光纤光栅及其技术在电力行业上的应用摘要：分析光纤光栅解调的基本原理和常用解调方法的工作机理、性能和特点，从光纤传感技术的优势出发，介绍了光纤光栅传感智能结构的优点，对波长解调方法如匹配解调法、可调谐激光器法、干涉法、滤波法等做了详细的讨论，阐述了相应的系统设计方案，并对各种方法的优、缺点进行了分析和讨论。

提出光纤光栅传感器在实际应用中所面临的主要技术难题，分析现有的解决方案，讨论光纤光栅传感器在进一步实用化中需要解决的难题及其未来的发展趋势。

关键词：光纤光栅，传感解调，干涉，XPM目录第一章光纤光栅基本原理1.1 前言 (1)1.2 光纤光栅定义及分类 (1)1.2.1光纤光栅的分类 (2)1.3光纤光栅制作方法 (6)1.3.1光敏光纤的制备 (6)1.3.2成栅的紫外光源 (7)1.3.3成栅方法 (7)第二章光纤光栅技术应用 (10)2.1 光纤光栅传感器的工作原理 (10)2.1.1啁啾光纤光栅传感器的工作原理 (11)2.1.2长周期光纤光栅(LPG)传感器的工作原理 (11)2.2.4在电力工业中的应用 (12)2.3 光纤光栅在光通信领域的应用 (12)2.3.1.光纤光栅滤波器中的应用 (12)2.3.2光纤光栅在光纤通信系统中的应用 (14)第三章光纤光栅的应用前景 (20)3.1 光栅技术及拉曼光纤放大器发展应用 (20)3.2 波分复用/解复用器 (20)3.3 光纤滤波器 (21)第四章光纤光栅结论 (21)致谢 (22)参考文献 (23)第一章光纤光栅基本原理1.1 前言1978年，加拿大通信研究中心的K．O．Hill及其合作者首次从光纤中观察到了光子诱导光栅。

Hill的早期光纤是用488nm 可见光波长的氩离子激光器，通过增加或延长注入光纤芯中的光辐照时间而在纤芯中形成了光栅。

后来梅尔茨等人利用高强度紫外光源所形成的干涉条纹对光纤进行侧面横向曝光在该光纤芯中产生折射率调制或相位光栅。

1989年，第一支布拉格诺波长位于通信波段的光纤光栅研制成功。

1993年hill等人提出了位相掩模技术，它主要是利用紫外光透过相位掩模板后的士1级衍射光形成的干涉光对光纤曝光，使纤芯折射率产生周期性变化写入光栅，此技术使光纤光栅的制作更加简单、灵活，便于批量生产。

1993年Alkins等人采用了低温高压氢扩散工艺提高光纤的光敏特性。

这一技术使大批量、高质量光纤光栅的制作成为现实。

这种光纤增敏工艺打破了光纤光栅制作对光纤中锗含量的依赖，使得可选择的光纤种类扩展到了普通光纤，它还大大提高了光致折变量(由10-5最大提高到了10-2)，这样可以在普通光纤上制作出高质量的光纤光栅。

1.2 光纤光栅定义及分类光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，在纤芯内形成空间相位光栅，其作用的实质是在纤芯内形成（利用空间相位光栅的布拉格散射的波长特性）一个窄带的（投射或反射）滤光器或反射镜。

光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的。

所谓光纤中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。

而在纤芯内形成的空间相位光栅，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。

利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件。

这些器件具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小，易与光纤耦合，可与其它光器件兼容成一体，不受环境尘埃影响等一系列优异性能。

随着光纤光栅应用范围的日益扩大，光纤光栅的种类也日趋增多。

根据折射率沿光栅轴向分布的形式，可将紫外写入的光纤光栅分为均匀光纤光栅和非均匀光纤光栅。

其中均匀光纤光栅是指纤芯折射率变化幅度和折射率变化的周期(也称光纤光栅的周期)均沿光纤轴向保持不变的光纤光栅，如均匀光纤Brag光栅(折射率变化的周期一般为0.1um量级)和均匀长周期光纤光栅(折射率变化的周期一般为100um量级);非均匀光纤光栅是指纤芯折射率变化幅度或折射率变化的周期沿光纤轴向变化的光纤光栅，如chirped光纤光栅(其周期一般与光纤Bragg光栅周期处同一量级)、切趾光纤光栅、相移光纤光栅和取样光纤光栅等。

