基于光纤马赫—增德尔干涉仪的滤波器及其传感特性研究

发布时间：2017-10-09 08:17

  本文关键词：基于光纤马赫—增德尔干涉仪的滤波器及其传感特性研究

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【摘要】：本论文的主要内容为基于多模光纤中模式干涉的全光纤马赫-增德尔(Mach-Zehnder,MZI)对外界环境的响应特性,着重研究了单模-多模-单模(Single mode-Multimode-Single mode, SMS)及多模-单模-多模(Multimode-Single mode-Multimode, MSM)光纤结构的传输谱及其轴向应力、温度、折射率传感特性,在此基础之上,研制了基于普通多模光纤和无芯多模光纤制作SMS结构的两种光纤激光传感系统,实验发现,其传感特性远好于普通的模式干涉的全光纤MZI传感器。此外,论文还研究了基于双通道MZI的光纤传感系统。本论文的主要研究成果与创新点如下： 1.首次建立了光纤SMS结构输出单模光纤中包层模激发系数对多模光纤长度及波长的依赖关系,理论推导了输出单模光纤中包层模式激发系数的数学表达式。对AFS50i/125多模光纤而言,计算结果显示其长度为～1.4mm时,SMS结构输出单模光纤的能量主要集中于纤芯模式和两个相邻的包层模式中,从而MSM结构可以在中间单模光纤长度较短的条件下输出相对平整的梳状谱。 2.提出并搭建了一种基于SMS结构的环形腔光纤激光传感系统,该系统利用SMS结构传输谱的对外界敏感的特性及其带通滤波特性,实现了单波长激光输出,分别建立了不同激光传感系统输出中心波长与轴向应力、温度、及折射率的对应关系。与普通的基于光纤SMS结构传感系统相比,该方案极大的提高了系统输出光信噪比(40dB)及输出光强度(-0dBm)、并减小了输出谱的3dB带宽(0.05nm),因而可以用于长距离传感中。3.提出并研制了基于保偏-多模-保偏光纤结构扭转传感器,建立了结构扭转角度与输出光谱参数之间的函数关系。与保偏-单模-保偏光纤结构传感相比,该传感器可以同时从峰值波长及光强度两个角度测量结构的扭转角度变化。 4.提出并实验制作了单模光纤中包层模式与纤芯模式干涉的光纤扭转传感器,该结构通过在MSM结构中间熔接一段保偏光纤制作而成。建立了该结构扭转角度与输出光谱消光比的对应关系。与PMP结构传感器相比,该结构传感器输出谱消光比更高且平整度更好。 5.提出了一种基于压电陶瓷的光相位调制器的相位调制系数的方案,方案的优势在于快速、直接的测量任意给定的调制器相位调制系数值。然后建立了一种基于相位生成载波解调技术的萨格纳克环与MZI结合的分布式振动传感系统。
【关键词】：光纤传感 光纤马赫-增德尔干涉仪 模式干涉 单模-多模-单模光纤结构
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH744.3
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-9
• 序言9-13
• 1 绪论13-29
• 1.1 引言13
• 1.2 光纤传感器的分类及应用13-15
• 1.3 马赫-增德尔干涉仪的研究现状15-17
• 1.3.1 可调谐光纤滤波器15
• 1.3.2 传感信号解调15-16
• 1.3.3 光纤传感系统16-17
• 1.4 全光纤马赫-增德尔干涉仪的研究现状17-22
• 1.4.1 基于纤芯模式之间干涉全光纤MZI的研究现状17-18
• 1.4.2 基于芯模与包层模之间干涉全光纤MZI的研究现状18-21
• 1.4.3 温度补偿技术研究21-22
• 1.5 光纤激光传感系统的研究现状22-24
• 1.6 论文的研究内容和成果24-29
• 2 光纤中的模式耦合、传输理论29-51
• 2.1 引言29-30
• 2.2 模式耦合理论30-45
• 2.2.1 光纤中的模式30-34
• 2.2.2 单模光纤到多模光纤的模式耦合34-39
• 2.2.3 多模光纤到单模光纤的模式耦合39-45
• 2.2.3.1 与单模光纤纤芯模式的能量耦合39-41
• 2.2.3.2 与单模光纤包层模式的能量耦合41-45
• 2.3 多模-单模-多模光纤结构的传输谱45-49
• 2.4 小结49-51
• 3 基于单模-多模-单模光纤结构的传感研究51-79
• 3.1 引言51-52
• 3.2 传感特性研究52-69
• 3.2.1 应力传感特性研究53-60
• 3.2.2 度传感特性研究60-64
• 3.2.3 无芯多模光纤的折射率传感特性研究64-68
• 3.2.4 多参量同时测量68-69
• 3.3 光纤PMP结构扭转传感研究69-72
• 3.4 基于SMS结构的环形腔光纤激光传感系统72-77
• 3.4.1 应力激光传感系统73-74
• 3.4.2 折射率激光传感系统74-77
• 3.5 小结77-79
• 4 基于多模-单模-多模结构的全光纤MZI传感特性研究79-99
• 4.1 引言79
• 4.2 工作原理79-95
• 4.2.1 应变传感特性研究79-85
• 4.2.2 温度传感特性研究85-89
• 4.2.3 折射率传感特性研究89-94
• 4.2.4 多变量同时测量94-95
• 4.3 MSPSM结构扭转传感研究95-97
• 4.4 小结97-99
• 5 基于双通道马赫-增德尔干涉仪的光纤振动传感研究99-115
• 5.1 引言99-100
• 5.2 工作原理及解调技术100-108
• 5.2.1 基于3×3耦合器的MZI解调方案研究101-103
• 5.2.2 相位生成载波解调方案研究103-104
• 5.2.3 仿真与实验104-108
• 5.2.3.1 基于压电陶瓷的光相位调制器相位调制系数的测量105-108
• 5.2.3.2 实验测量结果验证108
• 5.3 基于PGC解调算法的分布式振动传感器108-113
• 5.3.1 工作原理108-110
• 5.3.2 实验与讨论110-113
• 5.4 小结113-115
• 6 结论115-119
• 6.1 总结115-117
• 6.2 下一步要展开的工作117-119
• 参考文献119-127
• 附录A127-129
• 索引129-131
• 作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果131-135
• 学位论文数据集135

【参考文献】

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本文编号：999106