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双芯长周期光纤光栅制备方法及特性研究

王雪  
【摘要】: 人类社会经过漫长的发展演变过程,目前进入了一个高度信息化的时代,信息化已经成为当代发展的大趋势,信息化程度也成为衡量国家现代化水平重要标志之一。在越来越多的科学技术融入到人们的生活中的同时,人们对信息的需求更是与日俱增,高速率、大容量的信息传输成为众多学者的共建目标。光纤以及以光纤为基础的各类光纤器件作为通信领域中的重要组成部分,在信息化高速发展中发挥着主力军的作用。长周期光纤光栅因其具有插入损耗低、制作工艺简单、无后向散射等优点,广泛应用于光纤通信和光纤传感领域。 本文在国内外学者的研究基础上,提出了采用改进的CO2激光写入技术在传统单芯光纤及特殊结构的双芯光纤上制备长周期光纤光栅的方法,并对光纤光栅的光谱特性和传感特性进行了理论和实验研究。本文研究的主要内容包括: 1.设计制作了一套三维光纤同轴旋转控制系统,能够满足CO2激光脉冲单侧曝光、多角度曝光、旋转曝光等不同制作需求,并可以完成长周期光纤光栅写入后立即进行应变特性的测试以及辅助弯曲特性的测试。 2.研究了采用对称双侧曝光写入方法用CO2激光制作的长周期光纤光栅(LPFG)的光谱特性及传感特性。对称双侧曝光写入法首先在光纤的一侧写入LPFG,然后在光纤横截面圆周上与首次曝光对称的另一侧以相同的能量和参数写入相同周期的LPFG,双侧曝光使光纤折射率先后两次分别发生周期性变化。通过透射谱的演变发现,在对称的一侧再次写入LPFG会削弱首次曝光的透射谱,且谐振波长会向长波方向漂移。 3.研究了采用非对称双侧曝光方法制作的长周期光纤光栅(LPFG)的传输谱特性和传感特性。非对称热应力作用的理论分析表明,先后两次热应力作用的角度差的不同,导致长周期光纤光栅谐振峰会向长波或短波方向漂移。实验结果与理论分析结果一致,并得出了长周期光纤光栅谐振波长漂移方向随方位角度差的变化规律,这一特性可用于长周期光纤光栅制备过程中对光栅谐振波长的调节与控制。 4.根据模式耦合理论分析了纤芯偏移的长周期光纤光栅的纤芯、包层有效折射率的变化,并进行了模拟计算。在此基础上提出了一种基于双芯光纤长周期光纤光栅,这种器件结构能够将两个平行的长周期光纤光栅集成在一根光纤中。本文结合两个平行正规光波导之间的模式耦合,建立了对称双芯长周期光纤光栅模式耦合理论模型,并对光谱特性进行了深入分析和模拟计算。 5.通过CO2激光脉冲单侧曝光以及加扭转预应力曝光两种方法在一种非对称结构的偏双芯光纤中分别实现了长周期光纤光栅的制备。我们发现采用单侧曝光方法制作的双芯长周期光纤光栅透射谱依赖于在双芯光纤圆周上的曝光方向。由于光纤扭曲过程中会产生扭曲应力,光纤扭曲度越大时写入光栅的耦合强度也越大,因此采用加扭转预应力曝光方法能够提高长周期光纤光栅的写入效率。


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