基于包层模谐振的三包层石英特种光纤温度传感特性

提出了一种基于包层模谐振的光纤温度传感器.它是通过将三包层石英特种光纤(TCQSF)两端分别与普通单模光纤(SMF)电弧熔接构成的SMF-TCQSF-SMF结构.根据耦合模理论,首先将TCQSF等效为三个同轴波导,按各波导模场的分布特点标量计算其传输模式的色散曲线,并深入研究其耦合长度与传输谱线之间的关系;其次根据光纤的热光效应及热膨胀效应,分析计算该传感器的温度灵敏度;最后选取耦合长度为一个拍长时的传感器进行温度传感实验.实验结果表明,在35—95℃的温度变化范围内,其温度灵敏度为73.74 pm/℃,与理论计算结果一致.因此,该传感器具有结构简单、制备容易、灵敏度高、包层模激发可控等优点,可用于工业生产、生物医学等温度传感领域.     

包层模谐振特种光纤及传感特性研究

研究了一种具有双包层结构的包层模谐振特种光纤,该特种光纤具有一个低折射率内包层,基于耦合模原理,纤芯模与包层模之间发生谐振耦合,从而获得具有带阻特性的传输光谱.系统介绍了包层模谐振光纤的制备、传输原理及其弯曲、溶液折射率、折射率/温度双参量等传感特性.实验和理论研究结果表明,包层模谐振特种光纤对于弯曲、溶液折射率参量具...     

全光纤干涉式结构中传感模式仿真分析

全光纤干涉式传感结构中包层模场与外界物理量作用,携带被感测信息,因此对包层模的研究是设计制作和提高该类传感器传感性能的关键.利用有限差分光束传播法获得传感光纤不同长度和不同芯径比时传感器对应的光谱,通过傅里叶变换获得其干涉频谱,计算出各主要参与干涉的包层模组的有效折射率,利用色散方程确定对应包层模.理论仿真结果显示,随着传感部分光纤长度增加,参与干涉的包层模式随之增加,并且向高阶模式变化,光谱变得稠密,是多阶包层模干涉的叠加,传感器输出干涉谱的自由光谱范围变小.随着输入光纤与传感光纤芯径比变化,会明显改变纤芯包层功率分布,同时,芯径比增大也会增加参与干涉的包层模种类和阶数.     

基于光纤粗锥型马赫-曾德尔干涉仪的高灵敏度温度传感器的研制

光纤传感是现代光纤技术的重要应用之一。制作了一种基于两个单模光纤粗锥串接的全光纤型马赫-曾德尔高温高灵敏温度传感器。纤芯中传输的光通过第一个光纤锥耦合, 一部分进入纤芯传输,另一部分进入包层形成包层模,纤芯模和包层模具有不同的有效折射率,经过干涉臂的传输产生了光程差。纤芯和包层传输的光再经过第二个光纤锥耦合,形成干涉进入输出光纤传输。对不同长度的传感器进行实验研究,得出传感臂长度与干涉周期之间的关系。研究了传感器温度响应特性,给出了温度响应灵敏度。实验结果表明,在30～400 ℃温度范围内,长度为35 mm的传感器可以得到较高的温度响应灵敏度,其响应灵敏度为0.115 nm·℃-1。利用傅里叶变换对传感器透射谱进行了分析,可以确定在长度为35 mm的传感器中仅有基模LP₀₁和高阶模LP₀₈两种模式,透射谱就是由这两种模式干涉形成的。该传感器体积小、精度高、抗电磁干扰,具有易于制作、对比度大、质轻、灵敏度高、耐高温等优点。可用于高温气体温度测量及油气井测井等领域的高灵敏度温度传感测量。     

光纤包层模受抑全内反射传感机制及液位探头设计

分析和阐释了POF光纤的包层模受抑全内反射(CMFTIR)效应及其传感机制。提出利用光纤宏弯导致模场畸变从而激发光纤包层模式的方法获得显著的CMFTIR效应并利用其实现液位传感。实验表明CMFTIR效应相对微弱,极易淹没于强背景噪声中,为此通过噪声分析提出利用宏弯耦合获得暗场信号以进一步提升信噪比。设计了双绞宏弯耦合型液位探头及其封装结构。实验结果表明,暗场耦合信号具有明显的信噪比优势,实现传感器液位区分度大于3.7 dB。相较于同类液位探头,该传感器鲁棒性好,制作更加简单且成本更为低廉。     

