本文關(guān)鍵詞：基于耦合原理的微光纖器件研究

  更多相關(guān)文章： 微光纖器件 耦合模理論 微光纖耦合器 微光纖諧振腔 拉力傳感 扭曲傳感 溫度特性 溫度不敏感

【摘要】：微光纖是近年來(lái)微納光學(xué)的研究熱點(diǎn)之一,亞波長(zhǎng)直徑的微光纖具有大倏逝場(chǎng)、易彎曲、低損耗、低成本、易于功能化和集成化等優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)給微光纖帶來(lái)了很廣泛的應(yīng)用前景,尤其是微光纖較強(qiáng)的倏逝場(chǎng),一方面增強(qiáng)了微光纖同環(huán)境的相互作用,從而提高了微光纖傳感器的靈敏度；另一方面使得微光纖可以通過(guò)模式耦合形成不同的微納結(jié)構(gòu),最終實(shí)現(xiàn)光纖器件的微型化�；隈詈显韺�(shí)現(xiàn)的微光纖器件有兩種典型結(jié)構(gòu)：微光纖耦合器和微光纖環(huán)形諧振腔。前者利用兩根微光纖波導(dǎo)相互耦合實(shí)現(xiàn),而后者利用單根微光纖繞環(huán)之后環(huán)與環(huán)的互相耦合實(shí)現(xiàn)。這兩種結(jié)構(gòu)在通信、傳感、激光等領(lǐng)域都有很大的應(yīng)用價(jià)值。本文利用上述兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出幾種新型的器件：基于耦合器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了微力傳感器和扭曲傳感器,制備并測(cè)試了這兩種傳感器的靈敏度；基于微光纖環(huán)形諧振腔研究了溫度特性對(duì)材料熱光系數(shù)、熱膨脹系數(shù)以及光纖直徑等不同參數(shù)依賴(lài)關(guān)系,理論設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于微光纖諧振腔的溫度傳感器,并針對(duì)通信激光等應(yīng)用需求提出溫度不敏感的微光纖多環(huán)諧振腔的設(shè)計(jì)方案。具體研究?jī)?nèi)容如下：1.基于微光纖耦合器的微力傳感器。通過(guò)將微光纖耦合器的兩個(gè)輸出端口互相熔接構(gòu)成薩格納克干涉儀,制備出微力傳感器。理論研究并實(shí)驗(yàn)測(cè)量了該傳感器對(duì)徑向拉力的靈敏度。由于微光纖的橫截面尺寸相比普通單模光纖大大減小,應(yīng)力所產(chǎn)生的應(yīng)變與作用面積成反比,故而同等大小的拉力在微光纖上將會(huì)產(chǎn)生更大的應(yīng)變。在光彈效應(yīng)和彈性拉伸的共同作用下,耦合區(qū)的有效折射率和長(zhǎng)度發(fā)生較大的變化,最終將微力傳感器的靈敏度比傳統(tǒng)光纖拉力傳感器提高了一到兩個(gè)數(shù)量級(jí),達(dá)到～3670 nm/N。2.基于微光纖耦合器的扭曲傳感器。采用微光纖耦合器薩格納克干涉儀,在利用耦合特性的基礎(chǔ)上,挖掘并充分利用耦合器雙折射特性,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了扭曲傳感器。耦合器橫截面的非圓對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)使得耦合器對(duì)不同偏振光的耦合系數(shù)不同,從而使得耦合器的透射譜強(qiáng)度輸出值在雙折射的調(diào)制下隨波長(zhǎng)變化產(chǎn)生的包絡(luò)。當(dāng)耦合器受到扭曲時(shí),一方面扭轉(zhuǎn)會(huì)改變耦合器橫截面的結(jié)構(gòu),另一方面扭力也會(huì)帶來(lái)折射率的改變,基于這樣的原理我們提出兩種策略來(lái)實(shí)現(xiàn)扭曲傳感,一種方法是利用扭曲對(duì)偏振的影響,通過(guò)測(cè)量包絡(luò)的移動(dòng)來(lái)進(jìn)行傳感,另一種方法則通過(guò)特定耦合峰在扭曲作用下對(duì)比度的變化來(lái)反映扭曲的角度。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,兩種方法都有較高的扭曲靈敏度,分別為～0.9nm/°和0.16 dB/°。