多功能、多参量、新型闪耀光纤光栅特性及应用研究

摘要

随着光纤及光子器件制造技术的不断完善,光纤光栅已成为目前最具有代表性和最具有发展前途的光纤无源器件之一,被广泛应用于光通信和光传感等领域。由于对其功能需求标准的不断提高,新结构、新特性、多功能光纤光栅的研制已经成为开发新型光子器件的必然发展趋势。我们在前期对布喇格光纤光栅、长周期光纤光栅等光子器件的研究基础上,在国内率先对闪耀光纤光栅(Blazed Fiber Bragg Grating:BFBG)为代表的新型光纤光栅的本征结构、模式耦合特性以及传输特性等进行了全面深入的研究。本文首先对BFBG的模式耦合理论和侧面耦合辐射理论及其写入技术进行研究；然后对其本征结构参数如纤芯有效折射率、包层有效折射率、倾斜角度以及栅格周期等的影响因素进行了深入的分析；同时重点对BFBG中的模式耦合、光谱特性展开了理论和实验研究；最后对其应用前景作了详细分析。本文的主要内容包括:
　　 1.基于耦合模理论研究了BFBG的模式耦合特性,给出了不同耦合情况时的耦合模方程以及表征BFBG基本光学性质的参数:采用体电流法研究了BFBG的侧面耦合辐射特性；并根据相应的理论对BFBG的光谱进行了数值模拟。这两套相辅相成的理论为我们对模式耦合特性、侧面定向辐射特性等方面的研究提供了指导。
　　 2.结合BFBG特有的写制理论,借鉴当前光纤光栅的写入经验,研究了BFBG的写制技术,为展开整个研究工作提供了良好的实验平台；通过表征BFBG的光学性质参数对不同条件下写制的BFBG透射谱进行了详细的分析,为促成写制高质量、符合需求的BFBG提供了理论指导。
　　 3.基于BFBG的本征结构从单参量测量和多参量测量两个方面进行传感技术研究。探讨了光纤的弹光效应、热光效应以及热膨胀效应对BFBG结构参数影响；从BFBG对温度、应变、弯曲等不同单参量的传感特性进行了理论分析和实验验证。同时结合它自身特殊的结构与温度特性,在国内报道了用单一BFBG在温度/应变、温度/曲率等多参量测量技术中的应用。实验及研究结果表明,BFBG不仅能够实现单参量的精确测量,而且在多参量传感技术中发挥着重要的作用,是一种新型的多功能光纤光栅。
　　 4.研究了BFBG对弯曲方向的敏感特性。发现当弯曲方向与光栅栅面成不同角度时包层模谐振峰的响应均不相同,该研究为各类矢量传感器的实现提供了基础。
　　 5.提出了在光纤光栅折射率传感系统中解决温度交叉敏感问题的方案以及提高折射率传感灵敏度的方案。根据BFBG纤芯模与包层模具有相同的温度敏感特性,以其纤芯模与任一包层模之间的谐振波长差去探测外界环境的改变,能够实现不受温度影响的感测；通过减小包层的直径,包层模式受外界折射率的影响增强,实现了高灵敏度的折射率传感。
　　 6.提出并实验验证了一种利用BFBG的折射率敏感特性以及耦合强度与光栅长度的关系对液位实时检测的新方法。研究表明液位的高低影响了包层模式的耦合,且透射功率的变化与液位的变化具有很好的线性关系,因而能够对液位进行在线检测。
　　 7.设计并研制了一种基于BFBG可以实时检测空气相对湿度的传感器。该传感器集新型材料与光纤光栅的优点于一体,成功实现了对相对湿度在20％～98%RH范围内的监测。研究发现BFBG的透射功率在两个湿度区域内分别呈现不同的线性变化,并且在高湿度区有更高的敏感性。该方案的提出潜在地将BFBG的特性拓展到生化等交叉学科的应用领域中。
　　 8.提出一种BFBG能够实现动态温度补偿的边沿滤波解调技术。基于BFBG包层模包络良好的线性边沿特性以及具有与FBG相同的温度特性,实现了对光纤光栅应变传感信号的动态温度补偿的解调。该解调系统具有良好的波长线性度、结构设计灵活、能够实现不同灵敏度、不同波长动态解调范围等优点,为全光纤化波长解调技术的优化设计提供了基础。对BFBG包层模侧辐射波长解调技术的基本原理进行了分析,实验上验证了BFBG的不同入射波长将对应不同的空间位置,从而实现了对多个入射波长的同时解调,该解调系统采用全光纤器件,具有结构简单、稳定性高和重复性好等优点。