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东南大学王禹欣1论文列表题目作者及单位年份光纤光栅技术及其在WDM全光网中的应用研究何瑾琳东南大学2000光纤光栅光谱特性及其在WDM全光网中的应用研究徐新华东南大学2003新型光纤光栅传感技术研究庞丹丹山东大学2014光纤光栅传感信号解调技术研究进展吴晶等海军工程大学2014光纤光栅应力传感器信号检测中的双值问题研究陆青等中国科学院2004一种快速光纤光栅匹配解调系统的研究贾振安等西安石油大学2012基于分布式光纤光栅传感的温度测量系统陈曦等重庆电力公司2014优化光纤光栅传感器匹配光栅解调方法研究詹亚歌等中国科学院2004基于四并联光栅匹配滤波解调系统的研究王平等西安邮电大学2014振动/温度光纤光栅传感器技术研究贾艳丽西安理工大学2008光纤传感系统及网络关键技术研究韦朴东南大学2011东南大学王禹欣21学习概述1.1基本概念梳理1.1.1光纤光栅是一种通过一定方法使得光纤纤芯的折射率延轴向产生周期性调制的而形成的衍射光栅，形成的是永久性空间的相位光栅，作用相当于一种纤芯内无源窄带滤波器或者反射镜。当一组光谱光经过光纤光栅时，满足布拉格条件的波长产生反射，其余透过光栅继续传输。光纤光栅主要分为短周期和长周期两类，其中短周期以光纤布拉格光栅(FiberBraggGrating)为最具发展前景的无源器件，利用其特性发展的基于光纤光栅的耐温传感系统进行高温检测等应用具有广阔的前景。1.1.2均匀布拉格光栅（FBG）是在单模光纤中使纤芯折射率发生周期性变化而形成的。当光在光纤中传播时，光会在每个光栅面处散射，如果不满足布拉格条件，由依次排列的光栅平面反射的光相位将会逐渐变得不同，直到最后相互抵消。满足布拉格条件的波长的光，由每个光栅平面反射后叠加，最后会形成一个反射峰，其中心波长由光栅参数决定。温度、压力等外界因素会导致光纤光栅的反射波长发生偏移。1.1.3WDM全光网是克服“电子瓶颈”的重要方式，在传输过程中避免了光电转化过程，两端只需要在波长上建立连接，那么任意格式和速率的信号都可以进行传输，不受内容限制。WDM全光网关键器件及技术：1.1.3.1OADM光插分复用器在传输路径中，将本地需要的波长从光信号中剥离，将本地需要发送的光信号复用到WDM信号中去，具有选择透明性。1.1.3.2OXC光交叉连接是全光网的核心器件，直接在光域实现高速光信号的路由选择、网络恢复等，无需O/E/O转化处理。其中的核心是光开关。1.1.3.3光放大器1.2近年研究主要方向和热点1.2.1光纤光栅传感模型及理论：基于耦合模的分析理论是光纤光栅传感中比较严格的理论体系，但由于其计算繁琐复杂，能够得到的解析解十分有限1.2.2光纤光栅的敏化与封装技术：由于光纤光栅本身的机械强度有限，并且力学敏感度和温度敏感系数低，以及交叉敏感效应的存在，要将其应用于实际的工程测量中，必须进行敏化和封装1.2.3光纤光栅传感器及传感技术：在工程应用中，需要针对测量的参数类型、性质、分布等要求，对光纤光栅传感器的结构进行特殊的设计，来保证检测结果的准确性和可重复性1.2.4信号解调与传感网系统：高精度低成本的波长检测技术是信号解调的应用基础，而分布式、多参量、多功能感测的传感网络则是大型结构体实时检测的未来趋势1.3光纤光栅解调技术信号检测是传感系统中的关键技术之一。光纤光栅传感信号的解调方案包括强度解调、相位解调、频率解调、偏振解调和波长解调。其中波长解调技术将信号进行波长编码，中心波长处窄带反射，不必对光纤连接器和耦合器损耗以及光源输出东南大学王禹欣3功率进行补偿，使其得到广泛应用。1.3.1光谱仪和多波长计检测方法光谱分析仪通过调节衍射光栅的角度，使其分离出不同的波长，分离出的波长由反射镜聚焦到探测器。旋转衍射光栅可对波长范围进行扫描。多波长计，利用利用光波的干涉效应将同相位的光信号加强的原理，来对不同的光波进行区分。