多功能、多參量、新型閃耀光纖光柵特性及應(yīng)用研究.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,被廣泛應(yīng)用于光通信和光傳感等領(lǐng)域。由于對其功能需求標(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)成為開發(fā)新型光子器件的必然發(fā)展趨勢。我們在前期對布喇格光纖光柵、長周期光纖光柵等光子器件的研究基礎(chǔ)上,在國內(nèi)率先對閃耀光纖光柵(Blazed Fiber Bragg Grating:BFBG)為代表的新型光纖光柵的本征結(jié)構(gòu)、模式耦

2、合特性以及傳輸特性等進(jìn)行了全面深入的研究。本文首先對BFBG的模式耦合理論和側(cè)面耦合輻射理論及其寫入技術(shù)進(jìn)行研究；然后對其本征結(jié)構(gòu)參數(shù)如纖芯有效折射率、包層有效折射率、傾斜角度以及柵格周期等的影響因素進(jìn)行了深入的分析；同時重點對BFBG中的模式耦合、光譜特性展開了理論和實驗研究；最后對其應(yīng)用前景作了詳細(xì)分析。本文的主要內(nèi)容包括:
　　 1.基于耦合模理論研究了BFBG的模式耦合特性,給出了不同耦合情況時的耦合模方程以及表征BFB

3、G基本光學(xué)性質(zhì)的參數(shù):采用體電流法研究了BFBG的側(cè)面耦合輻射特性；并根據(jù)相應(yīng)的理論對BFBG的光譜進(jìn)行了數(shù)值模擬。這兩套相輔相成的理論為我們對模式耦合特性、側(cè)面定向輻射特性等方面的研究提供了指導(dǎo)。
　　 2.結(jié)合BFBG特有的寫制理論,借鑒當(dāng)前光纖光柵的寫入經(jīng)驗,研究了BFBG的寫制技術(shù),為展開整個研究工作提供了良好的實驗平臺；通過表征BFBG的光學(xué)性質(zhì)參數(shù)對不同條件下寫制的BFBG透射譜進(jìn)行了詳細(xì)的分析,為促成寫制高質(zhì)量、符

4、合需求的BFBG提供了理論指導(dǎo)。
　　 3.基于BFBG的本征結(jié)構(gòu)從單參量測量和多參量測量兩個方面進(jìn)行傳感技術(shù)研究。探討了光纖的彈光效應(yīng)、熱光效應(yīng)以及熱膨脹效應(yīng)對BFBG結(jié)構(gòu)參數(shù)影響；從BFBG對溫度、應(yīng)變、彎曲等不同單參量的傳感特性進(jìn)行了理論分析和實驗驗證。同時結(jié)合它自身特殊的結(jié)構(gòu)與溫度特性,在國內(nèi)報道了用單一BFBG在溫度/應(yīng)變、溫度/曲率等多參量測量技術(shù)中的應(yīng)用。實驗及研究結(jié)果表明,BFBG不僅能夠?qū)崿F(xiàn)單參量的精確測量,而

5、且在多參量傳感技術(shù)中發(fā)揮著重要的作用,是一種新型的多功能光纖光柵。
　　 4.研究了BFBG對彎曲方向的敏感特性。發(fā)現(xiàn)當(dāng)彎曲方向與光柵柵面成不同角度時包層模諧振峰的響應(yīng)均不相同,該研究為各類矢量傳感器的實現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。
　　 5.提出了在光纖光柵折射率傳感系統(tǒng)中解決溫度交叉敏感問題的方案以及提高折射率傳感靈敏度的方案。根據(jù)BFBG纖芯模與包層模具有相同的溫度敏感特性,以其纖芯模與任一包層模之間的諧振波長差去探測外界環(huán)境的

6、改變,能夠?qū)崿F(xiàn)不受溫度影響的感測；通過減小包層的直徑,包層模式受外界折射率的影響增強,實現(xiàn)了高靈敏度的折射率傳感。
　　 6.提出并實驗驗證了一種利用BFBG的折射率敏感特性以及耦合強度與光柵長度的關(guān)系對液位實時檢測的新方法。研究表明液位的高低影響了包層模式的耦合,且透射功率的變化與液位的變化具有很好的線性關(guān)系,因而能夠?qū)σ何贿M(jìn)行在線檢測。
　　 7.設(shè)計并研制了一種基于BFBG可以實時檢測空氣相對濕度的傳感器。該傳感器

7、集新型材料與光纖光柵的優(yōu)點于一體,成功實現(xiàn)了對相對濕度在20％～98%RH范圍內(nèi)的監(jiān)測。研究發(fā)現(xiàn)BFBG的透射功率在兩個濕度區(qū)域內(nèi)分別呈現(xiàn)不同的線性變化,并且在高濕度區(qū)有更高的敏感性。該方案的提出潛在地將BFBG的特性拓展到生化等交叉學(xué)科的應(yīng)用領(lǐng)域中。
　　 8.提出一種BFBG能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)溫度補償?shù)倪呇貫V波解調(diào)技術(shù)?；贐FBG包層模包絡(luò)良好的線性邊沿特性以及具有與FBG相同的溫度特性,實現(xiàn)了對光纖光柵應(yīng)變傳感信號的動態(tài)溫度補