光纤光栅技术与应用

12内容内容光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用Part 1 光纤（光纤（Optical Fiber）及光通信技）及光通信技 术简介术简介Part 2 光纤光栅（光纤光栅（Optical Fiber Grating）Part 3 光纤光栅的应用光纤光栅的应用内内 容容34通信波段划分及相应传输媒介通信波段划分及相应传输媒介频率频率 Hz10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015自由空间波长（自由空间波长（m）电力、电话电力、电话无线电、电视无线电、电视微波微波红外红外可见光可见光双铰线双铰线同轴电缆同轴电缆光纤光纤卫星卫星/微波微波AM无线电无线电FM无线电无线电频段频段划分划分传传输输介介质质电磁波谱的划分电磁波谱的划分光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用5光纤及光通信技术简介光纤及光通信技术简介光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用6光通信的发展光通信的发展光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用雏形：古代烽火、手旗、灯光雏形：古代烽火、手旗、灯光潜望镜原理潜望镜原理光波导之雏形光波导之雏形7光纤基本理论光纤基本理论光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用菲涅耳定律：菲涅耳定律：n1sin1=n2sin2n1n2n1n221结论：若要实现全反射，则必须有结论：若要实现全反射，则必须有n1n28光纤基本理论光纤基本理论光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用nnnNA212221max=arcsin(NA)n1n29光纤基本理论光纤基本理论光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用10纤纤 芯芯包包 层层涂敷层涂敷层护护 套套光纤结构光纤结构光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用单模光纤内径：单模光纤内径：9m多模光纤内径：多模光纤内径：50m外径：外径：125m尺寸规格：尺寸规格：11光纤结构光纤结构光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用两种常用光纤的结构及其折射率分布两种常用光纤的结构及其折射率分布12机械手机械手 Mechanical handleCapstan 对中卡头对中卡头Three-jaw chuckModified Chemical Vapor Deposition高温炉高温炉Graphite furnace测温仪测温仪 Pyro meter分离及沉积处理分离及沉积处理Separate deposition测径仪测径仪 Fiber diameter Gauge空气净化系统空气净化系统 Clear Air System机械手机械手 Mechanical handle涂杯涂杯 Coat cup对中对中 ition center control光固化光固化 vioiet Curing System涂杯涂杯 Coat cup对中对中 ition center control光固化光固化Ultravioiet Curing System对中对中 ition center control热固化热固化Ultravioiet Curing System涂杯涂杯 Coat cup对中对中 ition center control热固化热固化Ultravioiet Curing System气相色谱气相色谱 VaporPhase chromatogrameter基基 座座高温炉配重配重排除尾气排除尾气13光缆构成光缆构成光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用常用光缆的典型构成常用光缆的典型构成14光纤技术发展概况光纤技术发展概况光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用20世纪世纪60年代中期，所研制的最好的光纤损耗在年代中期，所研制的最好的光纤损耗在400dB以上以上1966年英国标准电信研究所高锟及年英国标准电信研究所高锟及Hockham从理论上预言光纤从理论上预言光纤损耗可降至损耗可降至20dB/km以下以下日本于日本于1969年研制出第一根通信用光纤损耗为年研制出第一根通信用光纤损耗为100dB/km1970年康宁公司（年康宁公司（Corning）采用）采用“粉末法粉末法”先后获得了损耗低先后获得了损耗低于于20dB/km和和4dB/km的低损耗石英光纤的低损耗石英光纤1974年贝尔实验室（年贝尔实验室（Bell）采用改进的化学汽相沉积法制出性能）采用改进的化学汽相沉积法制出性能优于康宁公司的光纤产品。优于康宁公司的光纤产品。