1、如何将光反射器 与滤波器写入光纤？,哈尔滨工程大学理学院光子科学与技术研究中心2007年3月,5.1光纤光栅,1978年，K.O.Hill等人首先发现搀锗(Ge)光纤的折射率能够在某些波长的光照射下发生周期性的永久性改变，人们很快意识到可以利用这种特性在光纤中制作光纤光栅，这成为光纤光栅研究的起点。1989年，G.Meltz等人首次采用全息干涉法，制出第一支布拉格谐振波长位于通信波段的光纤光栅，从此推动了光纤光栅的巨大发展。目前光纤光栅在光纤通信和光纤传感领域内均引起了革命性的变化。凭其诸多优点，使许多复杂的全光通信和传感网络成为可能，也就越发显示出它在信息领域的重要地位。,光纤光栅的光学特性
2、,光纤光栅是一种参数周期性变化的波导，其纵向折射率的变化将引起不同光波模式之间的耦合，并且可以通过将一个光纤模式的功率部分或完全地转移到另一个光纤模式中去来改变入射光的频谱。在一根单模光纤中，纤芯中的入射基模既可被耦合到反向传输模也可被耦合到前向包层模中，这依赖于由光栅及不同传输常数决定的相位条件，即,若要将正向传播导波模式耦合到反向传播导波模式，从前面给的相位匹配条件可得：,5.1光纤光栅,K值较大，则 很小( ),这种光栅为Bragg光栅(FBG)。它的基本特性就是一个反射式光学滤波器，反射峰值波长称为Bragg波长，满足：,众所周知，反射镜在任一光学系统中都占有重要地位，那麽光纤光栅就相
3、当于一个直接刻画在光纤内部的可精确控制反射率和反射波长的反射镜，它的出现已极大地促进了光纤通信和光纤传感的发展。,5.1光纤光栅,5.1光纤光栅,光纤光栅的理论分析,耦合模理论是分析光纤光栅的最基本方法，耦合模理论用于光纤光栅时，把光栅区域折射率的变化看作微扰，它们的作用不改变原阶跃折射率光纤中各模式的分布，只是引起模式间的相互作用和能量交换，改变各模式的幅度。当光纤光栅具有均匀周期结构时，通过推导藕合模方程可得到解析解，但对于非均匀光栅(如凋啾光栅、相移光栅、取样光栅等)，利用耦合模方程的分析过程变得十分繁琐，而传输矩阵分析方法由于具有清晰、快捷和精确的特点，特别适宜于这类光纤光栅的分析。,
4、5.1光纤光栅,均匀布喇格光纤光栅中的折射率分布可表示为:,对于布喇格光纤光栅，能量耦合前向传输的纤芯模式与后向传输的纤芯模式之间，是一种反射型光栅。设后向波和前向波的振幅分别为A(z)和B(z)，则耦合模方程可简化为:,5.1光纤光栅,均匀布喇格光纤光栅中的折射率分布可表示为:,对于布喇格光纤光栅，能量耦合前向传输的纤芯模式与后向传输的纤芯模式之间，是一种反射型光栅。设后向波和前向波的振幅分别为A(z)和B(z)，则耦合模方程可简化为:,5.1光纤光栅,对于单模布喇格光栅，有:,5.1光纤光栅,5.1光纤光栅,从上述理论推导及模拟结果可得到有关光纤光栅反射特性的以下结论:1.当光栅长度不变时
5、，反射率随折射率调制深度的增加而增加;光栅长度较短时，反射率与折射率调制深度的关系呈线性;光栅长度较长时，反射率随调制深度的增加很快达到饱和;反射带宽随折射率调制深度的增加而增加，在强光栅情况下呈线性;光栅峰值波长随折射率调制深度的增加向长波方向漂移。2.当折射率调制深度不变时，反射率随光栅长度的增加而增加，反射带宽随光栅长度增加而减小。,5.1光纤光栅,5.2长周期光纤光栅,长周期光纤光栅周期达几百微米，可以实现前向传输的纤芯模与同向传输的各阶次包层模之间的耦合，设前向传输的芯模和包层模的振幅分别为A1(z)和A2(z) 耦合模方程可简化为:,从上述理论推导及模拟结果可得到有关光纤光栅反射特
