膜层传输矩阵理论在布拉格光纤光栅分析中的应用

利用膜层传输矩阵理论研究折射率调制对布拉格光纤光栅传输特性影响.根据传输矩阵理论计算光栅折射率的调制幅度、光栅长度、调制方法等对布拉格光纤光栅的反射率、反射峰波长和半幅宽度的影响.结果表明:膜层传输矩阵理论与传统传输矩阵法、耦合模理论对布拉格光纤光栅特性分析结论一致;采用高调制长度、低调制幅度可以获得良好的布拉格光纤光栅反射峰,而反射主峰位置改变需用调整调制周期.实验和理论对比分析了主峰在1 550nm波长的布拉格光纤光栅反射峰情况,验证了该方法的可行性.与传统方法相比,膜层传输矩阵法计算公式简单、运行速度快,可应用于布拉格光纤光栅辅助设计.     

取样光纤光栅的多层薄膜分析新方法

将取样光纤光栅看成一个多层薄膜体系,每层膜用界面传输矩阵和膜层传输矩阵表示,将每层的传输矩阵相乘后得到取样光纤光栅的反射谱。数值计算结果表明:取样光纤光栅的总长度、折射率调制深度、占空比、取样周期和啁啾系数等参数都会影响反射谱的峰值和带宽。该模型的精度满足设计要求。     

取样光纤布拉格光栅

用传输矩阵法从理论上计算了取样光纤布拉格光栅的反射谱特性,提出了几种最高其谱特性的调制方案。用取样掩模版一次成栅的方法首次获得了波长间隔为０．８ｎｍ和１．６ｎｍ的取样光纤布拉格光栅。     

非啁啾取样光纤布拉格光栅反射峰值波长的分析

推导并验证了非啁啾取样光纤布拉格光栅(SFBG)反射谱中反射峰值波长的表达式。基于种子光栅中心波长对应的折射率调制深度和取样光纤布拉格光栅折射率调制函数的傅里叶级数展开式,提炼出取样光纤布拉格光栅的折射率调制深度和各阶光栅周期,从而导出其反射峰值波长的表达式。由于考虑了占空比、取样周期等取样光纤布拉格光栅的结构参量,因而表达式能够描述反射峰的分布。仿真实验中,不同占空比或取样周期下计算出的反射峰值波长、信道间隔符合数值反射谱。该表达式既适用于均匀取样光纤布拉格光栅,也适用于交流切趾和交直流切趾取样光纤布拉格光栅。     

光子晶体光纤重叠光栅理论模型与光谱特性研究

本文对光子晶体光纤重叠光栅的传输光谱及特性进行了研究.在理论上,提出了基于V-I传输矩阵法的光子晶体光纤重叠光栅分析模型,仿真研究了布拉格叠栅和啁啾叠栅的反射谱和时延特性.在实验上,利用193 nm紫外激光在光敏单模光子晶体光纤中实验制备了定制波长间隔的四重布拉格重叠光栅和波长间隔0.82 nm的啁啾重叠光栅.研究结果显示布拉格光栅的重叠光栅可通过各子光栅写制参数实现光谱灵活定制;基于啁啾光栅的重叠光栅具有周期性宽带滤波特性,谐振周期可由光栅周期偏移调整,且具有平坦的幅度响应和呈良好线性的群时延.实验所得光栅光谱与理论分析很好地符合.研究结果为光子晶体光纤重叠光栅的设计、制备及应用提供了重要的参考依据.     

用于光纤布拉格光栅法布里-珀罗腔的改进的Rouard算法

比较了光纤布拉格光栅法布里一珀罗腔的极限法、平衡法及传输矩阵法3种算法,证明了它们是一致的,指出了光纤布拉格光栅复振幅传输矩阵的相移特性对法布里一珀罗腔透射率的影响.对计算任意折射率调制的光纤布拉格光栅的Rouard算法进行了改进,在分层方法中考虑了折射率分布初始相位的影响,获得了更为准确的反射复振幅相位特性,将该结果应用于计算光纤布拉格光栅法布里一珀罗腔,得到了光纤布拉格光栅法布里一珀罗腔具有多峰结构的透射谱,并经过实验验证了该理论的正确性.     

