偏芯长周期光纤光栅特性研究

发布时间：2020-06-16 19:24

【摘要】：偏芯光纤由于纤芯偏离中心轴线,其传感特性不同于传统的标准单模光纤。相比单模光纤,偏芯光纤纤芯更加靠近外界环境,因而具有更强泄露的倏逝波,对外界环境变化有更高的敏感度。长周期光纤光栅因其具有制作工艺简单、一体化插入损耗低、无后向散射等优点,被广泛应用于光纤通信和光纤传感领域。在偏芯光纤上写制长周期光栅,会获得兼具偏芯光纤特点和长周期光纤光栅优点的光纤器件,插入损耗小,后向散射弱,灵敏度高,方向传感性好,并且具有偏振特性等。然而传统长周期光纤光栅是写在标准单模光纤上,在偏芯光纤上写入长周期光纤光栅的研究较少。本文对偏芯长周期光纤光栅的理论计算、仿真分析和光栅制作进行系统性的研究。主要研究内容包括:(1)基于耦合模理论,分别用解析法和数值法对单模长周期光纤光栅的理论进行详细计算。同时,回避偏芯长周期光纤光栅复杂的解析计算,利用数值法研究其耦合模理论,建立耦合模方程并推导透射率的计算公式。(2)分别利用解析法和数值法对长周期光纤光栅对比仿真研究。其中,解析法利用Matlab编程求解,数值法利用基于有限元法的数值仿真软件COMSOL Multiphysics仿真计算。通过对比两种方法的仿真结果,验证数值法仿真计算长周期光纤光栅的正确性。(3)使用COMSOL Multiphysics对光纤结构建模仿真,确定光纤模式的有效折射率和模场分布,以及写制光栅中参与耦合的包层模。(4)对比实验参数,利用数值法对偏芯长周期光纤光栅透射谱进行仿真计算。并仿真分析偏芯光纤参数(偏芯度和光纤折射率差)和光栅参数(折射率调制深度、光栅周期和光栅长度)对偏芯长周期光纤光栅的影响。同时分析偏芯长周期光纤光栅的偏振特性。(5)通过CO_2激光器写制偏芯长周期光纤光栅,实验研究光栅参数(光栅周期和光栅长度)对偏芯长周期光纤光栅的影响。(6)对比仿真结果,分析理论、仿真和实验的结论是否一致,完善对偏芯长周期光纤光栅全面系统的特性研究。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN253
【图文】：

示意图,空心光纤,熊猫,保偏光纤

一层生物分子的平均厚度。通过测量厚度，该技术因此可用于无标记检测物分子如 DNA 和蛋白质的选择性结合。就 / 厚的生物分子层的谐振波的偏移而言，实现了大约1.4 / 的检测灵敏度。除以上应用，LPFG 在光纤传感中的应用还有弯曲传感器、湿度传感器、折率传感器、压力传感器、扭曲传感器等[40]。1.3.3 特种光纤 LPFG 的研究现状特种光纤是不同于标准单模光纤的具有特殊结构和用途的特殊光纤。目前特种光纤按不同方向分主要有：（1）工作在特殊波段的光纤，主要有红外光、紫外光纤、X 光用光纤等；（2）使用非石英材料制作的具有特殊功能的光纤，如具有发光性能的荧光光纤、具有光放大及产生激光性能的掺铒光纤，特殊敏性能的增敏和去敏光纤等；（3）具有独特结构设计特殊用途的光纤，比如芯光纤、多芯光纤、孔助光纤、空心光纤、光子晶体光纤（Photonic Crystal FibeCF）、熊猫保偏光纤等；（4）具有单光纤成像功能的变折射率光纤[4]。如图 1-示，为几种常见的具有独特结构设计的特种光纤端面示意图。

结构示意图,弱导光纤,波导模,包层

层模受外界环境影响明显，因而使用三层波导模型来计算更为准确[58]。基于三层波导模型，光纤的结构可分为三个部分：纤芯（半径为，折）；包层（半径为，折射率为）；以及最外层的空气介质（半径无穷射率为，一般近似取 1）。图 2-1 为 SMF 的横截面图和 SMF-LPFG 的意图。其中的Δ = ( )/2 ，定义为纤芯与包层的归一化相对折射率将归一化折射率差Δ 1的光纤统称为弱导光纤。本文计算仿真和实验用都简化为弱导光纤。讨论弱导光纤模式传输时作弱导近似，简化了计算精确度与实验结论相符。

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