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1、第一章 绪 论光纤光栅是利用光纤材料的光敏性在光纤内建立的一种空间周期性折射率分布，其作用在于改变或控制光在该区域的传播行为与方式。作为一种新型的光学器件，光纤光栅已经在诸多方面得到了不同的应用。相信在不久的将来随着光纤光栅与其他技术的进一步结合，其可应用前景会更为广阔。1.1光纤光栅的发展历史光纤技术自20 世纪60 年代末至今在不到30 年的时间里以惊人的速度发展成为信息技术领域中的支柱性高新技术。然而, 随着现代社会对信息技术的更新更高的要求, 光纤通信、光纤传感技术正面临着新的挑战。传统光学器件由于制作的复杂性和体积大而笨拙等原因无法适应新技术的要求。因此光纤光栅应运而生。光纤光栅是利
2、用石英光纤的紫外光敏特性将光波导结构直接写在光纤中形成的光纤波导器件。该技术最早出现于1978年，加拿大的K.O.Hill 在掺锗光纤中，用488nm氩离子激光在光纤中产生驻波干涉条纹，首次发现了在掺锗光纤中的光致光栅现象，并制造出世界上第一条光纤光栅。从此开创了光纤光栅发展的历史。这种方法制作的Bragg光纤光栅反射滤波器的线宽可以很窄，反射率也较高，但只能制作反射波长和写入波相同的光纤反射器，通过加外力的方法使光栅的调谐范围较小，大大限制了他的应用。此后由于制作工艺及应用的局限这项技术一直未得到进一步的发展，历经十年进展缓慢。直到1989年，美国的Meltz等人利用两束干涉的紫外光从光纤的
3、侧面成功地写入了光栅，研制成功Bragg光纤光栅滤波器。Archambult等人也报道了用单个准分子激光器制作近100%反射率的Bragg光纤光栅滤波器的方法。这标志着光纤光栅技术进入了快速发展的阶段。此后随着写入方法的不断改善；光敏性的逐渐提高；各种特种光栅也相继问世；同时光纤光栅的应用前景也得到了广泛的关注。特别是近年来光纤光栅在光通信、光纤激光器和光纤传感器等领域的应用越来越受到人们的重视，取得了令人瞩目的成就。随着光纤光栅技术的不断成熟和商用化, 专家们预言, 从光纤通信、光纤传感到光计算机和光信息处理的整个光纤领域将发生一次变革性飞跃。光纤光栅的出现将改革人们在光纤技术应用中的传统设
4、计思想, 可以说光纤光栅技术是继掺铒光纤放大器(EDFA ) 技术之后光纤技术发展的又一个新的里程碑。光纤光栅在应用上的一个重大突破就是使各种光学器件的全光纤化和集成化成为可能。诸如光纤光栅激光器、光纤光栅滤波器、分接头、波分复用器及解复器等器件的研究都取得了相当快的进展。光纤光栅以其造价低、稳定性好、体积小、抗电磁干扰等优良性能，被广泛应用于光纤通信和光纤传感等各个领域。尤其是它易于集成的特性，使得全光纤一维光子器件集成成为可能。此外, 作为信息摄取的光纤光栅传感器及其应用即3S 系统（Smart Material, Smart Structure, Smart Skin）已经引起科学界极大
5、关注并成为研究热点。这是一种将光纤光栅技术、光纤神经网络、光纤致动仪器有机的结合为一体，把光纤光栅埋入或贴附在飞机、船舶、坦克等运载体表面或建筑体（楼房、桥梁、大坝等）承力件外蒙皮的复合材料中，可制成灵敏材料、灵敏结构和灵敏皮肤的智能传感系统。这些研究成果对全光信息发展的巨大推动作用可能会大大超出人们的想象。3S系统的出现标志着对光纤光栅技术的研究又进入个一个崭新的时代。1.2光纤光栅的分类光纤光栅是光纤导波介质中物理结构呈周期性分布的一种光子器件，根据物理机制的不同，可分为蚀刻光栅和折射率调制的位相光栅两类。前者在光纤结构中形成明显的物理刻痕，后者主要在纤芯中形成折射率周期分布。在学术研究和
