監(jiān)測(cè)，大壩、橋梁及其他建筑物都是潛在的應(yīng)用對(duì)象。,測(cè)量地下建筑的載荷和靜態(tài)位移。,分布式光纖光柵傳感系統(tǒng),歐洲的 STABILOS 計(jì)劃,續(xù)上表,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,102,基于FBG橋梁的智能檢測(cè),基于光纖光柵的傳感技術(shù),2020年8月31日星期一,光纖通信器件,103,石油化工領(lǐng)域的傳感應(yīng)用,基于光纖光柵的傳感技術(shù),2020年8月31日星期一,光纖通信器件,104,光纖光柵在國(guó)內(nèi)的一些實(shí)際應(yīng)用,基于光纖光柵的傳感技術(shù),國(guó)內(nèi)在光纖

58、光柵傳感技術(shù)方面的應(yīng)用沒(méi)有國(guó)外如此普及，但在橋梁、民建工程以及石油化工等領(lǐng)域也有不少的應(yīng)用，比如:上海盧浦大橋、海口世紀(jì)大橋、汾河大橋 、松花江斜拉橋，深圳會(huì)展中心，西氣東送工程、大慶輸油管道以及其他基礎(chǔ)設(shè)施的健康檢測(cè)。,2020年8月31日星期一,光纖通信器件,105,汾河大橋上的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)由光纖光柵傳感鏈、傳輸光纜、光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀、以太網(wǎng)集線器和服務(wù)器組成，可以報(bào)告橋梁的溫度環(huán)境、橋梁主要構(gòu)件的實(shí)際內(nèi)應(yīng)力分布和振動(dòng)狀況，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁主要構(gòu)件是否有損害或者累積性損壞的監(jiān)測(cè)，并提供營(yíng)運(yùn)管理等安全信息。,基于光纖光柵的傳感技術(shù),2020年8月31日星期一,光纖通信器件,106,鋼結(jié)構(gòu)工程是深圳會(huì)展中心整個(gè)工程的核心工程之一，其主體部分采用大跨度鋼梁結(jié)構(gòu)，總用鋼量達(dá)3.3萬(wàn)噸。施工過(guò)程中需要對(duì)拉桿施加一定的預(yù)應(yīng)力，為了滿足施工過(guò)程中和使用過(guò)程中對(duì)鋼梁和拉桿的應(yīng)力進(jìn)行高精度測(cè)量和長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)，工程人員采用了光纖光柵傳感系統(tǒng)，采用了350支應(yīng)變傳感光纖光柵和一臺(tái)光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀。,基于光纖光柵的傳感技術(shù),2020年8月31日星期一,光纖通信器件,107,光纖光柵的封裝工藝與技術(shù),五、光纖光柵的封裝技術(shù) 光纖光柵傳感技術(shù)適合應(yīng)用在很多惡劣的環(huán)境中，但由于光纖纖細(xì)柔軟，容易被