新型光纤光栅技术及其在光通信与光纤传感方面应用的研究

论文摘要

光纤光栅已经成为当前最具发展前途,最具代表性的光无源器件之一,在光通信与光传感领域都得到了广泛的应用。D形光纤光栅与基于光纤光栅的法珀结构是其中两种比较新型的技术,它们各自具有独特的性质,可以实际应用在许多场合,因此,研究它们具有重要的理论和实际意义。本文主要的研究工作体现在三个方面:一、光纤光栅波长解调技术及其应用的研究。研究了基于边沿滤波器及可调谐法珀滤波器的两种光栅波长解调技术,实验得到的波长分辨率分别为3.1pm和3pm。并且将这两种解调技术相结合,实际应用于桥梁结构健康监测。二、D形光纤光栅的弯曲敏感特性及其应用的研究。用材料力学理论详细分析了D形光纤光栅的弯曲敏感机理。实验测得其弯曲灵敏度比圆对称的常规光栅分别高78倍（压缩光栅）及86倍（拉伸光栅）之多。将其应用在线位移及加速度的测量中,实验获得的灵敏度分别为-0.27nm/mm及0.191nm·s2/m。提出了将D形光纤光栅弯曲成‘Ω’形状,使其啁啾化,实现了光栅色散值的可调谐;并且将其中点设置在零应变点的位置,能够保持中心波长不发生漂移。实验获得的反射谱带宽由0.299nm调谐到2.057nm,同时中心波长漂移小于17pm。三、基于光纤光栅的法珀结构的原理及应用的研究。提出了光纤光栅法珀滤波器具体的设计和制作方法。并将这种滤波器应用在光纤激光器以及微波信号的光子学生成技术中。实验分别获得了波长可调谐的19个单波长激光和18对双波长激光,以及9.4885～10.0712GHz一系列频率的微波信号。提出了基于光纤光栅法珀结构的可调谐相移光栅。建立了理想模型及实际模型两种仿真模型,详细的分析讨论了各个参数对相移光栅透射谱的影响。与传统的腐蚀光栅法相比,这种新型的可调谐相移光栅在折射率传感中能够大幅提高灵敏度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• Contents
• 第1章 绪论
• 1.1 光纤光栅技术的基本理论
• 1.1.1 光纤光栅技术的发展概况
• 1.1.2 光纤光栅的分类
• 1.1.3 光纤Bragg光栅的制作方法
• 1.1.4 光纤Bragg光栅的工作原理
• 1.2 光纤光栅技术的应用
• 1.2.1 光纤光栅在光纤通信中的应用
• 1.2.2 光纤光栅在光纤传感中的应用
• 1.3 本文的主要工作及创新点
• 第2章 光纤光栅波长解调技术的研究及其应用
• 2.1 光纤光栅波长解调技术概述
• 2.2 边沿滤波法光栅波长解调系统
• 2.2.1 工作原理
• 2.2.2 信号处理方法的分析与讨论
• 2.2.3 等强度悬臂梁定标
• 2.3 基于可调谐法珀滤波器的光栅波长解调系统
• 2.3.1 方案分析与讨论
• 2.3.2 等强度悬臂梁定标
• 2.4 在桥梁结构健康监测中的应用
• 2.4.1 方案介绍
• 2.4.2 测量结果
• 2.5 本章小结
• 第3章 D形光纤光栅的弯曲敏感特性及其在传感技术中的应用
• 3.1 D形光纤
• 3.1.1 D形光纤的技术背景
• 3.1.2 D形光纤的制作技术
• 3.1.3 D形光纤跟常规单模光纤的熔接
• 3.1.4 D形光纤的双折射效应及偏振依赖损耗
• 3.2 D形光纤光栅弯曲敏感特性
• 3.2.1 研究背景
• 3.2.2 理论分析
• 3.2.3 实验结果
• 3.3 基于D形光纤光栅弯曲敏感特性的传感应用
• 3.3.1 线位移传感
• 3.2.2 加速度传感
• 3.4 本章小结
• 第4章 D形光纤光栅在光通信色散补偿技术中的应用
• 4.1 光纤光栅色散补偿技术的研究进展
• 4.2 基于D形光纤光栅的色散调谐技术
• 4.2.1 工作原理
• 4.2.2 仿真结果
• 4.2.3 实验结果
• 4.3 D形光纤光栅色散特性优化设计
• 4.3.1 啁啾光栅的分布反射模型
• 4.3.2 切趾啁啾光栅的色散特性仿真
• 4.3.3 切趾的D形光纤光栅的色散特性仿真
• 4.3.4 弯曲引起的D形光纤光栅的法珀效应
• 4.4 本章小结
• 第5章 光纤光栅法珀滤波器的原理及其应用
• 5.1 基于光纤光栅的法珀滤波器
• 5.1.1 法布里-珀罗干涉仪
• 5.1.2 光纤光栅法珀滤波器的工作原理
• 5.1.3 光纤光栅法珀滤波器的设计与制作方法
• 5.2 FBG-FPF在可调谐光纤激光器中的应用
• 5.2.1 可调谐光纤激光器的结构
• 5.2.2 半导体光放大器增益特性测量
• 5.2.3 激光输出及稳定性测量
• 5.2.4 激光线宽测量
• 5.3 FBG-FPF在可调谐微波信号生成技术中的应用
• 5.3.1 微波信号光子学生成技术简介
• 5.3.2 双波长激光拍频生成可调谐微波信号
• 5.4 本章小结
• 第6章 新型可调谐相移光纤光栅的原理及其应用
• 6.1 相移光纤光栅简介
• 6.2 基于法珀结构的新型可调谐相移光纤光栅
• 6.2.1 基本原理
• 6.2.2 理想模型仿真
• 6.2.3 实际模型仿真
• 6.3 实验结果
• 6.4 在折射率传感中的应用分析
• 6.5 本章小结
• 第7章 总结及展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文