1978年K.O.Hill等人首先在掺锗光纤中采用驻波写入法制成第一只光纤光栅，经过二十多年来的发展，在光纤通信、光纤传感等领域均有广阔的应用前景。

随着光纤光栅制造技术的不断完善，光纤光敏性逐渐提高，各种特种光栅相继问世，光纤光栅某些应用已达到商用化程度。

应用成果日益增多，使得光纤光栅成为目前最有发展前途、最具代表性和发展最为迅速的光纤无源器件之一。

1.2.1光纤光栅的分类光纤光栅的种类很多，主要分两大类：一是Bragg光栅(也称为反射或短周期光栅)；二是透射光栅(也称为长周期光栅)。

光纤光栅从结构上可分为周期性结构和非周期性结构，从功能上还可分为滤波型光栅和色散补偿型光栅，色散补偿型光栅是非周期光栅，又称为啁啾光栅(chirp光栅)。

根据不同分类标准，可以把光纤光栅分成不同的类别：（1）光纤光栅按其空间周期和折射率系数分布特性可分为：①均匀周期光纤布喇格光栅：通常称为布喇格光栅，是最早发展起来的一种光栅，也是目前应用最广的一种光栅。

折射率调制深度和栅格周期均为常数，光栅波矢方向跟光纤轴向一致。

此类光栅在光纤激光器、光纤传感器、光纤波分复用/解复用等领域有重要应用价值。

②啁啾光栅：栅格间距不等的光栅。

有线性啁啾和分段啁啾光栅，主要用来做色散补偿和光纤放大器的增益平坦。

③闪耀光栅：当光栅制作时，紫外侧写光束与光纤轴不垂直时，造成其折射率的空间分布与光纤轴有一个小角度，形成闪耀光栅。

④长周期光栅：栅格周期远大于一般的光纤光栅，与普通光栅不同，它不是将某个波长的光反射，而是耦合到包层中去，目前主要用于EDFA的增益平坦和光纤传感。

⑤相移光栅：在普通光栅的某些点上，光栅折射率空间分布不连续而得到的。

它可以看作是两个光栅的不连续连接。

它能够在周期性光栅光谱阻带内打开一个透射窗口，使得光栅对某一波长有更高的选择度。

可以用来构造多通道滤波器件。

此外还有取样光纤光栅、Tophat光栅、超结构光栅等。

（2）根据光纤光栅的成栅机理来分可分为三种：Ⅰ型、ⅡA 型和Ⅱ型。

①Ⅰ型光栅：即最常见的光栅，可成栅在任何类型的光敏光纤上，其主要特点是其导波模的反射谱跟透射谱互补，几乎没有吸收或包层耦合损耗；另一特点是容易被“擦除”，即在较低温度（200℃左右）下光栅会变弱或消失。

②ⅡA型光栅：成栅于高掺锗（15％mol）光敏光纤或硼锗共掺光敏光纤上，曝光时间较长。

成栅机理于Ⅰ型不同。

其写入过程为：曝光开始不久，纤芯中形成Ⅰ型光栅，随着曝光时间的增加，此光栅被部分或者完全擦除，然后再产生第二个光栅，即形成ⅡA型光栅，其温度稳定性优于Ⅰ型光栅，直到500℃附近才能观察到光栅的擦除效应，更适合于在高温下使用，如高温传感等。

③Ⅱ型光栅：由单个高能量光脉冲（大于0.5J/cm2）曝光形成。

其透射谱只能使波长大于Bragg波长的光透射，波长小的部分被耦合到包层中损耗掉。

成栅机理可理解为能量非均匀的激光脉冲被纤芯石英强烈放大造成纤芯物理损伤的结果。

有极高的温度稳定性，在800℃下放置24小时无明显变化，在1000℃环境中放置4小时后大部分光栅才消失。

下面简单介绍几种光纤光栅：1. 均匀光纤光栅均匀光纤Bragg光栅折射率变化的周期一般为0.1um量级。

它可将入射光中某一确定波长的光反射，反射带宽窄。

在传感器领域，均匀光纤Bragg光栅可用于制作温度传感器、应变传感器等传感器;在光通信领域，均匀光纤Bragg光栅可用于制作带通滤波器、分插复用器和波分复用器的解复用器等器件。

