基于包层模的光纤布拉格光栅折射率传感特性

提出了基于光纤布拉格光栅(FBG)包层模式的折射率传感方案。实验中,利用不同浓度的丙三醇水溶液作为外界折射率传感溶液,采用氢氟酸溶液化学腐蚀的方法来减小光纤包层的直径以增大包层模式对外界折射率的敏感度,研究了腐蚀后光纤布拉格光栅包层模式的耦合波长对外部折射率的变化关系。实验结果表明在1.3300~1.4584的折射率范围内,包层模式耦合波长随外界折射率增大而增大,在接近光纤包层折射率处具有很高的折射率灵敏度,最大达到了172 nm/riu(refractive index unit)。而且,包层模谐振的光谱半峰全宽(约0.07 nm)仅为布拉格纤芯模谐振光谱半峰全宽的1/4,能够获得更好的传感精度。     

Optimal design of temperature-insensitive long period fiber gratings for athermal refractive-index sensor

Based on coupled-mode theory of long-period fiber grating (LPFG), a theoretical analysis and simulations for the optimal design of a temperature-insensitive LPFG is presented in order to achieve an athermal condition for sensing the refractive index of the external medium. Effects of the variation of the cladding radius and grating period on the temperature sensitivity of the LPFG are discussed. Both of these parameters are found to be important to control the temperature sensitivity when the thermo-optic coefficients of core and cladding materials are of the same order. Other grating parameters are also optimized in order to achieve a good contrast of the grating period with resonance wavelength in the 1.5 μm region and to sense the external medium refractive index over a wide range. Variation of external medium refractive index from 1.0 to 1.45 results a red-shift in the LPFG resonance wavelength by 86 nm with its temperature sensitivity as low as 0.008 nm/°C over a temperature range of 0–80 °C for this optimally designed LPFG.     

Single-mode single-polarization holey fiber using anisotropic fundamental space-filling mode

We present the single-mode single-polarization regime of a circular-hole holey fiber consisting of a core with large elliptical holes. The elliptical holes in the core, which produce large anisotropies, split the fundamental mode into two orthogonally polarized fundamental modes, often referred to as slow and fast modes. This fiber can guide only one polarization state of the fundamental mode when a fundamental space-filling mode index of the cladding region is designed to lie between these indices of the slow and fast modes of the core region. We demonstrate one design example of this fiber and show that the single-polarization regime can be achieved over a wide wavelength range.     

基于模式转换及双峰谐振效应的薄包层镀膜长周期光纤光栅特性研究

基于耦合模理论,首先研究了镀膜长周期光纤光栅(LPFG)高阶包层模的模式转换,划分了高阶包层模的非模式转换区及模式转换区。分析了高阶包层模有效折射率随薄膜厚度增加的响应特性,包层模谐振波长在模式转换区的偏移量要大于非模式转换区。在此基础上,研究了不同包层半径下高阶包层模谐振波长随光栅周期的变化情况,结果表明,相同包层半径下模式转换区内双峰间距的偏移量大于非模式转换区;无论在模式转换区还是非模式转换区,包层半径的减小将增加双峰间距的偏移量。最后分析了不同包层半径下的高阶包层模双峰透射谱在模式转换区及非模式转换区内的折射率响应,进而提出了薄包层镀膜LPFG的优化设计方案,当选定敏感膜层厚度及折射率处于镀膜LPFG的模式转换区内,光栅周期靠近相位匹配转折点时,将得到灵敏度高于传统LPFG双峰传感器的镀膜LPFG折射率型双峰传感器;而减小包层半径,将进一步提高传感器的分辨本领。     

