光纖光柵技術與應用演示文稿目前一頁\總數四十九頁\編于十二點光纖光柵技術與應用目前二頁\總數四十九頁\編于十二點3內容光纖光柵技術與應用Part1光纖（OpticalFiber）及光通信技術簡介Part2光纖光柵（OpticalFiberGrating）Part3光纖光柵的應用內容目前三頁\總數四十九頁\編于十二點4Part1光纖及光通信技術簡介目前四頁\總數四十九頁\編于十二點5通信波段劃分及相應傳輸媒介頻率Hz10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015自由空間波長（m）電力、電話無線電、電視微波紅外可見光雙鉸線同軸電纜光纖衛星/微波AM無線電FM無線電頻段劃分傳輸介質電磁波譜的劃分光纖光柵技術與應用目前五頁\總數四十九頁\編于十二點6光纖及光通信技術簡介光纖光柵技術與應用光通信用光波載運信息，實現通信光纖通信以光波載運信息，用光纖作傳輸媒體，實現通信光纖通信的優點頻帶寬、信息容量大傳輸損耗低、無中繼距離遠材料豐富抗電磁干擾光纖間串話小，保密性好耐腐蝕、耐高壓體積小、質量輕目前六頁\總數四十九頁\編于十二點7光通信的發展光纖光柵技術與應用光通信的發展過程雛形：古代烽火、手旗、燈光潛望鏡原理——光波導之雛形目前七頁\總數四十九頁\編于十二點8光纖基本理論光纖光柵技術與應用菲涅耳定律：n1sinθ1=n2sinθ2n1n2n1<n2θ1θ2n2n1n1>n2θ2θ1結論：若要實現全反射，則必須有n1>n2目前八頁\總數四十九頁\編于十二點9光纖基本理論光纖光柵技術與應用Φmax=arcsin(NA)φn1n2目前九頁\總數四十九頁\編于十二點10

可見，光纖的數值孔徑（NA）僅取決于纖芯的折射率的大小及包層相對折射率差，而于光纖的直徑無關。標準多模光纖的NA公稱值一般為0.2，對應的孔徑角約為11.5o。標準單模光纖的NA公稱值一般為0.1～0.15，對應的孔徑角約為5.7o~8.6o。光纖基本理論光纖光柵技術與應用目前十頁\總數四十九頁\編于十二點11光纖結構纖芯包層涂敷層護套光纖結構光纖光柵技術與應用單模光纖內徑：9μm多模光纖內徑：50μm外徑：125μm尺寸規格：目前十一頁\總數四十九頁\編于十二點12光纖結構光纖光柵技術與應用兩種常用光纖的結構及其折射率分布目前十二頁\總數四十九頁\編于十二點13機械手MechanicalhandleCapstan

