可调谐双芯光纤及其在光纤光栅传感与滤波器中应用的研究

论文摘要

双芯光纤是包含一对平行芯子的特殊光纤,由于两个芯子距离很近,当光波在其中传输的时候,会同耦合器一样不断发生功率交换。从这一点来说双芯光纤具有耦合器的基本特性,它可以实现耦合器大多数功能。但是比起耦合器,双芯光纤最大的优势在于它的灵活性:它的光谱特性可以通过改变长度、拉伸、扭转等手段来调谐,这些都使得双芯光纤能够根据具体应用的不同来做出改变,设计出不同需求的光纤器件运用于光通信和光纤传感领域。光纤Bragg光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)是当前光纤传感领域的热点,以其波长编码,结构灵巧轻便,容易复用,制作方便等特点得到了广泛的应用。如果能将双芯光纤的特点与FBG相结合,设计出新型的传感器应用于工程领域将会是一件有着重要的理论和实际意义的事情。本文在综述了双芯光纤和FBG的发展和当前应用状况之后,对两者的工作原理进行了详细的叙述。作为本文研究的重点,我们详细分析了双芯光纤的特性,系统地对光纤长度、拉伸、扭转、弯曲、温度变化对出射光谱的影响展开了研究,在理论上得出了它们之间的关系,并在实验中加以验证。接着,我们首次将设计的可调双芯光纤作为边缘滤波器应用于FBG温度传感器的波长解调,实现了对双芯光纤应用领域的扩充。在材料结构裂缝位移传感器设计中,我们提出使用弹簧和FBG共同构造传感头,同时采用双芯光纤进行解调的方案,并在实验中取得了良好的结果。这种设计目前在10mm的量程内可以有0.05mm的分辨率,并且通过改变弹簧参数和设计结构可以达到更好的测量水平。最后,我们使用双芯光纤和WDM耦合器设计增益平坦滤波器,不同长度双芯光纤组合设计通带阻带可选择的带通滤波器,得到了较好的实验数据,平坦化后的出射光谱在30nm的带宽内值只有±0.5dB的起伏。这是对双芯光纤性能的又一次扩展,相信随着研究的深入,双芯光纤的特性还能被继续开发利用,促进光纤通信和光纤传感领域的发展。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 双芯光纤介绍
• 1.1.1 双芯光纤发展简史
• 1.1.2 双芯光纤的分类
• 1.2 光纤光栅简介
• 1.2.1 光纤光栅的发展简史
• 1.2.2 光纤光栅的基本特性与分类
• 1.3 本课题的研究意义和论文的主要创新点
• 第二章 可调谐双芯光纤的理论研究与实验
• 2.1 引言
• 2.2 双芯光纤工作原理
• 2.2.1 耦合模方程
• 2.2.2 长度对双芯光纤光谱特性的影响
• 2.2.3 拉伸对双芯光纤光谱特性的影响
• 2.2.4 扭转对双芯光纤光谱特性的影响
• 2.2.5 弯曲对双芯光纤光谱特性的影响
• 2.2.6 温度对双芯光纤光谱特性的影响
• 2.3 小结
• 第三章 光纤Bragg光栅工作原理及其在传感领域中的应用
• 3.1 光纤Bragg光栅理论分析方法概述
• 3.2 光纤Bragg光栅的工作原理
• 3.2.1 光纤光栅的Bragg条件
• 3.2.2 光纤Bragg光栅的耦合模理论分析
• 3.3 光纤Bragg光栅在传感领域的应用
• 3.3.1 光纤Bragg光栅传感原理
• 3.3.2 光纤光栅中心波长解调技术
• 3.4 小结
• 第四章 采用双芯光纤解调的光纤Bragg光栅温度、位移传感器研究
• 4.1 引言
• 4.2 利用双芯光纤解调的FBG温度传感器
• 4.2.1 光纤光栅温度传感原理
• 4.2.2 光纤光栅温度传感实验
• 4.3 利用双芯光纤解调的位移传感器
• 4.3.1 光纤光栅位移传感原理
• 4.3.2 光纤光栅位移传感实验
• 4.4 小结
• 第五章 基于双芯光纤的组合滤波器研究
• 5.1 增益平坦滤波器
• 5.1.1 增益平坦滤波器简介
• 5.1.2 增益平坦滤波器工作原理
• 5.1.3 增益平坦滤波器实验
• 5.1.4 小结
• 5.2 带通滤波器
• 5.2.1 光滤波器简介
• 5.2.2 带通滤波器工作原理
• 5.2.3 带通滤波器实验
• 5.2.4 小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 附录:部分实物图
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