6、性的以下结论:1.当光栅长度不变时，反射率随折射率调制深度的增加而增加;光栅长度较短时，反射率与折射率调制深度的关系呈线性;光栅长度较长时，反射率随调制深度的增加很快达到饱和;反射带宽随折射率调制深度的增加而增加，在强光栅情况下呈线性;光栅峰值波长随折射率调制深度的增加向长波方向漂移。2.当折射率调制深度不变时，反射率随光栅长度的增加而增加，反射带宽随光栅长度增加而减小。,5.1长周期光纤光栅,5.1长周期光纤光栅,总直流耦合系数,波长失谐量,5.1长周期光纤光栅,包层透射率最大,对应的峰值波长为,如果折射率调制主要发生在纤芯，包层的折射率调制很小，则,5.1长周期光纤光栅,相对带宽,长周期光
7、栅的透射谱,5.1长周期光纤光栅,5.3光纤光敏性,光纤的光敏性是指激光通过掺杂光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应变化的特性(这种现象也称为光致折射率变化效应，简称光折变效应。光纤的光敏性是光纤光栅周期性折射率变化的根本原因。虽然光纤光敏性的发现距今已有二十多年了，但其产生的微观机理还不是很清楚。目前人们一般采用两种模型，即色心模型和应力松弛模型。色心模型认为掺锗光纤中缺氧中心(GODC)吸收紫外光电离，释放电子，电子陷于临近位置，形成新的色心，导致了吸收谱的变化，折射率变化可以通过Kramers-Kroning关系来完成;应力松弛模型认为，缺陷的电离不仅导致了吸收谱变，还使光纤材
8、料的密度和应力分布发生变化，引起折射率的变化，这在点点写入长周期光栅时更为明显。通过提高光纤的掺杂浓度，可以提高光敏性。,5.3光纤光敏性,目前光纤增敏方法主要有：(1)掺杂 现在硼/锗（B/Ge）共掺光纤已成为现在国际上写入紫外光纤光栅的首选光纤。B/Ge共掺光纤的紫外光敏性是目前发现的不用载氢处理的光纤中最高的，折射率可达10-3以上，远高于普通光纤中的10-5。B元素增加光敏性的机理尚不能定论，但有一点是可以确定的，即光纤中掺入B后当紫外曝光时会释放应力，引起较大的调制折射率。此外，还可高掺杂Ge，可以掺入元素（钽(Ta)、铈（Ce）、锡（Sn）、铒（Er）。实验表明，B/Ge共掺光纤和
9、掺Sn光纤是未来最有希望的光敏光纤。,5.3光纤光敏性,载氢技术作为一种光纤增敏技术是由lemaire等人在1993年提出的，其优点是成本低廉，制备简单，并且能大幅度提高光纤光敏性，通过氢载处理的普通光纤的纤芯折射率变化幅度可从10-5提高到10-2。其基本原理是普通光纤在高压氢气中放置一段时间后，氢分子逐渐扩散到光纤的包层和纤芯中:当特定波长的紫外光(一般是248nm或193nm )照射氢载光纤时，纤芯被照部分中的氢分子即与锗发生反应形成Ge - OH和Ge一H键，从而使该部分的折射率发生永久性的增加。由于写入后光栅中残存的氢分子的扩散运动以及反应后存在不稳定的Ge一OH键，会造成光栅光学特
