任磊 S130402005光纖光柵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及在應(yīng)用綜述

1、光纖光柵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及在應(yīng)用綜述任磊摘要隨著現(xiàn)在社會的發(fā)展，光纖光柵的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。特殊用途的光纖光柵也得到了極大的發(fā)展?，F(xiàn)階段，光纖光柵方面的研究主要在光纖光柵的制作，光纖光柵的寫入技術(shù)等方面。對光纖光柵應(yīng)用方面的研究主要是在傳感器方面和在光通信等方面。光纖光柵傳感器是光纖光柵的最主要的研究方面，包括在壓力，溫度，位移，加速度等方面。在光纖通信方面的研究也是光纖光柵一個熱門方向。本文主要從寫入方法，傳感器，光纖通信方面，對光纖光柵做一個綜述。關(guān)鍵詞：光纖光柵，傳感器，光纖通信1引言光纖光柵是近幾年發(fā)展最快的光纖無源器件之一。自從1978年加拿大渥太華通信研究中心的K.O.Hill等人首次

2、在摻鍺石英光纖中發(fā)現(xiàn)光纖的光敏效應(yīng),并采用駐波寫入法制成世界上第一只光纖光柵,直到1989年,美國聯(lián)合技術(shù)研究中心的G.Meltz等人實(shí)現(xiàn)了光纖Bragg光柵(FBG)的UV激光側(cè)面寫入技術(shù),使光纖光柵的制作技術(shù)實(shí)現(xiàn)了突破性進(jìn)展。隨著光纖光柵制造技術(shù)的不斷完善,其應(yīng)用的成果日益增多,從光纖通信、光纖傳感到光計算和光信息處理的整個領(lǐng)域都將由于光纖光柵的實(shí)用化而發(fā)生革命性的變化,光纖光柵技術(shù)是光纖技術(shù)中繼摻鉺光纖放大器(EDFA)技術(shù)之后的又一重大技術(shù)突破。光纖光柵是利用光纖中的光敏性制成的。所謂光纖中的光敏性是指激光通過摻雜光纖時,光纖的折射率將隨光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相應(yīng)變化的特性(這種現(xiàn)象也稱為

3、光致折射率變化效應(yīng))。比如用激光干涉條紋(全息照相)從側(cè)面輻照摻鍺光纖,就可使其成為光纖光柵,這種光柵在大約500以下穩(wěn)定不變,而用500以上高溫可擦除。而在纖芯內(nèi)形成的空間相位光柵,其作用的實(shí)質(zhì)就是在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的(透射或反射)濾波器或反射鏡。利用這一特性可制造出許多性能獨(dú)特的光纖無源器件。這些器件具有反射帶寬范圍大、附加損耗小、體積小,能與光纖很好的耦合,可與其它光器件兼容成一體,不受環(huán)境塵埃影響等一系列優(yōu)異性能。光纖光柵的種類很多,主要分兩大類:一是Bragg光柵(也稱為反射或短周期光柵);二是透射光柵(也稱為長周期光柵)。對光纖光柵的研究主要是光柵的寫入技術(shù)(尤其是非周期光柵的寫

4、入技術(shù))、光柵的傳輸和傳感特性以及光柵的應(yīng)用等。目前光纖光柵的應(yīng)用主要集中在光纖通信領(lǐng)域和光纖傳感器領(lǐng)域。2光纖光柵的寫入方法 光纖光柵的寫入方法寫入方法包含全息干涉法、相位掩膜法、兩次曝光法、光纖彎曲法、錐形光纖法、應(yīng)力梯度法、移動平臺法、復(fù)合chirp光柵法等。下面簡單介紹幾種重要的寫入技術(shù)。2.1橫向全息曝光寫入法這種方法是將纖芯摻鍺濃度較高的一段紫外光敏光纖在兩束紫外光束交疊區(qū)域所形成的干涉場中曝光,引起纖芯折射率的周期性擾動,從而形成Bragg光柵。此法的優(yōu)點(diǎn)是可以隨意調(diào)節(jié)光柵Bragg波長(只需改變兩束相干光的夾角)以及僅要求簡單的光學(xué)元件,但對光源的相干性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求較高。

