基于薄芯光纤模态干涉技术的折射率 传感特性实验研究

报道了一种具有微结构缺陷的折射率传感器,并对其折射率特性进行了实验研究.将一部分薄芯光纤熔接于标准单模光纤中,由于插入的薄芯光纤和单模光纤纤芯失配,导致包层的高次模被激发并与纤芯模在单模光纤内形成干涉仪.通过减小薄芯光纤的包层直径,以增强包层中的传输模在环境中的倏逝场,从而提高对环境折射率测量的灵敏度.实验表明,该折射率传感器具有损耗低、成本低、灵敏度高和线性度好等特点.     

基于纤芯失配型马赫曾德尔光纤折射率和温度同时测量传感器的研究

设计和制作了一种基于单模多模细芯单模光纤马赫曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪结构,可同时测量折射率和温度的传感器。该传感器中,多模光纤和细芯单模熔接点充当光耦合器。导入光纤中传输的光经多模光纤后在细芯光纤的纤芯和包层中激发出纤芯模和包层模,不同模式光在细芯光纤中传输时将产生光程差,再经细芯单模熔接点耦合成为导出光纤的纤芯模而干涉。传感器透射光谱随着环境折射率和温度的变化发生漂移,通过监测不同级次的干涉谷可实现折射率和温度的同时测量。通过对传感器的透射光谱进行傅里叶变换分析可知该透射光谱主要由LP01模和LP16模干涉形成。该传感器透射光谱中1535nm附近干涉谷的折射率和温度响应灵敏度的理论值分别为-55.90nm/RIU和0.0501nm/℃(其中RIU为折射率单位);1545nm附近干涉谷的折射率和温度响应灵敏度的理论值分别为-56.26nm/RIU和0.0505nm/℃。在折射率和温度的变化范围分别为1.3449~1.3972和20℃~90℃的环境中对传感器的响应特性进行实验研究,结果表明:透射光谱中1535nm附近干涉谷的折射率和温度响应灵敏度分别为-53.03nm/RIU和0.0465nm/℃;1545nm附近干涉谷的折射率和温度响应灵敏度分别为-54.24nm/RIU和0.0542nm/℃。理论分析与实验结果相一致。该传感器在生物医学领域有较好的应用前景。     

基于光纤腔衰荡技术的液体挥发过程监测法

提出一种基于光纤腔衰荡系统并以一小段包层腐蚀光纤作为传感头的液体挥发测量方法,同时搭建相应的实验装置进行了实验研究.从模式理论出发分析单模光纤传输模场的能量分布,并采用有限元法数值模拟光纤端面能量的分布,结果表明:包层越细的单模光纤对应越大的消光系数,即泄露出来的倏逝波能量越大,从而对外界环境更敏感,但是较细包层的单模光纤存在的损耗更大.综合分析得出腐蚀光纤的最佳直径应为26μm,最佳腐蚀长度为1cm.通过实时监测衰荡谱的衰荡时间变化,得到了30℃恒温环境下,乙醇与丙三醇混合溶液中乙醇浓度随挥发时间的变化曲线.实验结果表明,混合溶液中乙醇的浓度随挥发时间呈单指数规律衰减,该变化规律与理论分析相符.由于液体浓度与其折射率成正比,随着乙醇的挥发,混合溶液的折射率逐渐接近光纤包层的折射率,使其对腐蚀光纤纤芯中泄漏的倏逝波能量的吸收程度逐渐增大,环腔的衰荡时间也相应逐渐减小.此外,该监测方法在常温下具有较低的温度交叉敏感性.     

有限包层半径光纤Bragg光栅的理论研究

采用光纤波导三层模型,对有限包层半径光纤Bragg光栅导模有效折射率的改变进行了理论分析,结果表明:当包层直径小于16μm时,单模光纤Bragg光栅(纤芯直径为8.3μm)的导模有效折射率才开始发生明显变化.在包层外添加外包层,通过改变外包层的折射率可以实现对光栅Bragg反射波长的调谐,同时对不同芯子直径的光栅Bragg波长移动进行了数值计算.在保证光纤归一化频率不变的前提下,芯径越小Bragg波长调谐范围越大,当包层厚度为1μm时,芯径为a＝2.2μm的光栅Bragg波长调谐范围约为3.9μm.     