10、性的不稳定，因此为便于应用必须用高温退火的方法提高光纤光栅的稳定性。由于 存 在游离的氢气，光纤在1245nm处存在着一个比较明显的吸收峰。光纤中氢气的摩尔分子数)可以简单地通过测量每米光纤上这个吸收峰的大小来确定，满足以下的关系:,5.3光纤光敏性,氢在硅玻璃中的扩散满足如下方程:,在圆柱坐标下解扩散方程，得到氢在光纤中的扩散方程。当时间t=0时，对于氢气进入光纤的情况，归一化浓度C=0，对于溢出的情况C=1。向内扩散：,向外扩散：,5.3光纤光敏性,载氢光纤中氢气摩尔分数的饱和值H与温度T和压力P有关,对于一段裸光纤来讲，扩散时间满足下面的关系式:,。其中当t=td，时，光纤中氢气的浓度达
11、到其饱和值H的63%。将T =300k,rd=62.5代入上式，tdiff约为7天。,5.3光纤光敏性,5.3光纤光敏性,5.3光纤光敏性,退火根据色心模型的解释，高压载氢光纤在紫外光的照射下，H2和纤芯中的Ge-O-Si缺陷发生反应，缺氧错缺陷中心中的电子被电离出来，接着又被附近的具有完整Ge-O键四面体结构的Ge原子所俘获，产生了Ge(1)和Ge(2)色心，同时伴随有Ge-OH和Si-OH等物质，这些都引起了纤芯折射率的变化。但是这些被俘获的电子有一部分处于靠近导带的低能量势阱中，通过热激发这些电子就会返回导带，并重新构成缺氧锗缺陷中心，从而导致纤芯折射率改变量的减小。另外，由于载过氢的光
12、纤中存在游离的氢分子，纤芯的折射率将会有所增加。在光纤光栅制作完毕之后，光纤中的未经反应的氢分子会逐渐逃逸出光纤，导致光纤折射率的减小，从而引起谐振峰波长的改变。为了保证光纤光栅在实际应用时折射率的稳定，在光纤光栅制作完成后一般进行高温退火。退火的作用有两方面:一方面可以清除残留在光纤中的未反应的氢分子，这会导致纤芯和包层折射率回复为未氢载前的值;另一方面，退火可以破坏光栅写入后纤芯中的一些不稳定的Ge-OH和Ge-H键，使纤芯的折射率降低，的幅度也不同，温度越高折射率降低越多。,5.4光纤光栅制作,1） 内部写入法内部写入法又称驻波法。Hill早在1978年，用图1所示的实验装置制作了历史上
13、第一个布拉格光纤光栅。 将波长488nm的单模氩离子激光从一个端面耦合输入到锗掺杂光纤中。从光纤中返回的光经过分光器，由光电探测器1监测,而透射光则由光电探测器2接收。经过光纤另一端面反射镜的反射，使光纤中的入射和反射激光相干涉形成驻波。由于纤芯材料具有光敏性，其折射率发生相应的周期性变化，于是形成了与干涉周期一样的立体折射率光栅。已测得其反射率可达90以上，反射带宽小于200MHz。此方法是早期使用的。由于实验要求在特制锗掺杂光纤中进行，要求锗含量很高，芯径很小，因此，其实用性受到限制。,1 布拉格光纤光栅的制作,5.4光纤光栅制作,5.4光纤光栅制作,2） 全息干涉法全息干涉法又称外侧写入
14、法，如图2示，用准分子激光干涉的方法，Meltz等人首次制作了横向侧面曝光的光纤光栅。用两束相干紫外光束在掺锗光纤的侧面相互干涉，利用光纤材料的光敏性形成光纤光栅。可见，通过改变入射光波长或两相干光束之间的夹角，可以改变光栅常数，获得所需的光纤光栅。这种光栅制造方法采用多脉冲重复曝光技术，光栅性质可以精确控制，但是容易受机械震动和温度漂移的影响，并且不易制作具有复杂截面的光纤光栅。,5.4光纤光栅制作,5.4光纤光栅制作,3） 分波前干涉法利用此技术制作FBG的干涉装置可以用棱镜或者洛埃镜。如图3示，使用棱镜干涉法制作FBG的示意图。在这个装置中，UV光束在棱镜的输入面上通过折射而横向展宽。展