1.3.2边缘滤波器检测法边缘滤波器的输出光强的变换量与波长漂移量成正比，将反射回的光分束送到两个不平衡的滤波器，将经过滤波器的光强相除，即得到包含波长移位信息的结果。这是一种基于光强的检测。1.3.3可调谐滤波检测法FTFFP：通过压电陶瓷精确移动平面镜的间距，改变Fabry-Perot腔的腔长，从而实现滤波器的调谐；AOTF：由射频驱动的频率可调谐的固态光滤波器，波长调谐范围可宽至几毫米。1.3.4匹配光栅检测法在监测端设置一参考光栅，其光栅常数与传感光栅相同。参考光栅贴于一外加扫描电压的压电陶瓷上。传感光栅的自由态对应光探测器输出幅度最高。当传感光栅感应外界温度和应变时，中心波长移位，参考光栅发射度下降，信号发生器工作，使参考光栅重新达到原有值，这时的扫面电压对应一定的外界物理量。该方案噪声低，但光损耗较大，只适合低频测量。1.3.5波长可调谐光源检测法窄带可调谐光输入光纤光栅，并周期性地扫描其输出波长来获取其反射谱或透射谱，由每次扫描的光强最强时的扫描电压可知相应的波长值。1.3.6CCD分光仪检测法利用衍射光栅等分光元件，将传感光栅的反射光谱或透射谱经过透镜准直后在空间展开，再用CCD同时直接测出波长的相对光强。接受到的波长被转化为沿探测单元阵列的位置信息，波长分辨率由像素宽度描述的探测器表面光栅线性色散决定。2精读论文概述2.1光纤光栅技术及其在WDM全光网中的应用研究.何瑾琳.东南大学2.1.1主要内容2.1.1.1光纤光栅基本理论介绍本章主要对已有的光纤光栅技术进行综述分析。首先，介绍光纤光栅传感的关键器件，并进行对比。其次，对光纤光栅相关技术进行综述，包括相关概念的论述以及对几类光纤光栅分析方法进行评估，得到耦合模理论的合理性和实用性。另外，本文对光纤光栅的分类和工艺进行阐述。接下来，有关光纤光栅的应用方面，全面介绍了光纤光栅在激光器、滤波器、色散补偿、波长选择器以及温度压力传感器上的应用现状。2.1.1.2光纤光栅基本理论及其特性本章以耦合模理论为基础，从耦合模方程出发，建立描述光纤光栅特性的数学物理模型。在此基础上，研究了均匀和非均匀布拉格光纤光栅的光谱特性，分析了各项光栅参数对光谱特性的影响；讨论了外界物理量（如温度、压力等）东南大学王禹欣4对光栅特性的影响。虽然只有在少数几种情况下，如方形波导、圆波导这类能求出解析解，但是我们可以借助这些规则波导的解析解，研究一些比较复杂的无法直接求解的光波导，也就是说可以把复杂的分解成可以求解的光波导受到微扰而成的。这就是本文所推导的耦合模方程的思想，避开了麦克斯韦方程组的复杂求解，理论基础在于各个模式具有正交性。对于FBG的滤波特性，在均匀光纤光栅情况下：光栅长度一定，光栅发射率随着耦合系数的减小而减小，包括中心波长和旁瓣，反射光谱宽度也变窄；在耦合系数一定的情况下，光栅长度的减小导致了峰值反射率的降低，对反射谱的带宽的影响不明显。对于非均匀的光纤光栅：（1）切趾光栅：其折射率变化实现光栅两端的折射率匹配，能够帮助抑制旁瓣的反射率，参数合理的升余弦函数和线性函数的滤波效果比较理想。（2）啁啾影响：引入啁啾可以有效增加带宽，但是随啁啾系数的增大，峰值反射率近似线性下降，并且可能导致不对称性。（3）突变相位：在光栅中心插入一π相移后，光栅反射谱的滤波特性有了明显变化，在中心波长处产生一窄通带，相当于开了一透射窗口；另外，随着耦合系数的减小，通带带宽增大，但同时整个光谱的反射率也相应减小。（4）倾斜角：开始随着倾斜角的增大，光栅的反射带宽和峰值反射率呈减小趋势，此后光栅的这两项谱特性随倾斜角增大呈起伏变化，在某些特定倾斜角上达到最小，与倾斜因子变化趋势一致。（5）取样光栅：反射谱呈多峰结构，主反射峰的波长间距随取样周期的减小而增大。随着占空比的减小，取样光栅反射谱的主峰峰值反射率降低，次峰的峰值反射率增大对于光纤光栅的应变与温度特性分析，首先从应力光学出发，研究应变特性，得到其轴向应变下折射率的变化，并且发现，一定包层参数下长周期光纤光栅对应变的敏感度相对较低。