Bragg光纤光栅

Bragg光纤光栅（共6篇）

Bragg光纤光栅 篇1

0 引 言

光纤光栅[1,2,3]自问世以来,由于它具有体积小、抗电磁干扰、插入损耗小、波长容易调谐且易于与光纤系统集成等优点,在光纤通信、光纤传感和光学信息处理等领域扮演着举足轻重的角色。而随着制作技术的不断进步,除了均匀光纤布拉格光栅(FBG)外,还出现了各种不同结构的FBG,如啁啾、取样、变迹、切趾和相移FBG等,它们都具有不同的反射谱,可以用于不同的目的。特别是取样光纤布拉格光栅(SFBG)[4,5,6],近年来更是引起了人们的重视。这是因为其传输通道间隔稳定,通带窄,具有极好的波长选择性,用这种特殊结构的光纤光栅制作的新型光子器件在大容量高速率密集波分复用(DWDM)光纤通信网中有着广泛的应用前景。本文基于传输矩阵法,通过数值模拟,给出了SFBG的反射谱特性,并且分析了取样光栅各参量对其反射谱的影响以及消除反射谱旁瓣的切趾技术,给出了切趾后的8通道SFBG反射谱,这将为今后的具体应用提供理论指导和参考。

1 理论分析

SFBG亦被称为超结构光纤光栅,是对均匀光栅按照一定的规律在空间上进行采样而得到的,其结构分布如图1所示。SFBG的取样周期P=a+b,占空比T=a/P,其中,a为单段光栅(光栅区)的长度,b为两段光栅的间隔(非曝光区)长度。光栅a区的折射率分布可表示为

$\delta n{}_{\text{e}\text{f}\text{f}}=\overline{\delta n}{}_{\text{e}\text{f}\text{f}}\left\{1+s\text{c}\text{o}\text{s}\left[\frac{2\text{π}}{\Lambda }z+\phi (z)\right]\right\},(1)$

式中,δneff为光纤的有效折射率;$\overline{\delta n}{}_{\text{e}\text{f}\text{f}}$为光栅周期的平均折射率变化;s为与折射率调制有关的条纹可见度(强取1,弱取0.5);Λ为光栅栅格的周期;φ(z)描述光栅的啁啾或相移。

假设把FBG均分为M段,当光束沿z轴传播到第i段光栅时,通过它的前、后光场的传输模复振幅分别为Ai和Bi、Ai-1和Bi-1。对于FBG,耦合主要发生在传输方向相反的模式间,所以有$\left[\begin{array}{l}A{}_i\\ B{}_i\end{array}\right]=\mathit{F}{}_i\left[\begin{array}{l}A{}_{i-1}\\ B{}_{i-1}\end{array}\right]$,再利用耦合模理论及边界条件A0(L/2)=1和B0(L/2)=0,得到$\left[\begin{array}{l}A{}_{{\rm M}}\\ B{}_{{\rm M}}\end{array}\right]=F{}_{{\rm M}}\cdot F{}_{{\rm M}-1}\cdot \cdots \cdot F{}_i\cdot \cdots \cdot F{}_2\cdot F{}_1\left[\begin{array}{l}A{}_0\\ B{}_0\end{array}\right]=\mathit{F}\left[\begin{array}{l}1\\ 0\end{array}\right]$,式中,F为2×2的传输矩阵;Fi的表达式如下[7]:

$F{}_i=\left[\begin{array}{cc}\cosh (\gamma \text{Δ}z)-i\frac{\widehat{\sigma }}{\gamma }\sinh (\gamma \text{Δ}z)& -i\frac{k}{\gamma }\sinh (\gamma \text{Δ}z)\\ i\frac{k}{\gamma }\sinh (\gamma \text{Δ}z)& \cosh (\gamma \text{Δ}z)+i\frac{\widehat{\sigma }}{\gamma }\sinh (\gamma \text{Δ}z)\end{array}\right],(2)$

式中,自耦合系数$\widehat{\sigma }=\delta +\sigma -\frac{1}{2}\times \frac{\text{d}\phi }{\text{d}z}$;模式间的失谐量$\delta =\beta -\frac{\text{π}}{\Lambda }=2\text{π}n{}_{\text{e}\text{f}\text{f}}\left[\frac{1}{\lambda }-\frac{1}{\lambda {}_{\text{B}}}\right]$;传输常数β=2πneff/λ;直流耦合系数$\sigma =\frac{2\text{π}}{\lambda }\overline{\delta n}{}_{\text{e}\text{f}\text{f}}$;线性啁啾相位项$\frac{1}{2}\times \frac{\text{d}\phi }{\text{d}z}=-\frac{4\text{π}n{}_{\text{e}\text{f}\text{f}}}{\lambda {}_{\text{B}}^2}\times \frac{\text{d}\lambda {}_{\text{B}}}{\text{d}z}$;交流耦合系数$k=\frac{\text{π}}{\lambda }s\overline{\delta n}{}_{\text{e}\text{f}\text{f}}$;Bragg光栅中心波长λB=2neffΛ0;Λ0为光栅周期;$\gamma =\sqrt{k{}^2-\sigma {}^2}$;Δz=a。

对于长度为b的非曝光区,光束在其中自由传播,对传输模式仅仅造成相位延迟,其传输矩阵Fs的表达式如下[7]:

$F{}_{\text{s}}=\left[\begin{array}{cc}\exp (-j\beta b)& 0\\ 0& \exp (j\beta b)\end{array}\right],(3)$

所以长度为P=a+b的一个光栅传输矩阵为F×Fs。因为本文把光栅均分为M段,则整个SFBG的传输矩阵可表示为(F×Fs)M。综上所述,可得最终的输入输出关系为

$\left[\begin{array}{l}A{}_{\text{i}\text{n}}\\ B{}_{\text{i}\text{n}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}F{}_1& F{}_2\\ F{}_3& F{}_4\end{array}\right]\left[\begin{array}{l}A{}_{\text{o}\text{u}\text{t}}\\ B{}_{\text{o}\text{u}\text{t}}\end{array}\right]$

,同样利用边界条件Bout=0,可得取样光栅的反射率为R=|F3/F1|2。

2 SFBG的仿真与分析

以下利用传输矩阵法分析折射率调制幅度δn、占空比T、取样周期P和光栅长度L等光栅参数对SFBG光谱特性的影响。基本参数有neff=1.45,λB=1 550 nm,s=1,φ(z)=0。分析结果如图2所示。

从图2可以看出,SFBG的反射谱与折射率调制幅度δn、占空比T、取样周期P以及光栅长度L等有着密切关系。图2(a)中,随着δn的增大,反射谱峰值和带宽也增大,而且旁瓣干扰也随之增大,但是传输的通道数目没有改变;图2(b)中,随着T的增大,中心反射峰值和带宽增大,旁瓣干扰也随之增大,但是通道数目减少,通道间隔增大;图2(c)中,随着P的增大,相邻反射峰间距减小,即通道间隔与光栅周期成反比关系;图2(d)中,随着L的增大,反射谱峰值增大,旁瓣干扰也随之增大,但是通道数目与通道间隔没有变化。