到到1979年，掺锗石英光纤在年，掺锗石英光纤在1.55m处的损耗已经降到处的损耗已经降到0.2dB/km，这一数值已经十分接近由，这一数值已经十分接近由Rayleigh散射所决定的石英光纤理论散射所决定的石英光纤理论损耗极限损耗极限15光纤技术发展概况光纤技术发展概况光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用1977年，第一根短波长年，第一根短波长(0.85mm)阶跃型石英光纤问世，损耗阶跃型石英光纤问世，损耗 为为300dB/km1978年，阶跃光纤的衰减降至年，阶跃光纤的衰减降至5dB/km。研制出短波长多模梯。研制出短波长多模梯 度光纤，即度光纤，即G.651光纤光纤1979年，研制出多模长波长光纤，衰减为年，研制出多模长波长光纤，衰减为1dB/km。建成。建成5.7 km、8Mb/s光通信系统试验段光通信系统试验段1980年年 1300nm窗口衰减降至窗口衰减降至0.48dB/km，1550nm窗口衰减窗口衰减 为为0.29dB/km。1981年多模光纤活动连接器进入实用年多模光纤活动连接器进入实用1984年年 武汉、天津武汉、天津34Mb/s市话中继光传输系统工程建成市话中继光传输系统工程建成(多多 模模)1990年，研制出年，研制出G.652标准单模光纤，最小衰减达标准单模光纤，最小衰减达0.35dB/km 1992年降至年降至0.26dB/km16光纤技术发展概况光纤技术发展概况光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用17 中国网通公司光纤通信网络网通公司光纤通信网络 采用铁道部光纤连接成采用铁道部光纤连接成环，总长环，总长3400 km；江苏江苏/安徽安徽/上海上海/江西江西/浙浙江江/福建福建6省市，省市，17个节个节点，点，52个传输站；个传输站；系统容量系统容量162.5=400Gb/s；应用应用IP over SDH/WDM 技术；技术；2000年底开通运行年底开通运行上海上海石家庄石家庄北京北京天津天津济南济南合肥合肥南京南京杭州杭州福州福州广州广州长沙长沙武汉武汉郑州郑州南昌南昌深圳深圳厦门厦门国内光纤通信网示例国内光纤通信网示例光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用18光纤通信系统方框图光纤通信系统方框图单信道全光中继数字通信单信道全光中继数字通信光光-电电-光中继的数字通信光中继的数字通信光纤通信技术基础光纤通信技术基础光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用19时分复用技术时分复用技术光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用时分复用时分复用TDMTime Division MultiplexingOptical Fiber20时分复用技术示例时分复用技术示例光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用21波分复用技术波分复用技术光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用波分复用波分复用WDMWavelength Division Multiplexing22波分复用技术波分复用技术光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用23波分复用技术波分复用技术光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用 密集波分复用密集波分复用(DWDM,Dense Wavelength Division Multiplexing)当波分复用的峰波长之间当波分复用的峰波长之间的间隔为的间隔为1.6nm，0.8nm或更低时或更低时(对应的约为对应的约为200G，100GHz或更窄的带宽或更窄的带宽)。频分复用频分复用(FDM,Frequency Division Multiplexing)更为密集的波分复用。更为密集的波分复用。波分复用系统的主要缺点是由于波分复用系统的主要缺点是由于WDM的插的插入损耗减小了系统的可用功率，信道间的串扰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。用器件的价格仍太高。24时分时分波分复用技术波分复用技术光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用时分波分复用时分波分复用Time-Frequency Division Multiplexing1,2 kTx 1Tx nTx 2Tx 2WDM MUXTx(1）12k25时分时分波分复用技术波分复用技术光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用2627光纤光栅简介光纤光栅简介光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用 光纤光栅是在光纤纤芯内介质折射率呈周期性调制的光纤光栅是在光纤纤芯内介质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、磷等）光纤的一种光纤无源器件，它是利用掺杂（如锗、磷等）光纤的光敏性，通过某种工艺方法使外界入射光子和纤芯内的掺光敏性，通过某种工艺方法使外界入射光子和纤芯内的掺杂离子相互作用导致纤芯折射率沿纤轴方向周期性或非周杂离子相互作用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。