一、光纖光柵傳感技術

?????????光纖光柵是利用光纖材料的光敏性，通過紫外光曝光的方法將入射光相干場圖樣寫入纖芯，將周期性微擾作用于光纖纖芯，在纖芯內產生沿纖芯軸向的折射率周期性變化，從而形成永久性空間的相位光柵，其作用實質上是在纖芯內形成一個具有波長選擇能力的窄帶的（透射或反射）濾波器或反射鏡。當一束寬光譜光經過光纖光柵時，滿足光纖光柵Bragg（布拉格條件）的波長將產生反射，其余的波長透過光纖光柵繼續傳輸。結構如下圖所示：

?????????利用光纖光柵對于溫度和應變敏感的這兩種效應，可以檢測多種物理量。由于裸光纖光柵直徑只有125μm，在惡劣環境中容易受到損傷，只有對其進行保護性的封裝設計，才能保證光纖光柵具有更穩定的性能，進而延長其使用壽命。同時，通過合適的封裝結構，選用不同的基底材料，也可以實現溫度增敏和交叉補償等功能。

二、光纖光柵發展情況

?????? 1978年，加拿大通信研究中心的Hill等發現纖芯摻鍺的光纖具有光敏性，并利用駐波干涉法制成了世界上第一根光纖光柵[1]。

????????1989年，美國東哈特福聯合技術研究中心的Meltz等利用244nm的紫外光雙光束全息曝光法成功地制成了光纖光柵[2]，用兩束相干光相遇時所產生的干涉條紋使光敏光纖曝光，形成折射率的周期性永久改變，從而制成光柵。這種光柵已達到實用階段。但這種方法有其缺點：一是對光源的相干性要求較高；二是對系統的穩定性要求高。

????????1993年，貝爾實驗室的Lemaire等用光纖載氫技術增強了光纖的光敏性[3]，這種方法適用于任何摻鍺的光纖。通過光纖的載氫能夠將在不增加摻鍺濃度的情況下，使光纖的光敏性大大提高。1993年，又提出了制作光纖Bragg光柵的相位掩模法[4,5]，是到目前為止最為實用化的一種方法，仍被普遍采用，但這種方法的主要缺點是制作掩模版，一種掩模版只對應一種波段的光纖光柵。

????????1996年，出現了長周期光纖光柵[6～8]，這種光柵的周期較長，可以在數十微米到幾百微米之間。光纖Bragg光柵具有選擇性反射作用，是將前向傳輸的纖芯模耦合到后向傳輸的纖芯模中去，而長周期光纖光柵則是將纖芯模耦合到包層模，而包層模在傳播不遠后會損耗掉，從而在透射光中形成損耗峰。

????????近些年來，光纖傳感技術發展異常迅速，同時呈現出巨大的發展潛力，受到西方國家的高度重視，我國也特別重視這一新型傳感器的研發與應用。關于光纖傳感器的研制，我國的起步時間與發達國家相差并不是太遠，而且目前相當一部分的成果具有較高使用價值，有的已達到國際先進水平。目前，光纖光柵通常采用波長調制，利用波分、時分等復用技術可以方便地獲取海洋溫度剖面信息，其在海洋環境探測中具有極大的應用潛力。光纖光柵諸多本征優勢已引起國內外許多科研工作者和科研單位開展其在海洋應用方面的相關研究。

三、光纖光柵類型

??????? 根據周期的長短，通常把周期小于1μm的光纖光柵稱為短周期光纖光柵，又稱為光纖Bragg光柵或反射光柵，Bragg光柵的特點是傳輸方向相反的纖芯模式之間發生耦合，屬于反射型帶通濾波器；而把周期為幾十至幾百μm的光纖光柵稱為長周期光纖光柵，又稱為透射光柵，長周期光纖光柵的特點是同向傳輸的纖芯基模和包層模之間的耦合，無后向反射，屬于透射型帶阻濾波。

????????光纖光柵按波導類型可分為均勻光柵和非均勻光柵。均勻光纖光柵的特點是光柵的周期和折射率調制的大小均為常數，這是最常見的一種光纖光柵，其反射譜具有對稱的邊模振蕩，但是其邊模振蕩較大，在通信中容易引起碼間串擾，而最典型的均勻光柵為均勻光纖Bragg光柵。而非均勻周期光纖光柵的特點是光柵的周期或者折射率調制的大小均不為常數，而是變化的，最典型的非均勻光柵為啁啾光纖光柵，閃耀光柵，超結構光柵（取樣光柵）等。

????????按光纖光柵的形成機理分可以分為利用光敏性形成的光纖光柵和利用彈光效應形成的光纖光柵。光纖光柵的光敏性是指物質的物理或者化學性質在外部光的作用下發生暫時或永久性改變的材料屬性。對光纖材料的光敏性而言，則是指折射率、吸收譜、內部應力、密度和非線性極化率等多方面的特性發生永久性改變。而利用彈光效應形成的光纖光柵的特點是利用周期性的殘余應力釋放或光纖的物理結構變化從而軸向周期性地改變光纖的應力分布，通過彈光效應導致光纖折射率發生軸向周期性的分布，從而形成光柵。