3 8通道SFBG的旁瓣干扰处理

由图2可以看出,SFBG的反射谱中存在较多的旁瓣干扰,它的存在将反射无用波段的光波,从而影响整个光纤光栅的性能。为减少旁瓣干扰,可采用切趾[8]的办法,即在光栅的光致折射率变化中引入一个与光栅长度有关的函数包络,从而得到比较理想的反射谱。本文采用以下3种切趾函数:

$\{\begin{array}{l}\delta n{}_{\text{e}\text{f}\text{f}}=\overline{\delta n}{}_{\text{e}\text{f}\text{f}}\exp [-G(z/FW{\rm H}{\rm M}){}^2],\text{G}\text{a}\text{u}\text{s}\text{s}\text{型}\\ \delta n{}_{\text{e}\text{f}\text{f}}=\overline{\delta n}{}_{\text{e}\text{f}\text{f}}\frac{1+{\rm H}\cos (2\text{π}z/FW{\rm H}{\rm M})}{1+{\rm H}},\text{Η}\text{a}\text{m}\text{m}\text{i}\text{n}\text{g}\text{型}\\ \delta n{}_{\text{e}\text{f}\text{f}}=\overline{\delta n}{}_{\text{e}\text{f}\text{f}}\sin c{}^A[0.5(2z/FW{\rm H}{\rm M}){}^B],\text{S}\text{i}\text{n}\text{c}\text{型}\end{array},(4)$

式中,FWHM为高斯(Gauss)分布半高全宽;G为Gauss系数;H为汉明(Hamming)系数;A为Sinc函数的次方;B为Sinc系数。利用式(4),在8通道SFBG反射谱的基础上,可以得到图3所示的切趾前后的SFBG反射谱图。图3(a)是未切趾8通道SFBG反射谱,图3(b)、(c)和(d)分别是Gauss、Hamming、Sinc切趾后的8通道SFBG反射谱图。基本参数为neff=1.45,λB=1 550 nm,s=1,φ(z)=0。

从图3可以看出,通过切趾处理后得到的光栅反射谱中旁瓣都得到了很好的抑制。但与无切趾的情况相比较:图3(b)中Gauss型切趾后的反射谱峰值和带宽都有所减小,并且边通道的反射谱峰值略小于中心通道的反射谱峰值;图3(c)中Hamming型切趾后的情况与Gauss型切趾类似,但反射谱峰值的下降幅度更小;图3(d)中Sinc型切趾后的反射谱峰值几乎没变,但是带宽略有减小。因此在SFBG实际用于DWDM系统、滤波器等方面时,应当结合实际条件,选择恰当的切趾函数及其参数。

4 结束语

在传输矩阵法的基础上,对SFBG的反射谱进行数值模拟并得到了以下结论:(1) 折射率调制幅度δn、占空比T及光栅长度L增大时,反射谱峰值和带宽也增大,旁瓣干扰增强;(2) δn和L增大时,传输通道数目和间隔无变化,但T增大后,通道数目会减少,通道间隔增大;(3) 通道间隔与P成反比关系。此外,利用Gauss、Hamming和Sinc切趾函数对8通道SFBG的反射谱进行旁瓣处理,得到了较理想的反射谱。

摘要：文章应用传输矩阵法对取样光纤布拉格光栅(SFBG)的反射谱进行了数值模拟,并分析了折射率调制幅度、占空比、取样周期和光栅长度等光栅参数对其反射谱的影响,在此基础上用切趾函数对其进行旁瓣干扰处理,得到了较为理想的8通道SFBG反射谱。

关键词：取样光纤布拉格光栅,传输矩阵,反射谱,切趾函数

参考文献

[1]Erdogan T.Fiber grating spectra[J].J of LightwaveTechnol,1997,15(8):1277-1294.

[2]齐跃锋,毕卫红.光子晶体光纤布拉格光栅传输特性研究[J].光学学报,2010,30(4):1178-1182.

[3]姜萌,张伟刚.基于啁啾光纤光栅的波长可调谐带通滤波器[J].中国激光,2009,36(4):873,878.

[4]张兴娇,叶志清.基于非均匀取样布拉格光纤光栅In-terleaver的设计[J].应用光学,2009,30(2),313-316.

[5]卓仲畅,KMJB,王东伟,等.基于取样光纤光栅实现应变和温度的同时测量[J].光电子技术,2009,29(2):89-91.

[6]瞿荣辉,丁浩,赵浩,等.取样光纤布拉格光栅[J].光学学报,1999,19(2):226-229.

[7]王燕.取样光栅及其在光纤通信中应用的理论研究[D].江西:江西师范大学,2003.

[8]黄雯.用于色散补偿的光纤光栅特性研究及其应用设计[D].浙江:浙江大学,2003.

Bragg光纤光栅 篇2

煤矿安全是煤炭行业健康发展的重要问题,煤与瓦斯突出、冒顶、火灾、水灾、冲击地压等煤矿主要灾害直接威胁着煤矿的安全生产和工人的生命健康。对煤矿井下各种气体浓度、设备的开关状态、井巷煤壁变形等与安全相关的指标进行监测监控,能够有效地减少煤矿安全事故的发生,确保煤矿安全高效生产。煤矿井下阴暗潮湿、空间有限、电磁干扰严重等因素导致煤矿安全监测要求较高的安全监测技术。光纤检测技术是利用外界因素使光在光纤中传播时光强、相位、偏振态和波长等特征参量发生变化,从而对外界因素进行监测和信号传输的技术。光纤传感技术的研究始于20世纪70年代末,光纤bragg光栅(FBG)是光纤传感技术发展的最新阶段,它是一种性能优良的反射滤波无源敏感元件,通过布拉格反射波长的移动来感应外界微小应力、应变变化而实现对结构在线测量。光纤bragg光栅传感器具有不怕恶劣环境、抗电磁干扰、易于传输、测量精确和准分布式测量等优点,因此,光纤bragg光栅传感技术在煤矿安全监测中具有广泛的应用前景和重大的社会经济效益。

1 光纤bragg光栅传感原理

光纤bragg光栅是利用光纤材料的光敏性(外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起的折射率永久性变化),在纤芯内形成空间相位光栅,其作用实质是利用空间相位光栅的布拉格散射波长特性在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜。光纤bragg光栅的工作原理[1]如图1所示。

当一束宽光谱光经过光纤bragg光栅时,通常的光会直接穿过光栅继续向前传导,只有满足光纤bragg光栅布拉格条件的特定波长的光才会产生反射,反射光的峰值波长称为布拉格波长λb,其与光栅周期Λ的关系:

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式中:neff为光纤纤芯的有效折射率。

由式(1)可知,任何引起纤芯有效折射率neff和光栅周期Λ变化的物理过程都会引起反射波长的漂移。由图1可知,无论是对光栅进行拉伸、压缩,还是温度的热光效应和热胀冷缩效应,都会导致光栅周期Λ的变化。另外,光纤本身所具有的弹光效应使得纤芯的有效折射率neff也随应力状态的变化而变化。因此,应力应变状态和温度的变化都会引起反射光波长发生相应的变化。

由于应力应变状态而引起的波长变化量:

