多模光纤布拉格光栅的纤芯模式转换的数值模拟

根据耦合模理论,数值模拟了多模光纤布拉格光栅的倾斜角度对纤芯基模向纤芯高阶模式的转换问题.反射光谱的数值计算中,假定只有LPo01模式激发情况下LP01模式与LP11模式的转换.     

基于纤芯失配的光纤布拉格光栅温度不敏感振动传感器

提出了一种基于纤芯失配的光纤布拉格光栅温度不敏感传感结构并且得到了实验验证。该传感器由一短截细芯光纤和单模光纤布拉格光栅熔接而成。光通过细芯光纤时激发出一系列包层模式,并通过纤芯失配的熔接面进入后面的光纤布拉格光栅中。其中,一些低阶模式会被光纤光栅反射耦合回传输光纤的纤芯,耦合效率与光纤的弯曲度有关。实验结果表明低阶奇数膜LP3n对光纤弯曲度有极大的灵敏度。通过对包层模式的选择性监测和能量检测方法,提高了传感器的弯曲灵敏度,并避免了温度对传感器的影响。     

长周期光纤光栅模式与耦合系数的研究

从耦合模理论出发,采用三层介质光纤模型,用数值计算的方法分析了长周期光纤光栅纤芯模和包层模的有效折射率,一阶低次包层模的耦合系数随波长以及阶次的变化关系.研究发现,低次包层模的最大耦合系数对应的模次随波长增大而减小,不同光纤参数下耦合系数随波长变化的规律不同.耦合系数直接影响到光栅透射谱损耗峰峰值,这对长周期光栅的设计有一定的参考价值.     

超声波作用下的光纤布拉格光栅频谱分析

阐述了利用光纤布拉格光栅进行传感测量的基本原理与方法,讨论了由于超声波作用而引起的光纤布拉格光栅机械形变及折射率变化.引入分层传输矩阵法建立仿真模型,利用一组典型的光纤布拉格光栅参数并采用分层赋值与矩阵叠加的方法,数值模拟了超声波作用下光纤布拉格光栅的频谱特性.分析了该模型的有效作用条件及改变超声波波长及强度对光纤布拉格光栅频谱特性的影响.提出一种适用于多种条件下的利用光纤布拉格光栅测量超声波的方法,以及相应可供参考的仿真模型.     

长周期光纤光栅传输模理论分析方法

综述了长周期光纤光栅传输模的各种理论分析方法,介绍了国内外近年来在这一领域的研究进展.主要以光纤三层模型为例讨论了正弦和矩形两种折射率调制型的长周期光纤光栅,并详细解释了均匀和非均匀情况下其传输谱的求解过程.在求解包层模色散方程得到各阶包层模式的传播常数的基础上,对均匀折射率调制型光栅,利用耦合模理论进行分析;对于非均匀光栅,在均匀情况的基础上,再结合基础矩阵法进行分析,或者直接采用传输矩阵法分析.最后讨论了长周期光纤光栅中纤芯基模到辐射模的耦合问题.     

高折射率芯Bragg光纤的气体传感特性

应用全矢量有限元方法,分析了高折射率芯Bragg光纤的气体传感特性,通过计算Bragg光纤的结构参数、传输光波长与其传感灵敏度之间的关系,结果发现：同等条件下,传输波长越长,高折射率纤芯半径越小,高折射率介质折射率越低,高折射率芯Bragg光纤的传感灵敏度则越高.     

基于高阶模干涉的双参量同时测量传感器的实验研究

提出一种单模-多模-单模(SMS)与光纤布拉格光栅(FBG)级联的传感结构,利用了多模光纤内的高阶模干涉原理实现传感测量.本文采用了同长度芯径分别为50μm和60μm的多模光纤.实验结果显示,在SMS结构中,芯径50 μm和60μm的温度灵敏度分别为0.095nm/℃和0.127nm/℃,采用大芯径多模光纤略有提高SMS结构的温度灵敏度;折射率灵敏度分别为61.96nm/RIU和128.11nm/RIU,采用大芯径多模光纤大大提高了SMS结构的折射率灵敏度,该传感器能够用于温度和折射率的同时测量.     

