光纤光栅技术与应用.

1光纤光栅技术与应用From:GDFT20052内容光纤光栅技术与应用Part1光纤（OpticalFiber）及光通信技术简介Part2光纤光栅（OpticalFiberGrating）Part3光纤光栅的应用内容3Part1光纤及光通信技术简介4通信波段划分及相应传输媒介频率Hz10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015自由空间波长（m）电力、电话无线电、电视微波红外可见光双铰线同轴电缆光纤卫星/微波AM无线电FM无线电频段划分传输介质电磁波谱的划分光纤光栅技术与应用5光纤及光通信技术简介光纤光栅技术与应用光通信–用光波载运信息，实现通信光纤通信–以光波载运信息，用光纤作传输媒体，实现通信光纤通信的优点频带宽、信息容量大传输损耗低、无中继距离远材料丰富抗电磁干扰光纤间串话小，保密性好耐腐蚀、耐高压体积小、质量轻6光通信的发展光纤光栅技术与应用光通信的发展过程雏形：古代烽火、手旗、灯光潜望镜原理——光波导之雏形7光纤基本理论光纤光栅技术与应用菲涅耳定律：n1sinθ1=n2sinθ2n1n2n1n2θ1θ2n2n1n1n2θ2θ1结论：若要实现全反射，则必须有n1n28光纤基本理论光纤光栅技术与应用ΔnnnNA212221Φmax=arcsin(NA)φn1n29可见，光纤的数值孔径（NA）仅取决于纤芯的折射率的大小及包层相对折射率差，而于光纤的直径无关。标准多模光纤的NA公称值一般为0.2，对应的孔径角约为11.5º。标准单模光纤的NA公称值一般为0.1～0.15，对应的孔径角约为5.7º~8.6º。光纤基本理论光纤光栅技术与应用10光纤结构纤芯包层涂敷层护套光纤结构光纤光栅技术与应用单模光纤内径：9µm多模光纤内径：50µm外径：125µm尺寸规格：11光纤结构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12机械手MechanicalhandleCapstan对中卡头Three-jawchuckModifiedChemicalVaporDeposition高温炉Graphitefurnace测温仪Pyrometer分离及沉积处理Separatedeposition测径仪FiberdiameterGauge空气净化系统ClearAirSystem机械手Mechanicalhandle涂杯Coatcup对中itioncentercontrol光固化vioietCuringSystem涂杯Coatcup对中itioncentercontrol光固化UltravioietCuringSystem对中itioncentercontrol热固化UltravioietCuringSystem涂杯Coatcup对中itioncentercontrol热固化UltravioietCuringSystem气相色谱VaporPhasechromatogrameter基座高温炉配重排除尾气13光缆构成光纤光栅技术与应用常用光缆的典型构成14国外光纤技术发展情况光纤技术发展概况光纤光栅技术与应用20世纪60年代中期，所研制的最好的光纤损耗在400dB以上1966年英国标准电信研究所高锟及Hockham从理论上预言光纤损耗可降至20dB/km以下日本于1969年研制出第一根通信用光纤损耗为100dB/km1970年康宁公司（Corning）采用“粉末法”先后获得了损耗低于20dB/km和4dB/km的低损耗石英光纤1974年贝尔实验室（Bell）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。到1979年，掺锗石英光纤在1.55µm处的损耗已经降到0.2dB/km，这一数值已经十分接近由Rayleigh散射所决定的石英光纤理论损耗极限15光纤技术发展概况光纤光栅技术与应用1963年开始光通信的研究1977年，第一根短波长(0.85mm)阶跃型石英光纤问世，损耗为300dB/km1978年，阶跃光纤的衰减降至5dB/km。研制出短波长多模梯度光纤，即G.651光纤1979年，研制出多模长波长光纤，衰减为1dB/km。建成5.7km、8Mb/s光通信系统试验段1980年1300nm窗口衰减降至0.48dB/km，1550nm窗口衰减为0.29dB/km。1981年多模光纤活动连接器进入实用1984年武汉、天津34Mb/s市话中继光传输系统工程建成(多模)1990年，研制出G.652标准单模光纤，最小衰减达0.35dB/km1992年降至0.26dB/km国内现状161991年，研制出G.653色散位移光纤。最小衰减达0.22dB/km1997年，研制出G.655非零色散位移光纤“六五”、“七五”、“八五”铺设“八纵八横”光纤线路总长约七万公里光纤技术发展概况光纤光栅技术与应用虽然光纤光缆的研制仅短短的20多年，其应用却已相当普遍。迄今，已敷设光缆长度超过100万km，光缆已敷设到世界屋脊西藏。生产光缆的厂家有200多家，每年所用光纤的数量超过400万km。在实际网络中，无论是核心网还是接入网，目前主要应用的还是G.652光纤。在核心网中新建线路已开始采用G.655光纤，在接入网中已开始应用光纤带光缆。我国光通信领域已掌握了光纤、器件、系统等各方面的关键技术，逐渐走进了国际光通信的先进行列。尤其在主要技术上，都有了自己的特色和创新。