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《安徽大学》 2011年
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基于模间干涉型光纤滤波器研究

郝文良  
【摘要】:随着光纤技术的发展,光纤滤波器不仅成为了光通信领域必不可少的光学器件,而且在光纤传感领域也已经被广泛的应用。当光纤的长度、折射率这些物理量受到外界物理量的调制时,干涉型光纤滤波器滤波光谱会发生变化,基于这些变化科研人员设计了多种光纤传感器,用来检测各种物理量。这类光纤传感器和传统传感器相比由于具有灵敏度高、抗电磁干扰、体积小、结构紧凑等特点,在一些特定的领域已经被广泛应用,如一些大型桥梁、大坝、路基的形变测量、石油、石化工业中的温度、压力安全预警,特殊材料结构中内部的应变、应力、老化程度的监控等。 第一章对光纤滤波器的发展概况进行了综述,讨论了光纤滤波器分类及主要参数。对光纤滤波器的研究现状进行了深入分析与总结,指明了本论文的主要研究内容和创新点。 第二章基于光干涉的基本理论,给出光纤中特定模式间干涉的基本理论。首先总结了典型双臂干涉仪传感器的优缺点,并和单臂干涉仪传感器做了对比,指明了单臂干涉仪传感器的优点。其次根据光的电磁理论和麦克斯韦方程,依据理想阶跃光纤中几何物理结构,导出了光纤中传播光的模式理论。以单模-多模-单模(SMS)组成的结构为例,应用模式理论,简要给出了光纤中模式间干涉的波长极大值公式和自由光谱范围的公式。最后系统阐述了保偏光纤偏振模干涉产生的条件和实现方法,给出干涉的基本公式,为后续章节的设计提供了理论基础。 第三章基于传统的绍尔克(Solc)型滤波器,设计了反射Solc型全光纤滤波器,并应用琼斯矩阵对该滤波器进行了理论分析。利用反射型Solc滤波器实现了温度传感,峰值波长移动达到0.03nm/℃,其灵敏度是光栅温度灵敏度的2.5倍。基于该滤波器,选取合适的保偏光纤长度和光栅反射波长,实现了基于光纤光栅查询的高分辨率微纳幅度信号的测量。这种设计结构简单、分辨率高,(达到了0.5nε/(?)),通过共模抑制,系统的抗干扰能力得到明显改善,测量低频信号的能力(小于1Hz)明显提高。利用信号光与参考光强度比值作为输出,消除了光源波动带来的对信号解调的干扰。该系统特别适合微纳幅度信号测量。 第四章设计了由光纤起偏器、保偏光子晶体光纤、Sagnac光纤环级联结构的温度无关可调谐平顶滤波器。通过利用琼斯矩阵对该结构进行理论分析可知,该结构具有可调谐平顶滤波功能。实验中首先依据光子晶体光纤的特点和熔接损耗产生的原因,对爱立信995熔接机内部固化程序进行了修改,实现了光子晶体光纤和普通光纤的低损耗熔接,熔接损耗控制在2dB之内;并在该基础上搭建了实验光路,实验结果表明设计的可调谐平顶滤波器0.5dB带宽超过了整个自由光谱范围7.52nm的50%,达到了4nnm,调谐范围达到了信道宽度的一半,信道隔离度达到了15dB,由于采用了光子晶体光纤,峰值波长随温度的变化小于1.2pm/℃,所以该滤波器温度稳定性得到了提高。 第五章设计了偏振分束器(PBS)和3dB耦合器分别构成的Sagnac光纤环的级联结构。经过理论分析,若两个环中采用同等长度的光子晶体光纤,干涉消光比将比单环增加一倍。实验中利用爱立信995熔接机和消光比测试仪,实现了保偏光子晶体光纤和普通保偏光纤光轴间成45。的低损耗实时检测熔接,利用保偏光子晶体光纤,基于反射结构的Solc型滤波器,实现了温度无关的静态应变测量,测量灵敏度达到了0.3pm/με。利用45。熔接技术,搭建如前所述双Sagnac环级联结构。实验表明,干涉消光比达到了43dB。利用滤波线性区大斜率特性,基于边缘滤波原理,成功实现了光纤光栅的动静态应变的高分辨率解调,静态应变分辨率达到了0.33με,动态应变分辨率达到了0.47 nε/(?),与以往文献中报道的解调系统分辨率相比,该解调系统的分辨率得到了明显的提高,尤其适合于基于光纤光栅高精度的测量。
【学位授予单位】:安徽大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TN253;TN713

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