發(fā)布時(shí)間：2020-05-06 08:22

【摘要】：單模-多模-單模(Singlemode-multimode-singlemode,SMS)光纖結(jié)構(gòu)由于自身擁有的成本低、實(shí)驗(yàn)制備容易、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn),一經(jīng)提出,就得到了廣泛地研究,一些基于SMS光纖結(jié)構(gòu)的濾波器、光分束器、光束整合器、光纖傳感器等光纖器件已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到了光通信領(lǐng)域和光傳感領(lǐng)域。尤其在光纖傳感領(lǐng)域,基于多模干涉原理的SMS光纖結(jié)構(gòu)憑借自身獨(dú)特的優(yōu)異性能得到了廣泛地應(yīng)用,所以本文深入地研究了SMS光纖結(jié)構(gòu),并且對(duì)一種基于單模-側(cè)拋多模-單模(Singlemode-side polished multimode-singlemode,SSPMS)光纖結(jié)構(gòu)的濕度傳感器進(jìn)行了全面的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。在本論文中,首先介紹了SMS光纖結(jié)構(gòu)以及基于SMS光纖結(jié)構(gòu)傳感器件的研究背景和研究進(jìn)展。理論分析了光束在多模光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和多模光纖結(jié)構(gòu)中傳播時(shí)產(chǎn)生的多模干涉現(xiàn)象和自成像點(diǎn)現(xiàn)象。然后分別利用模式傳輸分析方法(Mode propagation method,MPA)和光束傳輸法(Beam propagation method,BPM)理論模擬了SMS光纖結(jié)構(gòu)中的多模干涉現(xiàn)象,并且計(jì)算得到了這兩種計(jì)算方法所對(duì)應(yīng)的自成像點(diǎn)位置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明在計(jì)算SMS光纖結(jié)構(gòu)的自成像點(diǎn)時(shí),相比較BPM方法,MPA方法更加準(zhǔn)確。在此基礎(chǔ)上從理論和實(shí)驗(yàn)上研究了多模光纖自成像點(diǎn)處模場(chǎng)分布隨周圍環(huán)境溫度改變而變化的情況,提出了一種新穎的研究SMS光纖結(jié)構(gòu)溫度依賴性的方法。進(jìn)一步地,本文設(shè)計(jì)并制備了一種基于明膠涂覆的SSPMS光纖結(jié)構(gòu)的濕度傳感器件。這種光纖結(jié)構(gòu)是利用自制的光纖側(cè)拋系統(tǒng)對(duì)SMS光纖結(jié)構(gòu)的多模光纖部分側(cè)面拋磨制備而成的。首先詳細(xì)地介紹了SSPMS光纖結(jié)構(gòu)的制備方法,并且利用BeamPROP軟件理論研究了側(cè)面拋磨對(duì)于SMS光纖結(jié)構(gòu)中光束傳輸特性的影響,以及外界環(huán)境變化對(duì)于SSPMS光纖結(jié)構(gòu)中光束傳輸特性的影響。然后實(shí)驗(yàn)研究了涂覆在側(cè)拋多模光纖部分的濕度敏感材料(明膠)涂層的厚度與SSPMS光纖結(jié)構(gòu)濕度傳感性能(濕度靈敏度和響應(yīng)時(shí)間)的關(guān)系,最后還研究了這種光纖結(jié)構(gòu)的濕度傳感器的溫度依賴性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明這種SSPMS光纖結(jié)構(gòu)不僅具有較高的靈敏度和較快的響應(yīng)時(shí)間,而且在25 ℃到55 ℃溫度范圍內(nèi)具有較低的溫度依賴性。為了克服外界溫度對(duì)于基于SSPMS光纖結(jié)構(gòu)濕度傳感器傳感性能的限制,以及制備一種可以用于高溫環(huán)境下濕度測(cè)量的傳感器,所以本文提出并研究了一種基于無任何材料涂層包裹的SSPMS光纖結(jié)構(gòu)濕度傳感器,研究了在較高溫度范圍內(nèi)(70 ℃到90℃),不同側(cè)拋表面粗糙度對(duì)于SSPMS光纖結(jié)構(gòu)濕度傳感性能的影響。通過簡(jiǎn)單地控制光纖樣品制備過程中使用的砂紙規(guī)格,來控制SSPMS光纖結(jié)構(gòu)的側(cè)拋光纖表面的粗糙度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著側(cè)拋光纖表面粗糙度的增加,SSPMS光纖樣品的濕度靈敏度隨之增大,并且在70 ℃、80 ℃和90 ℃溫度下,SSPMS光纖樣品具有穩(wěn)定的傳感性能表現(xiàn)�？偟膩碚f,本論文的主要工作就是提出并證明了一種新型的、基于多模干涉的SSPMS光纖結(jié)構(gòu),并詳細(xì)地闡述了這種光纖結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制備工藝以及濕度傳感應(yīng)用。并且實(shí)驗(yàn)證明了這種SSPMS光纖結(jié)構(gòu)同時(shí)具備很高的濕度靈敏度以及比較低的溫度依賴性,另外這種SSPMS光纖結(jié)構(gòu)也具有成本低廉,制作過程容易的優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)異的性質(zhì)使得這種SSPMS光纖結(jié)構(gòu)成為一種較為理想的多模干涉器件以及傳感器件。
【圖文】：

