长周期光纤光栅的耦合特性及模拟分析

本文基于三层光纤模型和耦合模理论,数值计算了弱导阶跃单模光纤中写入的非倾斜均匀长周期光纤光栅对透射谱的影响.计算结果表明:随着长周期光纤光栅周期数的增加,透射谱损耗峰峰值变大,带宽减小;随着折射率调制的增大,透射谱损耗峰峰值变大,带宽减小,损耗峰向长波方向漂移;随着光栅周期的增大,损耗峰向长波方向漂移.     

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.     

单模光纤损耗分析与测量

光纤传输质量受光纤损耗的影响,对单模光纤传输波长1310nm和1550nm弯曲损耗进行测试,结果表明弯曲损耗呈震荡变化,随着弯曲半径的增加损耗减小、振幅减小,随着波长的增加损耗增加、振幅增大,并利用光纤的耦合模理论对单模光纤弯曲损耗震荡进行解释,对实际应用有一定的参考价值。     

浅谈光纤的弯曲损耗

众所周知,光纤的涂覆性能、包层不圆度、模场直径以及光纤的弯曲损耗都会对光纤的传输性能产生影响。其中光纤的弯曲损耗是对光纤的传输性能和传输功率产生影响的重要参数之一。因此针对光纤弯曲损耗的研究对光纤的实际应用有非常重要的意义。简要分析了光纤弯曲时芯区折射率的变化与弯曲损耗的对应关系;其次对单模光纤的弯曲损耗进行了理论研究,将光纤的弯曲半径对光纤弯曲损耗的影响进行分析总结,从理论上进行研究,得出两者的相关性,对以后的工作具有一定的借鉴意义。     

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。     

光纤光栅中双折射致偏振相关特性

为了研究光纤光栅在横向压力作用下的双折射效应,讨论了光纤光栅中双折射所致的透射特性以及偏振相关特性的变化。通过仿真分析了起偏角对传输特性的影响,研究了双折射效应引起的光纤光栅偏振相关特性。利用传输矩阵法,仿真分析了光栅的参数、结构类型、光纤本征双折射和光栅中光致双折射对偏振相关损耗的影响,并利用邦加球分析了经光栅双折射作用的透射光偏振态的变化。结果表明,双折射的大小和偏振相关损耗以及第一斯托克斯参量之间存在单调递增关系。此结论为利用光纤光栅的偏振特性进行弱压力传感测量提供了基础。     

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。     

大芯径双包层单模光纤

本文对芯中折射率为α分布的双包层单模光纤的传输特性作了详细分析和计算,并且考虑了实际光纤制造工艺(MCVD法)中存在的折射率中心凹陷的影响。根据理论计算值,在国内首次成功地制造了大芯径双包层单模光纤,芯径达14～17μm,比通常的单包层单模光纤提高一倍左右,且弯曲损耗也有明显减小。     

光纤法-珀腔声传感器温度特性研究

利用低精细度法-珀干涉原理,建立了光纤法-珀腔声传感器的温度数学模型,包括干涉光谱随温度变化的关系和声传感器输出信号随温度变化的关系.利用建立的温度数学模型,并通过仿真分析和实验验证,分析了影响光纤法-珀腔声传感器温度特性的关键-材料的热膨胀系数差异.提出复合光纤插芯结构,获得较大的热膨胀系数,以补偿腔长的变化,从而使光纤法-珀腔声传感器具有良好温度适应性.对采用复合光纤插芯的光纤法-珀腔声传感器进行了测试,测试结果表明,在-20~+40℃温度范围内,该传感器具有良好的温度适应性.      

基于单模光纤偏芯结构的光纤干涉型高温传感器

利用单模光纤的偏芯结构,提出了一种光纤干涉型高温传感器.光在通过传感区域时存在纤芯模与包层模的干涉.当温度变化时,根据干涉谷对温度的敏感性,即可实现温度测量.此传感器可用于高温测量,当温度从400℃上升到750℃时,干涉谷波长变化了32.2 nm,温度灵敏度为0.092 nm/℃.     