四、 光纖光柵應用

?????? 【1】 光纖光柵在通信領域中應用：

????????光纖Bragg光柵具有反射鏡的作用，其可以用來構成光纖激光器中的諧振腔。通過改變參數，使其反射波長、帶寬、反射率達到實際要求的大小。光纖激光器與光纖放大器通常需要用波長穩定的半導體激光器作為泵浦光源，若將半導體激光器直接連接到光纖上，會引起激光器的不穩定輸出，在兩者之間接入一個光纖Bragg光柵，起到波長選擇和對輸出的穩定作用，還可以起到窄帶濾波作用，輸出帶寬非常窄的光束。

????????光纖Bragg光柵的帶寬較小，且經過變跡處理后具有很高的邊模抑制比，因此變跡光纖Bragg光柵在DWDM中有很重要的應用，既可作為上/下路波分復用器，又可以利用光纖Bragg光柵的帶通率波特性，選擇所需的波長，加上光纖環形器等輔助器件制作成解復用器。

????????影響光纖通信向高速、大容量發展的兩個重要因素是光纖的損耗和色散。損耗問題可以利用摻鉺光纖放大器較好地解決，而色散則需要通過其他方法加以補償或消除。目前，已提出了多種方法對光纖進行色散補償，但較成熟的方法是色散補償光纖和啁啾光纖Bragg光柵。前者利用一種色散較大的光纖來補償通用光纖中的色散，但成本較高，插入損耗大，非線性效應強，補償效果不夠理想。后者利用啁啾光纖Bragg光柵對色散進行補償是一種有效的方法。啁啾光柵插入損耗小，色散補償量大，體積小，成本低，是一種全光纖的無源器件，數厘米長的啁啾光柵可以補償上百公里以上的光纖產生的色散。

??????? 【2】光纖光柵在傳感領域的應用：

??????? 基于光纖光柵傳感過程是通過外界參量（如應力、應變、溫度、濃度等）對它的Bragg波長的調制來獲取傳感信息。光纖光柵傳感器與傳統傳感器相比有如下優點：

????????采用波長編碼，可以克服強度調制傳感器要補償光纖連接器和耦合器損耗及光源輸出功率起伏變化的不足。

????????抗電磁干擾，耐腐蝕，能在惡劣的化學環境下工作。

????????傳感探頭結構簡單，質量輕，體積小，容易進行空間很小部分的物理量變化測量，這有利于航空等狹小空間的應用，它對被測介質影響小，可以埋在材料內部做智能材料。

????????易于將多個光纖光柵串聯在一根光纖上構成光纖光柵陣列，可以實現分布式傳感。還可以利用光纖通信中的復用技術組成傳感網絡，且利用現有的光纖網絡實現遙測。

????????光纖光柵傳感器的應用范圍非常廣，在建筑、橋梁、油田及航空、大壩等工程中都可以進行實時安全、溫度及應變監測。

??????? 【3】光纖光柵在信號處理領域應用：

??????? 隨著全光網絡、光子信息技術的飛速發展，光纖光柵可以廣泛應用于光信息處理、全光邏輯電路等方面。如利用相移光纖Bragg光柵可以在原來的光譜中打開一個或多個寬帶很窄的缺口，可在光通信中用于波長解調、全光纖開關。振幅取樣光纖Bragg光柵可用于密集波分復用系統中的梳狀濾波器，相位采樣光纖Bragg光柵可用于多通道色散與色散斜率補償。利用光纖光柵本身的時延特性或反射特性，可設計特殊結構的時延器。

????????特別地，近來出現了利用光纖光柵克服傳統電路速度受限的影響，完成了電子電路中的信號變換，以實現光的全光傳輸與光信息處理，如時間積分器、微分器、希爾伯特變換器。

五、光纖光柵產品

??????? 【1】光纖通信器件

????????光纖光柵具有附加損耗小、體積小、能與光纖很好地耦合、可與其他光纖器件融成一體等特性，使得光纖光柵能夠為全光通信系統中的光源、光放大、色散補償、OTM(光終端復接器)、OTDM(光時分復用)、OXC(光交叉連接)等關鍵和部件提供有效的解決方案。

??????? 【2】單點傳感器

??????? 光纖布拉格光柵基于波長調制，其是通過光刻在光纖上的光柵間距變化感知外界溫度、壓力、電磁等變化，從而對反射波長行調制，實現光纖“傳”與“感”的合一，采用合適的封裝結構和工藝，可達到溫度增敏、壓力減敏的目的，進而實現對環境態勢的測量。隨著電子芯片、光柵刻畫及封裝工藝日漸成熟，光纖光柵傳感器能做出越來越小點式傳感器。

??????? 相關產品有：光纖光柵的溫度、應變傳、加速度、位移、傾角、電磁、相移、水平、液壓等傳感器件。

??????? 【3】分布式傳感器

??????? 光纖光柵中心波長由其有效折射率與周期共同決定，因此可以在同一條光纖上刻蝕多個具有不同反射波長的光纖光柵，進行分布式溫度測量以方便獲取環境溫度、壓力剖面信息，實現多點多態監測的分布式測量系統。

??????? 相關產品主要有：光纖光柵分布式測溫、測振、測應變等傳感件

總結

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