全光纤微结构器件的理论与应用研究

发布时间：2018-10-24 10:36

【摘要】：以光纤传感技术为基础的光纤传感网络,具有传输速度快、传输距离远和抗干扰能力强等优势,可满足物联网产业的发展需求。全光纤光源、传感器、调制器等关键器件是构建光纤传感网络的基础,对它们进行研究有着不言而喻的重要性。但是,到目前为止,大多数全光纤器件都是基于普通光纤构建的,普通光纤单一的材料和光学特性使器件结构的尺寸、工作性能等各方面都受到限制。因而,设计并研究全光纤微结构器件对未来光纤传感网络的发展具有重要意义。本论文针对光纤传感网络发展的迫切需求,设计基于微纳光纤、光子晶体光纤、复合光纤的多种全光纤微结构器件,并从理论、实验和应用三个方面对这些器件进行研究,主要工作内容包括：(1)开展了微纳光纤斜8字结构的理论及应用研究：将微纳光纤谐振结构和光学游标效应相结合,提出了微纳光纤斜8字结构。以传输矩阵法为基础进行了相应的数学建模和机理分析,并实验验证了它在高灵敏度折射率测量和单频激光滤波两方面的应用。实验研究发现,微纳光纤斜8字结构的折射率灵敏度高达6523 nm/RIU,测量精度可低至1.52×10-7RIU；基于微纳光纤斜8字结构滤波的单频激光器输出激光的边模抑制比可达57 dB。(2)开展了微纳光纤0结构的理论及应用研究：设计了具备透射／反射两种输出形式的微纳光纤θ结构,分析了该结构的光谱滤波特性和色散特性。理论分析结果表明,该结构可产生类电磁感应透明效应,且通过调节耦合效率、耦合损耗和腔长,可实现不同的滤波和光速控制功能。实验结果表明,微纳光纤0结构在欠耦合和过耦合状态下分别实现了梳状滤波和带通阻滤波,且实现了从快光-60ps到慢光160ps的可调谐群延时调控。进一步地,将微纳光纤0结构与FFPI级联产生游标效应,并利用这一复合结构实现了灵敏度从131.77 nm/RIU到2460.07 nm/RIU宽范围可调谐的折射率传感,以及波长可温控切换的单频激光出射。(3)开展了选择性填充光子晶体光纤的传感理论及应用研究：分析了选择性甘油填充光子晶体光纤结构的温度传感机理,模拟计算和实验验证了液芯位置对温度灵敏度的影响。结果表明,液芯到纤芯的距离对光子晶体光纤的模式种类无影响,但是与温度传感灵敏度成反比。(4)开展了复合光纤模间干涉结构的传感理论及应用研究：基于多模-单模-多模复合光纤模间干涉结构设计了光纤体应变传感器,并进行了相应的理论分析与实验验证。结果表明,体应变大小和谐振波长漂移量之间存在着平方根的关系,在测量范围0～1300με的范围内,体应变传感灵敏度约为3.93 pm/με,测量迟滞性小于2.1%。将单模-双芯-单模复合光纤模间干涉结构应用于弯曲传感,实现了温度不敏感的曲率测量,灵敏度是-4.31 nm/m-1。论文遵循基础理论——模拟仿真——实验验证的研究思路,在结构设计、机理研究、实验结果等方面均取得了创新成果。本论文的研究成果不仅对该领域研究人员的相关工作具有科学指导意义,同时在光纤传感网络技术中具有重要的实用意义和广阔的应用前景。
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【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN253

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