光纤熔锥耦合系统理论新方法及其在光纤器件和传感中的应用

摘要

锥形光纤是光波导理论和技术领域的一个很重要的研究课题，由锥形光纤构成的单模光纤器件包括有光纤耦合器、光纤波分复用器、光纤准直器、光纤扩束器、光纤滤波器和由锥形光纤构成的光纤传感器件包括有耦合式传感器、双锥形弯曲传感器和渐逝波传感器及其它熔锥型光纤器件已广泛应用于光纤通信和光纤传感等领域。 根据国内外有关熔融拉锥耦合理论的研究概况和现状，本论文首先从熔锥形光纤的动态形状曲线、空气层对熔锥形光纤传输特性的影响和熔锥形光纤波导耦合三个方面入手，以解决目前不能严格而完整地表示熔锥形光纤的形状曲线函数和熔锥形光纤耦合的分段处理等问题。然后，将所获得的结果具体应用于三种光纤无源器件的研制开发上。最后，对熔锥耦合式光纤渐逝波传感器进行了理论和实验研究。 本论文共分十章。第一章概述了光纤熔锥型耦合理论的发展状况。第二章根据熔锥型光纤的形成机理，导出了数理微分方程，利用动态熔融区长度的概念，结合初始、边界和锥区体积守恒条件，由行波法首次获得完整而精确地描述光纤熔融拉锥动态形状曲线解析函数，这种解析解对于任意参数的灯头，能方便、精确和完整地描述熔融光纤在不同拉锥过程中锥体动态形状的变化，并以大量光纤熔融拉锥实验进行了验证。应该指出：只要已知初始熔融区长度，获得的解能预知任意拉伸长度下的拉锥锥形曲线。从而，完整地解决了以往在光纤熔锥耦合的理论分析计算上难以严格导出拉锥动态形状曲线函数的困难。第三章将等效阶跃光纤方法推广到任意折射率分布的多包层结构光纤。多包层结构光纤的折射率分布一旦确定，利用这一方法能精确地计算得到其等效阶跃光纤的归一化折射率差，从而可方便地预知该多包层光纤的各传输特性参数。同时，将该方法应用于锥形光纤，以考虑空气层对锥形光纤波导光传输特性及其耦合效应的影响。第四章首先建立任意横截面介质光波导间的模耦合方程及其耦合系数的计算公式，并就相同单模光纤的情况，与R．VaJlclooster等人的经典理论计算结果进行比较，验证了本论文的耦合理论。同时，结合第二，三章的理论结果，通过对光纤熔融拉锥时耦合输出功率随拉伸长度变化的动态耦合过程的精确描述及其与实验结果的比对，验证本论文的系列理论。第五章至第八章分别分析研究四种光纤无源器件，也即三纤双环熔锥互耦全光纤滤波器、单模光纤超平坦宽带熔锥型耦合器、开环三纤耦合光纤光开关以及基于2×2熔锥型单模光纤耦合器和磁流体薄膜的光纤光开关。第九章在分析研究光纤渐逝波及其耦合传感原理的基础上，对熔锥耦合式高灵敏度光纤渐逝波温度传感器系统进行较深入的理论和实验研究。最后，第十章对整篇论文进行了总结。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

第一节平行光纤耦合理论概述

第二节锥形光纤耦合理论概述

第三节锥形光纤器件及其传感应用

第四节锥形光纤耦合理论有待解决的问题

第五节本论文主要研究内容

第二章光纤熔融拉锥动态形状曲线研究

第一节光纤熔融拉锥动态形状曲线数理方程

第二节光纤熔融拉锥动态形状曲线初始边值条件

第三节光纤熔融拉锥动态形状曲线解析解

第四节光纤熔融拉锥动态形状曲线实验验证

第五节本章小结

第三章任意折射率多包层光纤等效阶跃光纤方法

第一节任意折射率多包层光纤等效阶跃光纤理论分析

第二节任意折射率多包层光纤等效阶跃光纤参数计算

第三节任意折射率多包层光纤等效阶跃光纤近似计算

第四节任意折射率多包层光纤等效阶跃光纤实验验证

第五节熔融拉锥光纤等效阶跃光纤参数分布计算分析

第六节本章小结

第四章光纤耦合理论新方法

第一节任意横截面介质光波导耦合

第二节二根不同单模光纤耦合

第三节二根相同单模光纤耦合

第四节熔融拉锥单模光纤耦合系数及功率理论计算和实验验证

第五节本章小结

第五章三纤双环熔锥互耦全光纤滤波器

第一节理论分析

第二节实验验证

第三节本章小结

第六章单模光纤超平坦宽带熔锥型耦合器

第一节理论分析

第二节光纤无源器件熔锥系统研制及其性能

第三节实验结果

第四节本章小结

第七章开环三纤耦合器的光纤光开关

第一节理论计算

第二节分析与结果

第三节本章小结

第八章基于2×2光纤耦合器和磁流体薄膜的磁光开关

第一节理论分析

第二节光开关数值计算和分析

第三节实验和验证

第四节本章小结

第九章熔锥耦合式光纤渐逝波温度传感器

第一节光纤渐逝波传感技术的发展现状

第二节单模光纤渐逝波传输分析

第三节光纤耦合渐逝波传感器的原理

第四节熔锥耦合式高灵敏度光纤渐逝波温度传感器

第五节本章小结

第十章总结

参考文献

博士期间已发表和待发表的论文

博士期间已鉴定完成的科研项目及申请和授权专利

致谢