基于SM-NCF反射光谱辨识的液体折射率监测方法

针对分子生物学与环境监测领域高灵敏度特异性检测需求,提出一种基于反射光谱特征辨识的单端反射式光纤折射率传感器模型,并给出了这种基于多模干涉原理的单模光纤-无芯光纤(Single mode fiber-No core fiber, SM-NCF)串接结构传感机理及其理论模型。无芯光纤实质上是一种结构特殊的多模光纤,在实际应用中无芯光纤结构本身作为纤芯,外界环境介质当作包层,构成光波导结构。这与普通多模光纤相比,不需要采用氢氟酸对多模光纤的包层进行化学腐蚀,不会降低光纤的机械性能,也不会破坏芯模传输条件,可以更好的实现对周围环境折射率的传感监测。当无芯光纤所处外界环境折射率发生改变时,其波导结构和包层有效折射率均会发生改变,从而引起传输光信号的纵向传播常数和模场分布也会随之发生改变,最终导致不同波长对应传输光功率的变化。上述效应反映在反射光谱上,即干涉波谷对应的谐振波长、波谷峰值强度以及半波宽度发生相应变化,通过辨识该反射光谱特征就可实现对外界环境折射率的测量。借助光束传播法(BPM),数值模拟得到无芯光纤长度分别为自映像距离和非自映像距离时的SM-NCF内部光场能量分布规律,并制作了无芯光纤长度分别为自映像距离和非自映像距离的SM-NCF光纤折射率传感探头,将作为传感区域的无芯光纤一端与标准单模光纤熔接,采用磁控溅射技术在无芯光纤另一端面镀上金膜,用以提升反射光谱强度。在此基础上,搭建了基于SM-NCF终端反射型的光纤折射率试验系统,并开展了相关实验研究。研究结果表明,当无芯光纤长度是15 mm(自映像距离)时,随着液体折射率从1.331 5依次增大至1.390 2,SM-NCF反射光谱逐渐向长波方向偏移,其反射峰谐振波长对应的折射率灵敏度约为197.57 nm·RIU-1,相关系数为0.93;反射峰值强度也呈现逐渐降低趋势,其折射率灵敏度约为-62.80 dB·RIU-1。当无芯光纤长度是20 mm(非自映像距离)时,随着液体折射率依次增大,SM-NCF反射光谱呈现明显双峰现象,且均逐渐向长波方向偏移,dip2谐振峰波长折射率灵敏度约为133 nm·RIU-1,相关系数为0.96;反射峰值强度也呈现逐渐降低趋势,其折射率灵敏度约为-31.66 dB·RIU-1。对比分析可知,不论是从反射峰谐振波长偏移的角度,还是从反射峰值强度的角度,自映像距离长度对应的 SM-NCF终端反射型光纤传感器均具有较高灵敏度。对于相同折射率液体环境,非自映像距离长度对应的SM-NCF反射光谱半波宽度与自映像距离长度相比,呈现显著变窄趋势。相对于SMS透射型传感结构,当传感区域长度相同时,SM-NCF反射型结构能够实现对光波信号的往返两次调节。这种终端反射型SM-NCF传感器改进了传统透射型折射率传感器不便与待测液体相接触的缺点,具有结构简单、易于制作、抗电磁干扰能力强以及便于远程遥测等优点,能够为后续生化与环保监测领域研究应用提供有益支持。     

掺铒孔辅助导光光纤的特性研究与优化设计

掺铒孔辅助导光光纤是由掺铒的高折射率纤芯、低折射率包层和少量的空气孔组成. 采用有限元法分析了掺铒孔辅助导光光纤的模式特性；给出了数值计算截止波长和模场直径的方法；提出了改进的平均粒子数反转度迭代算法来数值计算掺铒光纤放大器的增益和噪声系数. 研究空气孔对掺铒孔辅助导光光纤的截止波长、模场直径和放大器的增益系数的影响. 发现：减小相对孔芯距的值，可使截止波长向短波长移动，减小模场直径的值；当孔的相对大小较大时，截止波长、模场直径和增益的最大值基本上不随孔的相对大小的增大而改变. 最后，综合考虑掺铒光纤基模和二阶模的截止波长、与普通单模光纤的熔接损耗、放大器的增益和噪声系数等因素，优化设计了掺铒孔辅助导光光纤的四个结构参量——纤芯半径、纤芯与包层的折射率差、相对孔芯距和孔的相对大小. 关键词： 孔辅助导光光纤 掺铒光纤 光纤放大器 有限元法     