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式中: Δλbε为应变引起的波长变化量;a为弹光系数;Δε为应变变化量。

由于温度而引起的波长变化量:

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式中:Δλbt为温度引起的波长变化量;α为光纤的热光系数;β为光纤的热胀冷缩系数。

基于该原理制造的传感器通过测量光的波长来测量应变、应力、温度、位移、压强等物理量,具有不怕恶劣环境、抗电磁干扰、易于传输、测量精确和准分布式测量等优点。

2 光纤bragg光栅在煤矿安全中的应用

影响煤矿安全的事故主要有煤与瓦斯突出、冲击地压、冒顶、矿井火灾、水灾等,其中前三种事故可以统称为煤岩动力灾害。利用光纤bragg光栅传感技术可在线监测井下各物理量的实时数据,指导矿井灾害的防治工作。

2.1 煤岩动力灾害

煤岩动力灾害是指煤岩类材料在载荷作用下变形破裂演化而发生的突发性失稳或动力性破坏灾害,范围极广,涉及许多工程领域和自然灾害,如地震、地质滑坡、泥石流、火山喷发、溃坝、隧道塌方、岩石混泥土建筑物失稳等,在矿山主要有煤与瓦斯突出、冲击地压(或金属矿山岩爆)和顶板灾害等[2]。煤岩发生较大位移和应力变化是煤岩动力灾害的重要特征。掌握煤岩应力-应变规律,研究煤岩动力灾害的发生规律是预防煤岩动力灾害最根本的方法。传统的研究方法是现场采集各类煤样制作成原煤和型煤,在实验室的压力机上进行实验,得到煤岩的应力-应变规律,分析煤岩动力灾害的发生机理规律。通过大量的实验室研究,目前已经基本上掌握了煤与瓦斯突出、冲击地压等动力灾害的发生规律,但在实际应用过程中,必须清楚采掘过程中煤岩体的实际应力、应变变化情况,结合煤岩动力灾害的发生规律,才能对比分析,采取相对应的预防措施。基于光纤bragg光栅传感技术研制的应力、应变、温度传感器,安置在井下相应位置,即时采集煤岩的应力、应变和温度值,通过软件绘制出应力-时间、应变-时间、应力-应变和温度-时间的关系曲线。现场采集得到煤岩的应变-时间关系,即为现场煤岩的蠕变规律,了解了煤岩的蠕变规律,就能够有效控制煤与瓦斯的延时突出灾害。

随着工作面综采技术的逐步发展和回采工作面顶板事故防治技术的逐步提高,回采工作面顶板事故率逐渐下降,但是巷道的顶板事故率依然居高不下,因此,对巷道顶板情况进行实时监测、预警非常重要。毛灵涛、安里千等人[3,4]以自行研制的GWG200(C)型光栅位移传感器为基础,建立了一套顶板离层及围岩变形实时自动监测系统,系统可以与煤矿安全监测系统相结合实现地面监测和现场遥控监测,采用总线布置可实现多条巷道的实时监测。柴敬等人[5]将光纤bragg光栅技术引入到锚杆支护质量的监测过程中,能够实时监测锚杆的应力、应变值,确保矿井巷道顶板安全。

2.2 矿井火灾

矿井火灾是指井下发生的火灾以及井口附近发生的其火焰和有害气体可以随同风流进入井下威胁到矿井安全生产的火灾。矿井火灾发生的基本条件是可燃物、热源和氧气。矿井底下存在大量的可燃物,包括煤、坑木、电线、胶带、各类机电设备等;煤炭自燃、焊接、电气短路、机械摩擦、瓦斯爆炸产生的明火等都是引起火灾的热源;正常情况下,矿井不缺乏氧气。煤矿火灾防治的技术均是基于火灾这三个基本要素展开的,井下的可燃物和氧气无处不在,火灾预防技术主要针对热源,除了预防各种明火的产生,断层附近、高冒区、溜煤眼和采空区等处的煤炭自燃预测非常重要。

利用光纤bragg光栅传感技术制作矿井温度传感器和火灾探测器[6],置于断层附近、高冒区、溜煤眼和采空区等煤体易燃区,长期在线监测温度信号,当温度信号上升超过了一定范围时,温度发生突变,说明火灾可能已经发生。通过现场试验,可以设定一个基于温度的火灾预警、报警系统。当达到预警温度时,立即采取措施控制温度,防止温度继续上升;当达到报警温度时,说明已经发生火灾,立即采取措施治理火灾。

井下灭火的措施主要有侦察火区确定火源、保护人员的安全撤离和控制风流。通过预先设置好的光纤bragg光栅温度传感系统,分析温度变化情况,判断火源位置。均压防灭火是一种常见的灭火技术,与其它技术措施相比具有实用性强、经济、简便、易操作的特点,在自燃防治现场实践中得到了广泛应用[7]。在运用均压防灭火方法时,利用光纤bragg光栅传感器既可以在线监测到温度,还能监测到压力,达到均压灭火目的。

2.3 矿井水灾

矿井在建设和生产过程中,地面水和地下水通过各种通道涌入矿井,当矿井涌水超过正常排水能力时,就造成矿井水灾。矿井水灾是煤矿常见的主要灾害之一,一旦发生透水,不但影响矿井正常生产,而且有时还会造成人员伤亡,淹没矿井和采区,危害十分严重。因此,在工作面回采过程中,应该通过专门设计的技术方法对煤层与含水层之间的隔水层中应力场变化、应变场变化、水压力场变化和水温度场变化进行实时监测和动态分析,达到对突水条件和突水可能性的超前预警,从而避免突出性突水灾害的发生[8]。

煤矿井下环境复杂、电磁干扰严重,不能采用常规的方法监测隔水层中的应力、应变、水压和温度变化。基于光纤传感技术,研制光纤bragg光栅位移、应力、渗压和温度传感器,预埋在含水层附近的关键区域,实时监测巷道开挖过程中煤岩位移、应力、渗压和温度的数值变化。在应力和位移出现突然增加、渗压出现突然下降、温度逐渐降低时,表明极可能发生矿井突水事故。尤其是应力增幅明显增大、渗压出现一次小幅度突降现象是防突层失稳垮落最重要的前兆现象[9]。

3 结论

(1) 基于光纤bragg光栅传感技术研制的传感器通过测量光的波长可以测量得到应变、应力、温度、位移、压强等物理量,具有不怕恶劣环境、抗电磁干扰、易于传输、测量精确和准分布式测量等优点。

(2) 光纤bragg光栅传感器在煤矿防治煤岩动力灾害、矿井火灾、水灾等事故中具有广泛的应用前景和重大的社会、经济效益。

摘要：介绍了光纤bragg光栅传感原理,阐述了光纤bragg光栅传感技术在矿山防治煤岩动力灾害、火灾和水灾中的应用。基于光纤bragg光栅传感原理研制的传感器通过测量光的波长可测量应变、应力、温度、位移、压强等物理量,具有抗电磁干扰、易于传输、测量精确和准分布式测量等优点,在煤矿安全监测中具有广泛的应用前景。

关键词：煤矿安全,光纤bragg光栅,光纤bragg光栅传感器,动力灾害,应力,温度,应用

参考文献

[1]李毅,柴敬,邱标.光纤光栅传感技术在锚杆测力计上的应用[J].煤矿安全,2009(2):50-52.