2.均匀长周期光纤光栅均匀长周期光纤光栅折射率变化的周期一般为100um量级，它能将一定波长范围内入射光前向传播芯内导模耦合到包层模并损耗掉。

在传感器领域，长周期光纤光栅可用于制作微弯传感器、折射率传感器等传感器;在光通信领域，长周期光纤光栅可用于制作掺饵光纤放大器增益平坦器、模式转换器、带阻滤波器等器件。

3.切趾光纤光栅对于一定长度的均匀光纤Bragg光栅，其反射谱中主峰的两侧伴随有一系列的侧峰，一般称这些侧峰为光栅的边模。

如将光栅应用于一些对边模的抑制比要求较高的器件如密集波分复用器，这些侧峰的存在是一个不良的因素，它严重影响器件的信道隔离度。

为减小光栅边模，人们提出了一种行之有效的办法一切趾，所谓切趾就是用一些特定的函数对光纤光栅的折射率调制幅度进行调制。

经切趾后的光纤光栅称为切趾光纤光栅，它反射谱中的边模明显降低。

4.相移光纤光栅相移光纤光栅是由多段m（M>2)具有不同长度的均匀光纤Bragg光栅以及连接这些光栅的M-1个连接区域组成.相移光纤光栅因为在其反射谱中存在一透射窗口可直接用作带通滤波器。

5.取样光纤光栅取样光纤光栅也称超结构光纤光栅，它是由多段具有相同参数的光纤光栅以相同的间距级联成。

除了用作梳状滤波器之外，取样光纤光栅还可用wdm系统中的分插复用器件。

与其他分插复用器件不同的是，取样光纤光栅构成的分插器件可同时分或插多路信道间隔相同的信号。

6. chirped光纤光栅所谓chirped光纤光栅，是指光纤的纤芯折射率变化幅度或折射率变化的周期沿光纤轴向逐渐变大(小)形成的一种光纤光栅。

在chirped光纤光栅轴向不同位置可反射不同波长的入射光。

所以chirped光纤光栅的特点是反射谱宽，在反射带宽内具有渐变的群时延，群时延曲线的斜率即光纤光栅的色散值。

所以，可以利用chirped光纤光栅作为色散补偿器。

1.3光纤光栅制作方法1.3.1光敏光纤的制备采用适当的光源和光纤增敏技术，可以在几乎所有种类的光纤上不同程度的写入光栅。

所谓光纤中的光折变是指激光通过光敏光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应的变化，如这种折射率变化呈现周期性分布，并被保存下来，就成为光纤光栅。

光纤中的折射率改变量与许多参数有关，如照射波长、光纤类型、掺杂水平等。

如果不进行其它处理，直接用紫外光照射光纤，折射率增加仅为（10的负4次方）数量级便已经饱和，为了满足高速通信的需要，提高光纤光敏性日益重要，目前光纤增敏方法主要有以下几种：1）掺入光敏性杂质，如：锗、锡、棚等。

2）多种掺杂（主要是B／Ge共接）。

3）高压低温氢气扩散处理。

4）剧火。

1.3.2成栅的紫外光源光纤的光致折射率变化的光敏性主要表现在244nm紫外光的错吸收峰附近，因此除驻波法用488nm可见光外，成栅光源都是紫外光。

大部分成栅方法是利用激光束的空间干涉条纹，所以成栅光源的空间相干性特别重要。

目前，主要的成栅光源有准分子激光器、窄线宽准分子激光器、倍频Ar 离子激光器、倍频染料激光器、倍频OPO激光器等，根据实验结果，窄线宽准分子激光器是目前用来制作光纤光栅最为适宜的光源。