另外,利用這兩個(gè)參量對(duì)溫度和扭曲的不同響應(yīng),可以采用差分的方法將溫度和扭曲分離開(kāi)來(lái),最終消除溫度對(duì)傳感器的干擾。3.基于微光纖多環(huán)諧振腔的溫度傳感器。諧振腔的溫度特性無(wú)論是在溫度傳感的應(yīng)用中,還是在其他應(yīng)用中,都是非常重要的。針對(duì)溫度傳感的應(yīng)用,我們利用PMMA介質(zhì)棒作為支撐材料,特氟龍作為封裝材料,將4～5μm直徑的微光纖在介質(zhì)棒上繞兩圈構(gòu)成諧振腔。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),得益于PMMA很高的熱膨脹系數(shù),該諧振腔的溫度靈敏度被提高到了80 pm/℃。4.基于微光纖多環(huán)諧振腔的溫度不靈敏器件。為了將諧振腔應(yīng)用到通信等領(lǐng)域,需要提高其溫度穩(wěn)定性。我們從理論上研究了利用二氧化硅玻璃棒為支撐材料,采用聚合物封裝的諧振腔,并得出影響其溫度靈敏度的主導(dǎo)因素：當(dāng)微光纖直徑較大時(shí),二氧化硅熱光系數(shù)是主要貢獻(xiàn)項(xiàng),靈敏度與普通硅基諧振腔類(lèi)似為10～20 pm/℃；當(dāng)微光纖直徑較小時(shí)需要同時(shí)考慮聚合物和光纖材料的熱光系數(shù)的貢獻(xiàn),利用特氟龍材料負(fù)的熱光系數(shù),當(dāng)微光纖半徑約為1.45μm,正負(fù)溫度效應(yīng)剛好抵消。因此,我們通過(guò)將直徑約3μm的微光纖繞在涂有特氟龍薄膜的二氧化硅玻璃棒形成3圈耦合的諧振腔,從而制備出溫度不靈敏的器件。根據(jù)測(cè)量,樣品的溫度靈敏度僅有不到6 pm/℃,從而證明了理論的有效性。這一結(jié)果為微光纖諧振腔用于其他傳感和通信等方面的應(yīng)用提供了可行的提高溫度穩(wěn)定性的思路。
【關(guān)鍵詞】：微光纖器件 耦合模理論 微光纖耦合器 微光纖諧振腔 拉力傳感 扭曲傳感 溫度特性 溫度不敏感
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TN253
【目錄】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-11
• 第一章 緒論11-40
• 1.1 微光纖及其應(yīng)用11-17
• 1.1.1 微光纖介紹11-14
• 1.1.2 微光纖的特性14-15
• 1.1.3 微光纖的應(yīng)用15-17
• 1.2 微光纖器件理論基礎(chǔ)17-29
• 1.2.1 微光纖模式特性17-22
• 1.2.2 波導(dǎo)耦合模理論22-26
• 1.2.3 光的偏振態(tài)26-27
• 1.2.4 彈光效應(yīng)27-28
• 1.2.5 光纖中的雙折射28-29
• 參考文獻(xiàn)29-40
• 第二章 微光纖制備方法40-52
• 2.1 微光纖制備方法介紹40-43
• 2.1.1 兩步拉伸制備法40-41
• 2.1.2 精確控制拉伸法41-43
• 2.2 掃火法制備系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)43-51
• 2.2.1 理論基礎(chǔ)43-49
• 2.2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)49-51
• 參考文獻(xiàn)51-52
• 第三章 基于微光纖耦合器結(jié)構(gòu)的光學(xué)器件52-68
• 3.1 背景介紹52-54
• 3.2 基于微光纖耦合器的拉力傳感器54-60
• 3.3 基于微光纖耦合器的扭曲傳感器60-64
• 參考文獻(xiàn)64-68
• 第四章 基于微光纖環(huán)形諧振腔結(jié)構(gòu)的光學(xué)器件68-83
• 4.1 背景介紹68-72
• 4.2 微光纖環(huán)形諧振腔的溫度特性72-75
• 4.3 基于微光纖諧振腔的溫度不敏感器件75-80
• 參考文獻(xiàn)80-83
• 第五章 結(jié)論83-85
• 攻讀博士學(xué)位期間已發(fā)表或待發(fā)表的論文85-88
• 致謝88-89