對中卡頭Three-jawchuckModifiedChemicalVaporDeposition高溫爐Graphitefurnace測溫儀Pyrometer分離及沉積處理Separatedeposition測徑儀FiberdiameterGauge空氣凈化系統ClearAirSystem機械手Mechanicalhandle涂杯Coatcup對中itioncentercontrol光固化vioietCuringSystem涂杯Coatcup對中itioncentercontrol光固化UltravioietCuringSystem對中itioncentercontrol熱固化UltravioietCuringSystem涂杯Coatcup對中itioncentercontrol熱固化UltravioietCuringSystem氣相色譜VaporPhasechromatogrameter基座高溫爐配重排除尾氣目前十三頁\總數四十九頁\編于十二點14光纜構成光纖光柵技術與應用常用光纜的典型構成目前十四頁\總數四十九頁\編于十二點15國外光纖技術發展情況光纖技術發展概況光纖光柵技術與應用20世紀60年代中期，所研制的最好的光纖損耗在400dB以上1966年英國標準電信研究所高錕及Hockham從理論上預言光纖損耗可降至20dB/km以下日本于1969年研制出第一根通信用光纖損耗為100dB/km1970年康寧公司（Corning）采用“粉末法”先后獲得了損耗低于20dB/km和4dB/km的低損耗石英光纖1974年貝爾實驗室（Bell）采用改進的化學汽相沉積法制出性能優于康寧公司的光纖產品。到1979年，摻鍺石英光纖在1.55μm處的損耗已經降到0.2dB/km，這一數值已經十分接近由Rayleigh散射所決定的石英光纖理論損耗極限目前十五頁\總數四十九頁\編于十二點16光纖技術發展概況光纖光柵技術與應用1963年開始光通信的研究1977年，第一根短波長(0.85mm)階躍型石英光纖問世，損耗為300dB/km1978年，階躍光纖的衰減降至5dB/km。研制出短波長多模梯度光纖，即G.651光纖1979年，研制出多模長波長光纖，衰減為1dB/km。建成5.7km、8Mb/s光通信系統試驗段1980年1300nm窗口衰減降至0.48dB/km，1550nm窗口衰減為0.29dB/km。1981年多模光纖活動連接器進入實用1984年武漢、天津34Mb/s市話中繼光傳輸系統工程建成(多模)1990年，研制出G.652標準單模光纖，最小衰減達0.35dB/km1992年降至0.26dB/km國內現狀目前十六頁\總數四十九頁\編于十二點171991年，研制出G.653色散位移光纖。最小衰減達0.22dB/km1997年，研制出G.655非零色散位移光纖“六五”、“七五”、“八五”鋪設“八縱八橫”光纖線路總長約七萬公里光纖技術發展概況光纖光柵技術與應用

雖然光纖光纜的研制僅短短的20多年，其應用卻已相當普遍。迄今，已敷設光纜長度超過100萬km，光纜已敷設到世界屋脊西藏。生產光纜的廠家有200多家，每年所用光纖的數量超過400萬km。在實際網絡中，無論是核心網還是接入網，目前主要應用的還是G.652光纖。在核心網中新建線路已開始采用G.655光纖，在接入網中已開始應用光纖帶光纜。我國光通信領域已掌握了光纖、器件、系統等各方面的關鍵技術，逐漸走進了國際光通信的先進行列。尤其在主要技術上，都有了自己的特色和創新。

目前十七頁\總數四十九頁\編于十二點18

中國網通公司光纖通信網絡采用鐵道部光纖連接成環，總長3400km；江蘇/安徽/上海/江西/浙江/福建6省市，17個節點，52個傳輸站；系統容量16×2.5=400Gb/s；應用IPoverSDH/WDM技術；2000年底開通運行上海石家莊北京天津濟南合肥南京杭州福州廣州長沙武漢鄭州南昌深圳廈門國內光纖通信網示例光纖光柵技術與應用目前十八頁\總數四十九頁\編于十二點19光纖通信系統方框圖單信道全光中繼數字通信光--電--光中繼的數字通信光纖通信技術基礎光纖光柵技術與應用目前十九頁\總數四十九頁\編于十二點20時分復用技術光纖光柵技術與應用時分復用TDM－TimeDivisionMultiplexingSignal1Signal2SignalnSignal3MultiplexerDemultiplexerOpticalFiber目前二十頁\總數四十九頁\編于十二點21

Lucent公司研制的單波長速率320Gb/sOTDM試驗系統是目前單波長速率最高的系統。在發送端：20Gb/s電信號經光調制器輸出光信號，再經由20GHz驅動的半導體電吸收光調制器、再生器使20Gb/s的光信號的脈沖寬度壓縮變窄，之后采用延遲插入和極化正交的光時分復用OTDMMUX，產生出320Gb/s光信號。

時分復用技術示例光纖光柵技術與應用目前二十一頁\總數四十九頁\編于十二點22波分復用技術光纖光柵技術與應用波分復用WDM－WavelengthDivisionMultiplexingλnλ1λ2λnλ3DemultiplexerMultiplexerλ1λ2λ3目前二十二頁\總數四十九頁\編于十二點23