5、2.2相位掩膜寫入法 相位掩膜法是目前應(yīng)用較多的一種方法。這種方法是將用電子束曝光刻好的圖形掩膜置于裸光纖上,相位掩膜具有壓制零級,增強(qiáng)一級衍射的功能。紫外光經(jīng)過掩膜相位調(diào)制后衍射到光纖上形成干涉條紋,寫入周期為掩膜周期一半的Bragg光柵。此法不依賴于入射光波長,只與相位光柵的周期有關(guān),因此對光源的相干性要求不高,從而簡化了光纖光柵的制造系統(tǒng),但其缺點(diǎn)是制作掩膜復(fù)雜。2.3逐點(diǎn)寫入法 這是一種非相干寫入技術(shù)。它是利用聚焦光束在光纖上逐點(diǎn)曝光而形成光柵,每寫一個條紋,光柵移動一定距離,需用納米級的精密機(jī)構(gòu)控制光纖運(yùn)動位移。通過控制光纖的移動,可以方便的控制光柵的周期。但技術(shù)操作較難,一般用于制

6、造長周期光柵。2.4在線寫入法 這是一種較新的成柵方法。它是在光纖拉制過程中在裸光纖上直接寫入光柵,通過對干涉系統(tǒng)中兩束干涉光夾角的調(diào)節(jié),可在線自動寫入反射波長不同的一系列光纖光柵。此法制造工藝簡單,能連續(xù)大批量地制造光纖光柵,提高了光纖性能的穩(wěn)定性,但還需對所使用的準(zhǔn)分子激光束截面進(jìn)行改進(jìn)才能滿足實(shí)用化的要求。3光纖光柵在光纖通信方面的應(yīng)用 在光纖通信領(lǐng)域,由于光纖光柵的獨(dú)特性能,將影響到光源、光放大、光纖色散補(bǔ)償、光信號處理等各個方面,是下一代高速光纖通信系統(tǒng)中不可缺少的關(guān)鍵器件之一。同時,光纖光柵也使各種全光器件的研制成為可能,如全光纖激光器、全光纖濾波器等,因而所謂的全光纖一維光子集成

7、,即將各種全光纖器件集成在一條光纖里,形成諸多集成型光纖信息系統(tǒng)也將成為現(xiàn)實(shí)。它迫使人們不得不重新考慮光通信系統(tǒng)的每一個設(shè)計,將來光通信系統(tǒng)中如果沒有光纖光柵就如傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)中沒有鏡片一樣令人難以置信。光纖光柵幾乎可以運(yùn)用到光纖通信的每一個領(lǐng)域,其主要應(yīng)用有:3.1光纖激光器 它是利用光纖光柵的反射性,構(gòu)成光纖激光器所需的諧振腔,實(shí)現(xiàn)光纖激光器。其與光纖光柵的兼容性、輸出穩(wěn)定性和光譜純度比半導(dǎo)體激光器好,且具有較高的光輸出功率、極窄的線寬和較寬的調(diào)諧范圍。3.2分布反饋式DBF激光器 它是將光纖光柵作為半導(dǎo)體激光器的外腔反射鏡,制作出的分布反饋式DBF激光器,不僅輸出激光的線寬窄,易于與光纖系

8、統(tǒng)耦合,且通過對光柵加縱向拉伸力,可控制輸出激光的頻率和模式,成為可調(diào)諧激光器。3.3光纖放大器在長中繼和高速光通信系統(tǒng)中,要求光放大器在較寬的帶寬內(nèi)有平坦的增益,而一般的光纖放大器都不能滿足,用閃耀光纖光柵做成特定的光譜損耗形式可以平衡光放大器的增益。此外,光纖光柵還可以降低摻鉺光纖放大器(EDFA)的泵浦功率。如圖1圖13.4波分復(fù)用/解復(fù)用器l1l2lN波分復(fù)用器l1l2lN波分解復(fù)用器光功率放大器光線路放大器光線路放大器光前置放大器由于光纖光柵具有良好的波長選擇性,可以在同一根光纖中復(fù)用/解復(fù)用多個空間排列緊密的波長信道,增加光通信的容量,從而方便地實(shí)現(xiàn)WDM光纖通信系統(tǒng)的光復(fù)用/解復(fù)

