長周期光纖光柵理論及傳感技術(shù)研究.pdf

1、隨著光纖及光子器件制造技術(shù)的不斷完善,光纖光柵已成為目前最具有代表性和最具有發(fā)展前途的光纖無源器件之一,廣泛應(yīng)用于光通信和光傳感等領(lǐng)域。長周期光纖光柵(LPFG)作為一種新型的光纖光柵,由于其插入損耗小、帶寬寬、后向反射低、對外界環(huán)境變化的反應(yīng)靈敏度高、制作簡單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn),受到國內(nèi)外廣大學(xué)者的關(guān)注。發(fā)展短短數(shù)年,已經(jīng)顯示出了極為廣闊的應(yīng)用前景。另外,由于對光纖光柵功能需求標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高,新結(jié)構(gòu)、新特性、多功能光纖光柵的研制已經(jīng)成為

2、開發(fā)新型光子器件的必然發(fā)展趨勢,在保偏光纖上制作的布拉格光柵以及長周期光纖光柵以其獨(dú)特的光譜特性獲得了重要的應(yīng)用。
　　 長周期光纖光柵在通信領(lǐng)域主要用作EDFA增益均衡器、ASE噪聲濾波器、光纖耦合器、束狀濾波器以及WDM通道隔離器等。在傳感領(lǐng)域,由于LPFG的周期相對較長,滿足相位匹配條件的是同向傳輸?shù)睦w芯基模和包層模,這一特點(diǎn)決定了LPFG的諧振波長和峰值對外界環(huán)境變化非常敏感,具有比布拉格光柵更好的溫度、應(yīng)變、彎曲、扭曲

3、、橫向負(fù)載、濃度和折射率靈敏度。因此,LPFG具有比布拉格光柵和其他傳感器件更多的優(yōu)點(diǎn)和更加廣泛的應(yīng)用。
　　 本文在前期對布拉格光纖光柵(FBG)等光子器件的研究基礎(chǔ)上,深入分析了長周期光纖光柵的耦合模原理及不同寫制方法,對不同方法下寫制的長周期光纖光柵的溫度和應(yīng)力特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究；設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于長周期光纖光柵的振動和橫向負(fù)載檢測系統(tǒng)；利用機(jī)械感生長周期光纖光柵的諧振峰值和諧振波長可調(diào)諧性設(shè)計(jì)了靈敏度可調(diào)諧系統(tǒng)；并將可調(diào)諧

4、長周期光纖光柵串入光纖激光器環(huán)形腔中實(shí)現(xiàn)了L波段可調(diào)諧激光器的設(shè)計(jì):另外,通過在保偏光纖上寫制光柵,對保偏布拉格光柵(PM-FBG)以及保偏長周期光纖光柵(PM-LPFG)進(jìn)行了特性和傳感技術(shù)應(yīng)用研究。
　　 本文的主要內(nèi)容包括:
　　 1.根據(jù)三層光纖模型,分析了光纖波導(dǎo)中的模式分布,并合理簡化,分析研究了長周期光纖光柵中的纖芯基模與一階低次包層模式的耦合,用耦合常數(shù)描述了模式耦合的強(qiáng)弱。同時,對長周期光纖光柵的光譜特

5、性進(jìn)行分析和數(shù)值模擬,為LPFG的制作和傳感應(yīng)用研究提供理論基礎(chǔ)。
　　 2.分析研究了寫制長周期光纖光柵的多種方法,其中包括紫外光寫入法、CO2激光寫入法、腐蝕刻槽法、電弧放電法、離子束注入法、機(jī)械微彎變形法等方法。采用機(jī)械感生法,紫外光寫入法及CO2激光寫入法寫制了長周期光纖光柵,研究了寫制周期、折射率調(diào)制深度、光柵長度與長周期光纖光柵透射譜的諧振波長,諧振峰值深度以及帶寬等參數(shù)間的關(guān)系,并研究了不同寫制方法下的溫度和應(yīng)變特

6、性。
　　 3.在全面深入研究MLPFG寫制模板周期與透射譜諧振波長之間的關(guān)系的基礎(chǔ)上,將MLPFG串入環(huán)形腔中,設(shè)計(jì)了一種新穎的L波段可調(diào)諧環(huán)形摻鉺光纖激光器。通過調(diào)整待寫制光纖與周期性壓力槽之間的夾角,改變MLPFG的寫制周期,調(diào)整MLPFG透射譜,影響環(huán)形腔增益最高點(diǎn),調(diào)諧光纖激光器的輸出波長?？烧{(diào)諧范圍可達(dá)42nm(1562.465nm～1604.280nm),激光光譜3dB帶寬小于0.04nm,20dB帶寬均小于0.0