数据融合在光纤光栅传感网络中的应用

网络化是光纤光栅传感的一个发展方向.在光纤光栅传感网络中,不但产生的大量数据需要实时处理,还需要对数据进行筛选、总结,从而得到被测量更加准确的信息.倾斜光纤光栅是一种特殊的光纤光栅,其透射谱中除了纤芯模之外还有一系列包层模,因此可将每一个模式作为一个传感器.以光纤光栅传感网络中的温度测量为研究对象,首次提出利用倾斜光纤光栅的多个模式作为温度测量的多个传感器,采用数据融合的方法得到更加准确的温度信息.这种方法计算简便,编程容易,在实际测量系统中具有很好的应用价值.     

弯曲对长周期光纤光栅透射特性的影响

讨论了长周期光纤光栅弯曲时引起的波导弯曲、光纤截面变形和纤芯折射率分布改变等对其透射特性的影响。用等效直倾斜二次方啁啾的长周期光纤光栅理论,分析研究了光栅轴向倾斜对长周期光纤光栅透射特性的影响,给出了等效光栅的周期、啁啾系数的近似公式,用传输矩阵方法进行了数值计算。     

声光光纤模式耦合的分析

光纤声光器件是基于光纤中的超声光栅引起的两个光波同向模式间的耦合,此文比较了声切变波和疏密波激发的光纤超声光栅对双模光纤中对称模LP01,非对称模LP11间模式耦合的影响,得到一个重要结论：除了光纤超声光栅的周期必须满足这两个耦合模式间的相位匹配条件小,该光纤超声光栅还必须要破坏这两个模式间径向电场的正交性,这一结论为光纤声光器件控制光纤超声光栅产生有效的模式耦合提供了理论依据。     

任意折射率分布光纤弯曲损耗理论模型的改进

对传统的任意折射率分布光纤的弯曲损耗理论模型进行了修正,着重考虑了应力对折射率的影响.通过对LP0.1模的数值计算,验证了该修正结果的正确性.利用改进后的理论对两种典型折射率分布光纤的弯曲损耗随弯曲半径的变化规律进行了分析.结果表明:改进后的理论模型的计算值与理论值吻合得更好,特别是在弯曲半径较小时优势更明显.该研究结果为分析任意折射率分布光纤在强弯曲状态下的导光特性提供了一定的参考依据.     

表面等离子体共振型光子晶体光纤偏振滤波器性能优化设计方法

以一种常见的光子晶体光纤为载体,利用金属填充物和纤芯周围折射率环境结构的不对称性,提出了一种基于表面等离子体共振效应的光子晶体光纤偏振滤波器性能优化设计方法.研究发现,通过对光子晶体光纤纤芯和金属填充物周围结构的特殊设计,可有效调控周围材料的有效折射率,以实现金属等离子体模式的双折射效应和光纤纤芯模式的双折射特性.因此,当纤芯模式和金属的表面等离子体模式满足相位匹配条件时,即可达到偏振滤波的效果,并获得很好的消光比,而不需要对光子晶体光纤的结构进行复杂设计,降低了器件制备难度,避免了所设计的光纤结构无法实现实际制备的问题.     

高灵敏度光纤MZI折射率传感器

首次在实芯光子晶体光纤中制备了横向大偏置结构光纤马赫-曾德尔干涉仪折射率传感器,并理论分析了此种干涉仪的干涉机制和折射率传感特性,以及影响折射率传感特性的各种因素;搭建实验系统,测试了折射率传感特性。结果表明,腔长330 μm传感器的干涉谱对外部环境折射率变化的响应成线性,透射谱随环境介质折射率增大而向短波方向移动,灵敏度超过-15 100 nm/RIU,灵敏度与腔长长度无关,光子晶体光纤的气孔对折射率传感特性影响很小。此种高灵敏度的光纤微腔折射率传感器适用于液体或气体的快速检测领域。     