6、实际应用等各方面后者均占主导地位。因此，通常所说的光纤光栅指的是折射率调制的位相光栅。依据不同的分类标准可以把光纤光栅分类如下：一、根据成栅机制的不同分类：根据成栅机制光栅可以分为三种类型，分别称之为型、型和型（A型）光纤光栅。1. 型光纤光栅：连续或者能量较弱的多个脉冲光波在光敏光纤中形成的传统意义上的光折变光栅被称之为型光栅。它有较理想的透射谱，反射率可以达到百分之几十，满足布拉格条件时短波一侧没有明显的的耦合损耗，但由于在比较低的温度下光栅会开始变弱或消失，因此热稳定性差。2. 型光纤光栅：由单个能量密度很高的光脉冲曝光形成。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，从而产
7、生了光栅现象。型光栅的主要特点体现为：对蓝、绿光不敏感，带宽较大(15nm)；具有很强的将光能耦合到包层或辐射模中的能力，但也因此造成较大的插入损耗；同时在满足布拉格条件时反射谱短波一侧有很强的传输损耗。但，相对型光纤光栅这种类型的光栅在应用领域具有一个显著的优点很好的热稳定性，在800环境中放置24小时后其反射率无明显变化，在1000环境中放置4小时后大部分光栅才消失，这个特点使型光栅可以工作在极其苛刻的温度环境中。3. 型光纤光栅：又称A型光纤光栅。在对型光栅进行过量曝光时发现了这种类型的光栅7。其反射率可达100。区别于型、型光栅的是：型光纤光栅随着曝光量的增加其折射率呈负增长趋势。在热
8、稳定性方面型光栅介于型光栅与型光栅之间，同样适用于高温工作环境。二、根据空间周期和折射率分布的不同分类：【原文已删除，如需完整论文，加QQ：10247336详谈】【通信工程本/专科毕业论文修改与拟稿组】第二章 光纤光栅传感理论分析光纤光栅是通过改变光纤芯区折射率，产生小的周期性调制而形成的，其折射率变化通常仅在10-510-3之间。将光纤置于周期性空间变化的紫外光源下即可在光纤芯中产生这样的折射率变化。用于制作这种光纤光栅的主要技术之一是两个紫外光束形成的空间干涉斑纹图来照射光纤，这样就在光纤芯部生成了永久的周期性折射率调制。因此可以利用光在波导介质中传播的耦合模理论1,2对其进行分析。耦合模
9、理论可以精确分析光波导中传播模式之间的耦合现象，因此将这一理论应用于光纤光栅可以正确的分析不同类型光纤光栅的传输特性。尤其是对于一些形式较为简单的光纤光栅，例如均匀周期的布拉格光栅，可以通过耦合模理论得到解析表达式和精确的结果。对于更为复杂的光纤光栅类型（例如啁啾光栅、相移光栅等）同样可应用这一理论，但由于推倒计算过程较复杂，考虑采用其他更为简便的方法进行分析，本文主要介绍了传输矩阵分析法、多层薄膜叠加法和傅立叶变换法三种普遍应用的分析方法。2.1光纤光栅的耦合膜理论(一)、耦合膜理论概述由耦合模理论可知，当波导中存在折射率周期性扰动时，将导致传播模式之间的耦合。由麦克斯韦方程： （2.1）
10、（2.2）因光波导中不存在自由电荷，故在（2.1）式中，并将（2.1）、（2.2）两式联立，可得到绝缘介质的波动方程： （2.3）由于波导介质具有非均匀性，且耦合波具有慢变性，所以，以微扰的形式处理介质的变化，其极化强度可以表示为： （2.4）将带有微扰项的极化强度（2.4）式带入波动方程（2.3）式，可以得到： （2.5）因为在直角坐标系中Ex、Ey表达形式相类似，所以均用E来表示。对TE模可略去导模与辐射模之间的耦合，则有： （2.6）其中m表示本征模的模序数，c.c.代表复共轭。将（2.6）式代入（2.5）式可得： （2.7）而本征模场满足非微扰波导的波动方程： （2.8）式中,而n是介