Nortel和Worldcom公司聯合對1Tb/sWDM系統進行現場試驗。從美國Dallas到Longview市。全長200公里，采用單纖雙向傳輸。

波分復用技術光纖光柵技術與應用目前二十三頁\總數四十九頁\編于十二點24波分復用技術光纖光柵技術與應用

密集波分復用(DWDM,DenseWavelengthDivisionMultiplexing)當波分復用的峰波長之間的間隔為1.6nm，0.8nm或更低時(對應的約為200G，100GHz或更窄的帶寬)。頻分復用(FDM,FrequencyDivisionMultiplexing)更為密集的波分復用。波分復用系統的主要缺點是由于WDM的插入損耗減小了系統的可用功率，信道間的串擾也會惡化接收機的靈敏度，最關鍵的是波分復用器件的價格仍太高。目前二十四頁\總數四十九頁\編于十二點25時分—波分復用技術光纖光柵技術與應用時分－波分復用Time-FrequencyDivisionMultiplexingλ1,λ2…λkTx1TxnTx2Tx2WDMMUXTx(λ1）λ1λ2λkTDMMUX目前二十五頁\總數四十九頁\編于十二點26

Lucent公司研制的3.28Tb/s試驗系統是目前容量最大的試驗系統。系統速率為40Gb/s,共82個波長光濾波器波長間隔為100GHz，系統工作于C和L兩個波段分別容納40和42個波長通道波分復用，后采用時分復用。時分—波分復用技術光纖光柵技術與應用目前二十六頁\總數四十九頁\編于十二點27Part2光纖光柵目前二十七頁\總數四十九頁\編于十二點28光纖光柵簡介光纖光柵技術與應用

光纖光柵是在光纖纖芯內介質折射率呈周期性調制的一種光纖無源器件，它是利用摻雜（如鍺、磷等）光纖的光敏性，通過某種工藝方法使外界入射光子和纖芯內的摻雜離子相互作用導致纖芯折射率沿纖軸方向周期性或非周期性的永久變化，在纖芯內形成空間相位光柵。光纖折射率變化部分Λ目前二十八頁\總數四十九頁\編于十二點29光纖及光通信技術簡介光纖光柵技術與應用K.O.Hill等人實驗原理示意圖光功率計氬離子激光(514.5nm)摻鍺光纖目前二十九頁\總數四十九頁\編于十二點30

光纖光柵有如一道道的柵門，一個波長的光線經過這一排柵門，就會被分解成很多道波長比較短的光線，不能通過柵門的光線就會被打回頭，由另一個儀器收集后交給接收者。其作用實質上是在纖芯內形成一個窄帶的（透射或反射）濾光器或反射鏡。

光纖光柵簡介光纖光柵技術與應用輸入譜傳輸譜反射譜應變引起波長移動III目前三十頁\總數四十九頁\編于十二點31光纖光柵簡介光纖光柵技術與應用

根據光纖光柵周期的長短及均勻性的不同，光纖光柵可分為短周期光柵(BraggGrating，也稱光纖反射光柵)長周期光柵(LongPeriodGrating，也稱光纖透射光柵)和啁啾光柵(ChirpedGrating，又稱為非周期光柵)。目前三十一頁\總數四十九頁\編于十二點32FBG有較小且均勻的周期，一般約為0.5～1μm，具有反射固定波長之特性。多用于溫度、應力以及以此為基礎而發展出的振動、流量、載荷疲勞、結構損傷、腐蝕等方面的分布式檢測系統。光纖布拉格光柵光纖光柵技術與應用光纖布拉格光柵目前三十二頁\總數四十九頁\編于十二點33tf啁啾光柵啁啾光柵光纖光柵技術與應用tftp目前三十三頁\總數四十九頁\編于十二點34

啁啾通常是指一種頻率變化的現象，如果Bragg光纖光柵的周期或折射率沿長度方向發生一定變化，則其Bragg頻率沿長度方向也會發生一定變化，即發生了啁啾，這種光纖光柵就稱為啁啾光纖光柵。啁啾可以是線性的也可以是非線性的，周期沿長度方向線性變化的光柵稱為線性啁啾光柵。