基于花生形和光纤布喇格光栅结构的温度不敏感光纤曲率传感器

为了解决光纤传感器波长解调成本高以及交叉敏感的问题,提出一种温度不敏感光纤曲率传感器,该传感器是由花生形结构连接一个光纤布喇格光栅组成,对反射光采用强度解调.光进入花生形结构后激发出包层模式,通过光纤布喇格光栅反射后,反射的纤芯模再次在花生形结构产生不同阶次的包层模,然后和反射的纤芯模耦合,在反射光谱中除了光纤布喇格光栅的布喇格反射峰外,在短波长处出现若干个谐振峰,波长越小,包层模的阶次越高.实验结果表明曲率的变化范围为0.669 0~1.250 0m~(-1)时,测量到反射谐振峰平均光功率为2.260×10~(-7)~1.501×10~(-7) mW,灵敏度为-1.306×10~(-7) mW/m-1,在温度范围25℃~75℃内,反射包层模光功率基本保持不变.该传感器成本低且花生形结构制作简单、机械强度大.     

长周期光纤光栅温度稳定性分析及其改善

利用模式耦合理论推导出长周期光纤光栅(LPG)温度特性的一般关系式;通过测试周期为400～600μm的长周期光纤光栅的温度特性,确定了芯内导模与被耦合的不同包层模间的热光系数差,并结合长周期光栅温度特性关系式总结出长周期光栅温度灵敏度与光栅周期和耦合包层模阶次的对应关系;在理论与实验的基础上,提出了改善长周期光栅温度稳定性的方法。     

光纤锥在线型马赫-曾德干涉仪的折射率传感特性

提出了一种基于光纤锥的在线型光纤马赫-曾德干涉仪式折射率传感器.传感器是在一根单模光纤上使用光纤熔接机拉制出两个光纤锥,光纤锥的直径为43.7μm,长度为480μm.干涉仪中光纤锥充当光纤耦合器,激发出光纤高阶模,并将高阶模耦合进单模光纤使之与纤芯基模形成模间干涉.被环境溶液的折射率、温度的变化改变模式间相位差,将导致干涉仪的传输光谱发生漂移,从而实现传感测量.实验结果表明:当环境溶液的折射率变化范围为1.335~1.403RIU时,传感器的折射率灵敏度为-128.233nm/RIU;当水溶液的温度变化范围为30~75℃时,传感器的温度灵敏度为0.111nm/℃.该传感器具有制作方法简单、灵敏度高、成本低等特点,可应用于生物传感测量.     

不同包层直径的倾斜光纤光栅折射率传感特性

倾斜光纤光栅的透射谱中有纤芯模和大量的包层模,它们具有与布拉格光栅相同的温度特性.利用HF酸腐蚀的方法得到具有不同包层直径的倾斜光纤光栅,研究了其对外界折射率的传感特性.结果表明,外界环境折射率在1.333～1.4532之间变化时,同一直径倾斜光纤光栅的高阶包层模的敏感性要比低阶包层模强;随着包层直径的减小,包层模的敏感性增强,且在折射率比较高的环境中有更高的敏感性.因此,利用倾斜光纤光栅的温度特性不仅可以解决温度交叉敏感问题,而且通过小同的腐蚀程度能定制所需要的灵敏度,以实现对环境折射率的高灵敏度测量.该办法可应用于对生物和化学等高灵敏度传感领域的各种溶液进行实时监控.     

长周期光纤光栅折射率传感器的结构优化

为了提高长周期光纤光栅对环境介质折射率的传感灵敏度,提出一种长周期光纤光栅的周期和包层半径的结构优化.基于长周期光纤光栅的耦合模理论,分析了长周期光纤光栅的周期和包层半径的大小分别与环境介质折射率传感灵敏度的关系,讨论了长周期光纤光栅的周期和包层半径对折射率传感的影响以及控制光栅周期与包层半径对折射率传感的重要性.为使...     

