长周期聚合物波导光栅温度、压力传感器设计

摘要

长周期光栅(Long-period Grating，LPG)在光纤放大器增益平坦化器件、带阻滤波器、各种光耦合器件、传感器等领域有着较为广阔的应用前景。目前，长周期光纤光栅(Long-period Fiber Grating，LPFG)的研究已比较成熟，有一定数量的产品进入实验阶段，研究人员的目光正逐渐转向长周期波导光栅(Long-period Waveguide Grating,LPWG)。由于在材料选择、制备工艺、结构类型等方面的优势，波导光栅具有很大的发展潜力。本文主要利用复合平板波导模式理论和矩形波导的有效折射率法(Effective Index Method，EIM)，对LPWG的温度敏感性和压力敏感性进行理论分析和数值计算，设计出基于聚合物LPWG的温度传感器和压力传感器。 本文将复合平板波导模式理论与EIM相结合，建立了多层矩形波导的有效折射率方法模型。用此模型处理常见的矩形波导结构，对凸起型波导、脊型波导、加载型波导和嵌入型波导的模式特性进行比较，结果表明加载型波导导模和覆盖层模有效折射率相差较大，有利于获得较大的LPWG温度和压力敏感性。 由LPG相位匹配条件推导出LPWG共振波长对温度和压力的敏感性公式，并对此公式进行分析。结果表明，影响温度敏感性的主要因素是导波层和覆盖层材料的热光效应；而影响压力敏感性的_主要因素是导波层和覆盖层的弹光效应，以及导波层的弹性形变。导波层和覆盖层材料折射率较接近时，波导的单模传输条件较宽，获得的温度和压力敏感性也较高。除了材料折射率外，导波层和覆盖层薄膜厚度也是影响敏感性的重要因素，而波导芯层宽度对温度和压力敏感性几乎没有影响。 在LPWG设计中，一方面要考虑温度和压力敏感性的数值大小(主要由模式色散系数决定)，另一方面要优化相同条件下温度和压力敏感性的比值R，它反映了LPWG对温度敏感和压力敏感相互干扰的抑制作用。数值结果表明，导波层和覆盖层材料的热光系数相差较大的LPWG温度敏感性较高，如以Epoxy(Optocast 3505)为覆盖层在SiO2/Si衬底上制备COP(Cyclo-olefin Polymer)加载型波导，可以获得-82.82 nm/℃的温度敏感性，同时压力敏感性低于1.38×10-5nm/Pa。而导波层和覆盖层材料热光系数相同或相近的LPWG温度敏感性很小，这种效应主要应用于压力传感器中，以抑制温度的干扰，如以PMMA(Polymethyl-methacrylate)为覆盖层在SiO2/Si衬底上制备BCB(Benzocyclobutene)加载型波导，可以设计出对温度零敏感、压力敏感性为4.44×10-6nm/Pa的压力传感器，比现有的LPFG压力敏感性提高一个数量级。选用杨氏模量小的材料可以提高LPWG的压力敏感性，如以ENR(Epoxy NovolakResin)为覆盖层的PC(Polycarbonate)波导，压力敏感性可以达到3.84×10-4nm/Pa以上。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2长周期波导光栅的特点

1.3长周期波导光栅研究现状

1.4研究内容

第二章 矩形波导的模式分析方法

2.1平板波导的模式特性

2.1.1三层平板波导

2.1.2四层平板波导

2.2矩形波导模式特性的近似解法

2.2.1有效折射率法(EIM)

2.2.2改进的有效折射率法

2.2.3矩形波导的截止条件

2.3多层矩形波导

2.3.1四层矩形波导中的有效折射率法

2.3.2四层矩形波导的模式特性

2.3.3四层矩形波导模型与三层矩形波导模型的比较

第三章 长周期波导光栅的温度、压力敏感性

3.1温度敏感性

3.1.1基本表达式

3.1.2热光效应

3.1.3热膨胀效应

3.1.4小结

3.2压力敏感性

3.2.1基本表达式

3.2.2弹光效应

3.2.3弹性形变

3.2.4小结

3.3影响敏感性的主要因素

3.3.1温度因子RT

3.3.2压力因子Rp

第四章 长周期波导光栅传感器设计

4.1聚合物波导常用材料

4.2长周期波导光栅的结构参数分析

4.2.1薄膜厚度

4.2.2芯层宽度

4.2.3波导结构

4.2.4材料折射率

4.3波导设计实例

4.3.1以PC为覆盖层的PS波导温度传感器

4.3.2以Epoxy为覆盖层的COP波导温度传感器

4.3.3以PMMA为覆盖层的BCB波导压力传感器

4.3.4 ENR波导压力传感器

总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