期性的永久变化，在纤芯内形成空间相位光栅。光纤光纤折射率变化部分折射率变化部分effBn228光纤及光通信技术简介光纤及光通信技术简介光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用K.O.Hill等人实验原理示意图等人实验原理示意图光功率计光功率计氩离子激光氩离子激光(514.5nm)掺锗光纤掺锗光纤29 光纤光栅有如一道道的栅门，一个波长的光线经光纤光栅有如一道道的栅门，一个波长的光线经过这一排栅门，就会被分解成很多道波长比较短的光过这一排栅门，就会被分解成很多道波长比较短的光线，不能通过栅门的光线就会被打回头，由另一个仪线，不能通过栅门的光线就会被打回头，由另一个仪器收集后交给接收者。其作用实质上是在纤芯内形成器收集后交给接收者。其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤光器或反射镜。一个窄带的（透射或反射）滤光器或反射镜。光纤光栅简介光纤光栅简介光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用输入谱输入谱传输谱传输谱反射谱反射谱应变引起应变引起波长移动波长移动III30光纤光栅简介光纤光栅简介光纤光栅技术与应用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，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光纤光栅可分为短周期光栅(Bragg Grating，也，也称光纤反射光栅称光纤反射光栅)长周期光栅长周期光栅(Long Period Grating，也称光纤透射光栅，也称光纤透射光栅)和啁啾光栅和啁啾光栅(Chirped Grating，又称为非周期光栅，又称为非周期光栅)。31 FBG有较小且均匀的周期，一般约为有较小且均匀的周期，一般约为0.51m，具有反射固定波长之特性。多用于温度、应，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。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布拉格光栅光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用TpeBB)()1(32tf啁啾光栅啁啾光栅啁啾光栅啁啾光栅光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用tftp33啁啾光栅啁啾光栅光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用34啁啾光栅啁啾光栅光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用色散产生原理示意图色散产生原理示意图 波长色散的起因有两个：波长色散的起因有两个：1 1）折射率随波长呈非线）折射率随波长呈非线性变化，色散系数与折射率的二阶导数成正比，称为性变化，色散系数与折射率的二阶导数成正比，称为材料色散；材料色散；2 2）传播常数与波长呈非线性关系，色散系）传播常数与波长呈非线性关系，色散系数与传播常数的二阶导数成正比，称为波导色散。数与传播常数的二阶导数成正比，称为波导色散。35啁啾光栅啁啾光栅光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用36长周期光栅长周期光栅光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用 LPG周期在周期在100m以上以上。其主要特性则是透其主要特性则是透射光在耦合的波长下将耦合到光线薄层中去损射光在耦合的波长下将耦合到光线薄层中去损耗掉，而不是被反射。这样在某些不需要回波耗掉，而不是被反射。这样在某些不需要回波、甚至尽量避免回波的场合，长周期光栅将一、甚至尽量避免回波的场合，长周期光栅将一展身手。另外，长周期光栅对环境的变化与展身手。另外，长周期光栅对环境的变化与FBG相比更加敏感。但是，在实际应用中，长相比更加敏感。但是，在实际应用中，长周期光栅还存在着一些局限性，比如：它对弯周期光栅还存在着一些局限性，比如：它对弯曲过于敏感，一个很小的弯曲会将他的峰值波曲过于敏感，一个很小的弯曲会将他的峰值波长向短波方向移动；另外，由于它的透射谱具长向短波方向移动；另外，由于它的透射谱具有几个峰，且每个峰都有一定的带宽，这限制有几个峰，且每个峰都有一定的带宽，这限制了了LPG在准分布式传感系统中的应用。在准分布式传感系统中的应用。