基于单模—多模—单模光纤结构的新型光纤湿度传感器件的研究

发布时间：2020-05-06 08:22

【摘要】：单模-多模-单模(Singlemode-multimode-singlemode,SMS)光纤结构由于自身拥有的成本低、实验制备容易、结构简单和灵敏度高等优点,一经提出,就得到了广泛地研究,一些基于SMS光纤结构的滤波器、光分束器、光束整合器、光纤传感器等光纤器件已经被广泛地应用到了光通信领域和光传感领域。尤其在光纤传感领域,基于多模干涉原理的SMS光纤结构凭借自身独特的优异性能得到了广泛地应用,所以本文深入地研究了SMS光纤结构,并且对一种基于单模-侧抛多模-单模(Singlemode-side polished multimode-singlemode,SSPMS)光纤结构的湿度传感器进行了全面的理论分析和实验研究。在本论文中,首先介绍了SMS光纤结构以及基于SMS光纤结构传感器件的研究背景和研究进展。理论分析了光束在多模光波导结构和多模光纤结构中传播时产生的多模干涉现象和自成像点现象。然后分别利用模式传输分析方法(Mode propagation method,MPA)和光束传输法(Beam propagation method,BPM)理论模拟了SMS光纤结构中的多模干涉现象,并且计算得到了这两种计算方法所对应的自成像点位置。实验结果证明在计算SMS光纤结构的自成像点时,相比较BPM方法,MPA方法更加准确。在此基础上从理论和实验上研究了多模光纤自成像点处模场分布随周围环境温度改变而变化的情况,提出了一种新颖的研究SMS光纤结构温度依赖性的方法。进一步地,本文设计并制备了一种基于明胶涂覆的SSPMS光纤结构的湿度传感器件。这种光纤结构是利用自制的光纤侧抛系统对SMS光纤结构的多模光纤部分侧面抛磨制备而成的。首先详细地介绍了SSPMS光纤结构的制备方法,并且利用BeamPROP软件理论研究了侧面抛磨对于SMS光纤结构中光束传输特性的影响,以及外界环境变化对于SSPMS光纤结构中光束传输特性的影响。然后实验研究了涂覆在侧抛多模光纤部分的湿度敏感材料(明胶)涂层的厚度与SSPMS光纤结构湿度传感性能(湿度灵敏度和响应时间)的关系,最后还研究了这种光纤结构的湿度传感器的温度依赖性。实验结果证明这种SSPMS光纤结构不仅具有较高的灵敏度和较快的响应时间,而且在25 ℃到55 ℃温度范围内具有较低的温度依赖性。为了克服外界温度对于基于SSPMS光纤结构湿度传感器传感性能的限制,以及制备一种可以用于高温环境下湿度测量的传感器,所以本文提出并研究了一种基于无任何材料涂层包裹的SSPMS光纤结构湿度传感器,研究了在较高温度范围内(70 ℃到90℃),不同侧抛表面粗糙度对于SSPMS光纤结构湿度传感性能的影响。通过简单地控制光纤样品制备过程中使用的砂纸规格,来控制SSPMS光纤结构的侧抛光纤表面的粗糙度。实验结果表明,随着侧抛光纤表面粗糙度的增加,SSPMS光纤样品的湿度灵敏度随之增大,并且在70 ℃、80 ℃和90 ℃温度下,SSPMS光纤样品具有稳定的传感性能表现。总的来说,本论文的主要工作就是提出并证明了一种新型的、基于多模干涉的SSPMS光纤结构,并详细地阐述了这种光纤结构的设计、制备工艺以及湿度传感应用。并且实验证明了这种SSPMS光纤结构同时具备很高的湿度灵敏度以及比较低的温度依赖性,另外这种SSPMS光纤结构也具有成本低廉,制作过程容易的优点。这些优异的性质使得这种SSPMS光纤结构成为一种较为理想的多模干涉器件以及传感器件。
【图文】：

示意图,波导,阶跃型,折射率

传输和耦合波长带宽比较宽的光信号，还要具备偏振不中还需要考虑制备而成的光子集成器件的物理尺寸和成于多模干涉的多模光波导器件已经被广泛地研究，并且例如相位分集网络[60]、马赫—曾德尔（Mach-Zehnder）器[63]以及环形激光器等[64,65]。导中，传输的模式数一般会大于或等于3。通过利用多模光波导，再利用输出端的单模光波导将多模光波导中种基于多模光波导的器件一般可以作为一种N×M的多模输入和输出单模光波导的数目。一般常用来分析多模光混合方法[67]、光束传输方法（BPM）、导模传输分析用MPA方法来研究多模光波导中光的传输特性，因为方法，在理想状态下它可以分析多模光波导中所有模式相对精确的解析解，而且还能解释多模光波导中的模式用来分析存在于多模光波导中的多模干涉和自成像现

电场分布,阶跃型,导模,侧向

0时，这个多模光波导可以容纳m个侧向模式，分别记为ν=0，1，…，（m-1），如图2.2所示。多模光波导的侧向波数kyv和传播常数βν可以通过色散方程与脊的折射率nr建立关系，有2 2 2 2y 0rk k nν ν+ β= （2-1）其中，0 0k = 2π λ， ( 1)y ek Wν ν= ν + π，Weν为有效宽度。脊状边界处存在着Goos-H hnchen漂移现象，即模式场分布存在着侧向渗透深度，但是对于一个高折射率对比的光波导来说，侧向渗透深度是非常小的，以至于可以忽略不计，，则有Weν≈WM。所以有效宽度Weν可以近似为基模对应的有效宽度We0，即有2 2 2 1/20( )( ) ( )e e M c r r cW W W n n n nσνλ π ≈ = + （2-2）其中
【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;TP212

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