[2]王恩元,何学秋,李忠辉,等.煤岩电磁辐射技术及其应用[M].北京:科学出版社,2009.

[3]毛灵涛,安里千,刘庆,等.光栅位移实时监测系统应用研究[J].煤炭科学技术,2007,35(7):100-102.

[4]刘训臣,安里千,刘绍兴,等.光栅位移实时监测系统及其在九龙矿的应用[J].中国矿业,2008,17(11):99-101.

[5]柴敬,兰曙光,李继平,等.光纤bragg光栅锚杆应力应变监测系统[J].西安科技大学学报,2005,25(1):1-4.

[6]魏世明,柴敬,许力.煤矿用光纤bragg光栅火灾探测系统研究[J].工矿自动化,2010(5):40-42.

[7]张国枢,戴广龙.煤炭自燃理论与防治实践[M].北京:煤炭工业出版社,2002.

[8]虎维岳.矿山水害防治理论与方法[M].北京:煤炭工业出版社,2005:188-189.

Bragg光纤光栅 篇3

关键词：光纤Bragg光栅,光通信,PZT

一、引言

光纤通信是人类20世纪最伟大的发明之一。自从本世纪70年代初第一根实用化光纤问世以来, 光纤通信这项高技术得到了迅猛的发展, 并对人类社会生活产生了巨大的影响。人类社会正迈步进入信息时代, 光纤无可质疑地成为信息交换中最重要的传输媒介。1978年, 加拿大通信研究中心的K.O.Hill等人首次利用窄带488 nm的激光制作了光纤Bragg光栅 (Fiber Bragg Grating, FBG) 。光纤特性如张力、温度、偏振发生变化, 将会使光栅有效折射率或栅距改变, 从而影响Bragg波长, 这是光纤光栅应用于传感器的基础。

二、光纤Bragg光栅的制作

目前, 光纤光栅的制作技术已经趋于成熟。但是全息干涉制作光纤光栅方法的提出, 预示着光纤光栅具有实用化的商业前途, 激起了研究者们的极大兴趣, 加、美、日、澳等国相继投入了相当的研究力量。继全息干涉法制作光纤光栅后, 光纤光栅制作技术朝方便灵活、稳定可靠、光栅参数可控等方向发展, 新的制作技术不断涌现, 如相位Mask技术、单脉冲技术、点-点光栅写入技术。其中相位Mask技术普遍被人们看好, 且目前的工艺较为成熟。相位掩模板是经刻蚀的玻璃光栅, 对紫外光透明, 并且相位掩模板经特殊处理, 使得零级衍射光被抑制, 大部分衍射光集中在+1级和-1级。紫外光照射时, 掩模板的±1级衍射光互相干涉, 沿光纤方向就形成了周期性的光强调制, 从而形成光纤光栅。

相位Mask技术不仅能高效、可靠地制作光纤光栅, 还能用于制作有特定频谱响应特性要求的光栅。比如, 普通均匀光栅的反射频谱在主峰两侧会有次极大 (即旁瓣) 的存在, 在用于波分复用时, 上述效应会降低通道隔离度, 引起串扰。但是, 通过被称为变迹的过程, 使沿光纤长度方向的折射率调制呈钟形曲线分布, 可以有效地抑制旁瓣。因此本实验采用Mask技术制作光纤Bragg光栅。相位Mask技术还可用于制作所谓的啁啾光栅, 啁啾是指沿光纤长度方向改变光栅周期以期展宽反射谱或改善时域、谱域特性。光纤光栅用于色散补偿时, 啁啾显得特别重要。

三、结构设计

光纤Bragg光栅通信系统的结构图如图1所示。宽带光源出射的激光通过光隔离器进入3d B耦合器, 在经过FBG时由于其高反射特性, 而被反射回3d B耦合器, 通过光电探测器接收反射信号光, 光电探测器将接收到的光信号转换为电信号, 供计算机提供参考光的作用。FBG与压电陶瓷 (PZT) 紧密粘贴在一起, 计算机通过锯齿波扫描电压驱动PZT而影响FBG的折射率。而FBG收到外部应力过程中会产生反射中心波长的漂移, 因此光电探测器接收到新的反射信号, 再经由计算机对PZT重新驱动。

通信系统中计算机驱动PZT时FBG和未驱动PZT时的反射谱并不一样。计算机驱动PZT导致的形变会引起FBG中心反射波长的变化, 其中心波长在1553.2nm。在PZT加载驱动电压后, 其中心波长漂移到1553.6nm, 其漂移范围在400nm。因此, 根据通信系统所需要的有效波长而给出相应的驱动电压, 可以很好的解决通信系统中噪声对信号的干扰。光纤Bragg光栅制作方式简单, 材料来源广泛, 其成本很低。在大规模光通信系统中, 可以使用光纤Bragg光栅阵列来实现多个通信波长的调制。其波长漂移范围较大, 完全可以实现未来的长距离、大容量、宽信道的通信系统。

四、结论

本文对光纤Bragg光栅的制备技术进行了阐述, 并采用Mask技术制作光纤Bragg光栅。利用光纤Bragg光栅的窄带滤波和高反射特性, 设计了以光纤Bragg光栅为基础的光纤通信系统, 并分析了该系统的工作原理以及未来的发展趋势。本论文的提出, 可以为未来光纤通信技术提供实验支持。

参考文献

[1]池灏等.光纤光栅与未来的光纤通信[J].中国图像图形学报, 1999, 4 (2) :172-175

Bragg光纤光栅 篇4

关键词：道路工程,光纤Bragg光栅传感器,路面监测,应变场,车辙预估

光栅是在1978年希尔了解掺锗光纤的光敏性以后迅速发展起来的[1], 光纤光栅传感技术也在此基础上以十分惊人的速度被研究应用到各个方面。国外, 其应用于桥梁监测已经开始走向成熟;国内, 也有清华大学、南开大学、武汉理工大学、哈尔滨工业大学加大对FBG传感器的研究力度[2]。FBG传感器应用到沥青路面结构性能监测方面已做了多方面可行性验证, 并已将其应用到许多工程的结构监测方面, 例如黑龙江牛头山大桥、山东滨州黄河公路大桥[3]等。但其在道路工程中的应用还在摸索研究中, 由于道路工程环境的复杂性以及所处的恶劣自然环境, 适合发挥FBG传感器优点, 可以达到物尽其用的目的。

1 FBG传感器的基本工作原理

FBG传感技术通俗来说是将被测物理量的检测通过物理元件转换为波长的检测。具体来讲, 首先在FBG的光纤内部刻入光栅, 然后测量光栅对入射光反、透射后的波长, 经过理论计算转化为被测物理量。基于FBG的耦合模理论, 均匀FBG的波长为λB, 则:

其中:λB为FBG的反射波长;neff为FBG纤芯的有效折射率;Λ为FBG的周期。

在外界环境温度变化或是FBG受到力的作用后, 就会发生热光效应、弹光效应及热膨胀现象, 导致FBG波长发生漂移。外界所有导致波长发生漂移的作用中, 应力是影响最直接、导致变化最大的因素。由应力导致的波长漂移变化可根据式 (2) 来解释[4], 图1为其原理示意图。

