基于掺钴光纤的光纤光栅器件应用研究

发布时间：2020-10-20 12:07

　　 光纤光栅作为发展最为迅速的光纤无源器件之一,自出现以来,随着其制作技术的不断完善,出现了越来越多的应用成果,并凭借着其自身独特的优势,逐渐发展成为最具代表性的、最有发展前途的光纤无源器件之一,在光纤通信、光纤传感等多个领域有着广阔的应用前景。本论文从新型光纤光栅传感技术出发,深入研究光纤光栅器件在光纤通信与新型传感领域的应用,研制了可全光调节的窄带滤波器以及新型热线式微流体流量传感器。本论文首先简单介绍了课题研究的背景与意义以及光纤光栅的发展历程,接着讨论了光纤光栅以及掺钴光纤在通信领域和传感领域的应用现状与市场前景,并对目前光纤光栅传感技术的研究热点进行了概括与总结。然后从理论上分析了光纤光栅的结构模型以及基本的理论分析工具,包括射线理论、耦合模理论以及适用于非均匀光纤光栅数值计算的传输矩阵法。接着从光纤的光敏性出发给出了常用的光敏性模型以及光纤增敏技术,随后又简述了现存的几种光纤布拉格光栅的制作方法以及本实验室的载氢设备和光栅制作系统。本论文研发了一种基于掺钴光纤的光纤布拉格光栅法布里珀罗腔结构的可调谐窄带滤波器。基于掺钴光纤的光栅结构是一种新型光纤器件,掺钴光纤具有优异的光热转化机制,从而可实现光栅谐振波长的全光调谐。而由光纤布拉格光栅对构成的法布里珀罗腔结构能大幅度提升谐振峰的细度,实现高精度、高分辨率传感,同时合理设计光纤布拉格光栅长度以及法布里珀罗腔腔长能够实现透射峰的单纵模传输。论文还提出一种基于掺钴光纤的新型热线式流速传感技术。通过软件仿真计算设计并制作了集成化的基于光纤光栅法布里珀罗干涉仪结构的微流体流量计,通过具体实验验证了该流量计的流速传感特性包括波长响应特性、时间响应特性、灵敏度特性以及工作环境温度条件,实现了高灵敏度、高分辨率、高稳定性的微流体流量传感。实验中还发现通过增大泵浦激光功率以及减小微流体通道尺寸,可以进一步提高该流量计的流速探测灵敏度以及增大流速测量范围。论文最后提出一种基于微结构光纤光栅的微流控芯片的设计方法。将掺钴光纤上制作的光纤布拉格光栅与微流控芯片技术结合,先进行软件仿真然后采用特殊光纤光栅的数值分析方法计算了该传感结构的流速传感响应,从理论上证实了该微流控芯片传感方案的可行性。该传感结构增大了传感单元与微流体之间的接触面积,极大地提高了其流速探测灵敏度。同时采用特有的流速标定方法,能够有效补偿环境温度的变化,扩大了该微流控芯片的应用范围。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN253
【部分图文】：