9、用，如圖2為波分復(fù)用的原理圖。 圖23.5光纖濾波器由于光纖光柵能對光柵透射頻譜中的任一波長進(jìn)行窄帶濾出,控制光柵周期,可以靈活寫入任何波長的帶通濾波器。這些濾波器有:窄帶帶阻濾波器、寬帶帶阻濾波器、梳狀帶阻濾波器、窄帶帶通濾波器、F-P型帶通濾波器、光纖橫向?yàn)V波器等。3.6色散補(bǔ)償器 光纖的色散和損耗是影響光纖通信能力的兩個重要因素。EDFA的出現(xiàn)使光纖損耗不再是光通信系統(tǒng)的主要問題,色散補(bǔ)償成為光纖通信中急需解決的問題。由于不同頻率分量在光纖中具有不同的傳輸速度,使得輸入脈沖在經(jīng)過光纖傳輸后發(fā)生展寬,產(chǎn)生色散,如經(jīng)過Chirp光纖光柵反射后,由于不同頻率分量在光柵中的不同位置發(fā)生反射,使脈

10、沖的高頻成分獲得比低頻成分大的時延,從而使脈沖被重新壓縮。2.7超窄光脈沖產(chǎn)生器 在高速率、長距離通信系統(tǒng)中以及在光時分復(fù)用和光孤子傳輸系統(tǒng)中,都必須使用超窄光脈沖。采用Chirp光纖光柵可以從多模FP半導(dǎo)體激光器的增益開關(guān)脈沖中提取單個脈沖,Chirp光柵的色散補(bǔ)償作用可除去光脈沖中的非線性調(diào)制量,使光脈沖壓窄。4光纖光柵的傳感器在光纖傳感器領(lǐng)域,光纖光柵傳感器具有抗電磁干擾、尺寸小(標(biāo)準(zhǔn)裸光纖為125m)、重量輕、耐溫性好(工作溫度上限可達(dá)400 -600)、復(fù)用能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)(傳感器到解調(diào)端可達(dá)幾公里)、耐腐蝕、高靈敏度、無源器件、易形變等優(yōu)點(diǎn),但光纖光柵的制造成本和可靠性制約著它的

11、大規(guī)模應(yīng)用,使光纖光柵傳感器技術(shù)的發(fā)展和實(shí)用化較為緩慢,隨著通信技術(shù)的迅速發(fā)展,光纖光柵的制造技術(shù)也日趨成熟和可靠,使光纖光柵傳感器的制作成本大幅下降,可靠性提高,光纖光柵傳感器開始逐步走向現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。光纖光柵可以用于應(yīng)力、應(yīng)變或溫度等物理量的傳感測量,具有較高的靈敏度和測量范圍。當(dāng)光纖光柵所處環(huán)境的物理量發(fā)生變化時,將導(dǎo)致光柵周期或纖芯折射率的變化,使反射光的波長發(fā)生變化,通過測量變化前后反射光波長的變化,就可以獲得待測物理量的變化情況。在光纖若干個部位寫入不同柵距的光纖光柵,就可以同時測定若干部位相應(yīng)物理量及其變化,實(shí)現(xiàn)分布式光纖傳感。光纖光柵傳感器的應(yīng)用前景十分廣闊,早在1988年就成功地

12、在航空、航天領(lǐng)域中作為有效的無損檢測技術(shù),同時光纖光柵傳感器還可應(yīng)用于化學(xué)醫(yī)藥、材料工業(yè)、水利電力、船舶、煤礦等各個領(lǐng)域,目前還在土木工程領(lǐng)域(如建筑物、橋梁、水壩、管線、隧道、容器、高速公路、機(jī)場跑道等)開發(fā)可在混凝土組件和結(jié)構(gòu)中,測定其結(jié)構(gòu)的完整性和內(nèi)部應(yīng)變狀態(tài)的可能技術(shù),從而建立靈巧結(jié)構(gòu),并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能建筑。目前對光纖光柵傳感器的研究方向主要有三個方面:一是對傳感器本身及能進(jìn)行橫向應(yīng)變感測和高靈敏度、高分辨率、且能同時感測應(yīng)變和溫度變化的傳感器研究;二是對光柵反射信號或透射信號分析和測試系統(tǒng)的研究,目標(biāo)是開發(fā)低成本、小型化、可靠且靈敏的探測技術(shù);三是光纖光柵傳感器的實(shí)際應(yīng)用研究,包括封