【共引文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 魏世明,柴敬,李毅;巖梁小變形的光纖光柵檢測(cè)方法研究[J];地下空間與工程學(xué)報(bào);2005年S1期

2 魏世明;柴敬;;相似模擬實(shí)驗(yàn)中光纖光柵傳感檢測(cè)研究[J];地下空間與工程學(xué)報(bào);2007年06期

3 黃山,趙華鳳,俞濤,周開(kāi)軍,劉海濤;光纖光柵溫度補(bǔ)償橋式結(jié)構(gòu)[J];半導(dǎo)體光電;2003年06期

4 鞏憲鋒,王長(zhǎng)松,郭轉(zhuǎn)運(yùn),呂可誠(chéng);FFP邊帶濾波技術(shù)研究[J];半導(dǎo)體光電;2004年01期

5 羅洪,熊水東,陳儒輝,胡永明,倪明,孟洲;全保偏光纖加速度矢量傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[J];半導(dǎo)體光電;2004年03期

6 楊華勇,周偉林,李智忠,孫崇峰,胡永明;窄帶激光器調(diào)諧的光纖光柵波長(zhǎng)移位解調(diào)[J];半導(dǎo)體光電;2005年01期

7 胡正良;胡永明;趙明輝;;基于偏振消光的全光纖衰減器[J];半導(dǎo)體光電;2005年06期

8 陳松濤;楊冬曉;方培沈;廖啟亮;;單模石英光纖和塑料光纖自動(dòng)耦合系統(tǒng)[J];半導(dǎo)體光電;2006年03期

9 葉昌金;楊梓強(qiáng);;基于光纖光柵的Fabry-Perot濾波器特性的研究[J];半導(dǎo)體光電;2008年01期

10 吳曉立;茶國(guó)智;姜向東;;一種監(jiān)測(cè)管道形變的光纖自編織式微彎傳感器[J];半導(dǎo)體光電;2008年03期

中國(guó)重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 劉長(zhǎng)武;吳鑫;陳澤輝;;基于光纖微彎傳感的三維物理模型應(yīng)力測(cè)量技術(shù)[A];2011年中國(guó)礦業(yè)科技大會(huì)論文集[C];2011年

2 雷平順;薛力芳;何軍;曾華林;付躍剛;周燕;;ZEMAX在多模光纖準(zhǔn)直器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[A];中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)2010年光學(xué)大會(huì)論文集[C];2010年

3 莊衛(wèi)星;金軼群;;FTTH用高強(qiáng)度抗彎曲單模光纖[A];全國(guó)第十三次光纖通信暨第十四屆集成光學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2007年

4 史巍巍;胡婷婷;;光纖光柵探測(cè)超聲波的研究現(xiàn)狀淺析[A];2011年機(jī)械電子學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2011年

5 董曉馬;王忠輝;;智能復(fù)合材料中FBG智能夾層的研究[A];第六屆中國(guó)功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（9）[C];2007年

6 王術(shù)軍;張保洲;;原位分光測(cè)試系統(tǒng)的研制[A];2004全國(guó)光學(xué)與光電子學(xué)學(xué)術(shù)研討會(huì)、2005全國(guó)光學(xué)與光電子學(xué)學(xué)術(shù)研討會(huì)、廣西光學(xué)學(xué)會(huì)成立20周年年會(huì)論文集[C];2005年

