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。     

高功率激光运转条件下大模场掺镱石英光纤模式特性的仿真研究

在高功率激光运转条件下,掺杂稀土离子的量子亏损和玻璃材料的本征吸收均会造成光纤放大器中增益光纤温度的整体上升与梯度分布。在热平衡状态下,光纤材料的热光效应将会诱导光纤横向折射率的再分布,引发高功率激光运转条件下增益光纤模式特性的改变。为此,利用多物理场有限元建模的数值计算方法对高功率激光运转条件下大模场掺镱石英光纤的热致模式特性展开系统研究,分析总结大模场增益光纤的模式特性在不同激光运转功率、增益光纤设计参数(纤芯直径、数值孔径、热光系数)和光纤弯曲使用条件下的变化规律。结果表明,随着激光运转功率的增加,纤芯和包层之间的温差会变大,从而导致光纤的归一化参数V值增大,最终使模式的传输损耗系数减小,模式在纤芯区域的功率因子增大。     

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。     

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。     

长周期光纤光栅传感器温度和应变灵敏度分析

从耦合模理论出发,分析了长周期光纤光栅的温度和应变灵敏度.结果表明,长周期光纤光栅的温度和应变灵敏度不仅与光栅周期和纤芯参数有关,还强烈依赖于包层参数.通过选择适当的参数,可以制成对温度(或应变)不敏感的应变(或温度)长周期光纤光栅传感器,从而可以解决光纤光栅传感器的温度和应变交叉敏感问题.同时,利用基模与不同包层模耦合时温度和应变灵敏度的不同,可以用一根长周期光纤光栅传感器同时测量温度和应变.     

长周期光纤光栅(LPFGs)的谱结构研究

利用相位匹配条件,从理论和实验上研究了均匀LPFGs的谱结构特点.结果表明,导模和不同包层模耦合产生的光谱特性有很大差别.在模序较小时,谱宽较小;模序增加,谱宽也增加;在某一模序附近,谱宽达到最大;以后随模序增加,谱宽迅速减小.给出了LPFGs中透射谱的最大损耗率及3 dB带宽与包层模序、光栅周期、耦合系数和栅长的关系.这些关系对设计满足特定最大损耗率和带宽的带阻滤波器或增益均衡器提供一种理论参考.选用不同的包层模、耦合系数和栅长,可以设计出谱宽很大或很小的LPFGs.     

长周期光纤光栅应变和温度传感灵敏度研究

基于模耦合理论,从长周期光纤光栅在外加轴向应变或环境温度变化时可能出现的弹性形变、弹光效应、热光效应、热膨胀效应及波导效应入手,推导了描述其轴向应变和温度灵敏度的一般性公式.利用数值方法研究了光栅周期、耦合模式的阶次、弹光系数及热光系数对灵敏度的影响.结果表明：在相同条件下,增大光栅周期将是提高灵敏度的有效手段之一;低次模较高次模的耦合具有更高的灵敏度;包层与芯区的弹光系数（热光系数）相等时,波长漂移量很小且与谐振波长值有简单的正比关系.     

用双周期光纤光栅实现温度和应变的同时测量

介绍了光纤光栅传感器的一般原理，分析了长周期光纤光栅和Bragg光纤光栅的应变和温度响应机理。结果表明，长周期光纤光栅和Bragg光纤光栅的温度和应变灵敏度不仅与纤芯参数和光栅周期有关，还依赖于包层参数。在同一根光纤上先后写入长周期光纤光栅、Bragg光纤光栅，利用长周期光纤光栅和Bragg光纤光栅基模与包层模耦合时温度和应变灵敏度的不同，实现应变和温度的同时测量。     

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.     

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...     

Measurement of refractive-index variation with temperature by use of long-period fiber gratings

The thermo-optic coefficient of the core material of a fiber is analyzed by use of a pair of long-period fiber gratings. First the effective index difference between the core and the cladding modes is measured from the peaks of the interference fringe generated by the grating pair. The order of the cladding mode is decided by the cutoff wavelength and the numerical aperture of the fiber. The material index of the fiber core is obtained in terms of wavelength. At each wavelength the index is chosen to minimize the difference between the measured and the calculated spectra of the grating pair. Finally the thermo-optic coefficient of the fiber core is calculated by repetition of the measurement at different temperatures. With a germanosilicate-core fiber and a boron codoped germanosilicate-core fiber, the thermo-optic coefficients were 1.1x10(-5)/( degrees )C and 0.75x10(-5)/( degrees )C, respectively.     