双包层低折射率芯光波导的解析解及数值分析

对芯层折射率小于内包层折射率的双包层光波导进行了解析求解，得到了模式场精确解及模式特征方程．对于HEll、TE01、TM01三个低阶模的特征方程进行了数值计算，给出了它们的色散曲线，然后研究了内包层与芯层的半径比、内包层的折射率对色数曲线和截止频率的影响．     

湿腐蚀法制备U形塑料光纤折射率传感器

为提升折射率测量灵敏度、方便测量,通过湿腐蚀法制备了高灵敏度的U形塑料光纤折射率传感器.从理论上分析了多模塑料光纤宏弯曲折射率传感器的原理,利用射线法对塑料光纤中传输光场进行近似,获得多模塑料光纤宏弯曲模式损耗的表达式.采用丙酮和甲醇混合溶液作为腐蚀剂,利用湿腐蚀法对塑料光纤进行处理,观察不同腐蚀剂浓度腐蚀后光纤表面形貌,得到最佳腐蚀剂浓度为丙酮浓度80％.采用热定型法对腐蚀后的光纤进行宏弯曲处理,通过改变光纤芯径及弯曲半径优化传感器性能.利用655 nm红光激光器作为光源对其灵敏度进行测试,在1.30 ～1.45的较大折射率范围内,得到最佳灵敏度为618％/RIU(RIU为折射率单位).实验结果证明,通过宏弯曲处理可以使传感器灵敏度得到提升,并且U形探头使测量更加方便,可以广泛应用于折射率传感领域.     

倾斜光纤光栅透射光谱对外界介质折射率的响应规律研究

倾斜光纤光栅因其独特的结构在传感和通信领域应用前景广阔。基于模式耦合理论,仿真研究介质折射率对倾斜光纤光栅透射功率谱的影响及其变化规律。研究结果表明,当介质折射率在1.35至1.4之间变化时,本文设计的倾斜光纤光栅透射功率谱包层谐振峰位置随外界介质折射率的增大而逐渐向长波长方向移动,波长偏移量与外界介质折射率之间呈良好的线性关系,利用这个结论可进行介质折射率的测量。     

Effects of three coupling coefficients on the spectrum characteristics of superstructure fiber grating

For the superstructure fiber grating (SFG) consisting of fiber Bragg grating (FBG) and long-period fiber grating (LPFG), there exist three kinds of coupling: the contra-directional coupling between forward propagating core mode and backward propagating core mode, the contra-directional coupling between core mode and cladding mode, and the co-directional coupling between core mode and cladding mode. By using the similarity transformation method for the coupled mode equations, the effects of three coupling coefficients κ _co L, κ _cl L, and κ _S L on the transmission and reflection spectra of SFG have been investigated. The simulations show that the overall intensity of the transmission spectrum of SFG is decided by LPFG, that the main lobes of the transmission and reflectivity spectra of SFG are decided by coupling coefficients κ _co L an κ _S L, and that the side lobes of the transmission and reflectivity spectra are decided by coupling coefficients κ _cl L and κ _S L. Biography: YUAN Yinquan (1964–), male, Professor, Ph.D., research direction: fiber optical sensors.     

光子晶体光纤光栅谐振波长的特性研究

应用多极法理论和传输矩阵法,对基于包层空气孔为正六边形对称结构的光子晶体光纤的布喇格光栅特性进行了计算和仿真。对比研究了常规单模光纤所成光栅与相同光栅周期的光子晶体光纤布喇格光栅反射谱之间的差异,重点研究了光子晶体光纤的结构参数变化(间隙孔半径、层数)与光子晶体光纤光栅的谐振峰变化规律。当光子晶体光纤的间隙孔半径增大时,光子晶体光纤光栅的谐振波长出现蓝移;当光子晶体光纤的间隙孔径不变而层数增加时,光子晶体光纤光栅的谐振波长出现红移。