15、宽的光束一分为二，一半光束在棱镜表面上发生全内反射，然后，与另一半光束在棱镜的输出面上产生干涉。放在此装置之前的柱状透镜有助于沿着纤芯所形成的干涉图样在一条直线上。,5.4光纤光栅制作,5.4光纤光栅制作,4） 相位掩模法相位掩模板（Phase Mask）是衍射光学元件，用以将入射光束一分为二+1级和-1级衍射光束，它们的光功率电平相等，两束激光相干涉并形成明暗相间条纹，在相应的光强作用下纤芯折射率受到调制。相位掩模板是一个在石英衬底上刻制的相位光栅，它可以用全息曝光或电子束蚀刻结合反应离子束蚀刻技术制作。它具有抑制零级，增强一级衍射的功能。因此，对光源的相干性要求不高，简化了光纤光栅的制造系
16、统，其主要缺点是不同Bragg波长要求不同的相位掩模板，并且，相位掩模板的价钱较贵。该方法大大简化了光纤光栅的制作过程，是目前写入光栅常用的一种方法。,5.4光纤光栅制作,5.4光纤光栅制作,5）在线成栅南安普顿大学的L Dong等人采用脉冲单点激射的方法，首次实现了在光纤拉制过程中写入光纤光栅的实验。如图所示。它是光纤拉制过程中在裸光纤上直接写入光栅，接着进行涂覆，从而避免了光纤受到额外的损伤，保证了光栅的良好强度和完整性。,5.4光纤光栅制作,6） 聚焦离子束写入利用聚焦离子束(Focused Ion Beam：FIB)可以写入任意的光纤光栅结构15，FIB既可以用研磨方式，也可以用沉积方
17、式。研磨光栅基本结构如图8所示，光栅研磨出的槽离纤芯只有几m，研磨1520个槽就可获得高的反射率，槽数越多反射越大。其实验步骤是：第一步，先剥去涂敷层，除去包层较厚的部分；第二步，固定光纤以便刻蚀和放入真空室研磨，光栅结构要研磨得靠近纤芯。研磨方法简单但实现不易，常用的方法是用氢氟酸腐蚀掉部分包层后开始研磨，但光纤研磨下来的物质充电沉积在研磨区，将会降低研磨效率，并且由于材料的再沉积，槽的深宽比将被限制在一个较小的值。研磨时间取决于研磨材料和束电流。这种方法的关键是要解决工艺难度，才有可能获得广泛的应用。,5.4光纤光栅制作,1）振幅掩模法,2.长周期光纤光栅的制作,5.4光纤光栅制作,2）
18、电弧感生微弯法利用电弧导致的永久微弯制造灵活剖面控制的LPFG，如图所示。光纤去除护套后，用两个相距5.5cm的夹具笔直固定，然后将一个夹具沿与光纤轴向正交的方向向下位移大约100m，从而在光纤上产生一个横向的应力。电弧在某一点放电时，在剪切应力的作用下产生微弯，微弯的幅度典型值小于1m，用这种方法制作的光栅谐振波长只与光栅周期有关，而与耦合强度无关，所以光栅的中心波长、反射率等特性易于控制。,5.4光纤光栅制作,3） 残余应力释放在芯径是纯二氧化硅、包层内掺氟的光纤中，被拉伸时由于光弹效应在高粘度的芯径区引入了残余应力，折射率会降低。当用火焰、电弧或高功率激光退火时，可以很容易地将芯径内残余
