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(zhǎng)度、折射率這些物理量受到外界物理量的調(diào)制時(shí)，干涉型光纖濾波器濾波光譜會(huì)發(fā)生變化，基于這些變化科研人員設(shè)計(jì)了多種光纖傳感器，用來檢測(cè)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(diǎn)，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(cè)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(duì)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(duì)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?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)。
　　 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(diǎn)，并和單臂干涉儀傳感器做了對(duì)比，指明了單臂干涉儀傳感器的優(yōu)點(diǎn)。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(jiǎn)要給出了光纖中模式間干涉的波長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)方法，給出干涉的基本公式，為后續(xù)章節(jié)的設(shè)計(jì)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(jì)了反射Solc型全光纖濾波器，并應(yīng)用瓊斯矩陣對(duì)該濾波器進(jìn)行了理論分析。利用反射型

4、Solc濾波器實(shí)現(xiàn)了溫度傳感，峰值波長(zhǎng)移動(dòng)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(zhǎng)度和光柵反射波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了基于光纖光柵查詢的高分辨率微納幅度信號(hào)的測(cè)量。這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(cè)量低頻信號(hào)的能力(小于1Hz)明顯提高。利用信號(hào)光與參考光強(qiáng)度比值作為輸出，消除了光源波動(dòng)帶來的對(duì)信號(hào)解調(diào)的干擾。該系統(tǒng)特別適合微納

5、幅度信號(hào)測(cè)量。
　　 第四章設(shè)計(jì)了由光纖起偏器、保偏光子晶體光纖、Sagnac光纖環(huán)級(jí)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(duì)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(shí)驗(yàn)中首先依據(jù)光子晶體光纖的特點(diǎn)和熔接損耗產(chǎn)生的原因，對(duì)愛立信995熔接機(jī)內(nèi)部固化程序進(jìn)行了修改，實(shí)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(shí)驗(yàn)光路，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)的可調(diào)諧平項(xiàng)濾波器0.5dB帶

6、寬超過了整個(gè)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(zhǎng)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(jì)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(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)。經(jīng)過理論分析，若兩個(gè)環(huán)中采用同等長(zhǎng)度的光子晶體光纖，干涉消光比將比單環(huán)增加一倍。實(shí)驗(yàn)中利用愛立信995熔接機(jī)和消光比測(cè)試儀，

7、實(shí)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(shí)時(shí)檢測(cè)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(shí)現(xiàn)了溫度無關(guān)的靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量，測(cè)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(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了光纖光柵的動(dòng)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(dòng)態(tài)應(yīng)變分辨率達(dá)到了0.47nε