多孔微结构光纤中飞秒激光脉冲超连续谱的产生

报道了利用800nm飞秒激光脉冲在多孔微结构光纤中产生超连续谱展宽的现象，连续谱展宽范围为440—890nm.基于标量波近似理论对微结构光纤包层的有效折射率和基模的有效面积以及光纤的色散特性进行了计算，发现微结构光纤具有特殊的控制色散和波导特性的能力，对超连续谱展宽的机理进行了初步解释.本文的理论分析和实验结果有较好的一致性，认为即使包层由无序填充气线组成的多孔微结构光纤也可以出现超连续谱展宽效应. 关键词： 多孔微结构光纤 超连续谱 有效折射率 色散     

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     

Analysis of erbium doped holey fiber using fundamental space filling mode

Erbium-doped holey fiber with hexagonal lattice was modeled by using effective index method. In order to calculate the equivalent step index of the periodic structure of the cladding holey optical fiber, all-vectorial fundamental space filling mode approach was utilized. By using EH11 mode, we have numerically solved the rate equations of a three-level pumping scheme for a fiber laser. The obtained results have shown a good agreement with the other experimental results, recently. The results have predicted amplifiers with gain efficiencies as high as 10 dB/mW.     

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.     

基于薄包层极大倾角光纤光栅的灵敏度增强型振动传感器

提出了一种薄包层极大倾角光纤光栅悬臂梁振动传感器,采用基于标准单模光纤的极大倾角光纤光栅,从理论上分析包层半径的减小对波导色散因子、包层模的有效折射率、轴向应变灵敏度因子、轴向应变灵敏度及模式阶数的影响,并进行数值仿真,为其振动传感增敏方法提供理论依据。然后使用氢氟酸腐蚀光纤包层,构成不同直径的极大倾角光纤光栅并进行相关振动传感实验。实验结果表明:在40~200 Hz的频率范围内,随着包层直径的减小,极大倾角光纤光栅振动传感器在C波段的同阶和不同阶TE/TM模加速度灵敏度逐渐增大,且两者之间具有较好的线性关系;其中,同阶TE和TM模的最大加速度灵敏度分别可达到100.46 mV/g与88.68 mV/g,相对于标准直径极大倾角光纤光栅振动传感器分别提高了1.36倍、1.53倍;不同阶TE和TM模的最大加速度灵敏度可达到159.35 mV/g与133.37 mV/g,分别提高了2.15倍、2.31倍。     

Tunable Ytterbium-Doped Fiber Laser Based on a Mechanically Induced Long Period Holey Fiber Grating

We describe a tunable double-clad Yb-doped fiber laser based on a long period fiber grating mechanically induced in a section of single mode holey fiber inserted into the laser cavity. The mechanically induced long period holey fiber grating acts as a wavelength-selective fiber filter whose central wavelength, linewidth, and strength can be tuned by changing the period, the length of the grating, and the applied pressure. The fiber laser gives a ∼12.6 nm tuning range, from ∼1079:4–1092nm, with slope efficiencies of 18.7–26.3% at this wavelength range, with respect to the launched pump power.     

Widely tunable long-period fiber grating with nm-thick higher refractive index film overlay

By introducing a four-layer step-index waveguide modeling, the characteristics of long-period fiber grating (LPFG) with an nm-thick film overlay, which has higher refractive index than that of fiber cladding are investigated in detail. The influence of both the overlay thickness and refractive index on the tuning ability of LPFG is analyzed. The numerical results demonstrate that spectral response of LPFG is divided into three distinct regions as the overlay deposition increases and the shift of resonant wavelength is drastic in some special thickness range. In conjunction with higher-order cladding mode coupling and fiber cladding etching, the sensitivity of LPFG to the overlay refractive index is enhanced significantly and over 120 nm resonant wavelength tunable range is achieved.     