19、的应力释放掉，纤芯的折射率又可以恢复到原来的水平。如果对有残余应力的光纤进行逐点周期性退火，就可以在纤芯内形成周期性折射率变化，从而形成光栅。此项技术方法比较简单，而且这种长周期光纤光栅具有较好的温度特性，特别是高温稳定性较好，可以用来做高温下的温度传感器。,5.4光纤光栅制作,4） 熔融拉锥法利用制作耦合器的熔融拉锥工艺来制作长周期光纤光栅。在用高功率激光、电弧或火焰对光纤进行局部加热的同时，对光纤施加一定的应力，使得光纤芯径发生周期性变化，从而形成光栅。可用精密切割机在光纤表面上刻周期性的v型槽，v型槽的周期数和间距决定所需滤波器的共振波长和带宽等。v型槽的深度及形状将影响光纤光栅的折射率
20、分布轮廓，从而决定光栅的效率。如图6示，把刻好周期性v型槽的光纤置于光纤拉锥机上，光纤一端与光源连接，另一端连接光学光谱分析仪（OSA）进行监测，用氢气火焰对光纤V型槽区域进行拉伸退火，由于受熔融玻璃表面应力影响被刻v型槽一边光纤纤芯的不平衡等因素，而使得纤芯产生周期性畸变，导致纤芯折射率的周期性变化。,5.4光纤光栅制作,5）扫描法 这种方法延伸了点-点写入技术，而且不需要额外的费用就可写入任意形式的LPFG33。实验装置如图示，UV光束通过显微镜物镜照射到光纤上，显微镜物镜的作用是使光束聚焦后尺寸小于30m。微控移动平台使UV光束沿着光纤方向进行扫描，此时，由计算机控制的光圈便使光纤周期性
21、的曝光。在这里，光圈的改变是靠移动平台的位置来触发的。光栅的最大长度由移动平台移动的总长度决定，这个限制可通过平移光纤来克服。实验表明，制作出长为11mm，周期为500m的LPFG，经测试，实验值与模拟值吻合，从而说明了这个简易方法的准确性。,5.4光纤光栅制作,5.5光纤光栅的调谐,当光 纤 光 栅写入完毕后，其传输特性一般已确定，而采用调谐技术，则能使光栅的传输特性在一定范围和程度上发生变化，从而使光纤光栅的应用更加灵活。 目前，该技术己应用于可调谐激光器、光波分复用系统的解复用器、可调谐滤波、传感解调等方面。光栅的调谐还可弥补光栅制作的不足。对光 纤 光 栅而言，其调谐可分为中心波长的调
22、潜，带宽的(PR啾)调谐，最大反射率调谐。,5.5光纤光栅的调谐,目前 的 调 谐方法对波长调谐而言，主要有温度调谐、应变调谐和通过控制光束的瞬逝藕合作用的光控调谐等。而应变调谐又可根据产生应变方法的不同分为基于压电陶瓷的电调谐、基于磁致伸缩棒的磁调谐、基于悬臂梁或简支梁的机械调谐、还有轴向拉伸的牵引调谐等。各种方法调谐原理都是控制光栅栅格周期和有效折射率，但精确度、调谐速度、调谐范围却各不相同。,5.5光纤光栅的调谐,据光纤光栅布拉格反射波长公式。可以看出，改变光纤光栅的有效折射率和栅格周期，均可以达到调谐的目的。,温度调谐 当光纤光栅的温度升高时，由于光纤材料的热光效应，其有效折射率会有所
23、增加;而且由于热胀冷缩效应，光栅周期也会增长。波长偏移量为,5.5光纤光栅的调谐,应变调谐：当光 纤 光 栅发生应变时，一方面由于光纤沿轴向和径向的伸缩，导致光栅周期改变:另一方面光纤的轴向和径向的伸缩还会产生光弹效应，它会使光纤的有效折射率发生改变，从而使光纤光栅布拉格波长产生偏移，其波长偏移为：,5.5光纤光栅的调谐,一、直接拉力法这是最简单的FBG调谐方法，就是将FBG一端固定，另一端施加一定拉力，使FBG沿轴向发生应变.这种方法的动态范围受FBG自身因素的影响很大，一般在10nm以内。,5.5光纤光栅的调谐,二、轴向压缩法考虑石英光纤承受压应变的能力是拉应变的23倍，Ball等在研究用