其中:ΔΛ表示FBG自身在应力下的弹性变形;Δneff表示光线的弹光效应。

外界环境中不同的应力行为会引发ΔΛ和Δneff发生不同的变化, 经过推导得:

其中:k就是弹光效应导致FBG波长发生漂移变化时的纵向应变灵敏度系数。

与此类似, 环境中温度的变化一样能导致FBG波长的漂移。温度变化量和它引发波长漂移量的关系式可以用式 (4) 描述:

式中:ξ为FBG折射率温度系数; (Δneff) ep为热膨胀导致的弹光现象;为热膨胀引起光纤芯径改变引发的波导效应;α为FBG的线性热膨胀系数, Δα为FBG芯径的变化量。

由上述各式可以获知, 实际的应用过程中, FBG波长的变化是由外力和温度共同作用所导致。基于此, 需要剔除温度的影响, 也就是说要在FBG传感器周围布设只受温度变化影响的温度传感器, 来对FBG传感器进行温度修正。

FBG传感器所受的外界作用, 如温度、外力等, 都会引起FBG波长发生漂移, 只是原理不同。通过FBG的反射光谱能检测出波长的漂移量, 漂移后的波长与未受外界作用的波长比较分析, 能计算出FBG所受的外界作用大小, 利用漂移标定, 通过计算机系统的计算分析, 能够获取不同位置所受的应变、压力等的大小[5]。

2 FBG传感器在道路工程中的应用研究

沥青路面的损坏形式多种多样, 路面受到的外界影响主要有温度应力、动水压力、疲劳破坏等, 应用光纤Bragg光栅传感器的关键就是对这些外力引起沥青路面的变形进行时时监测。

目前FBG传感器在道路工程中已经应用到几个领域, 例如路面结构应变场的监测、动水压力的测定、沥青路面永久变形的计算以及沥青路面车辙的预估等。

2.1 路面结构应变场的监测

考虑到路面结构的应变具有三维特性, 可以组合监测不同应变类型的FBG传感器, 实现路面三维应变场的监测。利用塑料尼龙绳将竖向、横向及纵向三向应变传感器组合到一起, 可以实施一个测试点同时测试三向应变的目标。需要注意的是, 要同时将标定好的温度传感器布设于三向传感器组的周围, 同时不受除温度外其他因素的影响, 起到对应变传感器温度修正的作用。

很多研究文献中采用室内FBG传感器监测试验结果与有限元模拟计算、试验路段三向应变的监测结果来验证FBG传感器监测路面结构应变场的可行性。室内试验中, 将FBG传感器埋设在沥青车辙结构试件中, 采用静态、动态两种加载方式, 检测路面结构内部的应变变化。有限元对路面结构三向应变场的计算结果与FBG传感器时时监测结果相近, 且动态响应良好[6]。在室外铺设的试验路段中埋设FBG传感器, 采用静态加载、承载板加载和动态加载三种方式[7]。根据所获取数据的计算分析可知, 不同层位FBG传感器测得应变的大小随车速增大而减小, 随轴载增加明显增大, 与传统的力学分析、经验推断的结果相同。只有在竖向应变中经历了“拉-压-拉”的变化与传统的静力分析存在差异[8], 说明还需要更多试验数据进行比较分析。这些研究结论说明FBG传感器在道路工程中的应用具有可行性。需要注意的一点是, 在静载加载时要注意两次加载时间的间隔, 以保证变形充分恢复, 不影响下一作用点施加荷载。

2.2 沥青路面的永久变形的计算

沥青混合料是一种非常具有代表性的粘弹性材料, 在高温下会变软, 此时若有外力作用就容易发生粘滞流动, 该流动具有不可逆的特点。这就是引起沥青路面产生不可恢复残余变形的原因, 即该变形即为永久变形。计算沥青混合料变形有很多模型公式, 其中经过优化的伯格斯模型能很好地表达沥青混合料的松弛和蠕变特性, 此外获取其模型参数也比较容易[5]。所以采用伯格斯模型来计算沥青混合料的永久变形。考虑温度θ的变化, 经过计算整理, 可以获得在某个温度时沥青混合料永久变形的计算公式如下:

其中:εr, max、θ及t0等参数可以通过FBG传感器监测获得;Ei (θ) 、ηi (θ) 等粘弹参数可以通过室内蠕变试验确定。

室内单轴动态压缩蠕变试验能将伯格斯模型中的5个粘弹参数确定下来。由蠕变数据拟合为蠕变曲线, 确定未知的粘弹参数。永久变形和一次加载产生应变的关系可以根据计算获得。所以, 根据FBG传感技术计算沥青路面的永久变形具有很高的可行性。

计算时有两关键:一个是模型的选择, 该模型是否能代表实际的一般粘弹情形, 在具体问题上可能需要特定模型满足精度要求;另一个是确定模型参数的精确性。这两点保证的情况下就可以保证沥青路面永久变形计算结果的准确性。

2.3 沥青路面车辙的预估

基于FBG传感器的沥青路面车辙评估的方法是以分层总和为基础, 考虑实测路面的压应变、路面结构内部温度、实测车辆加载时间等影响沥青路面车辙出现的多个因素, 并建立这些因素与车辙深度关系的模型。

分层总和法, 即层应变法, 最早是由Barksdale和Romain首次提出。把路面的每层划分成很多更小的亚层, 以弹性层状理论为基础计算各亚层变形进行累加是该方法的原理是。也就是把路面结构对荷载的反应假定为弹性的, 然后通过与室内实验的联系, 预估由于路面各层的永久变形所造成的路表的车辙。计算沥青路面的永久变形也是FBG传感器的应用之一。

沥青路面车辙深度的计算由以下三个过程构成:

(1) 首先将沥青面层按照不同的结构和材料组成分为若干个亚层, 求得每个亚层在单车辆荷载作用下的永久变形。

(2) 按照压应变随时间的变化规律进行应变修正, 并根据车辙预估的年限计算每个亚层在典型车辆荷载作用模式下的累积永久变形。

(3) 根据分层总和法的计算方式, 确定基于FBG技术的沥青路面车辙预估模型, 计算沥青路面总的车辙深度。

通过以上方法进行路面车辙的预估与目前通行的有限元模拟计算结果相当, 说明其应用具有可信性。

通过以上的应用发现, 应用FBG传感器进行路面结构的健康监测或是力学参数的确定时, 思路是将该参数转化为对传感器力的作用。通过力对FBG传感器的作用, 使入射波发生波长漂移变化, 通过物理原理建立所测参数与波长漂移量的方程, 再通过同时温度的测定, 对其进行温度补偿, 使其满足温度场的要求。在构建所测参数与波长漂移量之间的关系时要注意实际的仪器尺寸、形状等, 还要考虑实际的路面场地, 消除其他因素的影响, 使所测结果尽量精确。