13、裝技術(shù)、溫度補(bǔ)償技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。常見的光纖光柵傳感器有:4.1光纖光柵應(yīng)變傳感器此種傳感器是在工程領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛，技術(shù)最成熟的光纖傳感器。應(yīng)變直接影響光纖光柵的波長漂移，在工作環(huán)境較好或是待測結(jié)構(gòu)要求精小傳感器的情況下，人們將裸光纖光柵作為應(yīng)變傳感器直接粘貼在待測結(jié)構(gòu)的表面或者是埋設(shè)在結(jié)構(gòu)的內(nèi)部。由于光纖光柵比較脆弱，在惡劣工作環(huán)境中非常容易破壞，因而需要對其進(jìn)行封裝后才能使用。目前常用的封裝方式主要有基片式、管式和基于管式的兩端夾持式。4.2光纖光柵溫度傳感器溫度是國際單位制給出的基本物理量之一，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中需要經(jīng)常測量和控制的主要參數(shù)，同時也是與人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)的一

14、個重要物理量。目前，比較常用的電類溫度傳感器主要是熱電偶溫度傳感器和熱敏電阻溫度傳感器。光纖溫度傳感與傳統(tǒng)的傳感器相比有很多優(yōu)點(diǎn)，如靈敏度高，體積小，耐腐蝕，抗電磁輻射，光路可彎曲，便于遙測等?；诠饫w光柵技術(shù)的溫度傳感器，采用波長編碼技術(shù)，消除了光源功率波動及系統(tǒng)損耗的影響，適用于長期監(jiān)測;而且多個光纖光柵組成的溫度傳感系統(tǒng)，采用一根光纜，可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式測量。溫度也是直接影響光纖光柵波長變化的因素，人們常常直接將裸光纖光柵作為溫度傳感器直接應(yīng)用。同光纖光柵應(yīng)變傳感器一樣，光纖光柵溫度傳感器也需要進(jìn)行封裝，封裝技術(shù)的主要作用是保護(hù)和增敏，人們希望光纖光柵能夠具有較強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度和較長的壽命，與此

15、同時，還希望能在光纖傳感中通過適當(dāng)?shù)姆庋b技術(shù)提高光纖光柵對溫度的響應(yīng)靈敏度。普通的光纖光柵其溫度靈敏度只有0.010 nm/左右，這樣對于工作波長在1550nm的光纖光柵來說，測量100的溫度范圍波長變化僅為lnm。應(yīng)用分辨率為lpm的解碼儀進(jìn)行解調(diào)可獲得很高的溫度分辨率，而如果因?yàn)樵O(shè)備的限制，采用分辨率為0. 06nm的光譜分析儀進(jìn)行測量，其分辨率僅為6度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際測量的需要。目前常用的封裝方式有基片式、管式和聚合物封裝方式等。工作原理如圖結(jié)果顯示光纖信號處理光電轉(zhuǎn)換傳感元件光源電信號4.3光纖光柵位移傳感器研究人員開展了應(yīng)用光纖光柵進(jìn)行位移測量的研究，目前這些研究都是通過測量懸臂梁

16、表面的應(yīng)變，然后通過計算求得懸臂梁垂直變形，即懸臂梁端部垂直位移。這種“位移傳感器”不是真正意思上的位移傳感器，目前這種傳感器在實(shí)際工程已取得了應(yīng)用，國內(nèi)亦具有商品化產(chǎn)品。4.4光纖光柵加速度計傳感器1996年，美國的Berkoff等人利用光纖光柵的壓力效應(yīng)設(shè)計了光纖光柵振動加速度計。轉(zhuǎn)換器由質(zhì)量板、基板和復(fù)合材料組成，質(zhì)量板和基板都是6mm厚的鋁板，基板作為剛性板起支撐作用，中間為8mm厚的復(fù)合材料夾在兩鋁板中間起彈簧的作用。在質(zhì)量塊的慣性力作用下，埋在復(fù)合材料中的光纖光柵受到橫向力作用產(chǎn)生應(yīng)變，從而導(dǎo)致光纖光柵的布拉格波長變化。采用非平衡M-Z干涉儀對光纖光柵的應(yīng)變與加速度間的關(guān)系進(jìn)行解調(diào)

