雙芯光纖及其雙折射特性分析

實驗研究了側(cè)向擠壓作用下的光纖布喇格光柵(fbg)產(chǎn)生的應(yīng)力雙折射現(xiàn)象,提出了一種消除橫向應(yīng)力對溫度交叉敏感的簡單而又有效的方法,從理論和實驗上進行了分析與驗證。研究表明,對fbg施加側(cè)向擠壓產(chǎn)生的雙折射導(dǎo)致普通光纖布喇格光柵存在兩個滿足布喇格條件的反射光譜,且雙峰間距在100℃的溫度范圍內(nèi)變化了0.055nm,利用該雙峰間距的變化可消除溫度傳感中橫向應(yīng)力對它的交叉敏感,實現(xiàn)對溫敏系數(shù)的修正及溫度的校正,實驗中測得的原始溫敏系數(shù)是0.0138nm/℃,對溫敏系數(shù)修正了0.005nm/℃,對變化的溫度校正了4℃。

文章介紹了雙芯光纖的結(jié)構(gòu)及其傳輸特性,并對雙芯光纖在光通信與光纖傳感領(lǐng)域的應(yīng)用進行了敘述。在文章的最后介紹了我們制作的雙芯光纖及其測量的傳輸曲線,并討論了將雙芯光纖作為濾波器在光纖光柵波長解調(diào)中應(yīng)用的前景。

研究了具有高雙折射的光子晶體光纖(hbpcf)中均勻布拉格光柵(fbg)的光譜特性。利用緊湊的超格子模型,對光子晶體光纖的傳輸特性進行分析,研究正向傳輸和反向傳輸?shù)哪Ｊ街g的耦合規(guī)律,從而研究寫入光子晶體光纖中的均勻布拉格光柵的特性。首先給出具有c6v對稱性的零雙折射光子晶體光纖中光纖布拉格光柵的布拉格波長λb隨光纖結(jié)構(gòu)參量的變化規(guī)律;然后分析一種高雙折射光子晶體光纖中的光纖布拉格光柵的光譜特性,高雙折射使兩個不同偏振態(tài)的反射峰分開較大;最后分析了一種常用的雙模雙折射光子晶體光纖中光纖布拉格光柵的光譜特性,lp01模和lpe11模的兩個偏振態(tài)對應(yīng)的反射譜都由于高雙折射而分開。

理論分析了切趾弱雙折射光纖布喇格光柵反射偏振相關(guān)特性與溫度之間的關(guān)系.數(shù)值模擬了切趾弱雙折射光纖光柵的反射譜、偏振相關(guān)損耗和差分群時延隨波長變化曲線.實驗測出了不同溫度下反射譜、偏振相關(guān)損耗和差分群時延隨波長變化曲線.根據(jù)實驗結(jié)果對偏振相關(guān)損耗和差分群時延的變化情況作出了分析.反射偏振相關(guān)損耗呈現(xiàn)兩個峰值,隨溫度增加兩峰漂移程度相同,表明偏振相關(guān)損耗無明顯差異.差分群時延最大值隨溫度增加成線性向長波方向漂移,證明了光纖光柵正交模損耗變化的等同性.綜合理論分析與實驗結(jié)果表明:切趾弱雙折射光纖布喇格光柵的偏振特性隨溫度產(chǎn)生明顯的變化,其正交模變化呈現(xiàn)等比例特性.

報道了一種基于偏芯結(jié)構(gòu)的雙芯光纖制作的長周期光纖光柵,研究了在這種雙芯光纖中寫入相同結(jié)構(gòu)的長周期光纖光柵的模式耦合特性,這種雙芯結(jié)構(gòu)能夠?qū)蓚€平行的長周期光纖光柵集成在一根光纖中。通過模擬計算發(fā)現(xiàn)在光纖圓周橫截面不同方位進行曝光,可獲得不同的光柵透射譜,通過利用co2激光脈沖曝光方法實現(xiàn)其制備,實驗得出了采用單側(cè)曝光方法在偏芯結(jié)構(gòu)的雙芯光纖上制備長周期光纖光柵的最佳寫入方式。通過理論分析和實驗的對比,結(jié)果表明,雙芯長周期光纖光柵透射譜依賴于在雙芯光纖圓周上的曝光方向。