光纤纤芯及包层模有效折射率计算及仿真

光纤结构设计、模间色散求解、光纤光栅模式耦合等问题的研究, 都需要对光纤纤芯及包层模的有效折射率进行精确计算. 本文以光纤三层结构模型为基础, 结合该模型下的模式本征方程, 使用截弦法求解了纤芯模有效折射率, 并将计算结果与COMSOL软件模拟的对应纤芯模的传输光场进行对比, 验证了计算结果正确.使用区间遍历算法对包层模有效折射率进行了求解, 与已有的传统方法相比, 该方法可以有效防止求解过程中根的遗漏、避免特征方程产生的奇点, 并能保证模式的正规性.本文采用Mathematica软件对求解过程进行仿真, 获得了纤芯模和包层模有效折射率与波长关系曲线. 关键词： 光纤传输模式 有效折射率 截弦法 区间遍历算法     

基于少模光纤的全光纤熔融模式选择耦合器的设计及实验研究

提出了三种基于少模光纤的全光纤熔融模式选择耦合器. 根据模式匹配原理采用单模光纤与少模光纤熔融连接方式, 运用耦合模理论及光束传播法模拟分析了模式选择耦合器的结构参数对模式选择及耦合特性的影响, 实现了单模光纤中基模到少模光纤中不同阶模式的转换, 以满足不同的应用需求. 实验上以2× 2熔融光纤耦合器为例, 采用对称和非对称熔融拉锥方式, 分别实现了从基模到LP₁₁, LP₂₁模式的转换. 实验结果表明所得到的LP₁₁, LP₂₁模式在1530–1560 nm的波长带宽范围内均有较高的模式纯净度, 且模式耦合效率高于80%, 与理论模拟结果基本一致.     

Differentiating core and cladding attenuation in single-mode fiber

The measured attenuation of single-mode fibers is determined by loss contributions from both the core and the cladding. These regions can have different attenuation characteristics. In such a case, a shift in the ratio of core to cladding power of the LP₀₁ mode, due to a change in the cutoff wavelength, will result in a change of the measured attenuation spectrum. We have developed a technique to separate core and cladding attenuations and, by way of example, use the individual effects of radiation, hydrogen, and impurities on the core and cladding region of single-mode fibers to highlight the usefulness of the technique.     

具有四模式的低串扰及大群时延多芯微结构光纤的设计

针对光纤空分复用及模分复用传输系统中大容量和耦合串扰问题, 本文提出了一种具有四模式特性低串扰及大群时延的大容量多芯微结构光纤, 通过有限元法计算该光纤电磁场分布进而对其他参数进行分析. 结果表明: 合理的选定光纤结构参数, 可使得该光纤在C+L波段内同时实现19芯的LP₀₁, LP₁₁, LP₂₁, LP₀₂四个偏振模式的传输. 同时, 利用空气孔对电磁场较好的隔离作用来优化芯间串扰并得到较大的模式差分群时延及较为平坦的色散. 此外, 这种结构的光纤制作简单, 在短距离大容量的信息传递系统中具有重要应用.     

低差分模式时延少模光纤的有限元分析及设计

针对少模光纤展开研究, 利用Comsol软件计算其模场分布、有效折射率, 进而分析光纤的差分模式时延. 通过分析不同结构参量对模式数量和差分模式时延的影响, 设计出了两种低差分模式时延的少模光纤, 即带有外下陷的渐变式光纤和多阶少模光纤. 波长在1530–1570 nm 范围内, 带有外下陷的渐变式光纤支持四模传输, LP₁₁, LP₂₁, LP₀₂模式的差分模式时延的绝对值小于0.015 ps·m^-1; 多阶少模光纤支持两模传输, LP₁₁的差分模式时延低于0.185 ps·m^-1. 两种少模光纤均具有良好的差分模式时延特性, 适于在模分复用技术中应用.     