同比增长２２％，增长主要来源于中国在内的新兴市场，中国已经成为全球最重要??的光纤光缆制造基地，也是全球最重要的光纤光缆消费市场。从下游需求来看，我国三大??国有电信运营商是国内光纤光缆的主要客户，其需求量约占中国市场的８０％以上。图１为??著名细分产业研究机构前瞻研究院出具的２０１１￣２０１７年以及预计２０１８年中国光纤光缆需??求及增长预测。２０１７年中国光纤光缆的需求量超过了?２．５亿芯公里，同比增长２８％，预计??２０１８年将继续保持较高的增长率，有望突破３．５亿芯公里。??２０１１－２０１８年中国光缆需求及增长预测（单位：万芯公里，％）??４００００???６０％??〇■?ｔＮ光缆耑求－万芯公里?＿：＞增长－％??３５０００?／＼?＿?－??３００００?／?＼?＿?４〇％??；：／?＼?Ｓ?Ｊ?Ｉ?：??ｉｉ?１?ｒｓ－：ｔ？ｆ?Ｉ?ＳＪｉ??２０１１?２０１２?２０１３?２０１４?２０１５?２０１６?２０１７?２０１８??图１．１?２０１１￣２０１８年中国光缆需求及增长预测??从１９９０年单模光纤系统进入商用化以来，尽管只经历了短短二三十年的时间，光纤通??信技术以具有通信容量大、传输距离远、传输损耗低、信号干扰小、保密性能好、抗电磁??干扰、传输质量佳等优点，成为现代通信的主要支柱之一，也为现代互联网技术的蓬勃发??展发挥了积极作用。伴随着光纤通信技术的迅猛发展，人们推陈出新，一系列高性能光纤??器件被相继提出，例如光纤光栅［４］、光纤耦合器［５］［６］［７］、波分复用器［８］、光纤延迟线［９］、光??纤放大器［１（）］［１１］、光纤滤波器［１２］、光纤干涉仪［１３］［１４］等。??另一方面

浙江大学博士学位论文渡金属离子掺杂光纤在使用时不会产生荧光，所以不会因此增渡金属离子掺杂光纤往往具有较高的吸收系数，能够将更多的１．２？１．４分别为典型的掺钴光纤、掺钒光纤与掺镱光纤的吸收掺钴光纤在７００ｎｍ附近有极高的吸收系数，在１１００￣１５５０ｎｍ吸收。类似的，掺钒光纤对波长在８００？１６００ｎｍ范围内的光能掺镱光纤的只有在８７５￣１０００ｎｍ范围内有相对较高的吸收系数，掺钴光纤要低至少１个数量级。显然掺钴光纤吸收系数更高，光波段到近红外波段的多种光源，因而适用范围也会更广泛。波长往往也存在于掺钴光纤的吸收波段，但因为实验中用到的号光的吸收并不大。??１５０?｜?？?Ｉ?１?Ｊ１?＇ｔ１１１?｜?？?ｉ?？?ｔｋ?＜?＊?Ｉ?１?ｉ??

的精度；而过渡金属离子掺杂光纤在使用时不会产生荧光，所以不会因此增大检测系统的??噪声，并且过渡金属离子掺杂光纤往往具有较高的吸收系数，能够将更多的泵浦光能量转??化为热量。图１．２？１．４分别为典型的掺钴光纤、掺钒光纤与掺镱光纤的吸收光谱图。从图??中可以看出，掺钴光纤在７００ｎｍ附近有极高的吸收系数，在１１００￣１５５０ｎｍ大范围内光能??量有相对高的吸收。类似的，掺钒光纤对波长在８００？１６００ｎｍ范围内的光能量均有较高系??数的吸收。而掺镱光纤的只有在８７５￣１０００ｎｍ范围内有相对较高的吸收系数，但是峰值吸??收系数仍然比掺钴光纤要低至少１个数量级。显然掺钴光纤吸收系数更高，且能够适用于??现有的从可见光波段到近红外波段的多种光源，因而适用范围也会更广泛。虽然在实际适??用中，信号光波长往往也存在于掺钴光纤的吸收波段，但因为实验中用到的掺钴光纤长度??很短，其对信号光的吸收并不大。??１５０?｜?？?Ｉ?１?Ｊ１?＇ｔ１１１?｜?？?ｉ?？?ｔｋ?＜?＊?Ｉ?１?ｉ??｜?１００?：?Ｉ?：??Ｊ?５０?－?Ｉ?－??＜??Ｑ?？?．?．?Ｉ?■?Ｉ?■垂?■?Ｉ?■?Ｉ?■?Ｉ?．?Ｉ??７００?８００?９００?１０００?１１００?１２００?１３００?１４００?１５００??Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ?（ｎｍ）??图１．２掺钴光纤的典型吸收光谱图??２．０－＾＾??！
【参考文献】

相关期刊论文 前7条

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本文编号：2848663