7、8nm,邊模抑制比大于45dB。長時間觀測,激光功率穩(wěn)定性優(yōu)于0.3dBm。具有波長易調(diào)諧、線寬窄、調(diào)諧范圍大、邊模抑制比高、性能穩(wěn)定、及成本低廉等特點(diǎn)。
　　 4.通過對光纖光柵振動傳感解調(diào)方案的比較,從有效性、校準(zhǔn)簡便性、復(fù)用性以及成本上考慮,選擇長周期光纖光柵作為解調(diào)濾波器,設(shè)計(jì)了光纖光柵振動傳感解調(diào)系統(tǒng)。在對懸臂梁振動傳感理論分析的基礎(chǔ)上,探究了梁長、寬、厚與傳感器共振頻率的關(guān)系,設(shè)計(jì)了新型布拉格光纖光柵高、低頻振動振動

8、傳感器,結(jié)合光電轉(zhuǎn)換,放大,濾波電路設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了高、低頻振動傳感信號的無失真信號檢測,并對傳感器的頻率,振幅和沖擊響應(yīng)性能進(jìn)行了分析。低頻振動傳感器實(shí)現(xiàn)了頻率范圍20～200Hz的無失真振動檢測,并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與其他技術(shù)設(shè)計(jì)的振動傳感器進(jìn)行了性能比較。高頻振動傳感器實(shí)現(xiàn)了頻率范圍1KHz～5KHz的無失真振動檢測,頻率檢測誤差低于0.5％。
　　 5.在對CO2激光脈沖及紫外光引入的長周期光纖光柵橫向負(fù)載特性研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)并實(shí)

9、驗(yàn)研究了基于機(jī)械微應(yīng)變引入長周期光纖光柵的橫向負(fù)載傳感系統(tǒng)。利用機(jī)械線加工技術(shù)制作周期性不銹鋼壓力槽板,測定了槽板對待寫制光纖施加的橫向壓力與長周期光纖光柵諧振峰峰值之間的關(guān)系,并借助布拉格光纖光柵搭建了高精度橫向壓力解調(diào)系統(tǒng),進(jìn)一步提高了檢測實(shí)用性。實(shí)驗(yàn)表明,在0～60N的范圍內(nèi),橫向壓力與MLPFG透射譜深度有很好的線性關(guān)系,線性度達(dá)0.9950,靈敏度約為0.35dB/N,保持45 N的壓力20小時,MLPFG諧振峰峰值最大波動小

10、于0.2dB,具備良好的穩(wěn)定性。采用中心波長為1542.890nm的FBG實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)解調(diào),系統(tǒng)靈敏度為O.12μW/N。
　　 6.利用機(jī)械感生長周期光纖光柵(MLPFG)的諧振邊帶傾斜度易調(diào)諧性,設(shè)計(jì)了解調(diào)靈敏度可調(diào)諧的光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感系統(tǒng)。紫外激光寫入技術(shù)制作的光纖布拉格光柵的中心波長位于LPFG的諧振邊帶范圍內(nèi)時,利用該LPFG作為透射濾波器實(shí)現(xiàn)了一種新型的靈敏度可調(diào)諧FBG應(yīng)變傳感系統(tǒng)。當(dāng)施加在LPFG上的壓力由2

11、0N調(diào)節(jié)至60N時,測試對FBG施加0～3000με軸向應(yīng)變(每步調(diào)整200μg)的靈敏度可調(diào)諧傳感實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,FBG應(yīng)變傳感系統(tǒng)檢測靈敏度光功率變化率由0.802nW/με增加到1.204nW/μg。
　　 7.利用保偏光纖光柵和偏振控制器設(shè)計(jì)了一種線性腔可開關(guān)雙波長摻鉺光纖激光器。通過增設(shè)偏振分束器,分別得到了對應(yīng)保偏布拉格光柵快軸和慢軸的單偏振激光。另外,對保偏LPFG進(jìn)行了理論研究,并采用機(jī)械感生法在熊貓型保偏光纖上