3 结语

光纤Bragg光栅传感器在道路工程中的应用关键是, 通过检测波长漂移量来分析计算所要测量物理量的数值, 其中涉及光栅灵敏度系数的换算。FBG传感器测量温度时, 其温度灵敏度系数不是固定值, 且随所测温度的升高渐渐增大, 也就是说FBG传感器的力学参数随着温度的改变会发生变化[10]。

所以概括来讲, 应用FBG传感器测定温度时的精确标定, 寻找其最适宜的测温范围, 提高温度灵敏度系数及实现在温度测量中的应用, 是将来FBG传感器继续研究的一个角度。还要注意对FBG传感器进行标定, 由于不能和路面结构精确的协调变形, 即测得的应变值是传感器外包装的变形值, 要建立路面应变与传感器本身应变值的关系。

综上所述, FBG传感器具有许多其他类型的监测设备不可比拟的优点, 使其在道路工程中的应用前景非常广阔。未来的应用研究要充分挖掘FBG传感器的优点, 克服不足的地方, 更好地建立路面监测系统, 服务于我国的道路工程事业。

参考文献

[1]K.O.Hill, Y.Fujii, D.C.Johnson.Photo-sensitivity in optical fiber waveguides[J].Appl.Phys.Lett, 1978, 32 (15) :647-649.

[2]刘树龙.光纤Bragg光栅在沥青路面性能健康监测中的试验研究[D].南京:南京航空航天大学, 2011.

[3]李金生.基于FBG技术的沥青路面应变传感器开发与性能研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2007.

[4]李文振.光纤光栅传感器在沥青类路面检测中的应用研究[D].济南:山东大学, 2009.

[5]董泽蛟, 柳浩, 谭忆秋, 等.沥青路面三向应变响应现场实测研究[J].华南理工大学学报 (自然科学版) , 2009, 37 (7) :46-51.

[6]谢建光, 王秋桐, 刘树龙, 等.光纤Bragg光栅监测沥青混凝土应变试验[J].长安大学学报 (自然科学版) , 2011, 31 (3) :18

[7]石丹凤.利用光纤应变传感器测试沥青路面结构应变方案设计[J].山西交通科技, 2010 (6) :24-26.

[8]谭忆秋, 陈凤晨, 董泽蛟, 等.基于光纤光栅传感技术的沥青路面永久变形计算方法[J].大连海事大学学报, 2008, 34 (4) :119-122.

[9]陈昊, 高俊启, 季天剑.光栅传感器测量沥青路面动水压力的试验研究[J].江苏航空, 2008 (12) .

Bragg光纤光栅 篇5

1 光纤光栅传感器的原理及结构

光纤Bragg光栅是一种波长调制型传感器。宽带光源发射出的光通过光纤光栅时, 一部分光可以通过成为透射光, 一部分光被反射回来。通过对反射光波长的接收, 可以获得所测参量的变化。温度和应变是最能直接改变反射波长的2个参量。根据耦合模理论[1], 满足以下条件的光被反射:

式中, λb为光栅中心波长;neff为纤芯有效折射率;Λ为纤芯周期。

2 在相似模拟实验中的应用

光纤光栅传感器的准分布式测量、抗电磁干扰等独特性能受到广泛关注后, 国内外科研单位利用光纤光栅优异的特性开发出多种体积小、耐腐蚀、持久可埋入检测体内部的传感结构。

1995年, A.Schena, R.falciai, R.Fontan提出在结构物中使用光纤Bragg光栅进行应变测量。由于光纤光栅体积小、结构多样, 可在不破坏结构物的基础上埋入结构内部进行长时间检测, 并且测量结果线性度和精确度均很高。

国内学者柴敬、常心坦[2]为探索相似模拟实验中的新检测方法, 在光纤传感器的基础上, 研究使用光纤光栅传感技术在相似模型中的应用, 设计了一种基于光时域反射技术的新型微弯光纤传感器, 用于对相似材料模型的应变、位移检测, 构建了使用光纤检测岩体变形的基础。2005年, 赵海云、王杰明[3]采用光纤光栅传感器对立体相似模拟材料内部的应力和变形进行了测量, 解决了多年来对立体模型内部参数测量困难的问题。2007年, 柴敬、魏世明[4]使用将裸光纤、自制蛇形传感器和光纤Bragg光栅埋入材料内部进行相似材料模拟实验检测。结果表明, 光纤Bragg传感器在考虑波长的动态范围, 可以进行小变形和破坏过程的测试。魏世明、柴敬[5]为探索光纤光栅传感器在相似模拟实验中的应用, 通过在相似模型底部埋设光纤光栅传感器的方法来检测采动过程中上覆岩层的应力, 最终结果表明, 采动过程中的应力变化可使得反射波长发生偏移, 这为应用在相似模拟实验中的应力检测提供了一种新的手段。2008年, 柴敬、魏世明、邱标等[6]研究了光栅—传感器结构—岩层之间的应变传递系统, 建立了光纤光栅传感器应变传递理论, 给出优化了的光纤光栅传感器结构和钻孔尺寸, 并在工程中应用。光纤光栅传感器在相似模拟实验中应用如图1所示。

在以往相似模拟实验模型检测中, 通常使用位移计、电阻应变片等以准确把握模型受力变形情况, 模型内部检测受到模型体积限制, 使用常规仪器进行测定时会破坏结构, 影响测量结果准确性;光纤光栅传感器在相似模拟实验中提供了一种新型检测手段, 在实际应用中克服了常规电类应变传感器寿命短、易受电磁干扰、易受环境影响等缺点, 实现了长时间、防水防潮、高灵敏度检测。

3 在室内岩石试件试验中的应用

地下工程中需要对岩石进行大量的力学试验, 但岩石内部是具有空隙的非均质体, 其测试结果具有一定的离散性, 所以需要对地下大规模工程岩体进行连续和实时的变形检测。光纤光栅传感器是无源检测器件的一种, 用于岩石试件变形破坏检测是一个新的发展方向。

2000年, Hattenberger.C.S, Naumann.M, Borm.G使用光纤光栅传感器与传统技术手段对岩石力学应变测量做了对比试验。分别将光纤光栅传感器、应变片粘贴在圆柱形岩石试件表面, 在单轴压缩试验机上进行轴向压缩试验, 测试结果表明使用光纤光栅传感器可以作为一种新的测试手段。2003年, Hattenberger.C.S, Naumann.M, Borm.G[7]在岩石试件实验中采用光纤光栅传感器与传统电类传感器做对比实验。试验结果表明, 新型光纤光栅传感器具有很好的测试精度, 指出最终的结果受到粘结剂的影响, 并给出不同粘结剂的影响结果。2012年, Reinsch.T, Bl cher.G, Milsch.H[8]为确定岩石在温度和三轴压力作用下的变形特性, 采用光纤光栅传感器与法布里—珀罗干涉仪做了对比试验。最终测试结果说明光纤光栅传感器精度高, 变形结果也更接近于岩石的真实应变。国内学者魏世明、柴敬[9]为确定在岩石变形中光纤光栅传感器检测的应变传递系数, 在单轴压缩实验中分析了光纤光栅传感器在表面粘贴状态下的应变传递特性, 最终测试结果表明光栅传感器测量精度优于粘贴于同位置的应变片。光纤光栅传感器在室内岩石试件试验中应用如图2所示。