11、质的折射率。由于正交性，（2.7）式中前三项之和为零。由慢变假设条件： 经推导可得： （2.9）上式中“-”表示向-z方向传播，“+”表示向+z方向传播。该式为处理波导中模式耦合问题的基本方程。周期性的平面介质波导的周期性是由于一个界面上的皱阶引进的，因此这种波导也称为皱波导。其介电常数的变化可以表示为： （2.10）【原文已删除，如需完整论文，加QQ：10247336详谈】【通信工程专业本/专科毕业论文修改与拟稿】第三章 大量程光纤光栅压力传感器的研制自从光纤光栅应用于传感领域以来，光纤光栅传感技术得到了迅猛的发展，它不光能直接传感温度和应变，还能通过各种封装手段间接传感压力、位移、电流、磁
12、场、微振动、倾角等物理量。由于光纤光栅自身具有传统电传感器所无可比拟的优势，光纤光栅传感器的开发和研制正受到越来越多的关注，各种实验结果和应用实例层出不穷。我们在研究光纤光栅应变、压力特性的基础上，研制成功了轮辐式光纤光栅压力传感器和光纤光栅倾角传感器。 未经封装的裸光栅不仅柔软易断，而且压力灵敏度很低，M.G.Xu等人通过实验发现裸光删波长随压力变化的灵敏度仅为-3.010-3nm/Mpa。随后的十几年中，人们在光纤光栅压力增敏方面做了大量研究工作，取得了很多重要的成果上述研究成果，用不同的封装方法不同程度的实现了光纤光栅压力的增敏，但它们也有各自的缺点，大多数研究仍然局限于实验室阶段，距离
13、实用还有一段距离。另外，在确保一定的测量精度的前提下，压力增敏的同时，光纤光栅的压力测量范围会减小，这是一对矛盾。我们采用一种新颖的封装结构，把光纤光栅粘贴在轮辐式结构的一个轮辐上，利用压力对轮辐产生的剪切力带动光栅，从而实现对光纤光栅压力传感的测量。我们研究的光纤光栅压力传感器测量范围是030KN，灵敏度为0.02843nm/KN，线性度高达0.9998。传感器实物如图3.1所示。随后，我们对该传感器的温度压力交叉敏感问题进行了研究，采用双光栅的方法，有效的消除了图3.1 轮辐式光纤光栅压力传感器实物图【原文已删除，如需完整论文，加QQ：10247336详谈】【通信工程本/专科毕业论文修改与
14、拟稿组】致谢在完成这篇论文的时候，首先我要向我的导师XX致以我最深刻的敬意和感激。在我做毕业设计学习期间，导师不仅对我的研究方向给予了充分的指导，更始终以他谦逊的为人和严谨的治学态度影响着我。他的言传身教不仅使我完成了一段学业，更重要的是让我学会了如何从事科研工作。在此，我要向XX老师表示最深的谢意。同时要深深感谢XX同学，在这项设计上给予我的帮助。他在我的整个工作过程中从实验到经验给了我很多有益的意见和建议。还要感谢同课题的许多同学的协助和支持。如果没有他们的帮助，我真的很难想象我能顺利完成这项工作。还要谢谢我的其他同学及好友们。有了他们的陪伴和鼓励，我才能坚定地走了下来。是他们，让我的生活
15、有了如此鲜艳的色彩。 最后要感谢我的父母。他们永远宽容地包容着我，原谅着我的种种过错，并总是第一时刻给我鼓励，给我支持。所以在论文完成之际，我希望他们能分享我的欣喜。 参考文献 1 K.O.Hill, Y.Fujii, D.C.Johnson, and B.S.Kawasaki, “Photosensitivity in optical waveguides :Application to reflection filter fabrication”, Applied Physics Letters, 1978, Vol.32, No.10, pp.647649.2 G.Meltz, W.W.Mo
