级联旋转折变型长周期光纤光栅特性研究

论文摘要

近年来,在长周期光纤光栅（LPFG）的研究过程中,研究人员正逐步意识到普通均匀长周期光纤光栅单一的透射谱形状使其在光纤通信和光纤传感的应用上已发展到一个瓶颈阶段,要突破这个瓶颈,使长周期光纤光栅具有更为广泛的发展空间和应用前景,就必须尝试写出能适应各种通信和传感要求的具有不同谱线形状和光学特性的特种LPFG。目前,人们已经提出了一些非均匀光纤光栅结构,如相移光纤光栅、啁啾光纤光栅、高斯光纤光栅、变迹光纤光栅、超结构光纤光栅、倾斜光纤光栅、拍频光纤光栅等。论文在课题组先前提出的旋转折变型长周期光纤光栅（RLPFG）的基础上,结合非均匀长周期光纤光栅-相移光栅和级联光栅的相关理论,制作出了相移拍频长周期光纤光栅（PS-RLPFG）和基于旋转折变型长周期光纤光栅的马赫曾德干涉仪（RLPFG-MZI）,并对其外界环境响应特性做了实验研究和理论分析。论文的主要工作和结论如下:1.首先简要介绍并分析了均匀长周期光纤光栅的经典理论-耦合模理论和传输矩阵理论。然后对结构本质一致的三种光栅-长周期莫尔光纤光栅、超结构光栅、拍频光栅从理论方面进行了分析比较。最后对均匀长周期光纤光栅、相移长周期光纤光栅、级联长周期光纤光栅进行了传输谱和参数优化分析,为后续光纤器件制作的章节提供了理论上的参考依据。2.采用计算机控制的高频CO2激光脉冲写入装置,在扭曲单模光纤上写入了相移长周期光纤光栅（相移拍频长周期光栅,R-PS-LPFG）:（1）讨论了引入不同相移以及不同扭曲周期对传输谱特性的影响;（2）根据实验需要,选择相移为π,扭曲周期ΛT=24mm的相移拍频长周期光栅（π-R-PS-LPFG）作为研究对象。当扭曲应力释放后,拍频效应和相移发生作用,产生四个相邻的损耗峰; （3）通过实验研究和理论分析相结合,对扭曲周期ΛT=24mm的π-R-PS-LPFG的温度、轴向应变、偏振相关损耗特性进行了研究。3.在旋转折变长周期光纤光栅（RLPFG）的基础上,将两个RLPFG进行级联制作出马赫曾德干涉仪（RLPFG-MZI）。（1）理论分析了这种干涉仪的光学特性和折射率传感原理;（2）对影响RLPFG-MZI干涉谱的制作参数进行了分析和实验研究;（3）随后的RLPFG-MZI折射率实验结果表明,这种结构简单的干涉传感器在1.33-1.36折射率区间表现出很好的线性响应,并且对于光栅旋转角度为CG=130°的RLPFG-MZI,其折射率灵敏度可达到14.7pm/mm（0.01RI,和溶液的作用长度为40mm）,是普通LPFGs形成的MZI的3.5倍（4.2pm/mm）;（4）对RLPFG-MZI的温度特性进行了实验研究和理论分析。综上所述,本文通过设计制作出级联旋转折变型长周期光纤光栅,实现了一类复杂谱线的光纤光栅结构,并对这种光栅进行了理论分析和外界环境响应特性的研究。另一方面,由于级联旋转折变型长周期光纤光栅具有独特的光学特性,因此这种光栅结构可广泛应用于光纤通信和光纤传感系统中,如粗波分复用器CWDM,可调谐环形激光器,波长可控光栅型耦合器等。因而,本课题具有重要的学术意义和潜在的社会和经济效益。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 引言
• 1.1 长周期光纤光栅的发展历史
• 1.2 长周期光纤光栅的分类
• 1.2.1 按光栅周期大小分类
• 1.2.2 按光纤光栅折射率调制分类
• 1.2.3 按光栅横截面折变分布分类
• 1.3 长周期光纤光栅发展现状
• 1.3.1 长周期光纤光栅在通信中的应用发展
• 1.3.2 长周期光纤光栅在传感中的应用发展
• 1.4 本课题的研究内容及意义
• 2 长周期光纤光栅理论基础及分析
• 2.1 引言
• 2.2 长周期光纤光栅的理论分析方法
• 2.2.1 耦合模理论
• 2.2.2 传输矩阵分析法
• 2.3 拍频理论
• 2.3.1 长周期莫尔光栅形成机理
• 2.3.2 超结构光纤光栅的分析方法
• 2.3.3 旋转折变型长周期光纤光栅的拍频理论
• 2.4 长周期光纤光栅传输谱的理论分析
• 2.4.1 均匀长周期光纤光栅
• 2.4.2 相移长周期光纤光栅
• 2.4.3 级联长周期光纤光栅
• 2.5 光栅参数优化
• 2.6 本章小结
• 3 相移拍频长周期光纤光栅特性研究
• 3.1 引言
• 3.2 相移拍频长周期光纤光栅理论
• 3.3 相移拍频长周期光纤光栅的制作及传输谱特性
• 3.3.1 制作方法
• 3.3.2 相移拍频长周期光纤光栅的传输谱特性
• 3.4 相移拍频长周期光纤光栅的环境响应特性
• 3.4.1 扭曲特性
• 3.4.2 温度特性
• 3.4.3 轴向应变特性
• 3.4.4 偏振相关损耗特性
• 3.5 PS-RLPFG 的潜在应用
• 3.6 本章小结
• 4 基于旋转折变 LPFG 的干涉型折射率传感器
• 4.1 引言
• 4.2 RLPFG-MZI 光学特性及折射率传感原理
• 4.3 RLPFG-MZI 折射率传感器制作
• 4.3.1 基于长周期光栅的马赫曾德干涉仪（LPFG-MZI）
• 4.3.2 不同扭曲度的RLPFG-MZI
• 4.3.3 不同干涉臂长度的RLPFG-MZI
• 4.4 RLPFG-MZI 环境折射率响应特性
• 4.4.1 折射率实验装置
• 4.4.2 传感器与溶液作用长度对折射率灵敏度的影响
• 4.4.3 RLPFG-MZI 环境折射率实验结果
• 4.5 RLPFG-MZI 温度特性
• 4.5.1 温度特性实验及结果
• 4.5.2 温度特性理论分析
• 4.6 RLPFG-MZI 的潜在应用
• 4.7 本章小结
• 5 全文总结
• 5.1 论文工作总结
• 5.2 论文下一步工作
• 致谢
• 参考文献
• 附录