力学微弯长周期光纤光栅的制备及其折射率传感研究

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有发展前途的光纤无源器件之一，并得到了广泛应用。长周期光纤光栅（LPFG）作为一种新型光无源器件，能够实现纤芯导模与同向传输不同阶次包层模之间的能量交换，引起特定波长的传输损耗。由于具有低后向反射、低插入损耗、制备工艺简单、体积小、传感灵敏度高、抗电磁干扰和兼容于光纤等优点， LPFG已经广泛应用于光纤通信领域。另一方面，由于LPFG的耦合特性受外界条件的影响，其谐振波长和耦合强度均随外界物理参数发生变化，除了对温度、应变、弯曲等敏感外，还对折射率变化非常敏感，因此，基于 LPFG的折射率传感受到国内外广大学者的关注和研究。本论文以 LPFG作为研究对象，主要围绕力学微弯LPFG的制备及其折射率传感开展了大量的的研究，主要研究内容如下：
　　1.介绍了光纤光栅的发展状况与分类；列举了几种 LPFG的制备方法并比较了它们的优缺点；详细总结了LPFG折射率传感方案；介绍了力学微弯LPFG的发展现状及其应用成果。
　　2.在分析多层圆均匀光波导模场的基础上，采用圆环折射率离散化法，给出了光纤横截面任意折射率分布的普适函数。结合耦合模理论，推导了横截面折射率调制均匀和非均匀 LPFG的模式耦合方程，利用数值计算方法对两种光栅谱特性进行了分析和讨论。
　　3.基于周期性微弯效应和光弹效应，提出了一种制备 LPFG的简易方法。通过对两个周期性刻槽板之间的单模光纤施力制作了力学微弯LPFG，从实验上研究了此类LPFG的光谱特性。结果表明：改变压力可以灵活地调谐LPFG谐振损耗峰值，最大损耗峰值可达24.6 dB。在1551.9 nm处，该LPFG最大偏振相关损耗值为7.42 dB，对应谐振波长分离值为1.9 nm，且均随包层模阶次的增大而增大。此外，研究了光纤扭转后制备的 LPFG的透射谱特性，结果发现随着光纤扭转率增大，光栅谐振波长向短波方向迁移。最后，通过腐蚀光纤包层能够有效地提高LPFG的耦合效率。
　　4.相移 LPFG因其光谱设计灵活而备受关注。利用力学微弯法制作了相移LPFG，实验着重讨论了光栅参数对π相移LPFG透射谱的影响。结果表明：π相移 LPFG谐振峰幅度随施加压力的增大而增大，通带带宽随π相移个数增加而增宽，但通带中心波长不发生变化。引入9个π相移的LPFG的LP13耦合模通带带宽可达32.34 nm。
　　5.提出了一种基于复合光波导 LPFG的新型折射率传感器，使用一系列有机试剂和不同浓度的NaCl溶液对其进行折射率响应灵敏度实验。结果表明：该传感器用于传感时，在包层模阶数一定的情况下，优先选择周期较大的光栅获得更大的灵敏度；当光栅周期固定时，通常选择高阶包层模用于传感。当折射率从1.33变化到1.43时，光栅周期为580μm的 LP14耦合谐振模的折射率灵敏度为72 nm/RIU，其灵敏度为LP11模的10倍。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 光纤光栅

1.3 长周期光纤光栅的制备方法及折射率传感方案

1.4 力学微弯长周期光纤光栅的研究现状

1.5 本论文的主要研究内容和章节安排

第二章 长周期光纤光栅理论基础及数值分析

2.1 引言

2.2 光纤中的模式与场分布

2.3 光纤横截面折射率扇环离散法

2.4 耦合模理论

2.5 长周期光纤光栅数值分析

2.6 本章小结

第三章 力学微弯长周期光纤光栅研究

3.1 引言

3.2 力学微弯长周期光纤光栅的形成机理

3.3 力学微弯长周期光纤光栅的制备及谱特性研究

3.4 力学微弯长周期光纤光栅的温度特性的理论分析

3.5 光纤扭转后制备的长周期光纤光栅谱特性

3.6 包层腐蚀力学微弯长周期光纤光栅的耦合特性

3.7 本章小结

第四章 相移长周期光纤光栅研究

4.1 引言

4.2 相移长周期光纤光栅理论分析

4.3 相移长周期光纤光栅的数值仿真

4.4 相移长周期光纤光栅实验

4.5 弯曲不敏感光纤π相移长周期光栅滤波器

4.6 本章小结

第五章 基于复合波导力学微弯长周期光纤光栅折射率传感研究

5.1 引言

5.2 传感原理

5.3 传感器灵敏度定义

5.4 基于复合波导力学微弯长周期光纤光栅折射率传感实验

5.5 本章小结

第六章 全文总结

6.1 论文的主要内容

6.2 论文的主要创新点

6.3 需要进一步研究的问题

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果