基于多模干涉的光纤温度传感器的BPM模拟与实验研究

论文摘要

在光纤传感技术中,基于多模干涉（MMI）原理的各种光纤传感器件,由于其设计灵活、灵敏度高、响应快、可适应许多恶劣测量环境以及具备巨大的研究空间等优势,正越来越多地被人们所关注。本文针对基于多模干涉的光纤传感器在温度测量方面的应用进行了深入研究。建立了柱坐标下广角光束传播法（WA-BPM）模拟光纤内多模干涉光场分布的数值模拟模型,为研究传感器的波长解调方法和技术提供了理论依据;提出了新型的基于多模干涉的MMF-SMF-MMF（简称MSM）结构光纤温度传感器,进行了数值模拟和实验验证,得到了相一致的结论。本文的工作内容和创新之处在于:（1）利用柱坐标下WA-BPM建立了一套完整的计算基于多模干涉光纤温度传感器内部光场的数值模拟方法。传感器内部模场的解析表达方式十分复杂,针对现有的理论模型不能得到其精确解的情况,推导了柱坐标下的WA-BPM递推公式,并应用Matlab编写了模拟光在传感器内传输的软件,得到了传感器内部光场的数值解。通过计算光纤传感器内光场分布的数值解,可以很方便地得到传感器的干涉谱,进而为研究外界条件的改变对干涉谱和特征波长的影响,以及研究波长解调方法和技术提供了理论依据。（2）提出了新型的基于多模干涉的MSM结构光纤温度传感器。与之前SMF-MMF-SMF（简称SMS）结构的光纤温度传感器不同,该新型传感器利用了单模光纤纤芯模和包层模之间的干涉作为基础。由于不同材料、不同模式之间的有效热光系数有所差别,新型MSM结构光纤温度传感器将传感器的灵敏度提高了将近6倍。由于其应用了更容易受外界环境影响的包层模式的特点,使其更容易应用于许多其他传感领域,如折射率、浓度等等。（3）利用Matlab编写好的软件分别对基于多模干涉的SMS结构和MSM结构的光纤温度传感器进行了数值模拟计算。（4）实验研究中,得到了和数值模拟及理论模型相一致的结论。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 光纤温度传感器概述
• 1.3 多模干涉光波导器件概述
• 1.4 本课题研究的基础和工作内容
• 第二章 基于多模干涉的光纤温度传感器
• 2.1 基于多模干涉 SMS 结构光纤温度传感器
• 2.1.1 传感原理
• 2.1.2 理论模型
• 2.1.3 石英的色散、热光与热膨胀效应
• 2.2 MSM 光纤温度传感器
• 2.2.1 传感原理
• 2.2.2 三层阶跃折射率光纤模型
• 2.2.3 单模光纤中的包层模
• 2.2.4 包层模的有效折射率
• 2.2.5 模式的有效热光系数
• 第三章 BPM 数值模拟
• 3.1 光束传播法概述
• 3.2 柱坐标 WA-BPM
• 3.3 程序流程图
• 3.4 程序模块
• 3.4.1 设置折射率分布模块
• 3.4.2 确定初始入射场模块
• 3.4.3 确定参考折射率模块
• 3.4.4 计算 Pada 近似系数模块
• 3.4.5 确定三对角矩阵系数模块
• 3.4.6 PML 边界条件设置模块
• 3.5 数值模拟过程及结果
• 3.5.1 SMS 光纤温度传感器的数值模拟过程及结果
• 3.5.2 MSM 光纤温度传感器的数值模拟过程及结果
• 3.6 柱坐标WA-BPM 模型与商用 BPM 软件的比较
• 第四章 实验研究
• 4.1 数值模拟过程正确性验证
• 4.2 MSM 结构光纤温度传感器
• 4.2.1 实验装置
• 4.2.2 实验结果
• 第五章 结论与展望
• 一、 总结
• 二、展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