采用新型包層材料和基于微結(jié)構(gòu)的光纖與光纖光柵的研究.pdf

1、光學(xué)纖維以優(yōu)良的光傳輸特性被廣泛地應(yīng)用到通信系統(tǒng)、傳感、醫(yī)療器械和各種光學(xué)器件等眾多領(lǐng)域，研究熱點逐漸從研究衰減到研究光纖的色散和非線性，并有大量的有源和無源的光器件應(yīng)運而生。近年來，特殊結(jié)構(gòu)的光纖和光器件由于可以實現(xiàn)一些特殊的傳輸，滿足常規(guī)光纖很難滿足的要求和更容易的設(shè)計，越來越受到人們的關(guān)注，尤其在光器件設(shè)計上得到了廣泛的應(yīng)用。 本論文理論和實驗研究了采用新型材料包層結(jié)構(gòu)(即采用單軸晶體材料包層)和基于全內(nèi)反射微結(jié)構(gòu)的兩種新

2、型光纖及光柵。 首先提出了單軸各向異性材料為包層、其主軸沿光纖光柵軸線(Z軸)方向的布喇格光纖光柵模型，引入了單軸晶體材料主軸折射率比參數(shù)Kc1，從波動方程推出了理想正規(guī)模的特征方程，計算了基模HE11模的有效折射率、色散和功率限制因子；應(yīng)用耦合模理論研究了該類布喇格光纖光柵的反射率、布喇格波長、反射波帶寬及色散，理論研究了對該類光纖的電光效應(yīng)和彈光效應(yīng)。本部分的研究對基于以單軸晶體材料為包層的光纖和光柵器件的研究提供了理論依據(jù)

3、，可以根據(jù)這些結(jié)論設(shè)計新型可調(diào)諧濾波器、波長選擇器和電壓、應(yīng)力等傳感器。 應(yīng)用改進的有效折射率法，分別用標(biāo)量和矢量計算了微結(jié)構(gòu)光纖(Microstructured Fiber，MF)的傳輸特性和全內(nèi)反射微結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵(MFBG)的反射特性和填充比的關(guān)系，提出了增大反射率的方法；應(yīng)用BMP法設(shè)計了一種具有三層不同的空氣孔直徑的寬帶色散補償微結(jié)構(gòu)光纖；設(shè)計和加工了長周期光纖光柵壓力傳感裝置，對普通單模光纖進行了壓力傳感實驗

4、，實驗表明傳感器性能良好，線性度和靈敏度高；在高非線性微結(jié)構(gòu)光纖上用機械壓力法寫制了一種長周期光纖光柵，測定了透射譜深度和壓力大小的關(guān)系。 本論文主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點如下： 1、單軸晶體包層光纖及光柵(1)提出了單軸各向異性材料為包層、其主軸沿光纖軸(Z軸)方向的光纖模型，矢量分析了特征方程、基模有效折射率和色散。 研究表明光纖的色散隨波長的增加而由負而正的增大，但零色散波長隨Kcl的增加而減小。當(dāng)Kcl<1時，

5、零色散波長隨Kcl的增大而減小的很劇烈，但當(dāng)Kcl>1，零色散波長變化不明顯。 (2)研究了功率限制因子和包層單軸晶體材料主軸折射率比參數(shù)Kcl，的關(guān)系，模擬了電光效應(yīng)和彈光效應(yīng)對此類光纖內(nèi)光能量分布的影響。結(jié)果表明并且外加電場越強，纖芯內(nèi)的光能量越少，光能量越集中到包層中；施加應(yīng)變場越強，光能量越集中到纖芯中。 (3)模擬計算了包層為單軸晶體材料的布喇格光纖光柵的反射率、Bragg波長、反射波帶寬及色散和kcl的關(guān)系，

6、得出了單軸晶體包層光纖Bragg光柵比均勻各向同性包層的Bragg光柵更容易獲得高反射率；單軸晶體包層折射率的變化可以使Bragg波長產(chǎn)生移動；包層為各向同性材料的光纖比包層為單軸晶體材料的光纖更容易把光能量集中在纖芯中傳輸；對光纖Bragg光柵來說，包層中傳輸?shù)哪芰扛菀遵詈系椒聪驅(qū)Ｖ小?(4)基于上述理論，提出了分別采用鈮酸鋰(LiNbO3)和磷酸二氫鉀(KDP)兩種單軸晶體材料做包層的光電器件的設(shè)想，即分別利用鈮酸鋰的電

7、光效應(yīng)和磷酸二氫鉀彈光效應(yīng)設(shè)計可調(diào)諧濾波器、壓力和電場(壓)傳感器方法。 2、微結(jié)構(gòu)無纖及光柵(5)應(yīng)用改進的有效折射率方法(IEIM)分別用標(biāo)量法和矢量法分析MF的有效折射率和基于全內(nèi)反射MF的Bragg光柵的反射譜。計算結(jié)果表明標(biāo)量法只適合填充比小于0.45的情況，對于比較大的填充比，要用矢量法來計算；包層中空氣比分增大時，基空間填充模的有效折射率變小，Bragg波長移向短波長一邊；隨著包層中空氣比分的增加，可以有效的提高微

8、結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵的反射率。 (6)在高非線性微結(jié)構(gòu)光纖上用機械壓力法寫制了10個周期，周期為1.2mm的長周期光纖光柵，測定了透射譜深度和壓力大小的關(guān)系，表明長周期光纖光柵的透射譜透射深度隨應(yīng)力增加而單調(diào)增加，即能量從纖芯耦合到包層；當(dāng)應(yīng)力進一步增大，透射譜深度開始減小，即光開始從包層耦合回纖芯。 (7)采用金屬凹槽板完成了可調(diào)諧普通單模光纖的壓力傳感實驗，結(jié)果表明在0-70N的測量范圍內(nèi)，透射峰衰減值隨壓力變化曲