微納光纖諧振結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用的理論和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、隨著元件設(shè)計(jì)理論和制備工藝技術(shù)的不斷完善，光學(xué)設(shè)備越來越趨向于微型化和模塊化。微納光纖有著尺寸小、低損耗、倏逝場(chǎng)傳輸、柔韌性好等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，已成為如今光學(xué)領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)。另一方面，光纖傳感技術(shù)憑借其高靈敏度、抗電磁干擾、易于實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)復(fù)用等突出優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為科研與應(yīng)用領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題。其中光纖光柵、光纖干涉儀以及多波長(zhǎng)光纖激光器等諸多光學(xué)器件以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性與實(shí)際應(yīng)用潛力在光纖傳感網(wǎng)絡(luò)中得到了較多的關(guān)注。
　　本論文針對(duì)下一代大容

2、量、長(zhǎng)距離、高精度光纖傳感網(wǎng)絡(luò)中的高靈敏度傳感器、高性能傳感光源等實(shí)際應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了多種基于微納光纖的法布里-珀羅干涉型諧振結(jié)構(gòu)，深入研究了其光學(xué)特性，并實(shí)現(xiàn)了基于微納諧振結(jié)構(gòu)的濾波器、折射率/溫度傳感器和可調(diào)諧多波長(zhǎng)激光器等關(guān)鍵器件。本論文的主要研究工作包括以下幾個(gè)方面：
　　(1)概括了微納光纖的發(fā)展史，并詳細(xì)介紹了微納光纖在光學(xué)傳感和光纖激光器領(lǐng)域的典型應(yīng)用。建立微納光纖的波導(dǎo)模型，對(duì)其結(jié)構(gòu)特性、光學(xué)特性及傳感特性進(jìn)行了詳

3、細(xì)的模擬仿真分析，并就其制備工藝進(jìn)行了深入探討和實(shí)驗(yàn)研究。
　　(2)提出了一種單模光纖布拉格光柵-微納光纖-單模光纖布拉格光柵(SMFBG-MNF-SMFBG)型諧振結(jié)構(gòu)，該諧振結(jié)構(gòu)兼具光纖光柵和微納光纖的光學(xué)特性。進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，并通過仿真就不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其光學(xué)特性的影響做了詳細(xì)分析。針對(duì)微米布拉格光柵(MNFBG)制備工藝復(fù)雜、效率低等問題，創(chuàng)新性地提出了“SMFBG-MNF-SMFBG”的微法布里-珀羅干涉儀(MFPI)諧

4、振結(jié)構(gòu)，以及“單SMFBG刻寫—中間點(diǎn)熔融拉錐”的簡(jiǎn)單制備工藝，得到了高消光比、平坦密集的寬帶濾波譜。
　　(3)進(jìn)行了基于上述MFPI諧振結(jié)構(gòu)的折射率和溫度的單參量傳感實(shí)驗(yàn)。從理論上全面分析了該結(jié)構(gòu)的折射率和溫度敏感特性，并通過分別追蹤該 MFPI諧振波長(zhǎng)及反射帶中心波長(zhǎng)的漂移，實(shí)現(xiàn)了折射率和溫度靈敏度分別為220.1nm/RIU和11.9pm/℃的單參量傳感。進(jìn)一步地，充分考慮到 MFPI諧振波長(zhǎng)對(duì)溫度交叉敏感的影響，再結(jié)合M

5、FPI諧振波長(zhǎng)及其反射帶中心波長(zhǎng)對(duì)折射率和溫度變化的不同響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了該MFPI諧振結(jié)構(gòu)的折射率/溫度高精度雙參量傳感。
　　(4)提出了一種級(jí)聯(lián)雙薩格奈克(Sagnac)環(huán)型 MFPI諧振結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可集成于單根微納光纖上。根據(jù)光場(chǎng)耦合理論建立了該結(jié)構(gòu)的等效模型，并就不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其反射光譜性能的影響做出了全面的仿真分析。創(chuàng)新性提出了“火焰加熱拉錐普通光纖—彎曲扭轉(zhuǎn)微納光纖”的制備技術(shù)及對(duì)該MFPI結(jié)構(gòu)進(jìn)行“微調(diào)腔長(zhǎng)從而改變其濾波

6、特性”的簡(jiǎn)單調(diào)諧方法，得到高消光比、寬帶平坦、易調(diào)諧的梳狀濾波譜。
　　(5)搭建了基于上述MFPI諧振結(jié)構(gòu)的多波長(zhǎng)激光器，實(shí)現(xiàn)了3dB帶寬內(nèi)42個(gè)多波長(zhǎng)的穩(wěn)定激射，室溫下1小時(shí)內(nèi)各波長(zhǎng)無明顯漂移，峰值功率波動(dòng)不超過0.602dB。進(jìn)一步地，將該MFPI濾波結(jié)構(gòu)應(yīng)用到可調(diào)諧多波長(zhǎng)激光器中，通過改變MFPI結(jié)構(gòu)的腔長(zhǎng)，獲得了輸出激光波長(zhǎng)個(gè)數(shù)從65到21，激光波長(zhǎng)間隔從0.065nm到0.173nm的可調(diào)諧輸出；穩(wěn)定性測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明，室