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长周期光纤光栅理论及传感技术研究

姜明顺  
【摘要】: 随着光纤及光子器件制造技术的不断完善,光纤光栅已成为目前最具有代表性和最具有发展前途的光纤无源器件之一,广泛应用于光通信和光传感等领域。长周期光纤光栅(LPFG)作为一种新型的光纤光栅,由于其插入损耗小、带宽宽、后向反射低、对外界环境变化的反应灵敏度高、制作简单、成本低廉等优点,受到国内外广大学者的关注。发展短短数年,已经显示出了极为广阔的应用前景。另外,由于对光纤光栅功能需求标准的不断提高,新结构、新特性、多功能光纤光栅的研制已经成为开发新型光子器件的必然发展趋势,在保偏光纤上制作的布拉格光栅以及长周期光纤光栅以其独特的光谱特性获得了重要的应用。 长周期光纤光栅在通信领域主要用作EDFA增益均衡器、ASE噪声滤波器、光纤耦合器、束状滤波器以及WDM通道隔离器等。在传感领域,由于LPFG的周期相对较长,满足相位匹配条件的是同向传输的纤芯基模和包层模,这一特点决定了LPFG的谐振波长和峰值对外界环境变化非常敏感,具有比布拉格光栅更好的温度、应变、弯曲、扭曲、横向负载、浓度和折射率灵敏度。因此,LPFG具有比布拉格光栅和其他传感器件更多的优点和更加广泛的应用。 本文在前期对布拉格光纤光栅(FBG)等光子器件的研究基础上,深入分析了长周期光纤光栅的耦合模原理及不同写制方法,对不同方法下写制的长周期光纤光栅的温度和应力特性进行了实验研究;设计并实现了基于长周期光纤光栅的振动和横向负载检测系统;利用机械感生长周期光纤光栅的谐振峰值和谐振波长可调谐性设计了灵敏度可调谐系统;并将可调谐长周期光纤光栅串入光纤激光器环形腔中实现了L波段可调谐激光器的设计;另外,通过在保偏光纤上写制光栅,对保偏布拉格光栅(PM-FBG)以及保偏长周期光纤光栅(PM-LPFG)进行了特性和传感技术应用研究。 本文的主要内容包括: 1.根据三层光纤模型,分析了光纤波导中的模式分布,并合理简化,分析研究了长周期光纤光栅中的纤芯基模与一阶低次包层模式的耦合,用耦合常数描述了模式耦合的强弱。同时,对长周期光纤光栅的光谱特性进行分析和数值模拟,为LPFG的制作和传感应用研究提供理论基础。 2.分析研究了写制长周期光纤光栅的多种方法,其中包括紫外光写入法、CO2激光写入法、腐蚀刻槽法、电弧放电法、离子束注入法、机械微弯变形法等方法。采用机械感生法,紫外光写入法及CO2激光写入法写制了长周期光纤光栅,研究了写制周期、折射率调制深度、光栅长度与长周期光纤光栅透射谱的谐振波长,谐振峰值深度以及带宽等参数间的关系,并研究了不同写制方法下的温度和应变特性。 3.在全面深入研究MLPFG写制模板周期与透射谱谐振波长之间的关系的基础上,将MLPFG串入环形腔中,设计了一种新颖的L波段可调谐环形掺铒光纤激光器。通过调整待写制光纤与周期性压力槽之间的夹角,改变MLPFG的写制周期,调整MLPFG透射谱,影响环形腔增益最高点,调谐光纤激光器的输出波长。可调谐范围可达42nm(1562.465nm~1604.280nm),激光光谱3dB带宽小于0.04nm,20dB带宽均小于0.08nm,边模抑制比大于45dB。长时间观测,激光功率稳定性优于0.3dBm。具有波长易调谐、线宽窄、调谐范围大、边模抑制比高、性能稳定、及成本低廉等特点。 4.通过对光纤光栅振动传感解调方案的比较,从有效性、校准简便性、复用性以及成本上考虑,选择长周期光纤光栅作为解调滤波器,设计了光纤光栅振动传感解调系统。在对悬臂梁振动传感理论分析的基础上,探究了梁长、宽、厚与传感器共振频率的关系,设计了新型布拉格光纤光栅高、低频振动振动传感器,结合光电转换,放大,滤波电路设计,实现了高、低频振动传感信号的无失真信号检测,并对传感器的频率,振幅和冲击响应性能进行了分析。低频振动传感器实现了频率范围20~200Hz的无失真振动检测,并将实验结果与其他技术设计的振动传感器进行了性能比较。高频振动传感器实现了频率范围1KHz~5KHz的无失真振动检测,频率检测误差低于0.5%。 5.在对CO2激光脉冲及紫外光引入的长周期光纤光栅横向负载特性研究的基础上,设计并实验研究了基于机械微应变引入长周期光纤光栅的横向负载传感系统。利用机械线加工技术制作周期性不锈钢压力槽板,测定了槽板对待写制光纤施加的横向压力与长周期光纤光栅谐振峰峰值之间的关系,并借助布拉格光纤光栅搭建了高精度横向压力解调系统,进一步提高了检测实用性。实验表明,在0~60N的范围内,横向压力与MLPFG透射谱深度有很好的线性关系,线性度达0.9950,灵敏度约为0.35dB/N,保持45 N的压力20小时,MLPFG谐振峰峰值最大波动小于0.2dB,具备良好的稳定性。采用中心波长为1542.890nm的FBG实现了系统解调,系统灵敏度为0.12μw/N。 6.利用机械感生长周期光纤光栅(MLPFG)的谐振边带倾斜度易调谐性,设计了解调灵敏度可调谐的光纤布拉格光栅应变传感系统。紫外激光写入技术制作的光纤布拉格光栅的中心波长位于LPFG的谐振边带范围内时,利用该LPFG作为透射滤波器实现了一种新型的灵敏度可调谐FBG应变传感系统。当施加在LPFG上的压力由20N调节至60N时,测试对FBG施加0~3000με轴向应变(每步调整200με)的灵敏度可调谐传感实验。结果表明,FBG应变传感系统检测灵敏度光功率变化率由0.802nW/με增加到1.204nW/με。 7.利用保偏光纤光栅和偏振控制器设计了一种线性腔可开关双波长掺铒光纤激光器。通过增设偏振分束器,分别得到了对应保偏布拉格光栅快轴和慢轴的单偏振激光。另外,对保偏LPFG进行了理论研究,并采用机械感生法在熊猫型保偏光纤上写制了LPFG。通过对其温度实验的分析研究,探究了机械感生保偏LPFG在横向负载及温度同时测量,以及在可调谐起偏器中的应用。


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