多矩形芯光纤设计、制备及其光学特性研究

摘要

集成干涉仪由于灵敏度高、测量范围大以及可靠性高已经被广泛的应用到传感领域。多芯光纤在集成干涉仪中发挥着重要作用，在环境传感和弯曲传感等方面已经有所应用。多芯光纤集成干涉仪的优点如下:尺寸小、灵活应用和热敏感性小。但是集成干涉仪通常是由传统的低双折射光纤构成，在传感器工作过程中存在信号偏振衰退现象，导致传感器性能降低。为了减小偏振衰退，本文提出了一种多矩形芯光纤，由于纤芯是矩形的且纤芯和包层的不对称，这种光纤可以产生高双折射。本文主要从以下几个方面进行研究:
　　(1)根据纤内集成干涉仪存在的偏振信号衰退现象，提出了高双折射多矩形芯光纤。对多矩形芯光纤的理论进行了简单的介绍。
　　(2)多矩形芯光纤结构设计以及参数优化，实心结构光纤由高折射率纤芯和纯二氧化硅包层组成，三个矩形芯在同一个圆周上，矩形芯中心与圆的中心连线之间的夹角为120°;空心结构光纤中间是一个大空气孔，三个高折射率矩形芯在同一个圆周上，矩形芯中心与圆的中心连线之间的夹角为120°，光纤包层材料是不掺杂的二氧化硅管。
　　(3)利用有限元分析方法(FEM)，结合多物理场仿真软件COMSOL对多矩形芯光纤光学特性进行仿真分析，主要分析以下特性:光纤模式特性、光纤的模式双折射、倏逝场特性以及单个矩形芯光纤弯曲损耗特性。其中对模式双折射进行了仔细研究，包括几何参数、材料参数以及应力棒介入对模式双折射的影响。
　　(4)多矩形芯光纤制作方法和步骤，包括改进MCVD制做锗掺杂芯棒技术、划片切割成槽-堆积法组制预制棒技术和多矩形芯光纤的拉丝技术。
　　(5)空心结构多矩形芯光纤模式双折射影响因素以及控制方法。可以调整纤芯的尺寸、纤芯锗掺杂浓度和纤芯距离空气孔的距离来调整双折射大小。还可以在中间空气孔出引入一个应力棒，这样会产生较大的内应力，实现高双折射。在中间空气孔中填充不同折射率的液体，此时纤芯中的光会更多的渗透进入空气孔区域，空气孔区域倏逝场会增强。单个矩形芯光纤可以通过向某个固定方向弯曲实现单偏振。
　　经过研究表明，提出的多矩形芯特种光纤拥有高双折射特性，其双折射可以达到10-4，这种高双折射特性能够在减小偏振信号衰退方面得到进一步的应用。当空气孔中填入不同折射率材料液体时，会出现色散异常现在，能产生一个较大的负色散，希望在色散传感方面得到应用。单芯矩形芯中空光纤可以向特定的方向弯曲，通过调节弯曲半径实现单偏振。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1引言

1．2国内外研究现状

1．2．1保偏光纤研究现状

1．2．2光纤传感器概况

1．3本文研究主要内容

第二章多矩形芯光纤制备方案

2．1多矩形芯光纤的结构设计

2．2多矩形芯光纤预制棒制作方法

2．2．1常用光纤预制棒制备方法

2．2．2 MCVD制备光纤预制棒工艺

2．3多矩形芯光纤预制棒切割组棒

2．3．1多矩形芯光纤预制棒

2．3．2多矩形芯光纤预制棒材料

2．3．3 MCVD法制备芯棒

2．4多矩形芯光纤拉制方法

2．5本章小结

第三章多矩形芯光纤基本理论及其研究方法

3．1光在光纤中的传播

3．1．1阶跃型折射率分布光纤的光线理论

3．1．2阶跃型折射率分布光纤的波动理论

3．2光弹性理论

3．2．1应力与折射率关系

3．2．2应变与折射率关系

3．3有限元分析

3．4多矩形芯光纤特性

3．4．1光纤热应力有限元分析法

3．4．2光纤模式特性

3．4．3光纤色散特性

3．4．4光纤模式双折射特性

3．5光纤中的倏逝场效应

3．5．1倏逝场的产生

3．5．2光纤中倏逝场的分布

3．6本章小结

第四章多矩形芯光纤光学特性研究

4．1理论模型与COMSOL建模

4．2模式特性

4．3模式双折射

4．4光纤几何参数与材料参数对模式双折射影响

4．5中心应力区对双折射影响

4．6倏逝场特性

4．7单个矩形芯光纤弯曲特性

4．8本章小节

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