正八边形双芯光子晶体光纤的温度传感特性

正8边形光子晶体光纤包层结构较正6边形更接近于圆,因此它具有限制损耗低,非线性系数低,色散平坦的优点.设计了一种正8边形双椭圆孔纤芯光子晶体光纤,分析了这种光纤填充高折射率温度系数敏感液体后的温度特性.采用全矢量有限元法和光纤的模式耦合理论研究了温度对其有效折射率、耦合长度、模场分布和限制损耗的影响,计算并分析了具有相同结构参数的正6边形光子晶体光纤在1.55μm低损耗窗口的限制损耗.研究表明,模场分布与温度和波长有关,有效折射率和耦合长度都随着温度升高而减小,限制损耗随温度升高递增.结构一定时,长波长条件下和小椭圆率时具有更好的温度敏感特性;结构不同时,大占空比的光子晶体光纤具有更好的温度敏感特性.在波长1.55μm、相同温度下所设计的正8边形光子晶体光纤与正6边形光子晶体光纤的限制损耗相比大大减小.     

微纳光纤-金膜-氟化镁结构的光纤SPR温度传感器研究

为了提高光纤表面等离子共振温度传感器检测的适用条件，减少传感器对待测传感参量折射率的限制，避免引入对温度敏感的低折射率媒介，本文中将具有大倏逝场的微纳光纤放置于蒸镀金属膜的氟化镁衬底上，得到光纤表面等离子共振温度传感器结构。结果表明：通过使用传输矩阵的理论模型计算该结构中光纤折射率和氟化镁折射率变化对透射率影响，结合光纤和氟化镁的热光系数，分别得到约118、35 pm/℃的温度灵敏度，在光纤折射率增大对透射谱产生蓝移和氟化镁折射率增大对透射谱产生红移的共同作用下，该传感结构综合得到约153 pm/℃的传感器灵敏度。通过计算明确金膜厚度、光纤直径和光纤-金膜接触区宽度等不同的结构参量对透射率的影响。     

腐蚀包层法调谐长周期光纤光栅及增强折射率敏感特性的研究

从理论与实验上研究了腐蚀包层法增强长周期光纤光栅环境折射率敏感特性和调谐透射谱的机制,结果表明,随着光栅区包层半径的减小,各阶包层模谐振波长向长波方向移动,环境折射率敏感特性随之显著增强。在用HF酸溶液腐蚀光栅区包层的实验测试中,先后观察到4个损耗峰,其中第2个损耗峰在包层半径减小约4.11μm、谐振波长向长波方向移动了约117.19 nm时,环境折射率传感特性增强了约3倍,这为制备高精度液体浓度/折射率传感器提供了重要依据。     

EH包层模及互耦合对长周期光纤光栅谱特性的影响

利用光波导的模耦合理论以及光纤中传播常数与波长的近似线性关系，研究了基于导模和不同包层模耦合的长周期光纤光栅的透射谱特点，对一阶低次包层模，透射谱较窄，随着模序增加，透射谱变宽；在某一模序附近，谱宽达到最大；以后随模序增大，谱宽迅速变小，对模序较高的包层模(一阶)，相邻的HE和EH包层模的传播常数相差不大，而且导模和它们的耦舍系数接近，因此能够在较近的波段范围内同时和它们产生耦合，从而对谱分布产生一定影响，包层模互耦合的条件较难满足，即使偶有满足其影响也很小，可以忽略，利用不同的包层模，可以设计出透射谱很宽或很窄的长周期光纤光栅。     