24、两个FBG构成的线性腔可调谐光纤激光器时采用了轴向压缩的方法，将线性腔的一端固定，另一端用步进电机驱动挤压，使两个FBG的工作波长同时改变，得到的调谐f为32nm。此种方法的调谐f可观、调谐过程连续、线性，但技术要求较高，波长只能向比自由状态下短的波长方向调节。三、压电陶瓷驱动法将 FBG 固定在压电陶瓷驱动器(PZT)上，用电压控制PZT的伸缩，可以调节FBG的布喇格波长。这种调谐方法具有响应快的优点，但是压电陶瓷电致伸缩的非线性决定了该调谐方法为非线性调谐，调谐有限，因此不太实用。,5.5光纤光栅的调谐,四、简支梁调谐法南开大学的刘志国教授首先报道了这种光纤光栅的调谐方法。将FBG刚性地粘
25、贴在简支梁下表面(或上表面)的中央部位，施力于梁中央使其挠度发生变化，梁的可曲在表面上产生的应变传递到FBG，进而达到调节其布喇格波长的目的。实验证实该装里对FBG波长可进行双向调节，线性度好，调谐f超过lonm，重复性非常好，操作方便而且可编程控制。,5.5光纤光栅的调谐,五、悬臂梁调谐法Komukai 等将FBG埋植于带有金属棍起保护作用的塑料夹具中，一端固定后改变自由端的侧向位移得到了接近5nm的调谐*1al.更简单的悬臂梁调谐技术将FBG直接粘贴到弹性梁的表面上，通过改变自由端的侧向位移或力的大小，改变梁表面的应变传递作用于FBG，达到调谐的目的。这种方法也可以双向调节，线性度好，调谐
26、f大于10 mn，具有和简支梁几乎相同的调谐特性。六、磁调谐Arce-Diego等研究发现，直接沿FBG轴向施加磁场，利用法拉第效应可引起FBG中心波长的轻徽漂移，但漂移极小，根本起不到调谐的作用。Cruz等将FBG固定在磁致伸缩棒上，然后置于磁场中，棒将磁场转化为应力作用于光栅上，从而影响光栅的布喇格波长。研究发现，103mT的磁场可以产生1.lnm的漂移f。利用磁场强度进行调谐的方法调谐有限，没有太多实用价值。,5.5光纤光栅的调谐,七、热调谐自由状态的FBG的温度灵敏度太小，所以无法达到较大范围波长调谐的目的. 选用具有较大热膨胀系数的聚合物材料作为驱动元件，在聚合物棒表面挖一个V形槽，
27、通过加热将5mm长FBG嵌在聚合物中并凝聚成一体。温度变化时作用于FBG上的内应力使得布喇格波长漂移，在0-1000C变化时得到了15nm的调谐。八、电调谐电调谐方 法有两种，一种利用电流调节磁场强度，来调节磁致伸缩棒，可以归为磁调谐方法;另一种将FBG进行金属封装，然后调节流过金属封装物的电流或两端的电压，通过金属封装物的电热效应来调节FBG波长实际上可以归为热调谐方法.电调谐的方法可以提高FBG的响应速度，可利用常规电控制方法，可远距离操作，其缺点是调谐范围较小。,5.6光纤光栅的应用,光纤光栅在光纤通信领域的应用基于光纤光栅的独特性能，它的应用已经渗透到光纤通信的各个环节，成为下一代高速
