光栅布拉格光栅及其传感特研究光栅布拉格光栅及其传感特性研究3一光纤光栅概述31.1 光纤光栅的耦合模理论31.2 光纤光栅的类型41.2.1均匀周期光纤布拉格光栅41.2.2线性啁啾光纤光栅41.2.3 切趾光纤光栅41.2.4闪耀光纤光栅51.2.5相移光纤光栅51.2.6超结构光纤光栅51.2.7长周期光纤光栅6二光纤布拉格光栅传感器62.1 光纤布拉格光栅应力传感器62.2 光纤布拉格光栅温度传感器72.3 光纤布拉格光栅压力传感器82.4 基于双折射效应的光纤布拉格光栅传感器8三光纤光栅传感器的敏化与封装113.1 光纤光栅传感器的温度敏化113.2 光纤光栅传感器的应力敏化113.2 光纤光栅传感器的交叉敏感及其解决方法11四光纤光栅传感网络与复用技术114.1 光纤光栅传感网络常用的波分复用技术124.1.1基于波长扫描法的波分复用技术134.1.2基于波长分离法的波分复用技术144.1.3基于衍射光栅和CCD阵列的复用技术144.1.4基于码分多址(CDMA)和密集波分复用(DWDM)技术154.2光纤光栅传感网络常用的空分复用技术154.3光纤光栅传感网络常用的时分复用技术174.4 光纤光栅传感网络的副载波频分复用技术194.4.1光纤光栅传感副载波频分复用技术194.4.2 FBG传感网络的光频域反射复用技术194.5 光纤光栅传感网络的相干复用技术194.6 混合复用FBG传感网络194.6.1 WDM/TDM混合FBG网络194.6.2 SDM/WDM混合FBG网络194.6.3 SDM/TDM混合FBG网络194.6.4 SDM/WDM/TDM混和FBG网络194.6.5光频域反射复用/波分复用混合FBG传感网络19五光栅光栅传感信号的解调方法19六激光传感器19毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：日期：学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日指导教师评阅书评阅教师评阅书教研室（或答辩小组）及教学系意见光栅布拉格光栅及其传感特性研究一 光纤光栅概述1.1 光纤光栅的耦合模理论光纤光栅的形成基于光纤的光敏性，不同的曝光条件下、不同类型的光纤可产生多种不同的折射率分布的光纤光栅。

光纤芯区折射率周期变化造成光纤波导条件的改变，导致一定波长的光波发生相应的模式耦合，对于整个光纤曝光区域，可以由下列表示折射率分布较为一般的描述：()()11212331,,,,n F r z r a n r z n a r a n r a ϕϕ⎧+≤⎡⎤⎣⎦⎪⎪=≤≤⎨⎪≥⎪⎩ (1-1)式中：1a 为光纤纤芯半径；2a 为光纤包层半径；1n 为纤芯初始折射率；2n 为包层折射率；(),,F r z ϕ为光致折射率变化函数，在光纤曝光区，其最大值为()maxmax 1,,n F r z n ϕ∆=；max n ∆为折射率变化最大值。

光纤光栅区域的光场满足模式耦合方程：()()()()()()()()00exp exp z z dA z k z B z i q z dz dzdB z k z A z i q z dz dz⎡⎤=-⎢⎥⎣⎦⎡⎤=⎢⎥⎣⎦⎰⎰ (1-2)式中：()k z为耦合B z分别为光纤光栅区域的前向波、后向波；()A z、()系数；()q z与光栅周期和传播常数β有关。

利用此方程和光纤光栅的折射率分布、结构参量及边界条件，并借助于四阶Runge-Kutta数值算法，可求出光纤光栅的光谱特性。

光纤光栅的不同光谱特性呈现出不同的传输或调制特性，因而可构成不同功能的光线器件。

1.2 光纤光栅的类型光纤光栅按结构的空间周期分布是否均匀可分为：周期性光纤光栅和非周期性光纤光栅。

周期性光纤光栅制造简单，但其特性容易受到限制。

非周期性光纤光栅结构制造困难，但其特性容易满足各种要求。

光纤光栅按功能可分为：滤波型光纤光栅和色散补偿性型光纤光栅。

色散补偿型光纤光栅属于非周期型光纤光栅，又称为啁啾光纤光栅。

光纤光栅按结构的空间周期和折射率的分布可分为：1.2.1 均匀周期光纤布拉格光栅这是目前最常用的光纤光栅，多数情况下生产的属于均匀周期正弦型光栅。

由这种均匀光栅的光谱特性可知，在一定带宽的谐振峰两边有一些旁瓣，这是由于光纤光栅两端的折射率突变引起的Fabry-Perot效应所致。

这些旁瓣分散了光能量，不利于光纤光栅的应用，所以均匀光纤光栅的旁瓣抑制是表征其性能的主要指标之一。

1.2.2 线性啁啾光纤光栅栅格间距不等的光栅，通常称为啁啾光纤光栅。

不同的栅格周期对应不同的反射波长，因此啁啾光纤光栅能够形成很宽的反射带宽。

线性啁啾光纤光栅是折射率调制幅度不变、周期沿光栅轴向线性变化的光栅，线性啁啾光纤光栅谐振峰两边也有一些旁瓣，产生的原因与均匀光纤光栅一样，也不利于应用。

1.2.3 切趾光纤光栅切趾光纤光栅的周期是均匀的，折射率随一定的函数关系呈一个钟形包络变化，典型的包络函数有高斯分布函数、超高斯分布函数、升余弦函数、帽型函数、柯西函数。