啁啾光柵光纖光柵技術與應用目前三十四頁\總數四十九頁\編于十二點35啁啾光柵光纖光柵技術與應用色散產生原理示意圖

波長色散的起因有兩個：1）折射率隨波長呈非線性變化，色散系數與折射率的二階導數成正比，稱為材料色散；2）傳播常數與波長呈非線性關系，色散系數與傳播常數的二階導數成正比，稱為波導色散。目前三十五頁\總數四十九頁\編于十二點36啁啾光柵光纖光柵技術與應用目前三十六頁\總數四十九頁\編于十二點37長周期光柵光纖光柵技術與應用LPG周期在100μm以上。其主要特性則是透射光在耦合的波長下將耦合到光線薄層中去損耗掉，而不是被反射。這樣在某些不需要回波、甚至盡量避免回波的場合，長周期光柵將一展身手。另外，長周期光柵對環境的變化與FBG相比更加敏感。但是，在實際應用中，長周期光柵還存在著一些局限性，比如：它對彎曲過于敏感，一個很小的彎曲會將他的峰值波長向短波方向移動；另外，由于它的透射譜具有幾個峰，且每個峰都有一定的帶寬，這限制了LPG在準分布式傳感系統中的應用。

目前三十七頁\總數四十九頁\編于十二點38Part3光纖光柵應用目前三十八頁\總數四十九頁\編于十二點393S：SmartSkinSmartMaterialSmartStructure光纖光柵光纖光柵技術與應用目前三十九頁\總數四十九頁\編于十二點40

分布式光纖傳感器測量是運用光纖的一維特性進行測量的技術，它可同時獲得被測量的空間分布狀態和隨時間變化的信息。它可以在整個光纖上對沿光纖分布的環境參數進行連續測量。在理論上，它可以把被測量作為光纖位置長度的函數，能得到任意大小的分辨率。分布式光纖傳感器光纖光柵技術與應用分布式光纖傳感系統目前四十頁\總數四十九頁\編于十二點411、反射法：利用光纖在外部擾動作用下產生的Reyleigh、Raman、Brillouin等效應進行測量的方法。2、偏振光時域反射法(POTDR)：利用后向散射光的偏振態信息進行分布式測量的技術。3、波長掃描法(WLS)：用白光照射保偏光柵，運用快速Fourier算法來確定模式耦合系數的分布。4、干涉法：利用各種形式的干涉儀或干涉裝置把被測參量對干涉光路中光波的相位調制進行解調，從而得到被測參量信息的方法。分布式光纖傳感器光纖光柵技術與應用目前四十一頁\總數四十九頁\編于十二點42準分布式光纖光柵傳感結構準分布式光纖光柵傳感系統光纖光柵技術與應用寬帶光源光譜分析儀目前四十二頁\總數四十九頁\編于十二點431、在光敏光纖同一位置重疊寫入兩個具有不同Bragg波長的光柵來區別溫度和應變效應；2、利用同一光纖Bragg光柵的一階和二階衍射效應來區別出溫度和應變效應；3、采用特殊封裝、埋入方式的方法來消除溫度－應力的交叉敏感問題。光纖光柵溫度去敏光纖光柵技術與應用光纖光柵的溫度去敏目前四十三頁\總數四十九頁\編于十二點44光纖光柵溫度去敏光纖光柵技術與應用硅管光纖光柵螺母有涂敷的光纖鋁帽環氧膠螺紋鋁管光纖光柵溫度補償裝置結構目前四十四頁\總數四十九頁\編于十二點45FBG光纖紫外固化膠空心玻璃球光纖光柵溫度去敏光纖光柵技術與應用采用空心玻璃球提高光纖光柵壓力靈敏度目前四十五頁\總數四十九頁\編于十二點46準分布式光纖光柵的信號解調準分布式光纖光柵傳感系統尋址光纖光柵技術與應用

準