Characteristics of the transmission spectrum of the long period fiber gratings based on the coupling of core mode to the higher order cladding modes

The characteristics of the transmission spectrum of the Long-period fiber gratings (LPFGs) based on the coupling of core mode to a higher order cladding mode (HE mode) are investigated using the coupled mode theory. This kind of LPFGs is different from that based on the coupling of core mode to a lower order cladding mode because of the effect of the coupling of core mode to EH cladding mode. When the cladding mode order is higher, the coupling coefficients of core mode to HE and EH cladding modes are comparable and both of the propagation constants of HE and EH cladding modes approach, so the spectrum has an additional loss peak. The bandwidth of LPFG based on the coupling of core mode to different cladding mode differs greatly. With the change of the mode orders from lower to higher, the transmission spectrum changes from narrow to wide and more narrow.     

Widely tunable asymmetric long-period fiber grating with high sensitivity using optical polymer on laser-ablated cladding

We demonstrate high-efficiency, wideband-tunable, laser-ablated long-period fiber gratings that use an optical polymer overlay. Portions of the fiber cladding are periodically removed by CO(2) laser pulses to induce periodic index changes for coupling the core mode into cladding modes. An optical polymer with a high thermo-optic coefficient with a dispersion distinct from that of silica is used on a deep-ablated cladding structure so that the effective indices of cladding modes become dispersive and the resonant wavelengths can be efficiently tuned. The tuning efficiency can be as high as 15.8 nm/ degrees C, and the tuning range can be wider than 105 nm (1545-1650 nm).     

空气孔辅助光纤的模式截止

光纤的截止波长是光纤设计的重要参量之一。利用全矢量正交函数模型对空气孔辅助光纤的模式截止特性进行了讨论。分析表明：由于光纤包层中存在空气孔,即使不考虑材料色散,包层的有效折射率也与波长有关;包层有效折射率由包层中空气孔的大小和波长决定,与芯子的掺杂浓度无关。在所研究的波长范围之内,与传统的w型光纤类似,在包层中空气孔的相对尺寸d／Λ较大时出现了基模截止现象。d／Λ从0．2到0．9变化时,光纤的各阶模式的截止波长都随之减小;各阶模式的截止波长随d／Λ变化曲线的斜率随模式阶次的升高而降低。     

基于高折射率液体填充的花瓣形微结构光纤可调滤模特性

提出一种新型的可调滤模光纤结构,利用纤芯模式与微结构包层形成的超模群之间的耦合实现选择性滤模,采用花瓣形包层结构使包层中传输的模式更容易产生高的泄漏损耗;提出以液体填充包层介质柱,使包层形成的超模群有效折射率区间可以通过环境温度来调节,从而达到可调选择性滤模目的.利用液体柱的LP11模所形成的超模群,有效增大了其工作带宽和温度调谐范围.数值模拟结果表明,采用长度仅为71.4 mm的滤模光纤,可以使特定的抑制模式损耗达到20 dB以上,而其他模式损耗均在1 dB以下.提出的光纤可以在少模光纤传输系统中作为滤模器使用,以降低模式转换器、复用器/解复用器以及光开关和光路由等的模式串扰.     

单模手征光纤研究

对圆芯和内外包层都为手征介质构成的双包层手征光纤（W型）进行了解求解,导出了模式场解及模式特征方程,然后用数值计算的方法研究了手征参数对模式的色散曲线和截止频率的影响,结果发现在双包层光纤的纤芯中引入手征或在单包层光纤的包层中引入手征,都可以实现单模工作。     

光纤型热光可调光衰减器的设计及其衰减分析

提出了一种基于热光调节的可调光衰减器结构。该衰减器通过腐蚀光纤包层到一定厚度和长度后,在表面涂覆较大热光系数的聚合物材料得到。从模场变化角度分析了传输光束的衰减与涂覆材料折射率的关系,并从实验上测试了使用不同涂覆材料时的衰减。理论分析与实验结果均表明在涂覆材料折射率略大于原光纤包层材料折射率时,涂覆材料折射率微小的变化将引起传播光束衰减的大幅度变化,并且光纤被腐蚀的长度越长或包层材料剩余厚度越小,衰减越大。因此,由热光系数大、折射率略大于光纤包层的聚合物材料所组成的可调光纤衰减器,具有衰减调节范围大且功耗小、插入损耗小、成本低、低偏振特性、易于与其它光纤器件耦合或集成等特点。     

Investigation on characteristics of W-type fiber with an inner cladding made of negative refractive index materials

A doubly clad optical fiber with an inner cladding made of negative refractive index material was proposed and the modes distribution, dispersion and time delay were investigated by fully vectorial numerical method. The results indicate that HE₁₂ mode can be operated as a single mode, the cut-off frequency of modes shifts to low normalized frequency with increasing thickness of inner cladding made of negative index materials, large negative dispersion and time delay can be obtained and tailored by the inner cladding. These results provide theoretical basis for designing novel fibers or optical devices.