根據(jù)菲涅耳公式和功率反射系數(shù)關(guān)系式,分析纖芯失配型光纖傳感器折射率傳感原理;采用單模/多模光纖制作傳感器,研究傳感器輸出光功率隨甘油溶液折射率變化特征,并驗證理論計算結(jié)果。表明媒質(zhì)折射率n_2=1.300～1.441時,傳感器輸出光功率強且?guī)缀醪话l(fā)生變化;n_2=1.441～1.452時,傳感器輸出光功率呈線性快速下降,其斜率為-155.91;當媒質(zhì)折射率與單模光纖包層折射率接近時,傳感器輸出光功率幾乎為0。驗證實驗發(fā)現(xiàn),傳感器線性快速下降的折射率范圍為1.442～1.454,斜率為-49.67,其輸出光功率隨甘油溶液折射率變化規(guī)律與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、傳感系統(tǒng)全光纖化等特點,能用于有毒有害、易燃易爆等特殊環(huán)境下物質(zhì)折射率的高精度測量。

由法拉第效應(yīng)原理,通過測量磁場引起光纖布拉格光柵(fbg)的偏振相關(guān)損耗(pdl),可以測得磁感應(yīng)強度大小。fbg中線雙折射的存在,同樣改變了光的偏振特性,仿真并實驗驗證了fbg固有偏振相關(guān)損耗的特點。利用瓊斯矩陣法理論推導(dǎo)了fbg在既有雙折射又有磁場影響時,輸入線偏振光偏振態(tài)的變化規(guī)律。通過對偏振相關(guān)損耗與線偏振光起偏角和雙折射大小的仿真分析可知,不同起偏角的線偏光對線雙折射的敏感度不同。在線雙折射的影響下,偏振相關(guān)損耗峰值隨起偏角大小呈周期性變化,對磁場測量的靈敏度產(chǎn)生影響,而與磁感應(yīng)強度的線性關(guān)系并未發(fā)生變化。

根據(jù)耦合模理論和瓊斯矩陣與斯托克斯矢量的關(guān)系給出單模均勻光纖布拉格光柵(fbg)反射和透射斯托克斯參量公式,數(shù)值模擬出低雙折射單模光纖均勻fbg在不同雙折射值下反射和透射斯托克斯參量隨波長變化的曲線。結(jié)果顯示4個歸一化斯托克斯參量中,s1關(guān)于中心波長λ0呈反對稱分布,s0,s2和s3關(guān)于λ0呈對稱分布;雙折射值增大譜線不產(chǎn)生漂移,但譜線反射帶寬變窄,反射信號與透射信號斯托克斯參量振幅均有不同程度的變化,表明雙折射值對斯托克斯參量的影響非常顯著。測出單模光纖均勻fbg反射和透射斯托克斯參量隨波長變化曲線,理論分析與實驗結(jié)果基本符合。

本文應(yīng)用瓊斯矩陣在理論上分析了光纖線性雙折射對ｓａｇｎａｃ電流傳感的影響，并指出為了使ｓａｇｎａｃ電流傳感器的穩(wěn)定性達到實用化程度，允許的線性雙折射應(yīng)不大于１０－６ｒａｄ／ｍ量級。另外，旋轉(zhuǎn)ｓａｇｎａｃ環(huán)兩輸入端使之兩端本地坐標系互相垂直可極大地減小光纖線性雙折射的影響。

根據(jù)光纖線圈受熱應(yīng)力的實際影響,推導(dǎo)了線圈中因排線引起的光纖擠壓應(yīng)力雙折射,并提出利用有限元瞬態(tài)熱分析的方法研究固膠處理對線圈中熱應(yīng)力干擾雙折射的影響。通過對固膠處理前后線圈中典型光纖受熱應(yīng)力的影響的數(shù)值模擬計算得出,固膠處理后的光纖線圈存在著一個與膠粘劑參數(shù)有關(guān)的溫度區(qū)域,在此區(qū)域內(nèi)線圈受到的應(yīng)力干擾雙折射最小,且溫度敏感性降至最低。通過對1000m保偏光纖線圈的實際測試表明,這一溫度區(qū)域的消光比指標高于低溫段1.5db,證明了模型的有效性。提出了固膠材料溫度特性與環(huán)境溫度的匹配性概念。