弱应变光纤光栅传感器匹配光栅解调方法

基于弱反射光纤布拉格光栅应变传感器,建立了光栅反射光谱仿真模型。分析了光纤光栅的长度、周期和排列顺序对光栅反射率的影响,发现光栅的最大反射率随光栅长度和调制深度的增大而变大;而光谱宽度受光栅长度变化的影响较大,光栅长度越小,光谱宽度越大。弱反射光栅阵列的峰值反射率与光栅位置有关,受多重反射影响,越下游的传感光栅,峰值反射率越小。通过分析解调过程中的反射光谱,得到了传感器所受应变与输出光强的函数关系。     

高灵敏度温度自校准型光纤磁场传感器

该文提出了一种具有温度补偿作用的高灵敏度光纤磁场传感器,利用波长解调技术研究传感器的磁场和温度响应特性、重复性、指向性及可逆性等。该传感器是由一段单模光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating, FBG)和非本征法布里珀罗干涉腔(extrinsic Fabry-Pérot interferometer, EFPI)构成,其中,EFPI由多模光纤(multimode fiber, MMF)和单模光纤(single mode fiber, SMF)构成,并固定于铽镝铁(Terfenol-D)棒材的轴向微型槽内,微型槽通过激光微加工技术制得。Terfenol-D材料具有高效磁致伸缩性能,在外加磁场作用下易发生形变并改变EFPI腔长,通过监测干涉光谱漂移实现磁场的高灵敏度探测,同时利用FBG的温度敏感特性进行温度补偿,实现温度和磁场的同时测量。实验结果表明,在0～100 mT磁场范围内磁场灵敏度为1.227 8 nm/mT,且具有良好的重复性和方向性;FBG和EFPI温度灵敏度分别为0.008 2 nm/℃和2.696 3 nm/℃,具有很好的稳定性。     

一种提高长周期光纤光栅生物包膜传感器性能的方法

基于耦合模理论和阶跃折射率单模光纤三层模型包层模理论,可在长周期光纤光栅(LPG)光纤包层外涂制特定的抗体作为生物活性膜层,并通过生物活性膜层折射率的变化来检验血液中是否存在对应的抗原。研究结果表明,当在LPG内部引入啁啾后,可提高LPG传感器的谐振波长偏移的灵敏度,但透射光强峰值会有相应的下降;随着啁啾参数的增加,透射光强峰值变化不大,谐振波长偏移随折射率的变化更为敏感。但当啁啾参数达到一定的量值时,这种偏移量相对较小。实验选用折射率同抗原、抗体接近的硅化膜作为成膜基底材料,基底膜层厚度可选择在约120nm,此时的波长位移线性度好,有利于实验中的测定。     

光纤传感实验仪的应用

光在光纤中传输，光纤易受外界环境因素的影响，如温度，压力，电场，磁场等环境的变化将引起光波量如光强度，相位，频率，偏振态等的变化，通过这些量的变化，就可以知道导致这些光波量变化的位移，温度，应力，电磁场等物理量的大小。光纤传感实验仪就是在光纤传感领域中的光纤透射技术，反射技术及微弯损耗技术等基本原理的基础上开发而成的，可用于光源特性测试，光纤反射、透射特性测试、位移、温度，压力，杨氏模量及固体热胀     

太赫兹光子晶体光纤单模传输特性的研究

利用全矢量有限元法并结合损耗理论对全内反射型太赫兹光子晶体光纤的单模传输带宽进行了深入的研究。结果表明,光纤的限制损耗以及单模传输带宽可以通过改变光子晶体光纤的占空比、空气孔间距、空气孔层数等结构参数进行灵活的调节,并与其他文献利用归一化频率法得到的结果相吻合。     

长波长双窗口零色散单模光纤的理论设计

长波长双窗口零色散低损耗光纤的设计必须同时满足1.3μm、1.55μm 色散和损耗的要求,并受到单模条件和工艺条件的诸多限制,我们首次使用适于任意形状四包层折射率剖面的软件计算光纤传输特性,在最内包层折射率下陷深度小于4.4‰的限制下,对这种光纤进行了多目标、多变量的结构优化设计;最后对实验结果和计算值进行了比较.