混合导引型光子晶体光纤中纤芯折射率相关的导光特性研究

利用全矢量有限元法研究了一种混合导引型光子晶体光纤在纤芯折射率改变时,光纤导光机理和模式的演变特性.当纤芯折射率小于混合包层中空气孔包层的有效折射率时,芯模的导光机理为"双带隙导引型";当纤芯折射率位于空气孔和高折射率两套包层的有效折射率之间时,芯模的导光机理为"单带隙+全内反射导引型";当纤芯折射率大于高折射率棒包层的有效折射率时,芯模的导光机理为"全内反射导引型".并对该光纤在上述三种条件下的导光特性进行了比较和讨论.这些结果对设计特殊用途的光子晶体光纤具有指导意义. 关键词： 混合导引型光子晶体光纤 带隙 模式     

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...     

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.     

基于等效折射率方法的微结构光纤单模特性分析

等效折射率方法是在传统光纤理论的基础上发展而来的。阐述了等效折射率方法，利用矢量波动方程分析了微结构光纤包层空间填充基模的传播常数，以及有效折射率与波长的关系，并计算了纤芯缺陷分别为1孔、3孔、7孔时光纤的归一化频率。在传统光纤理论的基础上，通过对归一化频率的分析，讨论得出不同占空比时光纤的无尽单模区，以及单模区与多模区的特性变化，这为设计单模大模场微结构光纤提供了参考。对等效折射率方法做了进一步总结，分析了其应用优点和局限。     

纤芯失配熔接的高灵敏度光纤折射率传感器

提出并实验验证了一种基于马赫泽德干涉仪(MZI)的高灵敏度光纤折射率(RI)传感器。传感头由一段单模光纤(SMF)夹熔在两段较短的细芯光纤(TCF)中组成TCF SMF-TCF结构,其总长度为9 mm。由于光纤纤芯失配导致的纤芯模和包层模发生干涉,干涉谱对传感头外部折射率的响应极其敏感。使用该传感器检测具有不同折射率的甘油水溶液,实验结果显示:传感器干涉谱的共振波长随环境折射率的增大向长波方向漂移,其折射率灵敏度在1.33 RIU～1.38 RIU范围内约为159 nm/RIU。该传感器具有结构简单、易于制造、成本较低、灵敏度高、抗电磁干扰能力强等优点,在生物化学与环境监测等领域具有较大的应用潜力。     

包层为负折射率介质的抛物型渐变光纤色散特性分析

研究了纤芯为各向同性非均匀材料,而包层为负折射率均匀介质光纤的色散特性.在纤芯满足弱渐变条件的假定下,按矢量场分析法,通过芯层与包层的介电常数比ξ和磁导率比η,讨论了导波模式色散特性对左手介质包层材料的依赖性.分析表明,ξ和 η对轴对称模色散曲线的低频段影响较大,但对非轴对称模影响不大.ξ和 η对导波模式的截止频率没有影响.由于该光纤中的HEm1模的截止频率都等于0,所以不存在理论上的单模区,但仍可近似实现无色散传输.     

光纤光栅的局域耦合模分析

本文运用矢量局域耦合理论分析了平均扰动折射率随Z轴变化的单模光纤光栅的纤芯模场分布、包层模场分布以及耦合系数,得到更为精确的光栅光谱特性.并分别计算了布喇格光栅和长周期光纤光栅在平均扰动折射率在Z轴有扰动时的光谱特性图.从而得出平均折射率随Z轴变化对光谱特性的危害性,并提出了解决方法.     

基于光纤气泡和纤芯失配的Mach-Zehnder干涉液体折射率传感器

介绍了一种基于光纤气泡和纤芯失配的Mach-Zehnder干涉液体折射率传感器. 将两根纤芯经过腐蚀的普通单模光纤熔接在一起, 在熔接点处形成一个气泡, 在距气泡20 mm处级联一段20 mm的细芯光纤, 再接入一段单模光纤, 形成单模光纤-气泡-单模光纤-细芯光纤-单模光纤结构的传感器. 气泡与光纤芯径失配处的两个节点起到光纤耦合器的作用, 从而形成光纤Mach-Zehnder干涉仪. 环境液体折射率的变化,将使得传感器透射谱能量发生变化, 通过测量干涉谱波峰峰值能量从而实现对折射率的测量. 并对所制作传感器的折射率响应特性进行了实验研究, 实验结果表明干涉谱波峰峰值能量与环境液体折射率之间存在良好的线性关系, 当环境液体折射率变化范围在1.351–1.402时, 响应灵敏度为143.537 dB/RIU, 线性度0.996. 该传感器在生物化学领域有较好的应用前景. 关键词： 光纤气泡 纤芯失配 Mach-Zehnder干涉仪 折射率传感     

