模式耦合理论在光纤传感器中的应用研究

摘要

模式耦合理论已经被广泛应用在各类光纤传感器中，并且在光纤传感器中是影响光纤传感器性能的一项非常重要的因素。它既能被光纤传感器用来提高传感器的性能，同时它也在一定程度上制约着传感器的性能。因而如何合理的利用模式耦合理论就显的非常重要。现有的光纤传感器绝大多数是基于光的频移，因为频移能够被精确地检测出来，因此能够有效的提高光纤传感器的性能。但是这类光纤传感器极大地提高了光纤传感器的制造成本，从而降低了其实际的使用价值。而现有的基于功率的传感器往往性能较低而无法满足高性能的需求。因此，我们需要进一步深入研究模式耦合理论，在提高性能的同时有效降低光纤传感器的成本，从而提高其实际的使用价值。同样，在基于环形光波导的光纤传感器中，模式耦合理论也直接影响着光纤传感器的性能，值得我们进一步深入的研究。因此我们迫切地需要利用模式耦合理论来设计出一系列新的光纤传感器，为进一步提高光纤传感器的实用性和性能奠定了一定的基础。 随着光纤制造能力的提高，和各种新式光纤结构的不断提出，为解决光纤传感器的性能和成本等问题方面提供了全新的思想。新型光纤结构的研究和发展给光纤传感器的发展提供了广阔的前景。论文从光纤的模式耦合理论的研究课题体系出发，以提高光纤传感器的性能参数为研究目标，以降低光纤传感器的制造成本为切入点，针对光纤的模式耦合理论进行了深入研究，分析了各类光纤传感器中模式耦合理论对其性能的影响，从而设计了一系列新型的光纤传感器的结构，用来提高各类光纤传感器的性能参数，并且在一定程度上降低了光纤传感器的成本，为进一步提高光纤传感器的实用性奠定了基础。主要包括以下几个方面： （1）基于多芯光纤的模式耦合理论，提出了九芯掺锗的全固态波长选择耦合器，这种九芯掺锗的全固态波长选择耦合器正是利用了多纤芯耦合长度短的优势，来实现耦合器的小型化。分析了九芯掺锗全固态波长选择耦合器的传输模型和性能优势，并且分析了结构变化对于这种耦合器性能的影响，最后对九芯掺锗全固态波长选择器的波长选择进行了深入的仿真分析。 （2）基于弯曲的多芯光纤的模式耦合理论，提出了一种可调的波长选择耦合器。论文详细研究了光纤在弯曲条件下，双芯光子晶体光纤中的弯曲损耗、模场强度和有效折射率的变化情况。并且对弯曲条件下，双芯光子晶体光纤的两个纤芯的耦合特性进行了详细的分析。通过分析，发现通过合理地弯曲光纤，能够明显地改变双芯光子晶体光纤中两个纤芯的耦合特性，从而获得不同的耦合长度，进而实现不同波长的选择。 （3）分析了双芯注光法，并对双芯注光法的理论方程进行了简要的理论推导。同时对光子晶体光纤的特点和功能进行了简要的介绍，并且详细分析了三芯光子晶体光纤的特点，以及结构变化对三芯光子晶体的影响。通过分析，设计出了一种不完全耦合型三芯光子晶体光纤。将双芯注光法应用在不完全耦合型三芯光子晶体光纤中，进而提出了基于不完全耦合型三芯光子晶体光纤的光纤微弯传感器。最后我们对基于不完全耦合型三芯光子晶体光纤的光纤微弯传感器的性能展开了详细的数值仿真分析，通过仿真分析，进一步表明了所设计的新型微弯光纤传感器具有良好的性能，能够在保持高精度的同时有效降低光纤微弯传感器的制造成本。 （4）在基于不完全耦合型三芯光子晶体光纤微弯传感器的基础上，为了降低传感器的光纤连接难度和简化光纤的制造难度，从而进一步降低成本。提出了一种音叉式光纤，并且对音叉式光纤进行详细分析，特别是结构变化对音叉式光纤性能的影响。通过分析，发现音叉式光纤能够对弯曲和折射率都有很好的敏感特性。进而设计了一种基于音叉式光纤的弯曲和折射率传感器。最后对音叉式光纤在弯曲和折射率传感器上的性能进行了数值仿真分析，进一步表明了新型音叉式光纤具有灵敏度高、量程范围广和价格低廉的特点。 （5）分析和推导了谐振腔内的模式耦合理论方程，以及耦合谐振光波导陀螺的矩阵传输方程，并且对现有的耦合谐振腔光波导陀螺存在的问题进行了简要的分析，从而设计了一种新的耦合谐振光波导陀螺，在现有的耦合谐振光波导陀螺中的谐振腔之间加入多个波导，从而有效地提高光波导陀螺的灵敏度。接着对所设计的耦合谐振光波导陀螺进行了详细的分析，分别对损耗，耦合系数，波导环半径对光波导陀螺灵敏度的影响进行了仿真分析，最后将所设计出的耦合谐振光波导陀螺和单环的谐振式光波导陀螺的灵敏度进行对比，再一次表明了这种新的光波导陀螺在一定的范围能有效的提高光波导陀螺的灵敏度。为深入研究耦合谐振光波导陀螺提供了一定的理论基础。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 光纤传感器

1.2 模式耦合理论概述

1.3 模式耦合理论在光纤传感器中的应用

1.4 模式耦合理论的研究价值

1.5 论文的主要内容

第2章 模式耦合理论及数值分析方法

2.1模式耦合理论及分类

2.2基于微扰理论的横向模式耦合方程

2.3模式耦合理论的数值分析方法

2.4 本章小结

第3章 模式耦合理论在耦合器中的应用

3.1超宽带多芯波长选择耦合器

3.2可控性双芯光子晶体光纤波长选择耦合器

3.3 本章小结

第4章 双芯注光法下的模式耦合在光纤传感器中的应用

4.1 双芯注光法下的模式耦合理论基本原理

4.2基于双芯注光的不完全耦合型三芯光子晶体光纤微弯角度传感器

4.3基于双芯注光的音叉式光纤的弯曲和折射率传感器

4.4 本章小结

第5章多波导下模式耦合对耦合谐振光波导陀螺的影响

5.1 环形谐振腔内模式耦合理论

5.2 耦合谐振光波导陀螺的数值矩阵分析理论

5.3 多波导下模式耦合对于耦合谐振光波导陀螺的影响

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