全光纖微結(jié)構(gòu)器件的理論與應(yīng)用研究.pdf

1、以光纖傳感技術(shù)為基礎(chǔ)的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，具有傳輸速度快、傳輸距離遠(yuǎn)和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢，可滿足物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求。全光纖光源、傳感器、調(diào)制器等關(guān)鍵器件是構(gòu)建光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，對(duì)它們進(jìn)行研究有著不言而喻的重要性。但是，到目前為止，大多數(shù)全光纖器件都是基于普通光纖構(gòu)建的，普通光纖單一的材料和光學(xué)特性使器件的應(yīng)用形式、結(jié)構(gòu)尺寸、工作性能等各方面都受到限制。因而，設(shè)計(jì)并研究全光纖微結(jié)構(gòu)器件對(duì)未來光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展具有重要意義。本文針對(duì)光纖傳感網(wǎng)

2、絡(luò)發(fā)展的迫切需求，設(shè)計(jì)基于微納光纖、光子晶體光纖、復(fù)合光纖的多種全光纖微結(jié)構(gòu)器件，并從理論、實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用三個(gè)方面對(duì)這些器件進(jìn)行了研究。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴開展了微納光纖斜8字結(jié)構(gòu)的理論及應(yīng)用研究：將微納光纖諧振結(jié)構(gòu)和光學(xué)游標(biāo)效應(yīng)相結(jié)合，提出了微納光纖斜8字結(jié)構(gòu)。以傳輸矩陣法為基礎(chǔ)進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)學(xué)建模和機(jī)理分析，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了它在高靈敏度折射率測量和單頻激光濾波兩方面的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，微納光纖斜8字結(jié)構(gòu)的折射率靈敏度高達(dá)65

3、23 nm/RIU，測量精度可低至1.52×10-7 RIU；基于微納光纖斜8字結(jié)構(gòu)濾波的單頻激光器輸出激光的邊模抑制比可達(dá)57dB。⑵開展了微納光纖θ結(jié)構(gòu)的理論及應(yīng)用研究：設(shè)計(jì)了具備透射/反射兩種輸出形式的微納光纖θ結(jié)構(gòu)，分析了該結(jié)構(gòu)的光譜濾波特性和色散特性。理論分析結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生類電磁感應(yīng)透明效應(yīng)，且通過調(diào)節(jié)耦合效率、耦合損耗和腔長，可實(shí)現(xiàn)不同的濾波和光速控制功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，微納光纖θ結(jié)構(gòu)在欠耦合和過耦合狀態(tài)下分別實(shí)現(xiàn)了

4、梳狀濾波和帶通/阻濾波，且實(shí)現(xiàn)了從快光-60 ps到慢光160 ps的可調(diào)諧群延時(shí)調(diào)控。進(jìn)一步地，將微納光纖θ結(jié)構(gòu)與FFPI級(jí)聯(lián)產(chǎn)生游標(biāo)效應(yīng)，并利用這一復(fù)合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了靈敏度從131.77nm/RIU到2460.07 nm/RIU寬范圍可調(diào)諧的折射率傳感，以及波長可溫控切換的單頻激光出射。⑶開展了選擇性填充光子晶體光纖的傳感理論及應(yīng)用研究：分析了選擇性甘油填充光子晶體光纖結(jié)構(gòu)的溫度傳感機(jī)理，模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了液芯位置對(duì)溫度靈敏度的影響。

5、結(jié)果表明，液芯到纖芯的距離對(duì)光子晶體光纖的模式種類無影響，但是與溫度傳感靈敏度成反比。⑷開展了復(fù)合光纖模間干涉結(jié)構(gòu)的傳感理論及應(yīng)用研究：基于多模-單模-多模復(fù)合光纖模間干涉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了光纖體應(yīng)變傳感器，并進(jìn)行了相應(yīng)的理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，體應(yīng)變大小和諧振波長漂移量之間存在著平方根關(guān)系，在測量范圍0~1300με的范圍內(nèi)，體應(yīng)變傳感靈敏度約為3.93 pm/με，測量遲滯性小于2.1％。將單模-雙芯-單模復(fù)合光纖模間干涉結(jié)構(gòu)應(yīng)用于彎