17中国网通公司光纤通信网络•采用铁道部光纤连接成环，总长3400km；•江苏/安徽/上海/江西/浙江/福建6省市，17个节点，52个传输站；•系统容量16×2.5=400Gb/s；•应用IPoverSDH/WDM技术；•2000年底开通运行上海石家庄北京天津济南合肥南京杭州福州广州长沙武汉郑州南昌深圳厦门国内光纤通信网示例光纤光栅技术与应用18光纤通信系统方框图单信道全光中继数字通信光--电--光中继的数字通信光纤通信技术基础光纤光栅技术与应用19时分复用技术光纤光栅技术与应用时分复用TDM－TimeDivisionMultiplexingSignal1Signal2SignalnSignal3MultiplexerDemultiplexerOpticalFiber20Lucent公司研制的单波长速率320Gb/sOTDM试验系统是目前单波长速率最高的系统。在发送端：20Gb/s电信号经光调制器输出光信号，再经由20GHz驱动的半导体电吸收光调制器、再生器使20Gb/s的光信号的脉冲宽度压缩变窄，之后采用延迟插入和极化正交的光时分复用OTDMMUX，产生出320Gb/s光信号。时分复用技术示例光纤光栅技术与应用21波分复用技术光纤光栅技术与应用波分复用WDM－WavelengthDivisionMultiplexingλnλ1λ2λnλ3DemultiplexerMultiplexerλ1λ2λ322Nortel和Worldcom公司联合对1Tb/sWDM系统进行现场试验。从美国Dallas到Longview市。全长200公里，采用单纤双向传输。波分复用技术光纤光栅技术与应用23波分复用技术光纤光栅技术与应用密集波分复用(DWDM,DenseWavelengthDivisionMultiplexing)当波分复用的峰波长之间的间隔为1.6nm，0.8nm或更低时(对应的约为200G，100GHz或更窄的带宽)。频分复用(FDM,FrequencyDivisionMultiplexing)更为密集的波分复用。波分复用系统的主要缺点是由于WDM的插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，最关键的是波分复用器件的价格仍太高。24时分—波分复用技术光纤光栅技术与应用时分－波分复用Time-FrequencyDivisionMultiplexingλ1,λ2…λkTx1TxnTx2Tx2WDMMUXTx(λ1）λ1λ2λkTDMMUX25Lucent公司研制的3.28Tb/s试验系统是目前容量最大的试验系统。系统速率为40Gb/s,共82个波长光滤波器波长间隔为100GHz，系统工作于C和L两个波段分别容纳40和42个波长通道波分复用，后采用时分复用。时分—波分复用技术光纤光栅技术与应用26Part2光纤光栅27光纤光栅简介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。光纤折射率变化部分ΛeffBn228光纤及光通信技术简介光纤光栅技术与应用K.O.Hill等人实验原理示意图光功率计氩离子激光(514.5nm)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。光纤光栅简介光纤光栅技术与应用输入谱传输谱反射谱应变引起波长移动III30光纤光栅简介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，光纤光栅可分为短周期光栅(BraggGrating，也称光纤反射光栅)长周期光栅(LongPeriodGrating，也称光纤透射光栅)和啁啾光栅(ChirpedGrating，又称为非周期光栅)。31FBG有较小且均匀的周期，一般约为0.5～1µm，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光栅技术与应用光纤布拉格光栅TpeBB)()1(32tf啁啾光栅啁啾光栅光纤光栅技术与应用tftp33啁啾通常是指一种频率变化的现象，如果Bragg光纤光栅的周期或折射率沿长度方向发生一定变化，则其Bragg频率沿长度方向也会发生一定变化，即发生了啁啾，这种光纤光栅就称为啁啾光纤光栅。啁啾可以是线性的也可以是非线性的，周期沿长度方向线性变化的光栅称为线性啁啾光栅。啁啾光栅光纤光栅技术与应用34啁啾光栅光纤光栅技术与应用色散产生原理示意图波长色散的起因有两个：1）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，称为材料色散；2）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。35啁啾光栅光纤光栅技术与应用36长周期光栅光纤光栅技术与应用LPG周期在100µm以上。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，这限制了LPG在准分布式传感系统中的应用。37Part3光纤光栅应用383S：SmartSkinSmartMaterialSmartStructure光纤光栅光纤光栅技术与应用39分布式光纤传感器测量是运用光纤的一维特性进行测量的技术，它可同时获得被测量的空间分布状态和随时间变化的信息。它可以在整个光纤上对沿光纤分布的环境参数进行连续测量。在理论上，它可以把被测量作为光纤位置长度的函数，能得到任意大小的分辨率。分布式光纤传感器光纤光栅技术与应用分布式光纤传感系统401、反射法：利用光纤在外部扰动作用下产生的Reyleigh、Raman、Brillouin等效应进行测量的方法。2、偏振光时域反射法(POTDR)：利用后向散射光的偏振态信息进行分布式测量的技术。3、波长扫描法(WLS)：用白光照射保偏光栅，运用