17、.1998年，Todd采用雙撓性梁作為轉(zhuǎn)換器設(shè)計了光柵加速度計。加速度傳感器由兩個矩形梁和一個質(zhì)量塊組成，質(zhì)量塊通過點(diǎn)接觸焊接在兩平行梁中間，光纖光柵貼在第二個矩形梁的下表面。在傳感器受到振動時，在慣性力的作用下，質(zhì)量塊帶動兩個矩形梁振動使其產(chǎn)生應(yīng)變，傳遞給光纖光柵引起波長移動。這種傳感器也在國內(nèi)已經(jīng)有了商品化的產(chǎn)品。4.5光纖光柵壓力傳感器對拉力或壓力的監(jiān)測也是監(jiān)測的一部分重要內(nèi)容，如橋梁結(jié)構(gòu)的拉索的整體索力、高緯度海洋平臺的冰壓力，以及道路的土壤壓力，水壓力等。哈工大歐進(jìn)萍等人相繼開發(fā)出了光纖光柵拉索壓力環(huán)和光纖光柵冰壓力傳感器，英國海軍研究中心開發(fā)了光纖光柵土壤壓力傳感器，用以監(jiān)測公路內(nèi)

18、部的荷載情況。并且各國相繼開始光纖光柵油氣井壓力傳感器的研究工作。除以上介紹的光纖光柵傳感器外，光纖光柵研究人員和傳感器設(shè)計人員基于光纖光柵的傳感原理，還設(shè)計出光纖光柵伸長計，光纖光柵曲率計，光纖光柵濕度計，以及光纖光柵傾角儀，光纖光柵連通管等。此外，人們還通過光纖光柵應(yīng)變傳感器制成用于測量公路運(yùn)輸情況的運(yùn)輸計、用于測量公路施工過程中瀝青應(yīng)變的應(yīng)變計等。5結(jié)論光纖光柵的應(yīng)用廣泛，本文介紹了光纖光柵寫入方法，光纖光柵在光纖通信方面的應(yīng)用，和光纖光柵在傳感器方面的應(yīng)用。光纖光柵的出現(xiàn)，深刻的影響著光纖信息傳輸?shù)脑O(shè)計，它使許多復(fù)雜的全光纖通信，多點(diǎn)分布式傳感及其網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測成為了可能，極大的拓寬了光纖技

19、術(shù)的應(yīng)用范圍。而基于光纖光柵的傳感器的設(shè)計及應(yīng)用是一個方興未艾的領(lǐng)域，有著諸多需要深入研究的課題以及非常廣闊的發(fā)展前景?？梢灶A(yù)料，隨著光纖光柵傳感頭敏化與封裝技術(shù)的改進(jìn)、傳感信號解調(diào)技術(shù)的優(yōu)化以及服用和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大，必將大大地推動光纖光柵傳感器實(shí)用化的進(jìn)程。參考文獻(xiàn)1李進(jìn)軍，常新龍，宋曉東 光纖光柵傳感技術(shù)及其應(yīng)用 光機(jī)電信息【J】2009年10期2王金輝 光纖光柵技術(shù)在光通信方面的研究 通信技術(shù) 3王昌，劉統(tǒng)玉，張東生，劉小會 光纖光柵技術(shù)的研究進(jìn)展 山東科技 2008年10月 第5期4李 堯 趙 鴻 朱 辰 于繼承 張大勇 光纖光柵技術(shù)綜述 2006年9月 第36卷5張洪憲 光纖光

20、柵傳感器技術(shù)及其應(yīng)用 自然科學(xué) 第9卷 第3期 20076吳椿鋒 冒麗蓉 鄭磊 新特器件應(yīng)用 第12卷 第8期 2010年8月6廖延彪.光纖光學(xué)M.清華大學(xué)出版社.2000:131-140.7鮑吉龍,章獻(xiàn)民等.光纖光柵傳感器及其應(yīng)用J.激光技術(shù),2000,24(3):174-179.8裴麗,寧提綱等.光纖光柵制作方法J.光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù),2000,(5):25-29.9池灝,章獻(xiàn)民等.光纖光柵與未來的光纖通信J.中國圖象圖形學(xué)報,1999,4(2):172-175.10方強(qiáng),梁猛.發(fā)展中的光纖光柵技術(shù)J.西安郵電學(xué)院學(xué)報,1999,491):13-17.Abstract With the development of the society now, application field of optical fiber grating is more and more and more