光子晶体光纤布拉格光栅传输谱特性研究

结合多极法和耦合模理论,对一种典型的正六边形空气孔包层结构光子晶体光纤布拉格光栅的传输谱进行了研究,使用Matlab工具对这种光栅特性进行了计算和仿真。对比了常规单模光纤所成光栅与相同光栅周期光子晶体光纤布拉格光栅反射谱及时延特性之间的差异,并给出了定性解释。在此基础上,对光纤光栅的切趾特性进行了研究,选择不同的切趾函数,得出最佳切趾函数下光栅传输谱。理论计算和仿真结果表明,随波长增加,基模有效折射率下降;与相同周期常规光纤光栅相比,光子晶体光栅谐振波长出现蓝移;采用啁啾化处理后,10 cm长光子晶体光纤光栅可以提供1200 ps以上的线性时延。     

基于空芯光纤和光纤布拉格光栅的温度应变同时测量传感器

提出一种新颖的温度和应变双参数同时测量的光纤传感器。该传感器由空芯光纤和光纤布拉格光栅级联而成。空芯光纤通过反谐振机理将光限制在空气纤芯内传输,满足谐振条件的光泄露出空气芯,在传输光谱上表现为周期性损耗峰。由于空芯光纤和光纤布拉格光栅的物理机理不同,对外界温度、应变的响应存在差异,利用耦合矩阵则可以精确地实现温度和应变双参数的同时测量。实验结果表明,在1550nm波长附近,空芯光纤和光纤布拉格光栅对应的温度灵敏度分别为24.55 pm/℃和12.76 pm/℃,应变灵敏度分别为-0.70pm/με和1.02pm/με,该级联结构的传感器制作简单且具有较高的测量精度。     

基于取样光纤布拉格光栅的全光纤拉曼测温分光系统设计及优化

为实现大气温度全天时和高精度主动遥感探测, 转动拉曼测温激光雷达的分光系统需要滤除强烈的背景光噪声, 以及对Mie-Rayleigh散射提供70 dB以上的带外抑制率. 本文提出了以可见光波段取样光纤布拉格光栅为核心的多级级联的特征光谱提取光路, 构建高抑制率的全光纤拉曼测温分光系统, 以实现大气温度的全天时和高精度探测. 根据分光系统光路的传输特性, 采用传输矩阵模型, 优化设计了影响取样光纤布拉格光栅带外抑制率的主要因素(折射率调制深度、栅区总长度、取样周期和占空比), 得到了优化的光谱分光系统参数. 利用该分光系统可实现太阳背景光强度和Mie-Rayleigh散射信号强度分别比转动拉曼散射信号强度弱40 dB和50 dB, 信噪比高于100时, 白天探测高度可达1.6 km. 该全光纤分光系统具有小型化、抗干扰和稳定性高的优点, 可为陆基及星载拉曼测温激光雷达提供一种全新的解决方案.     

基于非均匀取样布拉格光纤光栅Interleaver的设计

对于光纤通信领域有限的带宽资源,波分复用与解复用器件Interleaver是未来密集型波分复用(DWDM)光纤通信网中的关键器件。为此结合非均匀取样光栅Interleaver的基本设计原理,运用耦合模理论和矩阵传输方法对非均匀取样光纤布拉格光栅的传输特性进行了数值模拟计算,并设计了信道间隔为0.8nm的设计实例,反射谱峰值均匀达到80％～95％,传输通道间隔稳定均匀,时延和色散均匀,时延抖动小于200ps。     

三角形大带宽反射光谱光纤光栅的设计和制备

反射谱具有三角形形状的光纤光栅在光纤传感等领域中具有重要的应用前景。利用遗传算法设计出了产生三角形光谱分布的光纤光栅的耦合系数沿光纤的分布。计算表明,三角形光谱光纤光栅是可以实现的,其反射带宽可以通过光栅的啁啾量进行调节,常周期的三角光栅反射带宽小,变周期的三角光栅反射带宽大,其带宽同其啁啾量大致相等。实验中,采用光束扫描法制备了反射底宽为0．77nm三角形光谱的光纤光栅。     

Fabrication of Tunable Sampled Nonlinearly Chirped Fiber Bragg Gratings with a Simple Method

In this letter a simple method for fabricating tunable sampled nonlinearly chirped fiber Bragg gratings (SNCFBGs) is demonstrated experimentally. A SNCFBG is formed when tension is applied to an etched sampled fiber Bragg grating (SFBG), whose cross-section area's reciprocal varies along the length of the SFBG. The chirp of the grating period and the sampled period can be tuned by adjusting the strain gradients, and the dispersion and dispersion slope can also be compensated.     

多模光纤光栅温度传感特性的实验研究

利用氢敏化处理的多模光纤制作了多模光纤光栅,并对多模光纤光栅的温度传感特性进行了实验研究与理论分析,表明这种光栅三个反射峰的布拉格波长随温度变化均呈现出良好的线性关系,并且重复性相当好,同一光栅的各反射峰的理论温度灵敏度系数都等于0．01nm／℃,实验测得的温度灵敏度系数为0．0098nm／℃或0．0099nm／℃,与理论分析相当吻合,这些特性与单模光纤光栅的温度传感特性接近相同。因此可以用多模光纤光栅代替单模光纤光栅开发光纤光栅传感器,以降低成本;这一实验结果还可以作为对多模光纤光栅进一步深入研究的参考。     