28、光纤通信系统中不可缺少的关键器件之一，使全光通信网的实现成为可能，光纤光栅在光纤通信领域中的应用主要有:(1)光纤激光器光纤光栅的窄带反射特性和全兼容于光纤的优点使其特别适合于制作光纤激光器。利用光纤光栅作为光纤激光器的腔镜，可以实现模式选择和窄带反馈的单频激光器。这类激光器的兼容性、输出稳定性和光谱纯度比半导体激光器好，而且具有较高的光输出功率、较低的相对强度噪声、极窄的线宽和较宽的调谐范围.在光纤激光器中，利用取样光纤光栅作为反馈谐振腔可以实现多波长输出，这种多波长激光器是密集波分复用系统中理想的标准通道光源。,5.6光纤光栅的应用,光纤光栅在光纤通信领域的应用(2)光纤滤波器光纤滤波器是
29、光纤通信系统中的关键器件。均匀光纤布喇格光栅实质上是一个波长选择器，反射率几乎可达100%，用光纤布喇格光栅做滤波器，可以对光纤透射频谱中的任一波长进行窄带滤出，利用布喇格光纤光栅的光谱特性可以构成窄带带阻、宽带带阻、宽带带通等不同滤波器;由于光纤光栅的谐振波长对外界环境比较敏感，因此可作出多种可调谐滤波器，常用的调谐技术包括轴向拉伸、轴向压缩、弯曲、扭曲、横向负载、温度调谐和磁调谐等.而相移光纤光栅在光栅反射谱的相应位置打开一个透射窗口，可用作窄带带通滤波器。此外，取样光栅是梳状滤波器，啁啾光纤光栅可做成宽带滤波器。,5.6光纤光栅的应用,(3)增益平坦器掺饵光纤放大器(EDFA)在高速长距
30、离光纤通信系统中发挥着重要作用，密集波分复用(DWDM)技术的应用则提高了整个放大器带宽内的通信容量。EDFA增益谱的不平坦性是制约其在密集波分系统中应用的主要因素，因此，EDFA增益平坦器的研究受到了广泛的重视，并提出了多种技术方案。,5.6光纤光栅的应用,(4)色散补偿器在超高速大容量DWDM系统中，色散会引起光脉冲的展宽，是限制通信容量的关键，因此如何进行色散补偿，成为人们研究的重点。啁啾光纤布喇格光栅是大容量DWDM系统中常用的色散补偿器件。,5.6光纤光栅的应用,(5)光分插复用器(OADM)采用光分插复用器(OADM, Optical Add/Drop Multiplexer)对光
31、信号进行上下话路复用是实现高速光纤通信网的关键技术之一。OADM的结构多种多样，由于具有良好的波长选择性，许多OADM 中都用到了光纤光栅。它由两个三端口的环行器和一个窄带布喇格光纤光栅构成。包含多个波长的光信号从输入端口(input)输入，经光环形器入射至光纤光栅，其中波长与布喇格光纤光栅的中心波长一致的光信号将被光纤光栅反射，并经光环形器的下载端口(Drop)下载，其余波长的信号通过光纤布喇格光栅从环行器的输出端口输出;需要上载的信号通过第二个环行器的上载(ADD)端口注入，经光栅反射也从环行器的输出端口输出。这种OADM的优点是结构简单、插入损耗小且具有较高的选择性。,5.6光纤光栅的应
32、用,光纤光栅在光纤传感领域的应用当光纤光栅所处环境的应力、应变、温度等物理量发生变化时，会引起光栅周期或光纤有效折射率的变化，导致光纤布喇格光栅的谐振波长发生变化，通过测量光栅谐振波长的变化，就能获得待测物理量的变化情况。随着光纤光栅写制技术的日趋成熟，光纤光栅传感器开始逐步走向实用化。光纤光栅传感器灵敏度高、抗干扰性强、损耗低、易与光纤连接，其最突出的优点是传感的信息用波长编码，从而克服了强度调制传感器必须补偿光纤连接器和祸合器损耗以及光源输出功率起伏的不足。在光纤若干个部位写入多个光纤光栅，就可以同时测定若干部位相应物理量及其变化，实现分布式光纤传感。利用一个或多个光纤光栅级联或与其它传感
