基于无芯-少模-无芯光纤结构的温度传感特性研究北大核心CSCD

提出了一种基于无芯-少模-无芯光纤结构的温度传感器,对传感器进行了理论分析和实验研究。该传感器将无芯光纤(coreless fiber,CLF)与少模光纤(few-mode fiber,FMF)同轴熔接,构建无芯-少模-无芯的光纤结构,结构两端熔接单模(single mode fiber,SMF)光纤作为输入输出光纤,第1段无芯光纤与单模光纤的模式失配起到激发高阶模的作用,少模光纤中的LP01与LP11两种模式沿少模光纤纤芯传输,在第2段无芯光纤的作用下LP01与LP11两种模式重新耦合回单模光纤,LP01与LP11两种模式发生干涉,形成干涉光谱。当外界温度变化时,两种模式的光程差发生变化,干涉光谱的干涉波谷发生漂移,选取2个不同的干涉波谷作为特征波长,进行实验分析。实验结果表明:波长在1550 nm和1534 nm附近的干涉谷均发生红移,相应的温度灵敏度分别为68 pm/℃和44.5 pm/℃。该传感结构制作简单、灵敏度高,有很好的应用前景。     

抗弯曲大模场面积少模光子晶体光纤

为更好地解决少模光纤在传输中由于模式耦合过强而导致的信号串扰问题,对弱耦合光子晶体光纤中的线偏振(LP)模式以及矢量模的传输特性进行了研究,设计了一种可传输20种矢量模的双包层光子晶体光纤。通过有限元法模拟光纤参数对相邻LP模式间最小有效折射率差的影响,优化结构参数,使光纤支持稳定传输6种LP模式并满足弱耦合要求。最后分析了不同模式的有效模场面积、弯曲损耗。结果表明:各模式之间的最小有效折射率差达到1.12×10^-4,表明模式间的串扰可忽略。基模有效模场面积达到了1 040μm²,且其相应的非线性系数低至1.07×10^-10。此外,在弯曲半径为38 mm时,各模式弯曲损耗最大仅为5.65×10^-8dB/km。与主流的单模光纤及少模单包层相比,该结构具有大模场面积,低模间串扰及更强的抗弯曲能力,丰富了空分复用技术的开发思路。在大数据、虚拟现实、网络传输容量等新兴业务以及光纤传感方面提供了有益的参考方案。     

弯曲增敏型光纤曲率传感器机理的研究

近年国外出现一种直接检测弯曲的低成本光纤曲率传感器,采用弯曲增敏技术提高光纤对弯曲的灵敏度。这种传感器的线性范围宽,能区分正向弯曲和负向弯曲,在测量较大弯曲变形的场合更具优势;并且适合埋入结构内部检测,通过转换还可测量轴向应变。然而其传感机理方面的研究仍处于探索阶段。通过分析光辐射度余弦定律理论、回音壁光线理论、沟槽角度理论等国内外对该传感器机理的研究成果,并基于平面波导的光散射损耗理论,提出了光纤曲率传感器的机理。指出弯曲引起光纤敏感区表面散射损耗的改变是导致光传输损耗改变的原因;推导出损耗与光纤弯曲半径、表面特性、光纤结构参量关系的数学模型,并通过实验验证了模型的有效性。     

应用耦合模理论研究光在圆对称双包层光纤中的传输(英文)

为了深入理解双包层光纤的光场传输特性,应用耦合模理论将双包层光纤等效为相互耦合的单模光纤和环形芯光纤,研究了圆对称的双包层光纤的光场传输.通过计算单模光纤LP01模和环形芯光纤导模的耦合系数发现了环形芯光纤LP0n模的耦合系数远大于其它导模的耦合系数,且LP0n模中的高阶模比低阶模的耦合系数大.据此,应用耦合模理论计算得到了该双包层光纤的光传输特性,计算结果发现光场沿光纤轴向呈近似周期分布,且纤芯中光功率变化的平均周期随波长递增,但平均归一化功率与光纤参数紧的选择有关.     

应用耦合模理论研究光在圆对称双包层光纤中的传输

为了深入理解双包层光纤的光场传输特性,应用耦合模理论将双包层光纤等效为相互耦合的单模光纤和环形芯光纤,研究了圆对称的双包层光纤的光场传输.通过计算单模光纤LP01模和环形芯光纤导模的耦合系数发现了环形芯光纤LP0n模的耦合系数远大于其它导模的耦合系数,且LP0n模中的高阶模比低阶模的耦合系数大.据此,应用耦合模理论计算得到了该双包层光纤的光传输特性,计算结果发现光场沿光纤轴向呈近似周期分布,且纤芯中光功率变化的平均周期随波长递增,但平均归一化功率与光纤参数紧的选择有关.     