这种光栅的两端折射率分布逐渐递减至零，消除了折射率突变，从而使它的反射谱不存在旁瓣。

1.2.4 闪耀光纤光栅光栅制作过程中，如果紫外侧写光束与光纤轴不垂直，造成其折射率的空间分布与光纤轴有一个小角度，但光纤光栅的周期和折射率调制深度均为常数，这就形成了闪耀光纤光栅。

闪耀光纤光栅的光谱特性类似于均匀光纤光栅，也有旁瓣。

1.2.5 相移光纤光栅相移光纤光栅是在均匀光纤光栅的某些特点上，通过一些方法破坏其周期的延续性而得到的。

相移光纤光栅可以看做是若干个周期性光栅的不连续连接，每个不连续连接都会产生一个相移，它能够在周期性光栅的光谱阻带内打开一个透射窗口，使得光栅对某一波长或多个波长有更高的选择度。

1.2.6 超结构光纤光栅超结构光纤光栅亦称为取样光栅，其折射率调制不是连续的，而是周期性间断的，相当于在布拉格光栅的折射率正弦调制下加上一个方形包络函数，这是一种特殊的光栅结构，它既有布喇格光栅的反射特性，亦有长周期光纤光栅的包层模耦合特性。

这种光纤光栅的反射谱具有一组分立的反射峰，故可用做梳状滤波器，在多波长光纤激光器、可调谐分布布拉格反射光纤激光器、以及多通道色散补偿等方面有潜在的应用。

另一方面，由于方波包络的周期通常为几百个微米，因此，超结构光纤光栅亦可看作是一个长周期光纤光栅，它将引起基阶导波模与包层模之间的耦合，在光栅透射谱中产生宽带损耗峰。

由于包层模耦合引起的谐振峰与布喇格反射峰对外界环境参量(如温度、应变、折射率等)具有不同的响应特性，故超结构光栅是一种理想的多参量传感元件。

1.2.7 长周期光纤光栅长周期光纤光栅的栅格周期远大于一般的光纤光栅，一般可达到几百微米，而一般布拉格光纤光栅的周期不到一微米。

与光纤布拉格光栅不同，它不是将某个波长的光反射，而是将特定波长的光耦合到包层中损耗掉，从而在透射谱中形成宽带损耗峰，因此可用作掺饵光纤放大器(EDFA)的增益平坦元件。

另外，长周期光纤光栅的波长选择特性会因外界应力、温度等因素的影响而改变。

与普通FBG相比其对温度、应变等的灵敏度更高，且具有低反射、测量方法简便等优点，是一种理想的传感元件，在光纤光栅传感领域有重要应用。

此外莫尔光栅, Tophat 光栅等均为非均匀的光纤光栅，在通信与传感领域已引起广泛关注。

二 光纤布拉格光栅传感器2.1 光纤布拉格光栅应力传感器由耦合模理论可知，光纤布拉格光栅的中心反射波长为：2B eff n λ=Λ (2-1)式中：eff n 为导模的有效折射率，Λ为光栅的栅格间距。

当波长满足布拉格条件式(2-1)时，入射光将被光纤布拉格光栅反射回去。

由公式(2-1)可知，光纤光栅的中心反射波长B λ随eff n 和Λ的改变而改变。

光纤布拉格光栅对于应力和温度都是很敏感的，应力通过弹光效应和栅格间距Λ的变化来影响B λ，温度则是通过热光效应和热胀效应来影响B λ。

当光纤布拉格光栅仅受应力作用时，折射率和栅格间距发生变化，引起中心反射波长B λ移动，因此有：eff BB effn n λλ∆∆∆Λ=+Λ (2-2) 式中：eff n ∆为折射率的变化，∆Λ为栅格间距的变化。

光纤布拉格光栅产生应变时的折射率变化：()21211112effeff e effn n P P P n μμεε∆=---=-⎡⎤⎣⎦ 式中： ()21211112e eff P n P P μμ=--⎡⎤⎣⎦ε是轴向应力，μ是纤芯材料的泊松比，11P 、12P 是弹光系数，e P 是有效弹光系数。

假设光纤布拉格光栅是绝对均匀的，也就是说，栅格间距的相对变化率和光栅段的物理长度的相对变化率是一致的。

L Lε∆Λ∆==Λ 所以公式(2-2)可写成：()1B e BP λελ∆=- (2-3) 公式(2-3)就是裸光纤布拉格光栅应力测量的一般计算公式。

2.2 光纤布拉格光栅温度传感器当光纤布拉格光栅不受应力作用时，温度变化引起中心反射波长B λ的移动可表示为：()B s s BT λαζλ∆=+∆ (2-4) 式中：11s L T L Tα∆Λ∆==Λ∆∆为光纤的热胀系数，描述光纤布拉格光栅的栅格间距随温度的变化关系；1eff s eff n n Tζ∆=∆为光纤的热光系数，描述光纤布拉格光栅的有效折射率随温度的变化关系。