金属包层长周期光纤光栅的理论和实验研究

金属包层长周期光纤光栅可用于对谐振波长的调谐。通过实验和理论研究了长周期光纤光栅在沉积金属包层前后谐振波长的变化规律。分析了金属包层光纤的特点,给出了金属包层光纤包层模的本征方程,并给出了这一复本征方程的求解方法。长周期光纤光栅在沉积金属包层后,对低阶包层模,谐振波长会向长波方向偏移,模次增加,偏移会增大;对高阶包层模,谐振波长向短波方向偏移。不同金属包层,谐振波长的偏移量也有一定差别。所给出的理论分析方法,可用于预测谐振波长的偏移方向和大小,对设计和制做这类长周期光纤光栅提供理论参考。     

基于包层模谐振的三包层石英特种光纤温度传感特性研究

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.     

W型色散光纤带通滤波特性的研究

结合色散光纤在线滤波和W型光纤的长波长截止性能,研究了W型色散光纤的带通滤波特性.选取SiO2作为纤芯,一定掺杂浓度的SiO2-F和SiO2-B2O3分别作为内外包层,经过设计,实现了带通滤波功能.通过有限元法仿真及数值计算,得出了基模的能量损耗谱及通带内外各个波长处的横截面能量分布图,其截止波长和带宽可以通过控制掺杂...     

Deposition of coatings on long-period fiber gratings: tunnel effect analogy

The sensitivity of Long-period fiber gratings (LPFGs), coated with high-refractive-index thin film overlays, to the refractive index and the thickness of the overlay, and to the ambient refractive index, can be enhanced with a design based on a two-overlay coating of an LPFG. The first overlay of lower refractive index than the cladding affects the guidance of a cladding mode in the second overlay of higher refractive index than the cladding. This causes a more abrupt cladding modal redistribution than with the deposition of a unique high-refractive-index overlay. The phenomenon is analyzed with a method based on a vectorial analysis of modes and the application of coupled mode theory.     

Fiber refractometer based on a fiber Bragg grating and single-mode-multimode-single-mode fiber structure

A refractive index (RI) sensor based on a novel fiber structure that consists of a single-mode-multimode-single-mode (SMS) fiber structure followed by a fiber Bragg grating was demonstrated. The multimode fiber in the SMS structure excites cladding modes within output single-mode fiber (SMF) and recouple the reflected cladding Bragg wavelength to the input SMF core. By measuring the relative Bragg wavelength shift between core and cladding Bragg wavelengths, the RI can be determined. Experimentally we have achieved a maximum sensitivity of 7.33 nm/RIU (RI unit) at RI range from 1.324 to 1.439.     

长周期光纤光栅模式与耦合的研究

长周期光纤光栅是在光纤纤芯中沿轴向形成折射率周期性调制的带阻型光纤器件。与光纤布拉格光栅不同，它表现为前向传播的纤芯基模与同向传播的各阶次包层模式在特定波长的耦合。研究了纤芯基模、包层模式（HE1t/EH1t）及其有效折射率随波长的变化，研究了纤芯基模与包层模式（HE1t/EH1t）的耦合系数。研究表明，纤芯基模与一阶低次包层模式的有效折射率随波长增大而减小，纤芯基模与HE1t产生的耦合系数远大于与EH1t的耦合系数，并且包层模式次数较低时，耦合系数随次数的升高而增加。这与以前的研究结果有所不同。     

一种同时测量液体折射率和温度的方法

由长周期光纤光栅的相位匹配条件与光纤纤芯基模LP01和光纤包层模LP0P的模式方程,利用长周期光纤光栅透射谱的谐振峰随温度与外围介质折射率变化而移动的特性,提出了同时测量水的折射率和温度的方法,并分析了其工作原理.对温度与谐振波长的关系进行了计算机仿真.用该方法进行了实验研究,实验结果与理论研究结果基本吻合.