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《苏州科技大学》 2017年
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置入级联拉锥结构的新型光纤器件研究

丁祥霞  
【摘要】:随着对光通信容量、通信距离及传输速率等要求越来越高,光纤后处理工艺及光电子器件得到了发展。光纤滤波器作为关键器件之一,在现代光纤系统中起到重要作用,其中光纤环镜滤波器是目前最为实用的。其主要滤波原理是一束光信号通过3dB耦合器后被分成两束光并沿着相反方向在光纤环镜腔中传播,最后又会在耦合器处相遇并发生干涉。在环镜腔内置入高双折射光纤、不同突变锥结构光纤及级联锥结构马赫-曾德尔(M-Z)干涉仪等,可以改善滤波器的输出特性。常规光纤中的锥形区,改变了光纤本身物理参数,使得光功率重新分配,纤芯中的部分光能量以倏逝场的形式激发到包层中以高阶模形式传播,这是其调制光场的基础。本文在分析锥区模场特性基础上利用光纤拉锥机和光纤熔接机研制了两类不同突变锥结构的锥形光纤,得到了基于细锥和粗锥的马赫-曾德尔(M-Z)干涉仪,提高了其性能可控性。将其作为传感器实现折射率和温度的测量,将其置入光纤环镜滤波器中,实现输出谱的稳定可调,也可作为波长选择器用于调谐激光器的输出。论文主要工作如下:1.分析了单模锥形光纤基本结构与传输特性,理论分析了锥结构的模式激发耦合原理得到模场半径和纤芯半径的关系。着重介绍了基于拉锥机和熔接机的突变锥耦合点的制作以及制作过程中的注意事项和关键技术。2.基于细锥和粗锥制作了两种不同锥结构的级联对称型光纤。通过比较单锥与级联锥透射谱性能,研究了不同锥间隔下的透射谱效果,并得到最佳效果的级联锥结构参数:细锥型光纤锥腰直径50um,过渡区约为5mm,锥间隔L=13.1cm,粗锥型光纤锥腰直径165um,锥长为450um,锥间隔L=10cm。锥间隔与透射谱波峰间隔呈反比,包层模有效折射率变化会导致干涉谱波长偏移,基于此原理可用于外界折射率和温度的测量。3.将研制的M-Z干涉仪分别用于折射率和温度传感,酒精溶液折射率测量中,对实验数据的拟合分析得到基于细锥和粗锥的光纤M-Z传感器的灵敏度分别为-120nm/RIU和-152nm/RIU。将M-Z干涉仪的传感臂作腐蚀或熔接处理后进行温度传感,调节环境温度并跟踪透射谱的两个峰值点1、2。当传感器环境温度在25~40℃之间变化时,实验得到细锥型光纤M-Z峰1、2处对应的温度响应灵敏度分别为0.04nm/℃和0.023nm/℃;当环境温度在40~55℃之间变化时,峰1、2处对应温度响应灵敏度分别为0.247nm/℃和0.117nm/℃。粗锥的光纤M-Z传感器峰值1、2对应温度响应灵敏分别为0.096nm/℃和0.070nm/℃。4.将高双折射率光纤、单锥型光纤以及级联锥形光纤分别置入光纤环镜的滤波器,理论和实验研究了其输出谱特性变化。研究发现将光纤单锥置入光纤环镜滤波器后品质因数提高约2倍,调节偏振控制器实现调制深度范围11dB~37dB。将级联锥形光纤M-Z的干涉仪置入光纤环镜滤波器后,得到的输出谱为两种滤波器干涉谱的非相干叠加,在自由谱范围1425~1550nm内,置入级联细锥和级联粗锥后的新型滤波器的调制深度分别为5dB和10dB。透射谱包络形状随着偏振控制器旋转角的调整而改变,在一定波长范围内实现可调谐滤波,调谐范围超过60nm。
【关键词】:级联锥形光纤 滤波器 传感器 光纤环镜滤波器
【学位授予单位】:苏州科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN253;TN713
【目录】:
  • 摘要6-8
  • Abstract8-12
  • 第一章 绪论12-15
  • 1.1 论文研究目的及意义12-13
  • 1.2 国内外研究的现状13-14
  • 1.2.1 级联锥形光纤的研究概况13
  • 1.2.2 光纤环镜滤波器的研究现状13-14
  • 1.3 论文的主要工作14-15
  • 第二章 干涉型锥形光纤的研制与特性15-28
  • 2.1 单模锥形光纤15-20
  • 2.1.1 单模锥形光纤的分类15-17
  • 2.1.2 单模锥形光纤传输特性17-20
  • 2.2 光纤模场突变结构的模式激发与耦合20-27
  • 2.2.1 耦合点的制作21-24
  • 2.2.2 锥结构模式激发与耦合分析24-27
  • 2.3 本章小结27-28
  • 第三章 对称型锥形光纤的特性与传感原理28-35
  • 3.1 级联细锥型光纤的制作和特性28-31
  • 3.1.1 级联细锥型光纤的结构28-29
  • 3.1.2 级联细锥型光纤的特性分析29-31
  • 3.2 级联粗锥型光纤的制作和特性31-32
  • 3.2.1 级联粗锥型光纤的结构31
  • 3.2.2 级联粗锥型光纤的特性分析31-32
  • 3.3 级联锥形光纤的传感原理32-34
  • 3.4 本章小结34-35
  • 第四章 级联锥形光纤M-Z干涉仪的传感特性35-49
  • 4.1 新型光纤M-Z干涉仪的折射率传感特性35-41
  • 4.1.1 实验装置35-36
  • 4.1.2 基于细锥型M-Z干涉仪的折射率特性传感实验36-38
  • 4.1.3 基于粗锥型M-Z干涉仪的折射率特性传感实验38-41
  • 4.2 新型光纤M-Z干涉仪的温度传感特性41-48
  • 4.2.1 实验装置41-42
  • 4.2.2 基于细锥型M-Z干涉仪的温度传感实验42-45
  • 4.2.3 基于粗锥型M-Z干涉仪的温度传感实验45-48
  • 4.3 本章小结48-49
  • 第五章 置入级联锥形光纤的新型光纤环镜滤波器研究49-62
  • 5.1 光纤环镜滤波器的特性分析49-52
  • 5.1.1 光纤环镜滤波器的基本结构49-50
  • 5.1.2 光纤环镜滤波器的工作原理50-52
  • 5.2 高双折射光纤环镜滤波器件52-56
  • 5.2.1 二阶高双折射光纤环镜滤波器的特性分析53-54
  • 5.2.2 级联高双折射光纤环镜滤波器的特性分析54-56
  • 5.3 置入新型M-Z干涉仪的光纤环镜滤波器研究56-61
  • 5.3.1 单锥置入光纤环镜滤波器的特性分析56-59
  • 5.3.2 级联锥形光纤置入光纤环镜滤波器的特性分析59-61
  • 5.4 本章小结61-62
  • 第六章 总结与展望62-63
  • 参考文献63-66
  • 图表目录66-69
  • 致谢69-70
  • 附录70-71
  • 作者简历71

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