具有双模特性的大模场面积微结构光纤的设计

本文提出了一种具有双模特性大模场面积的微结构光纤,通过有限元法计算其模场分布、基模有效模场面积及弯曲损耗特性,并分析了不同结构参量对限制损耗及有效模场面积的影响.计算结果表明:通过合理地改变光纤结构参量,可以使二阶模LP11、三阶模EH11截止,实现基模LP01、三阶模HE31双模传输,其中基模的有效模场面积可达700μm2.这种结构的光纤制作简单,在大容量光纤传输系统中具有重要应用.     

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.     

基于迈克尔逊干涉的光纤弯曲传感器

设计并研制了一种新型的基于迈克尔逊干涉的光纤弯曲传感器.该光纤弯曲传感器由两根光纤组成的光纤带固定于弹性弯曲结构上来产生迈克尔逊干涉信号,用光纤折射率匹配液填充微型腔,并施加音频振荡信号对相位干涉信号实现低频调制.采用相位生成载波技术对相位干涉信号进行调制和解调,实现了对曲率变化高精确度的检测.实验测试了该光纤弯曲传感器的相位干涉信号与光纤带弯曲曲率的关系,并与理论分析对比.结果表明该光纤弯曲传感器具有43.96 rad/m－1的灵敏度及0.004 m－1的高分辨率.     

结构性改变长周期光子晶体光纤光栅成栅机理研究

详细分析了光子晶体光纤包层气孔塌缩对光纤传输特性的影响,建立了包层气孔塌缩结构模型,利用有限元法和局域耦合模理论对环形结构改变下形变区域的有效折射率分布和模式耦合系数进行了计算,得到了调制区域各模式的有效折射率和耦合系数分布.研究了基模和包层模的耦合规律,得到了纤芯基模(LP01)和包层模(LPll,LP02)耦合下的...     

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。     

Effects of twisting and bending on LP21 mode propagation in optical fiber

Twisting and bending characteristics of low-multimode LP21 mode propagation in optical fibers is presented for the first time. Theoretical fiber mode modeling, combining geometrical rotation with opto-elastic effects, demonstrates that the propagation of the LP21 mode is bending-effect-immune. Experimental testing verifies that the LP21 mode specklegram rotates 0.9112 of the fiber twist angle in a fused silica fiber, independent of any fiber bending. This characteristic allows for the LP21 mode to be highly applicable in fiber specklegram sensors.     

折射率不敏感的级联型单模-少模-单模光纤温度传感器

提出了一种折射率不敏感的级联型单模-少模-单模光纤温度传感器。在制作传感器的过程中,设置熔接电流为100 mA,通过将少模光纤与单模光纤进行无错位熔接,以激发稳定的传输模式,形成光纤马赫-曾德尔干涉仪。由于外界环境的改变会引起少模光纤中不同模式之间相位差的改变,从而导致干涉条纹的漂移,因此通过检测干涉条纹的漂移量就可以实现待测参数的检测。少模光纤可以传输LP₀₁,LP₁₁,LP₂₁,LP₀₂共四种模式的光。实验中对长度为81.5 mm的传感器光谱进行分析可知,发生干涉的两个模式主要是LP₀₁模和LP₁₁模。利用该长度的级联型单模-少模-单模光纤传感器进行折射率和温度传感实验,结果表明,随着传感器温度不断的增加,其传输光谱出现了明显的蓝移现象,在27.6~93.8 ℃的温度变化范围内,灵敏度高达-85.9 pm·℃-1,且具有较好的线性度;在甘油折射率为1.347 1~1.443 9变化范围内,其传输光谱没有出现明显的漂移现象,灵敏度仅为3.697 34 nm·RIU-1,具有折射率不敏感特性。因此,相对于传统的包层模干涉型与多模干涉型光纤传感器,所提出的基于FMF的传感器更易于实现对传输模式的控制与分析,且具有结构简单、易于制备、灵敏度高等优点,能够避免温度与折射率同测的交叉敏感问题,可用于电力系统、生物医学、航空航天等领域的温度检测。     