聚合物封装的高灵敏度光纤光栅温度传感器及其低温特性

介绍了一种新型的光纤光栅温度传感器。这种光纤光栅温度传感器使用了特殊的工艺将光纤布拉格光栅封装于一种热膨胀系数较大的有机聚合物基底中 ,使得传感器的温度灵敏性比裸光纤光栅提高了 12 .3倍 ,其温度灵敏度系数KT 达到 82 .6 9× 10 -6/℃。在 - 80～ 0℃的低温度范围内 ,对这种新型光纤光栅温度传感器的反射谱进行了测量。研究了这种新型光纤光栅温度传感器的低温特性 ,并与裸光纤光栅和铝基封装的光纤光栅进行了比较 ,结果表明这种新型的光纤光栅温度传感器具有很好的低温响应特性。     

非线性二次曝光法制作三角形光纤Bragg光栅

提出了一种利用非线性二次曝光技术制作三角形光纤Bragg光栅的新方法.该方法只使用普通Bragg位相模板,采用两次曝光技术,通过控制光纤光栅的本地谐振波长和反射率,达到控制光纤光栅谱形的目的.第一次直接对光纤曝光,用来控制光纤光栅谐振波长;第二次通过位相模板曝光,用来控制光纤光栅的反射率.考虑到光敏光纤感光特性曲线的多项e负指数变化规律,按照"分步写入光纤光栅设计软件"进行曝光分布设计,利用"分步曝光光纤光栅写入系统"进行曝光控制,使用信息产业部第46研究所生产的DCS-01型光敏光纤,得到了线性范围1.24 nm、反射率为0～64%的三角形光纤Bragg光栅.三角形光纤Bragg光栅作为光纤光栅传感解调器件,在光纤传感领域具有重要应用价值.     

新型光纤光栅水声传感器的研究

提出了一种新型的光纤布拉格光栅(FBG)水声传感探头结构以及光纤光栅传感信号的自解调方法。利用一对匹配光栅构成推挽结构,实现了传感-解调的合二为一,大大地减小了系统的复杂度;并通过筒状弹性体结构,解决了裸光纤光栅测量水声信号的灵敏度过小的问题,并具有温度补偿作用。仿真与初步实验结果表明,该水听器探头的测量动态范围超过100 dB,在100~200 dB re 1μPa的水声压范围内,测量灵敏度为0.36 nm/Mpa。     

优化二元相位取样光纤布喇格光栅及对色散和色散斜率补偿的应用

利用粒子群算法对二元相位取样光栅的周期相位调制进行优化设计，在此基础上提出了基于二元相位取样光纤布喇格光栅的色散和色散斜率补偿技术.通过光栅周期啁啾可以调整每个信道的带宽，色散量由子光栅长度决定，调整取样函数的啁啾系数可以改变色散斜率，因此可以设计出用于波分复用系统的多信道色散补偿器件.     

利用非均匀镀铜技术实现光纤光栅的色散可调

提出了一种利用非均匀镀铜技术在光纤光栅的外包层镀上径向均匀轴向厚度渐变的铜膜,通过温度控制来调节光纤光栅的啁啾量,从而实现光纤光栅的色散可调,用于动态的色散补偿。在理论方面,建立了完整的热平衡方程,对轴向厚度渐变镀铜膜光纤光栅在温度控制下的受力情况进行分析;分析了光纤光栅在同时受到温度变化和非均匀应力时的反射、时延、色散等特性,并进行了数值仿真。在实验方面,在自制的均匀光纤光栅上利用先真空镀后电镀的方法镀上了轴向厚度渐变的铜膜,并对镀膜后的光纤光栅利用温度调节装置进行测试,不同温度变化下光纤光栅的特性和理论仿真结果基本一致,从而验证了理论分析的正确性。     

Experimental verification of response of embedded optical fiber Bragg grating sensors in non-homogeneous strain fields

One of the advantages of optical fiber sensors is their ease of embedment within a structure for non-destructive strain monitoring. In particular, Bragg grating sensors are written directly into an optical fiber hence remaining unobtrusive. In addition, several gratings can be written in series along a single fiber, permitting sensing at discrete points throughout the strain field. However, in regions of strong strain gradients, measuring the strain at discrete points may not be sufficient. One solution is to write a Bragg grating longer than the strain region of interest and use the change in its spectral response to determine the applied strain field as a function of position along the fiber. This paper presents an experimental verification of the response of an embedded optical fiber Bragg grating (OFBG) to applied non-homogeneous strain fields. Optical fiber Bragg grating sensors were embedded in four epoxy specimens of different forms so as to apply known strain functions along the gauge length when the specimen is under uniaxial tension. The complete spectral response of the Bragg gratings was then measured as a function of increasing load. The results are compared with analytical calculations, based on the piecewise-uniform period assumption for chirped gratings. Finally, the use of these spectra is discussed as possible basis functions for the resolution of an arbitrary applied strain distribution.