新型模式干涉光纤传感器及保偏光纤特性的研究

发布时间：2020-04-28 17:49

【摘要】：现代社会,光纤传感技术在环境检测、精细控制、生物传感和军事安防等方面都发挥着重要作用,光纤传感器作为光纤网络中不可或缺的组成部分,逐渐受到了更广泛的关注和更多的研究。光纤传感器本身具有灵敏度高、抗电磁干扰、可在复杂环境下进行测量等优点,而基于模式干涉的光纤传感器其结构紧凑、可进行多参量同时测量,成为现代传感技术的一个重要方向。本文主要对新型的模式干涉型光纤传感器进行了研究,通过对包括无芯光纤、多模光纤、保偏光纤等特种光纤的使用,制作并研究了多种基于模式干涉的光纤传感器件,详细分析了其光谱特性,并且实验验证了其对不同物理参量变化的响应结果。在此基础上,通过对保偏光纤的研究,提出了新型的偏振保持少模光纤模型,仿真分析了其模式特性。本文主要研究内容如下:1..提出了一种基于无芯光纤的模式干涉型光纤传感器。在基本的单模光纤-无芯光纤-单模光纤的基础上,加入光纤光栅和熔融拉锥技术,得到了基于无芯光纤的复合型光纤传感器,通过实验,获得了上述传感器对于轴向应力、温度双参量同时测量的数据,实验结果表明,在给定范围内,所选取的干涉峰和光纤光栅反射峰对于轴向应力的灵敏度为-2.93pm/με、0.823pm/με,对于温度的灵敏度为115.48pm/℃和8.24pm/℃,在以上数据的支持下,获得了双参量同时测量的矩阵表达式。2..提出了一种基于熊猫型保偏光纤的多模光纤-保偏光纤-多模光纤的复合型传感器,对保偏光纤双折射特性进行了分析和说明,同时通过实验测量了该光纤传感器对应力和温度的传感特性,得到了良好的线性拟合结果,获得了双参量同时测量的矩阵表达式。在此基础上,使用保偏光纤制作了保偏光纤-多模光纤-保偏光纤传感器,在相同的实验条件下,完成了关于保偏光纤不同结构的对比实验。3.提出了一种基于熊猫型保偏光纤和光纤腐蚀加工的复合型光纤传感器。通过对光纤进行腐蚀处理,使其对外界环境参量的变化更加敏感,获得了腐蚀后光纤传感器对于折射率和温度同时测量的结果,所选取的两个干涉峰对于折射率的灵敏度为 237.837nm/RIU、318.279nm/RIU,温度灵敏度为 0.188nm/℃ 和0.160nm/℃,其折射率敏感度具有较好的竞争力。4.提出了一种基于保偏光纤和多层芯光纤的少模光纤模型,通过仿真得到其模场图和传输性能,该光纤可以容纳12个特征模式的同时传输,同时,通过对纤芯进行椭圆化处理,分别获得了可以同时传输16个和22个特征模式的纤芯结构,为之后新型少模光纤的制作提供了新思路。
【图文】：

（ａ）逦（ｂ）逡逑图１－１．光波所（ａ）第一代全光交换网络平台演示系统；（ｂ）第二代全光交换网络平台演示系统。逡逑Ｆｉｇ．邋１－１．邋Ｔｈｅ邋Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ邋ｏｆ邋Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ邋Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ邋（ａ）邋Ｆｉｒｓｔ－ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ邋ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ邋ｓｙｓｔｅｍ邋ｏｆ逡逑ａｌｌ－ｏｐｔｉｃａｌ邋ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ邋ｎｅｔｗｏｒｋ邋ｐｌａｔｆｏｒｍ，邋（ｂ）邋Ｓｅｃｏｎｄ－ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ邋ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ邋ｓｙｓｔｅｍ邋ｏｆ邋ａｌｌ－ｏｐｔｉｃａｌ逡逑ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ邋ｎｅｔｗｏｒｋ邋ｐｌａｔｆｏｒｍ．逡逑在本文中，基于对光纤通信、光纤传感基本需求的分析，在前人工作的基础逡逑上，借助实验室的光纤制作、传输检测、大数据计算等各种平台，对光纤网络中逡逑的干涉型光纤传感器和保偏光纤进行了研宄。利用实验室自制的无芯光纤（Ｎｏ－ｃｏｒｅ逡逑ｆｉｂｅｒ，邋ＮＣＦ）、多模光纤（Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ邋ｆｉｂｅｒ，邋ＭＭＦ）和商用保偏光纤等特种光纤，制逡逑作了多种基于马赫－曾德尔干涉仪（Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ邋ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ，邋ＭＺＩ）的多模干涉逡逑（Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ邋ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，邋ＭＭＩ）传感器，并通过理论分析和实验验证，获得了上述传逡逑感器对于轴向应力、温度、折射率等多参量的复合传感结果，取得了很好的实验逡逑效果。同时，在熊猫型保偏光纤的基础上，提出了新型的保偏多层芯少模光纤结逡逑构，该结构能容纳多个特征模式同时传输，并通过实验仿真，获得了保偏多层芯逡逑少模光纤各个特征模式的传输特性。逡逑

并且已经有了正式的标准，但在传感领域，普通的单模光纤只用做信逡逑号传输的载体，具体的传感一般由其他特种光纤来实现。随着现代光纤制作工艺逡逑的逐步提高，已经出现了各式各样的特种光纤，如图１－２所示，在图中给出了一些逡逑较为常用的特种光纤横截面图，包括多模光纤［２７＿３１］、多芯光纤［３２－３４］、无芯光纤［３５－３８］、逡逑空芯光纤（Ｈｏｌｌｏｗ－ｃｏｒｅ邋ｆｉｂｅｒ）［３９－４２］、保偏光纤［４３－４６］、光子晶体光纤（ｐｈｏｔｏｎｉｃ邋ｃｒｙｓｔａｌ逡逑ｆｉｂｅｒＳ）［４７－５１］，，这些特种光纤都己经在传感领域发挥了巨大的作用，成为了现代光纤逡逑传感器的重要组成部分。逡逑Ｏ，逡逑◎邋＿逡逑图１－２．光纤传感器中常见特种光纤横截面图。逡逑Ｆｉｇ．邋１－２．邋Ｔｈｅ邋ｃｒｏｓｓ邋ｓｅｃｔｉｏｎ邋ｄｉａｇｒａｍｓ邋ｏｆ邋ｓｐｅｃｉａｌ邋ｏｐｔｉｃａｌ邋ｆｉｂｅｒｓ邋ｉｎ邋ｏｐｔｉｃａｌ邋ｆｉｂｅｒ邋ｓｅｎｓｏｒｓ．逡逑多模光纤在光纤传输系统中使用较少，主要用于低速率短距离的传输，但在逡逑光纤传感系统中，却是非常常用的的一种光纤，因其半径较大，数值孔径也比较逡逑５逡逑
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN253;TP212

【参考文献】

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2 许庆瑞;吴志岩;陈力田;;智慧城市的愿景与架构[J];管理工程学报;2012年04期

3 李乔;郑啸;;云计算研究现状综述[J];计算机科学;2011年04期

4 巫细波;杨再高;;智慧城市理念与未来城市发展[J];城市发展研究;2010年11期

5 孙其博;刘杰;黎

本文编号：2643709