纖芯失配的光纖Mach-Zehnder折射率傳感器

基于多模干涉效應(yīng)的單模-多模-單模(sms)結(jié)構(gòu)光纖折射率傳感器通常需要進行包層腐蝕來提高靈敏度,而且易受環(huán)境溫度影響。為克服sms結(jié)構(gòu)的這些不足,提出了一種新型的基于纖芯失配多模干涉的光纖折射率傳感器,由單模光纖-色散補償光纖-單模光纖(smf-dcf-smf)級聯(lián)光纖布拉格光柵(fbg)構(gòu)成,長度不超過100mm。對其靈敏度、線性范圍和溫度特性等進行了測試,實驗結(jié)果顯示在測量折射率為1.33～1.39的折射率液時,特征波長與折射率呈線性關(guān)系,靈敏度為232.8nm,級聯(lián)的fbg具有良好的溫度校準功能。

提出一種通過布拉格光纖光柵傳輸譜線計算其纖芯直徑和折射率的方法.實驗中采用較短波長的相位掩模板及紫外光照射載氫的單模光纖來寫布拉格光柵.通過測量lp01模與反向傳輸?shù)膌p01、lp02模耦合所對應(yīng)的損耗峰,并將對應(yīng)的兩中心波長分別帶入色散方程,來計算同時滿足布拉格光柵相位匹配條件的解,即可求出該光纖光柵纖芯直徑和折射率.這種方法為測量光纖光柵參數(shù)提供了一種新的途徑.

提出了基于光纖布拉格光柵(fbg)包層模式的折射率傳感方案。實驗中,利用不同濃度的丙三醇水溶液作為外界折射率傳感溶液,采用氫氟酸溶液化學(xué)腐蝕的方法來減小光纖包層的直徑以增大包層模式對外界折射率的敏感度,研究了腐蝕后光纖布拉格光柵包層模式的耦合波長對外部折射率的變化關(guān)系。實驗結(jié)果表明在1.3300~1.4584的折射率范圍內(nèi),包層模式耦合波長隨外界折射率增大而增大,在接近光纖包層折射率處具有很高的折射率靈敏度,最大達到了172nm/riu(refractiveindexunit)。而且,包層模諧振的光譜半峰全寬(約0.07nm)僅為布拉格纖芯模諧振光譜半峰全寬的1/4,能夠獲得更好的傳感精度。

基于氟化聚合物梯度折射率圓對稱塑料光纖(pf-gipof)的傳輸參量計算,分析其傳輸特性,推導(dǎo)出頻域基帶功率傳輸函數(shù),得到一種參數(shù)完整的色散計算模型.理論分析了光源特性、模式時延和模式損耗對帶寬的影響并對色散進行擬合和計算.在波長和激光斑半徑相異的光源激勵下,對不同長度、不同折射率指數(shù)的pf-gipof的頻率響應(yīng)進行仿真驗證.理論計算和實驗結(jié)果表明,200m長的pf-gipof在1300nm工作波長下,半徑11.76μm的激光斑激勵出的傳導(dǎo)模最少,由于差分模式損耗作用,系統(tǒng)帶寬提升了3.56ghz,在α=2.16的折射率下可以得到最大的帶寬優(yōu)化.該計算模型可有效地用于pf-gipof通信系統(tǒng)的參量選取和帶寬預(yù)測.

雙芯光纖馬赫-曾德爾干涉儀的溫度特性

單芯光纖和雙芯光纖的耦合問題是限制雙芯光纖研究和應(yīng)用深度的關(guān)鍵問題之一。利用突變光波導(dǎo)的分析方法,在高斯近似的模場分布下,推導(dǎo)了單芯單模光纖和雙芯單模光纖對接和熔接的耦合能量、總體耦合效率和兩纖芯耦合能量比的數(shù)學(xué)表達式。利用這組關(guān)系定量地詳細分析了單芯光纖和雙芯光纖耦合中的模場匹配、雙芯光纖的纖芯距和纖芯位置對耦合效果的影響。利用其中一個纖芯位于光纖中心的雙芯光纖,通過保偏熔接機進行輔助定位,實測了單芯單模光纖與雙芯單模光纖對接耦合的輸出能量與纖芯位置的關(guān)系,測量結(jié)果能夠很好地與理論結(jié)果相符合。