傳輸和耦合波長(zhǎng)帶寬比較寬的光信號(hào)，還要具備偏振不中還需要考慮制備而成的光子集成器件的物理尺寸和成于多模干涉的多模光波導(dǎo)器件已經(jīng)被廣泛地研究，并且例如相位分集網(wǎng)絡(luò)[60]、馬赫—曾德爾（Mach-Zehnder）器[63]以及環(huán)形激光器等[64,65]。導(dǎo)中，傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)一般會(huì)大于或等于3。通過利用多模光波導(dǎo)，再利用輸出端的單模光波導(dǎo)將多模光波導(dǎo)中種基于多模光波導(dǎo)的器件一般可以作為一種N×M的多模輸入和輸出單模光波導(dǎo)的數(shù)目。一般常用來分析多模光混合方法[67]、光束傳輸方法（BPM）、導(dǎo)模傳輸分析用MPA方法來研究多模光波導(dǎo)中光的傳輸特性，因?yàn)榉椒ǎ诶硐霠顟B(tài)下它可以分析多模光波導(dǎo)中所有模式相對(duì)精確的解析解，而且還能解釋多模光波導(dǎo)中的模式用來分析存在于多模光波導(dǎo)中的多模干涉和自成像現(xiàn)

0時(shí)，這個(gè)多模光波導(dǎo)可以容納m個(gè)側(cè)向模式，分別記為ν=0，1，…，（m-1），如圖2.2所示。多模光波導(dǎo)的側(cè)向波數(shù)kyv和傳播常數(shù)βν可以通過色散方程與脊的折射率nr建立關(guān)系，有2 2 2 2y 0rk k nν ν+ β= （2-1）其中，0 0k = 2π λ， ( 1)y ek Wν ν= ν + π，Weν為有效寬度。脊?fàn)钸吔缣幋嬖谥鳪oos-H hnchen漂移現(xiàn)象，即模式場(chǎng)分布存在著側(cè)向滲透深度，但是對(duì)于一個(gè)高折射率對(duì)比的光波導(dǎo)來說，側(cè)向滲透深度是非常小的，以至于可以忽略不計(jì)，，則有Weν≈WM。所以有效寬度Weν可以近似為基模對(duì)應(yīng)的有效寬度We0，即有2 2 2 1/20( )( ) ( )e e M c r r cW W W n n n nσνλ π ≈ = + （2-2）其中
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN253;TP212

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本文編號(hào)：2650971