基于耦合原理的微光纤器件研究

发布时间：2017-07-27 15:36

  本文关键词：基于耦合原理的微光纤器件研究

  更多相关文章： 微光纤器件 耦合模理论 微光纤耦合器 微光纤谐振腔 拉力传感 扭曲传感 温度特性 温度不敏感

【摘要】：微光纤是近年来微纳光学的研究热点之一,亚波长直径的微光纤具有大倏逝场、易弯曲、低损耗、低成本、易于功能化和集成化等优点。这些优点给微光纤带来了很广泛的应用前景,尤其是微光纤较强的倏逝场,一方面增强了微光纤同环境的相互作用,从而提高了微光纤传感器的灵敏度；另一方面使得微光纤可以通过模式耦合形成不同的微纳结构,最终实现光纤器件的微型化。基于耦合原理实现的微光纤器件有两种典型结构：微光纤耦合器和微光纤环形谐振腔。前者利用两根微光纤波导相互耦合实现,而后者利用单根微光纤绕环之后环与环的互相耦合实现。这两种结构在通信、传感、激光等领域都有很大的应用价值。本文利用上述两种结构设计出几种新型的器件：基于耦合器结构设计了微力传感器和扭曲传感器,制备并测试了这两种传感器的灵敏度；基于微光纤环形谐振腔研究了温度特性对材料热光系数、热膨胀系数以及光纤直径等不同参数依赖关系,理论设计并实验验证了基于微光纤谐振腔的温度传感器,并针对通信激光等应用需求提出温度不敏感的微光纤多环谐振腔的设计方案。具体研究内容如下：1.基于微光纤耦合器的微力传感器。通过将微光纤耦合器的两个输出端口互相熔接构成萨格纳克干涉仪,制备出微力传感器。理论研究并实验测量了该传感器对径向拉力的灵敏度。由于微光纤的横截面尺寸相比普通单模光纤大大减小,应力所产生的应变与作用面积成反比,故而同等大小的拉力在微光纤上将会产生更大的应变。在光弹效应和弹性拉伸的共同作用下,耦合区的有效折射率和长度发生较大的变化,最终将微力传感器的灵敏度比传统光纤拉力传感器提高了一到两个数量级,达到～3670 nm/N。2.基于微光纤耦合器的扭曲传感器。采用微光纤耦合器萨格纳克干涉仪,在利用耦合特性的基础上,挖掘并充分利用耦合器双折射特性,设计并实现了扭曲传感器。耦合器横截面的非圆对称的结构使得耦合器对不同偏振光的耦合系数不同,从而使得耦合器的透射谱强度输出值在双折射的调制下随波长变化产生的包络。当耦合器受到扭曲时,一方面扭转会改变耦合器横截面的结构,另一方面扭力也会带来折射率的改变,基于这样的原理我们提出两种策略来实现扭曲传感,一种方法是利用扭曲对偏振的影响,通过测量包络的移动来进行传感,另一种方法则通过特定耦合峰在扭曲作用下对比度的变化来反映扭曲的角度。经过实验验证,两种方法都有较高的扭曲灵敏度,分别为～0.9nm/°和0.16 dB/°。另外,利用这两个参量对温度和扭曲的不同响应,可以采用差分的方法将温度和扭曲分离开来,最终消除温度对传感器的干扰。3.基于微光纤多环谐振腔的温度传感器。谐振腔的温度特性无论是在温度传感的应用中,还是在其他应用中,都是非常重要的。针对温度传感的应用,我们利用PMMA介质棒作为支撑材料,特氟龙作为封装材料,将4～5μm直径的微光纤在介质棒上绕两圈构成谐振腔。通过研究发现,得益于PMMA很高的热膨胀系数,该谐振腔的温度灵敏度被提高到了80 pm/℃。4.基于微光纤多环谐振腔的温度不灵敏器件。为了将谐振腔应用到通信等领域,需要提高其温度稳定性。我们从理论上研究了利用二氧化硅玻璃棒为支撑材料,采用聚合物封装的谐振腔,并得出影响其温度灵敏度的主导因素：当微光纤直径较大时,二氧化硅热光系数是主要贡献项,灵敏度与普通硅基谐振腔类似为10～20 pm/℃；当微光纤直径较小时需要同时考虑聚合物和光纤材料的热光系数的贡献,利用特氟龙材料负的热光系数,当微光纤半径约为1.45μm,正负温度效应刚好抵消。因此,我们通过将直径约3μm的微光纤绕在涂有特氟龙薄膜的二氧化硅玻璃棒形成3圈耦合的谐振腔,从而制备出温度不灵敏的器件。根据测量,样品的温度灵敏度仅有不到6 pm/℃,从而证明了理论的有效性。这一结果为微光纤谐振腔用于其他传感和通信等方面的应用提供了可行的提高温度稳定性的思路。
【关键词】：微光纤器件 耦合模理论 微光纤耦合器 微光纤谐振腔 拉力传感 扭曲传感 温度特性 温度不敏感
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN253
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-11
• 第一章 绪论11-40
• 1.1 微光纤及其应用11-17
• 1.1.1 微光纤介绍11-14
• 1.1.2 微光纤的特性14-15
• 1.1.3 微光纤的应用15-17
• 1.2 微光纤器件理论基础17-29
• 1.2.1 微光纤模式特性17-22
• 1.2.2 波导耦合模理论22-26
• 1.2.3 光的偏振态26-27
• 1.2.4 弹光效应27-28
• 1.2.5 光纤中的双折射28-29
• 参考文献29-40
• 第二章 微光纤制备方法40-52
• 2.1 微光纤制备方法介绍40-43
• 2.1.1 两步拉伸制备法40-41
• 2.1.2 精确控制拉伸法41-43
• 2.2 扫火法制备系统的实现43-51
• 2.2.1 理论基础43-49
• 2.2.2 系统实现49-51
• 参考文献51-52
• 第三章 基于微光纤耦合器结构的光学器件52-68
• 3.1 背景介绍52-54
• 3.2 基于微光纤耦合器的拉力传感器54-60
• 3.3 基于微光纤耦合器的扭曲传感器60-64
• 参考文献64-68
• 第四章 基于微光纤环形谐振腔结构的光学器件68-83
• 4.1 背景介绍68-72
• 4.2 微光纤环形谐振腔的温度特性72-75
• 4.3 基于微光纤谐振腔的温度不敏感器件75-80
• 参考文献80-83
• 第五章 结论83-85
• 攻读博士学位期间已发表或待发表的论文85-88
• 致谢88-89

【共引文献】

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本文编号：582154