Fiber-optic vector vibroscope

A directional vibration sensor based on polarization-controlled cladding-to-core recoupling is demonstrated. A compact structure in which a short section of multi-mode fiber (MMF) stub containing a weakly tilted fiber Bragg grating (TFBG) is spliced to another single-mode fiber without any lateral offset. Multiple core modes of the MMF are coupled at the junction and appear as well defined resonances in reflection from the TFBG. Some of those resonances exhibit a strong polarization and bending dependence. Both the orientation and the amplitude of the vibrations can be determined unambiguously via dual-path power detection of the orthogonal-polarimetric lowest order LP(1n) modes. Meanwhile, the unwanted power fluctuations and temperature perturbations can be referenced out by monitoring the fundamental LP(01) mode resonance.     

Theoretical Analysis and Experimental Study on Generation of a Dark Hollow Beam by a Micron-sized Hollow Optical Fiber

ＴｈｅｏｒｅｔｉｃａｌＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＳｔｕｄｙｏｎＧｅｎｅｒａｔｉｏｎｏｆａＤａｒｋＨｏｌｏｗＢｅａｍｂｙａＭｉｃｒｏｎ┐ｓｉｚｅｄＨｏｌｏｗＯｐｔｉｃａｌＦｉｂｅｒＷＡＮＧＷｅｎｂｏ１，２ＧＡＯＷｅｉｊｉａｎ２ＹＩ...     

Fiber acousto-optic mode coupling between the higher-order modes with adjacent azimuthal numbers

It is pointed out theoretically that fiber acousto-optic mode coupling can occur between the higher-order modes with adjacent azimuthal numbers. Selective fiber mode conversion from LP01 to LP11, and then to LP21 or LP02 is demonstrated experimentally in a few-mode fiber by using a method of cascaded acousto-optic mode coupling.     

新型三角芯抗弯曲大模场面积光子晶体光纤

提出了一种新型三角芯抗弯曲大模场面积光子晶体光纤.该结构采用单一尺寸的圆形空气孔, 降低了制作难度.在波长1.064 μm处, 在平直状态和弯曲半径为30 cm时, 模场面积分别为1386 μm²和1153 μm², 弯曲带来的模场面积减少量仅为16.85%. 当弯曲半径为30 cm时, 基模的损耗为0.087 dB/m, 二阶模的损耗大于1.5 dB/m, 大的损耗差有效保证了光纤单模运转.此外, 弯曲半径30 cm时, 弯曲方向角扩展至±180°, 光纤弯曲不再受弯曲方向的限制. 所设计的光纤结构具有大模场面积、小的模场面积减少量、 低的弯曲损耗以及低的弯曲方向敏感度等优势, 为小型化、集成化高功率激光传输及光纤激光器和放大器的研究奠定了基础. 关键词： 光子晶体光纤 大模场面积 抗弯曲 弯曲方向角     

新型抗弯曲大模场面积光子晶体光纤

研制出一种新型抗弯曲大模场面积石英光子晶体光纤. 利用光子晶体光纤结构设计的灵活性, 通过规划缺陷的位置及空气孔的尺寸, 实现了大模场面积单模及低弯曲损耗特性.应用建立的实际光子晶体光纤特性分析模型, 研究了研制光纤的模式特性和弯曲特性, 在波长1064 nm处, 平直状态下光纤的模场面积可以达到2812 μm², 基模限制损耗为0.00024 dB/m, 高阶模限制损耗高于1.248 dB/m. 基模和高阶模之间的高传输损耗差, 保证了在获得大模场面积的同时实现单模传输. 弯曲半径和弯曲方向角所带来弯曲损耗变化的研究结果显示, 即使在弯曲半径小到5 cm时, 弯曲损耗也在10^-3 dB/m量级以下, 而且在弯曲半径为30 cm时光纤可承受的弯曲方向角范围扩展至-60°–60°. 研制的光纤具有良好的低弯曲损耗特性, 可有效解决非对称结构所带来的光纤弯曲特性对弯曲方向角敏感的问题. 该光纤在高功率光纤激光器、放大器及高功率传输等技术领域具有重要的应用价值. 关键词： 光子晶体光纤 大模场面积 低弯曲损耗 弯曲方向角     

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。     

光纤熔锥耦合器的声光强度调制特性

对光纤熔锥方向耦合器的声光强度调制特性进行了实验研究。得到了工作波长为1310nm,声波频率为20.19kHz,电驱动功率为2.6mW,插入损耗为0.5dB,调制深度为64％的声光强度调制特性。