基于模間干涉型光纖濾波器研究.pdf

1、隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，光纖濾波器不僅成為了光通信領(lǐng)域必不可少的光學(xué)器件，而且在光纖傳感領(lǐng)域也已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用。當(dāng)光纖的長度、折射率這些物理量受到外界物理量的調(diào)制時，干涉型光纖濾波器濾波光譜會發(fā)生變化，基于這些變化科研人員設(shè)計了多種光纖傳感器，用來檢測各種物理量。這類光纖傳感器和傳統(tǒng)傳感器相比由于具有靈敏度高、抗電磁干擾、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊等特點，在一些特定的領(lǐng)域已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，如一些大型橋梁、大壩、路基的形變測量、石油、石化工業(yè)中的溫度、壓

2、力安全預(yù)警，特殊材料結(jié)構(gòu)中內(nèi)部的應(yīng)變、應(yīng)力、老化程度的監(jiān)控等。
　　 第一章對光纖濾波器的發(fā)展概況進(jìn)行了綜述，討論了光纖濾波器分類及主要參數(shù)。對光纖濾波器的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了深入分析與總結(jié)，指明了本論文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點。
　　 第二章基于光干涉的基本理論，給出光纖中特定模式間干涉的基本理論。首先總結(jié)了典型雙臂干涉儀傳感器的優(yōu)缺點，并和單臂干涉儀傳感器做了對比，指明了單臂干涉儀傳感器的優(yōu)點。其次根據(jù)光的電磁理論和麥克斯韋

3、方程，依據(jù)理想階躍光纖中幾何物理結(jié)構(gòu)，導(dǎo)出了光纖中傳播光的模式理論。以單模-多模-單模(SMS)組成的結(jié)構(gòu)為例，應(yīng)用模式理論，簡要給出了光纖中模式間干涉的波長極大值公式和自由光譜范圍的公式。最后系統(tǒng)闡述了保偏光纖偏振模干涉產(chǎn)生的條件和實現(xiàn)方法，給出干涉的基本公式，為后續(xù)章節(jié)的設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。
　　 第三章基于傳統(tǒng)的紹爾克(Solc)型濾波器，設(shè)計了反射Solc型全光纖濾波器，并應(yīng)用瓊斯矩陣對該濾波器進(jìn)行了理論分析。利用反射型

4、Solc濾波器實現(xiàn)了溫度傳感，峰值波長移動達(dá)到0.03nm/℃，其靈敏度是光柵溫度靈敏度的2.5倍?；谠摓V波器，選取合適的保偏光纖長度和光柵反射波長，實現(xiàn)了基于光纖光柵查詢的高分辨率微納幅度信號的測量。這種設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、分辨率高，（達(dá)到了0.5nε/√Hz)，通過共模抑制，系統(tǒng)的抗干擾能力得到明顯改善，測量低頻信號的能力(小于1Hz)明顯提高。利用信號光與參考光強度比值作為輸出，消除了光源波動帶來的對信號解調(diào)的干擾。該系統(tǒng)特別適合微納

5、幅度信號測量。
　　 第四章設(shè)計了由光纖起偏器、保偏光子晶體光纖、Sagnac光纖環(huán)級聯(lián)結(jié)構(gòu)的溫度無關(guān)可調(diào)諧平頂濾波器。通過利用瓊斯矩陣對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析可知，該結(jié)構(gòu)具有可調(diào)諧平頂濾波功能。實驗中首先依據(jù)光子晶體光纖的特點和熔接損耗產(chǎn)生的原因，對愛立信995熔接機(jī)內(nèi)部固化程序進(jìn)行了修改，實現(xiàn)了光子晶體光纖和普通光纖的低損耗熔接，熔接損耗控制在2dB之內(nèi)；并在該基礎(chǔ)上搭建了實驗光路，實驗結(jié)果表明設(shè)計的可調(diào)諧平項濾波器0.5dB帶

6、寬超過了整個自由光譜范圍7.52nm的50％，達(dá)到了4nm，調(diào)諧范圍達(dá)到了信道寬度的一半，信道隔離度達(dá)到了15dB，由于采用了光子晶體光纖，峰值波長隨溫度的變化小于1.2pm/℃，所以該濾波器溫度穩(wěn)定性得到了提高。
　　 第五章設(shè)計了偏振分束器(PBS)和3dB耦合器分別構(gòu)成的Sagnac光纖環(huán)的級聯(lián)結(jié)構(gòu)。經(jīng)過理論分析，若兩個環(huán)中采用同等長度的光子晶體光纖，干涉消光比將比單環(huán)增加一倍。實驗中利用愛立信995熔接機(jī)和消光比測試儀，

7、實現(xiàn)了保偏光子晶體光纖和普通保偏光纖光軸間成45°的低損耗實時檢測熔接，利用保偏光子晶體光纖，基于反射結(jié)構(gòu)的Solc型濾波器，實現(xiàn)了溫度無關(guān)的靜態(tài)應(yīng)變測量，測量靈敏度達(dá)到了0.3pm/με。利用45°熔接技術(shù)，搭建如前所述雙Sagnac環(huán)級聯(lián)結(jié)構(gòu)。實驗表明，干涉消光比達(dá)到了43dB。利用濾波線性區(qū)大斜率特性，基于邊緣濾波原理，成功實現(xiàn)了光纖光柵的動靜態(tài)應(yīng)變的高分辨率解調(diào)，靜態(tài)應(yīng)變分辨率達(dá)到了0.33με，動態(tài)應(yīng)變分辨率達(dá)到了0.47nε