光纤光栅传感器在室内岩石式样单轴、三轴压缩实验中的应用表明, 光栅比传统电阻片具有更优异的精度测试和特性, 再完善埋入和表面粘贴的应变传递模型后, 为光栅检测岩石破坏提供了一种新的技术手段。

4 在锚杆支护稳定性检测中的应用

锚杆支护具有施工简单、控制围岩变形效果好的优点。锚杆支护的质量成为决定巷道安全性和围岩稳定性的关键因素。但受围岩环境影响, 锚杆支护的可靠性和寿命受到制约。

4.1 在锚杆测力计上的应用

2005年, 柴敬、兰曙光、李继平等[10]针对现有锚杆支护质量检测无法进行远程监控和对支护质量进行全程检测等缺点, 将光纤光栅传感器粘贴在锚杆杆体表面与传统电测方法进行了对比试验。结果表明, 新型传感器结构简单, 可实时检测。柴敬、李毅、赵文华等[11]利用光纤光栅传感技术构建锚杆支护检测系统并做了实验, 在实验室模拟煤矿井下巷道锚杆支护的受力过程, 通过拉拔实验, 光纤光栅端头式测力计检测锚杆轴力与杆身光纤光栅传感器、电阻应变片测试应变结果相一致, 且光纤光栅传感器易于安装, 可以重复使用。光纤光栅锚杆测力计埋设如图3所示。在锚杆检测试验中, 锚杆使用时间长, 为剔除温度带来的交叉敏感, 柴敬、李毅、邱标[12]设计了温度补偿光栅解决了交叉敏感问题带来的影响, 测量结果线性度很好。

4.2 在围岩变形检测中的应用

2000年, Philipp M Nellen, Frank.A, Brnnimannet.R[13]利用光纤光栅传感器对隧道变形进行了检测, 为保证结果的准确可靠, 在传感器安装时采取了特别措施, 排除了长时间检测温度对测量结果的影响。Hattenberger C.S等[14]开发了一种在岩石开掘过程中测量应变的光纤光栅地震波检测系统。在加强树脂锚杆上粘附光纤光栅用于探测岩土工程结构中的静态和动态应变, 新型传感器在改善信噪比以后, 还可进一步提升检测时的敏感度。与此同时, 研发者还设计了与检测信号相互匹配的光纤光栅地震成像系统, 并在岩石巷道内进行了现场试验。

苏小杰、高艳磊[15]采用光纤光栅传感器对巷道进行了静态实验研究, 将光纤光栅传感器粘贴在锚杆上, 分别布置在巷道3处不同地点。测量巷道放炮后对岩体的影响, 分析岩石裂隙的产生。蒋奇、隋青美、张庆松等[16]为弥补电磁传感器在隧道长期检测时出现的不足, 设计了一种基于隧道应力应变检测用的FBG锚杆传感器, 通过制作完成的FBG锚杆进行动态测试, 可以实现长期检测的需要 (图4) 。

光纤光栅传感器作为锚杆检测的敏感元件, 在围岩应力检测中抗干扰能力强、耦合损耗小、寿命长, 可以形成光栅传感网络, 可实现实时、长期检测。与锚杆测力计相比, 其具有更高的测量精度, 且为本质安全型, 符合井下检测安全防爆的要求。

5 在矿山火灾检测中的应用

随着光纤光栅优异性能被广泛认可, 针对光栅特点进行特殊封装后的传感器在现场应用越来越广泛。矿井内采用电信号火灾探测存在设备灵敏度低、易受干扰、传输距离短等不足, 研究者们提出使用光纤Bragg光栅火灾探测器探测煤炭自燃理念。

2008年, 王宏亮、乔学光、张晶等[17]针对光纤Bragg光栅在高温段的线性特征, 设计了一种高温光纤Bragg光栅的传感探头, 在250℃环境下误差波动不超过0.06%。2009年, 付华、蔡玲[18]提出了使用金属化封装技术制作的光纤Bragg光栅探测器, 实验结果表明, 该煤矿火灾检测系统能够提供详细的巷道温度分布情况并且可以及时报警, 便于作业人员防灾灭火。2010年, 针对采空区自燃事故, 魏世明、柴敬、许力[19]采用特殊合金材料封装制作了光纤光栅火灾探测器 (图5) , 传感器与解调仪、数据传输线、控制系统组成了矿用火灾探测系统。通过检测井下温度变化率来预警是否发生火灾, 并且可以进行实时检测, 缩短了火灾报警时间。

现场实际条件复杂多变, 基于光纤Bragg光栅传感器技术研制的温度传感器及时采集温度的状态, 尤其是对骤变的温度进行预警, 对保证现场人员安全有重要意义, 了解采空区煤岩的温度变化, 就能有效控制煤炭自燃灾害。

6 结论

(1) 在工程应用中, 光纤光栅传感器所处环境复杂多变, 光纤光栅传感器不仅测量精度和安全性可满足需求, 在使用寿命和便携性上也符合工程应用条件。光纤光栅传感器自诞生以后, 优异的传感特性在结构物健康检测、室内模拟试验、岩石试件变形检测等应用中得到了广泛的认可。

(2) 光纤光栅传感器对岩体变形破坏检测研究很多, 并且取得了一定成果。封装埋入岩体内部传感器使用寿命长、不受周围环境影响, 可实现长时间、不间断对岩体应力检测。接入波长检测系统后, 可实时传输测量结果。

(3) 将光纤光栅进行目的性封装后可实现对不同参数的检测。如采空区煤炭自燃温度检测、锚杆应力和井下人员健康检测等。在不同的工程环境中, 不同封装后的光纤光栅体现了优越的可靠性和抗干扰性, 是能够在恶劣环境中工作的理想元件。

基于此, 使用光纤光栅作为矿井应力应变等参数的测量是切实可行的。

摘要：介绍了光栅传感器的发展历程及光纤光栅检测应力应变的基本原理。结合光纤光栅传感技术的本质突出优势和岩石工程应用特点, 重点讨论了光纤光栅传感技术在相似模拟实验、岩石试件检测和巷道应力检测中的应用。认为光栅本质安全、使用寿命长、耐腐蚀、传感敏感性高等特点适用于岩石工程检测。光纤光栅传感器的使用, 为改进应变检测提供了一种新的检测方法。

Bragg光纤光栅 篇6

在光纤通信领域,一些新型的光纤,如光子晶体光纤、Bragg光纤等由于具有很多传统光纤不可比拟的优点引起了人们的广泛关注。其中Bragg光纤(Yehetal[1]于1978年第一次提出),是由芯区为折射率较低的介质(通常是空气),包层为高低折射率相间的介质构成的新型光纤。这种光纤较之传统的阶跃光纤和渐变折射率光纤有几个优点:如较低的传输损耗和材料色散,对非线性有较高的阈值等近年来对Bragg光纤已经有很多研究,如大纤芯的单模传输Bragg光纤[2]、Bragg光纤的色散补偿[3]高折射率纤芯的Bragg光纤的色散特性[4]。同时人们也做了大量的实验研究[5,6,7]。由于Bragg光纤在很大带宽范围内具有色散平坦性,克服了传统光纤传输速度的瓶颈问题,从而使得利用Bragg光纤网代替传统光纤网成为可能[8]。另外利用Bragg光纤测量气体浓度[9],利用Bragg光纤制作光纤放大器[10]也是研究的热点。