3738光纤光栅光纤光栅光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用39分布式光纤传感器分布式光纤传感器光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用分布式光纤传感系统分布式光纤传感系统40分布式光纤传感器分布式光纤传感器光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用41准分布式光纤光栅传感系统准分布式光纤光栅传感系统光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用宽带光源宽带光源光谱分析仪光谱分析仪421、在光敏光纤同一位置重叠写入两个具有、在光敏光纤同一位置重叠写入两个具有不同不同Bragg波长的光栅来区别温度和应变效波长的光栅来区别温度和应变效应；应；2、利用同一光纤、利用同一光纤Bragg光栅的一阶和二阶衍光栅的一阶和二阶衍射效应来区别出温度和应变效应；射效应来区别出温度和应变效应；3、采用特殊封装、埋入方式的方法来消除、采用特殊封装、埋入方式的方法来消除温度应力的交叉敏感问题。温度应力的交叉敏感问题。光纤光栅温度去敏光纤光栅温度去敏光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用光纤光栅的温度去敏光纤光栅的温度去敏43光纤光栅温度去敏光纤光栅温度去敏光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用硅管硅管光纤光栅光纤光栅螺母螺母有涂敷的光纤有涂敷的光纤铝帽铝帽环氧胶环氧胶螺纹铝管螺纹铝管光纤光栅温度补偿装置结构光纤光栅温度补偿装置结构44FBG光纤光纤紫外固化胶紫外固化胶空心玻璃球空心玻璃球光纤光栅温度去敏光纤光栅温度去敏光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用采用空心玻璃球提高光纤采用空心玻璃球提高光纤光栅压力灵敏度光栅压力灵敏度45准分布式光纤光栅传感系统寻址准分布式光纤光栅传感系统寻址光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用 准分布式光纤光栅传感准分布式光纤光栅传感(光栅复用技术光栅复用技术)是光是光纤传感器独有的技术，能实现沿光纤铺设路径纤传感器独有的技术，能实现沿光纤铺设路径上分布场的测量，显著降低系统成本，减少引上分布场的测量，显著降低系统成本，减少引线。光纤光栅通过波长编码易于实现复用，这线。光纤光栅通过波长编码易于实现复用，这种复用光纤光栅传感器在大型结构种复用光纤光栅传感器在大型结构(如水坝、如水坝、桥梁、建筑物及飞行器等桥梁、建筑物及飞行器等)的安全监测方面有的安全监测方面有极为广阔的应用前景。极为广阔的应用前景。46准分布式光纤光栅传感系统寻址准分布式光纤光栅传感系统寻址光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用47光纤光栅封装光纤光栅封装光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用 在混凝土注入的过程中，由于混凝土中所在混凝土注入的过程中，由于混凝土中所含有的大量碎石的移动可能造成所埋入光纤的含有的大量碎石的移动可能造成所埋入光纤的损伤。同时，混凝土中所含的水或羟基离子在损伤。同时，混凝土中所含的水或羟基离子在应力作用下与光纤表面进行反应会加速光纤表应力作用下与光纤表面进行反应会加速光纤表面微裂纹的生长，最后导致光纤强度的削弱。面微裂纹的生长，最后导致光纤强度的削弱。另外，采用特定的封装方式还可对由温度另外，采用特定的封装方式还可对由温度造成的光纤光栅反射波长的漂移进行补偿。造成的光纤光栅反射波长的漂移进行补偿。48 将光纤两端固定在夹具上，移动其中一个夹具使得将光纤两端固定在夹具上，移动其中一个夹具使得光纤光栅受到预应变，此时利用溅镀技术，在光纤中含光纤光栅受到预应变，此时利用溅镀技术，在光纤中含有布拉格光栅的部分镀上一层薄金属层，再利用电化学有布拉格光栅的部分镀上一层薄金属层，再利用电化学方式在薄金属层上镀一层金属（假设为铜），此层金属方式在薄金属层上镀一层金属（假设为铜），此层金属和待测结构物相同，镀上铜后，将光纤自夹具取下，光和待测结构物相同，镀上铜后，将光纤自夹具取下，光纤的预应变即会马上消失，恢复到原先的初始状态，而纤的预应变即会马上消失，恢复到原先的初始状态，而布拉格光栅的预应变则被固定住，此时利用光谱分析仪布拉格光栅的预应变则被固定住，此时利用光谱分析仪所看到的光谱即为传感器未受腐蚀的光谱，当腐蚀发生所看到的光谱即为传感器未受腐蚀的光谱，当腐蚀发生时，由光栅所反射回来的光谱便会产生漂移，观察漂移时，由光栅所反射回来的光谱便会产生漂移，观察漂移量，再利用数学方法计算出腐蚀量量，再利用数学方法计算出腐蚀量。光纤光栅腐蚀检测光纤光栅腐蚀检测光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用光纤光栅腐蚀检测光纤光栅腐蚀检测49光纤光栅发展中的关键问题光纤光栅发展中的关键问题光纤光栅技术与应用光纤光栅技术与应用50Think You！The End