分析了全光纖電流互感器(afoct)光纖元件的雙折射來源和影響,針對其應(yīng)力加載特征,提出一種適用于系統(tǒng)的光纖雙折射參數(shù)測量方法。測量基于研究雙折射對偏振態(tài)的調(diào)制情況,在邦加球上分析傳輸光偏振態(tài)隨不同光程的演化軌跡,可獲得待測光纖橢圓雙折射參數(shù),相對誤差在2.85%以內(nèi)。驗證實驗說明基于測量結(jié)果的變比估計相對偏差1.08%。該方法準確度優(yōu)于傳統(tǒng)方法,裝置結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn)。由傳感光纖雙折射測量結(jié)果可推導(dǎo)afoct系統(tǒng)的變比,也可作為溫度、振動補償實驗的依據(jù)。本方法可作為設(shè)計制作afoct系統(tǒng)過程中的一個有力的參考。

采用matlab和comsol建立單模光纖內(nèi)激光傳輸模型,對雙包層內(nèi)光纖折射率和纖芯結(jié)構(gòu)對光能量分布的影響進行了理論研究。系統(tǒng)分析了光纖芯徑與數(shù)值孔徑、歸一化頻率和功率填充因子的關(guān)系,依據(jù)得到的結(jié)果進一步采用多模物理耦合仿真方法對不同類型的單模雙包層光纖纖芯的能量分布進行仿真,探索了不同折射率分布情況對纖芯能量分布的影響。計算和仿真結(jié)果表明:凹面折射率分布光纖的光斑模場面積最大,單位面積的功率分布最低。針對大功率光纖激光器的應(yīng)用需求設(shè)計了工作波長為1.064μm、纖芯直徑為10μm、凹面直徑為8μm、數(shù)值孔徑為0.12的單模凹面折射率雙包層光纖,為提高光纖泵浦效率、降低纖芯的能量密度提供了思路。

理論分析和模擬計算了少模光纖布拉格光柵基模及高階模的耦合與傳輸特性,得到在相同外部折射率變化情況下,少模光纖基模與高階模耦合對應(yīng)的布拉格波長變化,比正、反向基模之間耦合對應(yīng)的布拉格波長變化顯著增大。實驗上制作了少模光纖布拉格光柵,測量了基模之間以及基模與高階模之間對應(yīng)的布拉格波長隨外部折射率、溫度變化的情況,得到與理論分析相符的結(jié)果。而對于溫度變化對折射率測量結(jié)果干擾的問題,提出了通過計算布拉格波長差來克服溫度影響的方法。這些結(jié)果為采用布拉格光纖光柵測量外部折射率變化提供了一種新的途徑。

利用復(fù)模式耦合模理論分析了基于閃耀光纖布拉格(bragg)光柵功率檢測的折射計中不同設(shè)計參數(shù)對折射計性能的影響。利用完全匹配層(pml)技術(shù)簡化了輻射模分析模型。分析結(jié)果表明,隨著光柵傾斜角度的增大,折射計的感應(yīng)范圍向折射率較小的方向移動。隨著光柵長度以及折射率調(diào)制強度的增大,折射計的靈敏度增大,但折射率感應(yīng)范圍不變。同時這種折射計具有偏振依賴性,隨著光柵傾斜角的增大偏振依賴性提高。因此在這種傳感系統(tǒng)中需要引入精確且穩(wěn)定的偏振控制。

將長周期光纖光柵(lpg)和光纖sagnac環(huán)相結(jié)合,實現(xiàn)了折射率和溫度的同時測量。首先利用二氧化碳激光器在保偏光纖上制作了長周期光纖光柵(pm-lpg),然后把該pm-lpg和普通單模光纖耦合器組成sagnac環(huán),作為傳感單元。實驗選擇其某一透射峰作為測試對象,其波長隨溫度變化,強度隨折射率變化,因此可實現(xiàn)兩個參量的同時測量。實驗獲得的溫度靈敏度為-0.654nm.℃-1,折射率靈敏度為49.9db.riu-1。整個實驗系統(tǒng)成本低、簡單實用,具有較好的應(yīng)用前景。