悬挂芯长周期光纤光栅器件设计

发布时间：2020-04-26 04:31

【摘要】：本文首先研究了长周期光纤光栅(long period fiber grating,LPG)及其耦合原理,介绍了写入LPG的方法并着重讨论了高频CO_2激光器逐点写入法的优势、具体的操作步骤以及注意事项等。此外本文在一种新型特种光纤——悬挂芯光纤(embedded-core optical fiber,ECOF)上写入LPG并基于这种悬挂芯长周期光纤光栅(long period fiber grating in embedded-core fiber,ECOF-LPG)设计制备悬挂芯光纤马赫泽德干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer in embedded-core fiber,ECOF-MZI)以及抗弯型ECOF-LPG等器件,测量并分析了这些器件的传感特性。首先,搭建光栅写入系统,成功搭建系统后利用高频CO_2激光器在ECOF上写入LPG,对ECOF-LPG样品的温度、应力以及弯曲特性进行了测量,对比分析其与传统单模LPG的优缺点;详细介绍了LPG的成栅原理,采用有限元分析与数值计算相结合的方法对ECOF-LPG进行理论分析,确定了这种特种LPG的谐振峰是由纤芯模LP_(01)与包层模LP_(91)之间的耦合所决定的;然后,根据LPG成栅原理设计并制备ECOF-MZI,研究了两个LPG之间的距离对样品透射谱的影响,同时对三峰样品的温度、应力以及折射率特性进行了测量和分析,实验结果表明,这种新型的光纤器件在温度和应力两方面的表现与传统单模LPG类似,折射率测量分为外部和内部两部分进行,该样品对外部折射率并不敏感,但是其内部折射率的表现具有非常大的潜在应用价值;最后,利用ECOF-LPG的弯曲特性与弯曲方向有关的特点,设计制备一种抗弯型ECOF-LPG,将两段ECOF错位对芯焊接起来,再在其上写入LPG并进行弯曲特性的测量,测量结果表明,这种抗弯型ECOF-LPG能够较好的免疫弯曲对透射光谱造成的影响,推进了新型光纤器件的进一步发展。
【图文】：

截面图,特种光纤,空芯光纤,光纤

于光信号的传输具有非常优异的性能，，每千米的损耗可低至小于 1dB，所以被广用在远距离光通信领域。近些年， 4G 网络的普及、5G 网络的研发、光纤到户纤传感器件的发展和普及，传统意义的单模光纤已经不能满足当前各个领域的需此研究人员把方向转向了对于光纤及光纤器件的研究当中。特种光纤与传统光纤之间的区别主要表现在：材料掺杂，结构设计，形成工艺波段，光学性能，机械和环境性能，服务的行业领域等等。特种光纤和特种光缆特种光纤(产品)的范畴，这些产品在通信、传感、电力、石油石化、工业以及军个领域都得到了广泛的应用。目前的特种光纤主要有：（1）用于传输特殊波长的光纤，包括有紫（红）外光光用光纤等；（2）使用非石英材料制作的在某些方面有着特殊应用的光纤，包括性能、耐高温性能特殊性能的光纤，荧光光纤、掺饵光纤，以及聚合物光纤、空、增敏和去敏光纤、镀金属光纤等；（3）结构相对新颖且具有独特用途的光纤，多芯光纤、传输机理不同的光子晶体光纤（PCFs）等；（4）具有单光纤成像功能射率光纤。如图 1.6 所示，为几种常见的特种光纤的截面图。

表面波纹,结构示意图

图 2.2 表面波纹型 LPG 结构示意图节的介绍，耦合方程与耦合系数可表示为：dAzdzCzAz[i z]lljljjl( )/= ()()×exp(β β) ×= ∧∧ ∧dAβikΔεjr20jzljlehaCz40( )jβ代表渐变振幅与传播常数，j 为模式的阶数，k0为波矢量，∧e 、∧h 为归一化模场的电场与磁场矢量，∧za 为沿光纤轴置包括：锥腰直径 15μm，LPG 周期 200μm，LPG 长度 11 2.3（a）中的灰线为计算求解的 LPG 透射谱，当光纤进行将会发生在 HE11、EH11以及 HE12等低阶模式，图 2.3（合在波长为 1.36μm 的位置形成损耗峰，而 1.6μm 处的损合形成的，1.36μm 处的谐振峰：423910 = .×31Cμm-1； 4210 ×-1
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN253

【参考文献】