定义光栅的温度灵敏度为单位温度变化下光栅谐振波长的偏移量，类似的得到光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅的温度灵敏度表达式，并且，长周期光纤光栅的温度灵敏度也与包层参数有关，参数变化会导致其对温度同样相对不敏感。我们可以利用对包层参数的设定，解决交叉敏感的问题。2.1.1.3相移长周期光纤光栅根据耦合模理论，非均匀的长周期光纤光栅可以利用传输矩阵法，即微元的细想，得到其内部光传播的信息。以此作为分析的基础。对相移长周期光纤光栅的滤波特性，讨论了相移大小、位置、个数以及耦合系数、切趾函数对光谱特性的影响。光分插复用技术现已有多种研究出的结构类型，效果较好的环形器由于其价格昂贵，在使用上还不够普及，一般考虑用相移长周期光纤光栅这一类传输型带阻滤波器作为OADM的滤波单元。本文提出了几种基于相移长周期光纤光栅带阻滤波器的新型OADM结构。在优化级联LPG的基础上，得到了多个信道阻带等间距排列的输出光谱，可以将其作为带阻滤波器构成OADM的波长选择单元。本文讨论了几类基于相移LPG的OADM结构配置，通过调整相移光栅参数，实现了对一个或多个波长信道的灵活上、下路功能。2.1.1.4WDM网络中基于光纤光栅的波长路由器件的线性串扰本章主要研究光纤光栅作为滤波器应用于波长路由器件后引起的串扰问东南大学王禹欣5题以及串扰对系统性能的影响WDM网络主要是基于波长路由的，各类路由引入的带间同频和异频干扰，会随信号积累，严重影响系统性能。WDM网络中串扰主要是线性和非线性的两大类，其中，非线性串扰主要由非线性光学效应引起，比较微弱有时可以忽略不计。线性串扰是由光滤波器和光开关等无源光器件的不完善引起信号泄漏造成的。本节推导了对于EDA前置放大器的IM/DD系统的影响，考虑了散弹噪声和接收机电路热噪声，得到串扰影响后的信噪比表达式。利用基于高斯分布近似的半经典理论，计算了系统误码特性。讨论了滤波器设计参数和WDM系统参数对误码率、接收机灵敏度的影响。本文得到下面的结论：光栅的耦合系数是影响滤波器带宽和旁瓣幅度的主要因素，减小耦合系数可以提高接收机灵敏度，达到改善误码性能的目的；光栅耦合系数一定，增大光栅长度可以提高滤波器峰值反射率，使主信道信号获得最大传输；加大WDM信道间隔可减小串扰功率；减少系统中复用信道数也使得串扰的影响降低，从而提高了接收机灵敏度。总之，异频串扰对系统的误码性能影响较大，在设计基于光纤光栅的波分解复用器时，应优化光栅结构参数使滤波器选频特性最理想，并在接收机前端加上窄带滤波器以尽量减小异频串扰信道对系统的影响。对于OXC的同频串扰分析，本节讨论了光栅长度、光栅耦合系数等滤波器设计参数和接收机电带宽、激光器线宽等系统参数对系统功率代价的影响。结果发现，光栅旁瓣的幅度随耦合系数增大而增大；在耦合系数一定时，光栅长度增大可以提高中心波长反射率，从而提高信噪比；功率代价随偏振因子增大而增大；外调制可以克服激光器频率啁啾、减小线宽；稳频技术可以保证激光器维持低漂移，使得功率代价可以保持在相对恒定的状态。2.1.1.5光纤光栅在色散补偿中的应用本节主要分析的是两类光纤光栅在色散补偿中的应用：均匀光纤光栅和啁啾光纤光栅。一般色散补偿的方式有两类：利用色散补偿光纤，需要较长的补偿光纤才能抵消，并存在较大的损耗和非线性，而另一种是啁啾布拉格光栅，需要的长度仅仅是厘米级别，损耗小，成本低。首先，本节分析了高斯脉冲初始啁啾、初始脉宽对色散补偿能力的影响，发现，随着耦合系数和光栅长度的增加，可补偿光纤距离加大，并且光栅色散补偿能力与脉冲的初始脉宽成正比，与初始啁啾成反比。在均匀光纤光栅基础上，分析了不同切趾函数光纤光栅的时延谱，发现切趾法可以有效的减小反射谱中振荡及时延谱中的抖动现象。定义了几个品质因素来全面分析衡量啁啾光纤光栅的色散补偿能力，发现sinc切趾光栅有最佳的综合性能。2.1.2评论本文建立了统一的光纤光栅分析理论模型，其中，基于此综合的耦合模理论模型，对各种非均FBG的滤波特性分析以及光栅参数对光栅反射谱影响的规律是具有意义的。本