一种基于三芯光子晶体光纤的宽带模分复用器的设计与研究

本文提出了一种基于非对称三芯光子晶体光纤的宽带模分复用器.该器件主要是由位于光纤中心的可提供基模和高阶模传输的中心纤芯和分别位于中心纤芯两侧的可提供基模传输的2个旁芯构成.根据光耦合理论,在输入端对3个纤芯分别输入LP₀₁模式的光,在传输过程中左旁芯的LP₀₁模式的光将逐步向中心纤芯耦合并转换为LP₂₁模式传输,而右旁芯中的LP₀₁模式的光则逐步耦合并转换为中心纤芯中的LP₃₁模式来传输.通过对光纤结构的优化设计和光纤长度的选择,使得在输出端同时完成旁芯LP₀₁模向中心纤芯LP₂₁和LP₃₁模的最佳转换,从而实现LP₀₁、LP₂₁和LP₃₁ 3种模式的光在中心纤芯中的复用.反之,若将该器件的输出端用作输入端则可以实现中心纤芯中3种模式的光向3个纤芯的解复用.本文利用有限元法和光束传播法进行了优化设计和仿真,并将光耦合理论与超模理论相结合进行了分析计...     

Mid-infrared supercontinuum and optical frequency comb generations in a multimode tellurite photonic crystal fiber

We numerically investigate the mid-infrared(MIR) supercontinuum(SC) and SC-based optical frequency comb(OFC) generations when the three optical modes(LP01, LP02, and LP12) are considered in a multimode tellurite photonic crystal fiber(MM-TPCF). The geometrical parameters of the MM-TPCF are optimized to support the multimode propagation and obtain the desired dispersion characteristics of the considered three optical modes. When the pump pulse with center wavelength λ = 2.5 μm, width T = 80 fs, and peak power P = 18 k W is coupled into the anomalous dispersion region of the LP01, LP02, and LP12 modes of the MM-TPCF, the-40-d B bandwidth of the generated MIR SCs can be up to2.56, 1.39, and 1.12 octaves, respectively, along with good coherence. Moreover, the nonlinear dynamics of the generated SCs are analyzed. Finally, the MIR SCs-based OFCs are demonstrated when a train of 50 pulses at 1-GHz repetition rate is used as the pump source and launched into the MM-TPCF.     

Coaxial laser cladding on an inclined substrate

This paper describes an experimental and theoretical study of the cladding mode of coaxial laser cladding on an inclined substrate. Based on the image analysis of the powder stream and clad profile measurements in coaxial laser cladding, it was found that irregular clad profiles always formed on an inclined surface and the location of the peak profile shifted away from the clad center. This phenomenon is caused by uneven distributions of powder concentration and laser beam intensity. A modified Gaussian mode for powder stream and laser beam was proposed to estimate the clad profiles on an inclined plane under laser beam irradiation. The effects of the inclined steel substrate on the CO₂ laser beam absorption and stainless-steel powder catchment were examined experimentally. The results show that both the laser absorption and the powder catchment on the mild steel decrease with increasing the cladding angle. From the analysis of laser beam mode, the clad width is equivalent to the beam spot size on the inclined substrate. However, the clad height correlates well with the distribution of the powder concentration. The results show that the Gaussian cladding mode could be adopted in various laser cladding applications such as rapid prototyping and butt welding to predict the clad profiles precisely.     

Circularly symmetric modal interferometers: Equalization wavelength and equivalent step determination for matched-cladding fibers

An LP₀₁-LP₀₂ modal interferometer fabricated from a standard matched-cladding telecommunication fiber is studied in the visible wavelength range. Its spectral response in the vicinity of the LP₀₁/LP₀₂ equalization wavelength is used to characterize the fiber by the determination of an equivalent step index profile.     

Athermal waveguides for optical communication wavelengths

We report on the design, fabrication, and characterization of temperature insensitive strip silicon-on-insulator racetrack resonators. The influence of various parameters, such as waveguide width, waveguide height, ring radius, coupling length, ring gap, and operating wavelength, on temperature-dependent wavelength shift is examined. A resonant wavelength shift of 0.2 pm/K at a 1550 nm wavelength is measured for 335 nm × 220 nm waveguides. A significant reduction of waveguide propagation losses, improved ring Q value, and higher extinction ratio are obtained after overlaying the silicon waveguides with a polymer cladding.