7 王曉玲;郎曉萍;牛春暉;;光信息科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)課程改革研究[A];2006-2010年教育部高等學(xué)校光電信息科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)及協(xié)作委員會(huì)2010年全體會(huì)議論文集[C];2010年

8 張大煦;李欣;劉鐵根;李川;楊建江;;耦合型光纖應(yīng)變傳感器的實(shí)驗(yàn)研究[A];慶賀劉錫良教授執(zhí)教五十周年暨第一屆全國(guó)現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)論文集[C];2001年

9 陳穎;甘宸依;陳向?qū)?;基于信號(hào)互聯(lián)的全光量化編碼方案研究[A];中國(guó)通信學(xué)會(huì)第六屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（中）[C];2009年

10 許文淵;張春熹;李立京;張f^;祝露峰;;多圈光纖環(huán)的彈光效應(yīng)及誤差[A];2009中國(guó)儀器儀表與測(cè)控技術(shù)大會(huì)論文集[C];2009年

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 張琛;光纖陀螺光路偏振特性及溫度性能研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2010年

2 朱曉亮;波導(dǎo)型微結(jié)構(gòu)光纖與標(biāo)準(zhǔn)光纖的耦合機(jī)理研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2010年

3 張勇;布里淵光纖陀螺有源腔關(guān)鍵技術(shù)研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2009年

4 陳世同;高精度光纖陀螺建模及信號(hào)處理技術(shù)研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2009年

5 呂文磊;壓差式光纖矢量水聽(tīng)器基元與測(cè)試技術(shù)研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2009年

6 史青;光子晶體光纖及其在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用研究[D];南開(kāi)大學(xué);2010年

7 姜萌;光纖CRDS流體傳感的理論與實(shí)驗(yàn)研究[D];南開(kāi)大學(xué);2010年

8 石洗凡;大幅面古畫(huà)高保真數(shù)字獲取關(guān)鍵技術(shù)研究[D];浙江大學(xué);2010年

9 付宏燕;基于光纖器件的微波信號(hào)產(chǎn)生、濾波技術(shù)及其應(yīng)用[D];浙江大學(xué);2010年

10 倪凱;光纖光柵制備及傳感應(yīng)用研究[D];浙江大學(xué);2011年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 胡霽;基于匹配法的嵌入式光纖光柵溫度傳感系統(tǒng)[D];南昌航空大學(xué);2010年

2 王鐵柱;基于硅基波導(dǎo)聲光移頻器理論與技術(shù)的研究[D];長(zhǎng)春理工大學(xué);2010年

3 左偉麗;連續(xù)摻鐿光子晶體光纖激光器理論和實(shí)驗(yàn)研究[D];鄭州大學(xué);2010年

4 韓書(shū)新;光纖陀螺用保偏光纖及光纖環(huán)測(cè)試方法研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2010年

5 孫巧英;光纖陀螺捷聯(lián)系統(tǒng)振動(dòng)特性研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2010年

6 馬茜;準(zhǔn)分布式光纖布拉格光柵溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[D];大連理工大學(xué);2010年

7 蔣松;GMM-FBG電流傳感器及其應(yīng)用技術(shù)[D];哈爾濱理工大學(xué);2010年

8 黃振江;基于特殊結(jié)構(gòu)應(yīng)變計(jì)的新型百分表式標(biāo)準(zhǔn)測(cè)力儀研制[D];華南理工大學(xué);2010年

9 魏祥淦;基于FPGA的高速擾偏器設(shè)計(jì)[D];北京交通大學(xué);2011年

10 趙聰;一種基于軸封膜片結(jié)構(gòu)的光纖Bragg光柵靶式流量傳感器[D];昆明理工大學(xué);2009年

，

本文編號(hào)：582154