相移光纤光栅理论分析及实验研究

论文摘要

光纤光栅传感系统具有波分复用能力强、体积小、重量轻、抗电磁干扰、插入损耗小等诸多优点。当采用光纤光栅进行微弱动态信号检测时,需要采用光纤干涉仪将波长变化转化为相位变化,此时光纤光栅反射谱的3dB带宽成为限制影响系统性能的主要因素。进一步压窄光纤光栅的反射带宽则需要大幅度增加光栅的长度或者降低曝光量,导致传感探头的尺寸和损耗增大。相移光纤光栅中通过在栅区引入相移,使得其反射和透射谱中存在一个极窄的窗口,通过光学滤波手段将该窗口取出便可作为一个窄带宽光纤光栅。该窗口受到外界信号扰动时会发生波长漂移,采用这一窗口来构造干涉型光纤光栅传感系统,可在不增大传感基元尺寸和损耗的前提下,为降低干涉型光纤光栅传感系统的噪声、提高系统的稳定性提供了一种可能的技术途径。本文主要针对干涉型相移光纤光栅传感系统展开研究。采用F-P腔等效法理论分析了相移光纤光栅的光谱,仿真得到各制作参数对窗口位置、深度和带宽的影响;实验制作了相移光纤光栅;对干涉型相移光纤光栅传感系统进行了综合设计;实验制作并测试了多套干涉型相移光纤光栅传感系统的性能。本文的主要创新点如下:1.采用双相移光栅匹配方法,得到线宽小于0.02nm的窄带光栅反射谱,使匹配干涉仪的允许臂差长度得到大幅度提升,并获得了-88dB/Hz@1kHz的噪声水平。2.采用并联封装法对相移光纤光栅施加信号,测试了信号施加过程中系统的噪声水平,结果表明,传感信号不会导致双光栅失配并使系统噪声增加。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 相移光纤光栅传感器研究现状
• 1.3 课题研究意义及主要内容
• 第二章 相移光纤光栅的理论分析
• 2.1 布拉格光纤光栅的耦合模理论
• 2.1.1 布拉格光纤光栅中的折射率调制
• 2.1.2 布拉格光纤光栅的耦合模理论
• 2.2 相移光纤光栅的理论分析
• 2.2.1 相移光纤光栅的F-P腔等效分析法
• 2.2.2 相移光栅透射率计算与仿真
• 2.3 影响透射窗口深度和带宽的因素
• 2.3.1 遮挡宽度对相移光纤光栅的影响分析
• 2.3.2 不对称性对相移光纤光栅的影响
• 2.3.3 折射率调制深度对相移光纤光栅的影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 相移光纤光栅的制作与测试
• 3.1 光纤光敏性
• 3.2 相移光纤光栅的刻写技术研究
• 3.2.1 相位掩模法
• 3.2.2 相移光栅刻写与在线监测
• 3.3 相移光纤光栅测试
• 3.3.1 相移光纤光栅透射谱测试
• 3.3.2 相移光纤光栅反射谱测试
• 3.4 光纤退火
• 3.5 本章小结
• 第四章 相移光纤光栅传感系统设计
• 4.1 相移光纤光栅传感器灵敏度分析
• 4.2 相移光纤光栅传感系统信号解调方案
• 4.2.1 系统构成
• 4.2.2 相位载波信号处理方案（PGC）
• 4.3 相移光纤光栅传感系统本底噪声分析
• 4.3.1 相干长度理论估算
• 4.3.2 干涉仪臂差对系统的影响分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 相移光纤光栅传感系统实验研究
• 5.1 干涉型相移光纤光栅传感系统
• 5.1.1 干涉型传感系统
• 5.1.2 非平衡干涉仪臂差测量
• 5.2 不同臂差时的本底噪声测试
• 5.3 相移光纤光栅传感与FBG传感系统对比分析
• 5.4 信号测量与结果分析
• 5.4.1 传感探头的绕制
• 5.4.2 施加信号对系统的影响分析
• 5.5 本章小结
• 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间发表论文情况