33、器相结合，通过测量谐振波长、峰值、偏振态或其它参量的变化可以解决交叉敏感，实现对多参数的同时测量。目前，研发的光纤光栅传感器的传感元件以光纤布喇格光栅为主流，其它光纤光栅如长周期光纤光栅和惆啾光纤光栅也有使用。已报道的光纤光栅传感器可以检测的物理量有:温度、应变、压力、位移、压强、扭角、扭矩(扭应力)、加速度、电流、电压、磁场、频率、浓度、热膨胀系数、振动等。光纤光栅传感器的应用遍及航空、航天、化学医药、材料工业、水利电力、船舶、煤矿、民用工程等各个领域，,5.6光纤光栅的应用,光纤光栅在光纤传感领域的应用当光纤光栅所处环境的应力、应变、温度等物理量发生变化时，会引起光栅周期或光纤有效折射率的
34、变化，导致光纤布喇格光栅的谐振波长发生变化，通过测量光栅谐振波长的变化，就能获得待测物理量的变化情况。随着光纤光栅写制技术的日趋成熟，光纤光栅传感器开始逐步走向实用化。光纤光栅传感器灵敏度高、抗干扰性强、损耗低、易与光纤连接，其最突出的优点是传感的信息用波长编码，从而克服了强度调制传感器必须补偿光纤连接器和祸合器损耗以及光源输出功率起伏的不足。在光纤若干个部位写入多个光纤光栅，就可以同时测定若干部位相应物理量及其变化，实现分布式光纤传感。利用一个或多个光纤光栅级联或与其它传感器相结合，通过测量谐振波长、峰值、偏振态或其它参量的变化可以解决交叉敏感，实现对多参数的同时测量。目前，研发的光纤光栅传
35、感器的传感元件以光纤布喇格光栅为主流，其它光纤光栅如长周期光纤光栅和惆啾光纤光栅也有使用。已报道的光纤光栅传感器可以检测的物理量有:温度、应变、压力、位移、压强、扭角、扭矩(扭应力)、加速度、电流、电压、磁场、频率、浓度、热膨胀系数、振动等。光纤光栅传感器的应用遍及航空、航天、化学医药、材料工业、水利电力、船舶、煤矿、民用工程等各个领域，,5.6光纤光栅的应用,对光 纤光栅的传感解调，依照解调方法的不同大休可以分为两大类:干涉法和滤波器法。依照待测物理量的类型不同可分为动态和静态。1、 干涉法原理是将传感的波长编码转变为位相编码。干涉法精度较高，但由于相位变化范围有限，而且由于随机相移的存在，
36、使得干涉法多用于动态测量。,5.6光纤光栅的应用,2,滤波器的方法虽然精度不高，但原理简单，其是将传感的波长编码，转换为强度编码，探测光强，就可将波长变化解调出来。目前通常使用的滤波器方法是F-P滤波器法，其具有带宽窄，调谐范围宽等优点。,5.6光纤光栅的应用,欧盟Corinth Rift实验室3F-corinth 项目希腊Trizonia岛300m深井50m范围连续测量静态应变测量地震监测,光纤Bragg光栅静态应变传感网络应用Kaiser Bahnhof 现场,系统现场应用一：3F-corinth 项目,地震测量,Magnitude 6.3 GREECE 2003 August 14 05:14:55 UTC,光纤光栅温度传感器TMS-01,埋入式应变传感器STS03,加速度计ACS01,桥跨布置：63m+257m+648m+257m+63m 20032004年 布设了397个光纤光栅应变和温度传感器（温度测量225，吊杆14， 主墩护筒87，试验桩11，基桩钢筋笼60）,南京长江第三大桥,温度监测结果,