基于薄芯光纤模态干涉技术的曲率光纤传感器

提出了一种新的基于薄芯光纤模态干涉技术的光纤曲率传感器。在单模光纤的中间部分插入薄芯光纤用于传感光路,没有插入薄芯光纤的单模光纤用于参考光路,以消除环境对曲率测量的影响。由于插入的薄芯光纤和单模光纤纤芯失配,导致包层的高次模被激发,并与纤芯模在单模光纤内形成干涉。当改变薄芯光纤的曲率时,沿纤芯和包层传播的模态和光纤长度会发生改变,使得干涉谷峰发生平移。将传感光纤的两端固定的平移台上,当调节平移台距离时,薄芯光纤的曲率发生改变,导致干涉谷峰向短波方向平移。通过观察谷峰的平移距离可以实现曲率的传感测量。实验表明,该装置具有低损耗、低成本和高灵敏度的特点。     

负折射率介质光纤的导模异常特性分析

对芯层为负折射率介质,敷层为普通介质的光纤的导模进行了研究,并对芯层与敷层介电常数比值（ξ）和磁导率比值（η）变化对导模色散特征的影响进行分析.分析表明负折射率光纤具有许多不同于常规光纤的反常特征,如存在表面波模,存在TM00模和TE00模以及存在多个单模传输模式和单模传输区间等.同时对负折射率介质光纤的单模传输条件进行了分析,发现单模传输模式和传输区间随ξ和η的不同而改变.     

基于Michelson干涉仪的高灵敏度光纤高温探针传感器

提出了一种简单的高灵敏度的光纤高温探针传感器, 该传感器由一小段多模光纤和一端镀有银膜的单模光纤熔接而成. 由于单模光纤和多模光纤的纤芯直径不同, 当光波从多模光纤传输至多模光纤和单模光纤的熔接端面时, 一部分纤芯光耦合进包层, 因为单模光纤纤芯的折射率和包层的折射率不同, 不同模式的光经过银膜反射后在多模光纤内重新耦合进单模光纤, 最终形成干涉.随着外界温度的升高, 干涉谱峰值会向长波方向漂移. 实验结果证明这种传感器在470 ℃–600 ℃范围内具有很好的稳定性, 线性度达99.7%, 灵敏度为120 pm/℃, 可作为远距离反射型探针温度传感器, 在石油探测和油气田开发等领域有着广泛的应用前景. 关键词： 光纤传感 温度测量 Michelson干涉     

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     

基于U型弯曲光纤模间干涉的折射率传感

研究了去包层U型弯曲光纤的折射率传感特性.首先根据模间干涉理论,分析了U型光纤传感器的传感原理,指出干涉谱损耗峰波长与环境折射率和弯曲半径有关.利用单模光纤(SM-28)实验制作不同曲率半径的U型光纤传感器,把传感器的U型部分浸入不同折射率的液体中,研究其折射率传感特性.当U型光纤曲率半径为2.5~5.0mm时,传输光谱中均能观察到明显的模间干涉现象;当液体折射率从1.30RIU变到1.43RIU时,光谱损耗峰波长发生红移,且弯曲半径越大,折射率传感灵敏度越高;在曲率半径为5mm时灵敏度为207nm/RIU(折射率1.30~1.40RIU)和1 220nm/RIU(折射率1.40~1.42RIU).干涉峰的波形参量(半高宽、对比度)决定于包层模和纤芯导模之间的比例,当曲率半径为4mm时,损耗峰半高宽最小达3.2nm.综合半高宽和灵敏度两个参量,得出曲率半径4.5mm的U型光纤传感器品质因素最高,分别为43.1RIU-1(折射率1.30~1.40RIU)和191.2RIU-1(折射率1.40~1.42RIU),可直接由SM-28单模光纤制成,且制作工艺简单、成本低、机械强度高不需要任何特殊处理,具有很好的应用前景.     

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     

扩芯光纤原理及其在光器件耦合中的应用

介绍了两种可以增大单模光纤模场直径并出射准直平行光束的扩芯光纤(ECF)的原理和制作方法。分析了单模光纤熔接渐变折射率多模光纤法通过改变渐变折射率多模光纤的长度和自聚焦参量实现模场扩大缩小的原理,制作的扩芯光纤模场直径扩大到16．6μm,出射光束平行效果较好,轴向耦合容限比单模光纤扩大了近6倍。加热扩芯光纤则是通过控制加热温度和加热时间直接使单模光纤掺杂物质发生扩散,从而实现扩束和光束准直,模场直径达到15．4μm,横向、轴向耦合容限都比单模光纤有很大提高。因此扩芯光纤可以简化单模光纤的耦合对准过程,用来制作新型的单模光纤或掺铒光纤连接器,也可以用于其它光器件中与单模光纤的准直。     

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。