但是在实际制作Bragg光纤的过程中,包层厚度的变化会破坏光纤的周期性,这种周期性的破坏是否会导致Bragg光纤的传输性能下降,目前还没有人研究。

1宽带Bragg光纤的理论分析

首先设计了一种纤芯为空心,包层由高低折射率相间的介质所包围的一种Bragg光纤(如图1)。

R、nb分别是环状区域外层的半径和折射率;nC、rC分别表示纤芯的折射率和半径;n1、l1分别表示高折射率包层的折射率和厚度;n2、l2分别表示高折射率包层的折射率和厚度。环状区域由4层高、低折射率相间的介质构成,折射率分别为n1=3.5,n1=2,厚度为l1=0.11μm,l2=0.21μm, nb=1.0,nc=1.0,R=rc+4(l1+l2),取rc=10μm以使得纤芯的面积大于一般单模光纤的纤芯面积[1]。理论表明在空心Bragg光纤里TE01模的损耗最小,由于模式的竞争作用,最终能够有效传输的只有TE01模。

利用解析法分析Bragg光纤:在圆对称的Bragg光纤中TE模E(r)满足全矢量的Helmholtz方程[11]:

$\partial {}_{r,r}E(r)+\frac{1}{r}\partial {}_{r}E(r)+\left(V{}^2(r)-W{}^2-\frac{1}{r{}^2}\right)E(r)=0(1)$

(1)式中 V2(r)=k${}_0^2$(n2(r)-nb2),W2=k${}_0^2$(neff2-nb2)。

这里E(r)为电场强度,neff为有效折射率,k0为真空中的波数,r是光纤横截面内的点到原点的距离。n(r)在不同区域内分别取nc 、n1、n2和nb。从方程(1)中可知TE模的场分别为

$\begin{array}{l}E(r)=AJ{}_1(\alpha {}_{c}r)‚\text{当}r\le r{}_{\text{c}}\text{时}(2\text{a})\\ E(r)=B{}_1{}_{s}J{}_1(\alpha {}_{1}r)+C{}_1{}_{s}Y{}_1(\alpha {}_{1}r),\\ \text{第}s\text{层}\text{的}\text{高}\text{折}\text{射}\text{率}\text{介}\text{质}\text{中}(2\text{b})\\ E(r)=B{}_2{}_{s}J{}_1(\alpha {}_{2}r)+C{}_2{}_{s}Y{}_1(\alpha {}_{2}r),\\ \text{第}s\text{层}\text{的}\text{低}\text{折}\text{射}\text{率}\text{介}\text{质}\text{中}(2\text{c})\\ E(r)=D{\rm K}{}_1(W{}_{}r)‚\text{当}r\ge R\text{时}(2\text{d})\end{array}$

其中A、B1 s 、C1 s 、B2 s 、C2s、D为待定系数;α${}_i^2$=R2k${}_0^2$(n${}_i^2$-nb2)-W${}_{}^2$;i=c,1,2,s=1,2,3,4。

根据边界条件的连续性可得到一个齐次线性方程组,其系数矩阵为M,方程有非零解的条件为Det[M]=0,由这种方法可求得有效折射率neff及场分布。用这种方法对本文的Bragg光纤结构进行了计算,得到了TE01模(如图2、图3)的有效折射率曲线(色散曲线)和场分布曲线。

从图2可以看出在1.4 μm到1.7 μm的范围内有效折射率近乎相同,表明这种Bragg光纤在很大的带宽内可以有效传输。这对提高光纤通信的速度有着非常重要的作用。

2 包层厚度的不均匀性对Bragg光纤传输特性的数值分析

在实际制作Bragg光纤的过程中。包层的厚度不易控制,这样就可能破坏Bragg光纤的性能。而对于这种包层厚度的不均匀性对Bragg光纤传输特性的影响还未见报道。通过在包层厚度中加入一个随机函数来模拟包层厚度的随机变化。

在其它条件不变的情况下,令l2=0.257(1+0.3Random)μm以表示包层厚度的随机变化,在这种情况下求得TE01模的模式曲线和有效折射率曲线(如图4和图5)。

从图4中,我们也可以看到TE01模的能量仍然集中在纤芯中,这说明包层周期性的破坏并未改变Bragg光纤的模式特性。更重要的是能量集中在纤心保证了即使实际制作中光纤的包层介质厚度不均匀,也能够保证光束能够有效的集中在Bragg光纤中传播。

另一方面从图5的曲线中可以看到包层厚度周期性的破坏只是使得Bragg光纤的带通部分有一个小的平移,由于我们设计的Bragg光纤的带宽很宽,所以这种平移对Bragg光纤的色散特性几乎没有影响。这对于实现利用Bragg光纤进行高速的光通信是非常重要的。

3 结论

利用解析法从理论上找到了一种宽带Bragg光纤,可以有效实现全光高速通讯。进一步,首次分析了实际制作中有可能影响光纤性能的包层厚度不均匀性对Bragg光纤传输特性的影响,数值模拟的结果证明,实际中较难控制的包层厚度不均匀性,对模式特性和带宽及色散特性影响很小,这样既可以保证光信号能够有效地在Bragg光纤中长距离传输。又能够保证不同频率的信号同时在Bragg光纤中长距离传播时能够达到很高的传输率。这样的结果对于最终实现Bragg光纤全光高速通讯提供了进一步的理论支持。

参考文献

[1]Yeh P,Yariv A.Theory of Bragg fiber.J Opt Soc Am,1978;68(9):1196—1201

[2]Johnson S G,Ibanescu M,Skorobogatiy M,et al.Low-loss asymptot-ically single-mode proragation in large-core omniguide fibers.Optics Express,2001;9(13):748—779

[3]Ouyang G,Xu Yong,Yariv A.Theoretical study on dispersion com-pensation in air-core Bragg fibers.Optics Express,2002;10(17):899—908

[4]Monsoriu J A.High-index-core Bragg fibers dispersion properties.Optics Express,2003;11(12):1400—1405

[5]Fink Y,Ripin D J,Fan Shanhui,et al.Guiding optical light in air using an all-dielectric structure.Journal of Light Technology,1999;17(11):2039—2041

[6]Hart D,Maskaly G R,et al.External Reflection fromOmnidirectional Dielectric Mirror Fibers.Science,2002;296,510—513

[7]Guo Shangping,Albin S.Comparative analysis of Bragg fibers.Optics Express,2004;12(1):198—207

[8]Pal B P,Dasgupta S,Shenoy MR.Bragg fiber design for transparent metro networks,Optics Express,2005;13(2):621—626

[9]贾清,李慧生,马维光,等.用Bragg光纤测量气体浓度.量子光学学报,2005;11(2):84—87

[10]李慧生,贾清,薛文瑞,等.大纤芯双模放大Bragg光纤的研究.量子光学学报,2005;11(1):39—42