侧边抛磨光纤波导传输特性的理论分析

在建立侧边抛磨光纤D型光纤边界条件的基础上,用三维有限差分光束传输法计算和分析了侧边抛磨光纤器件的光功率衰减随光纤的侧边抛磨长度、光纤侧边抛磨后剩余包层的厚度、以及填充聚合物材料折射率三个参量变化的特性.结果表明,侧边抛磨光纤器件的光功率衰减随着抛磨长度的增加而增大;当抛磨长度等于9 mm时,光功率衰减随着剩余包层厚度的增大而单调递减.而当抛磨长度大于9 mm时,剩余包层厚度小于3 μm的范围内,光衰减随着剩余包层厚度的增加出现振荡;当聚合物折射率与纤芯折射率相同时,光功率衰减最大.     

基于侧边抛磨光纤的表面布拉格光栅温度传感器

为了实现在侧边抛磨光纤（SPF）上制作布拉格光栅结构并提高器件设计灵活性,利用重铬酸盐明胶（DCG）作为光刻材料,提出一种新型的光纤表面布拉格光栅制作方法并对该器件温度传感特性进行研究。使用轮式抛磨系统制作SPF,并在SPF侧抛面上旋涂DCG,通过干涉光束曝光显影制作表面布拉格光栅。光谱测量表明:带有布拉格光栅的侧边抛磨光纤在1 480.2 nm处有透射谷,在相应位置反射谱有明显反射峰,其调制幅度达到15.9 dB,这是由于表面光栅的布拉格反射所致。温度传感实验表明,该布拉格反射峰的温度灵敏度为17.84 pm/℃。这种器件已在光纤传感和光纤滤波器等方面获得应用。     

基于光纤侧边抛磨技术的醋酸浓度光纤传感器

演示了两种利用光纤侧边抛磨技术制备的用于醋酸浓度检测的光纤传感器.其中一种光纤传感器采用轮式抛磨法对光纤光栅的光栅区包层进行侧边抛磨加工而成,将醋酸溶液覆盖于光纤光栅的抛磨区,利用侧边抛磨光纤光栅反射峰波长的变化对醋酸浓度进行测量;另一种光纤传感器采用轮式抛磨法对普通单模光纤包层进行侧边抛磨加工而成,将醋酸溶液覆盖于光纤抛磨区,利用抛磨光纤插入损耗的变化对醋酸浓度进行测量.两种光纤传感器的实验都表明:光纤包层抛磨表面与纤芯的距离越小,测量分辨率越高.剩余包层厚度为 0 μm 的侧边抛磨光纤光栅传感器测量醋酸溶液浓度分辨率为6.67%;剩余包层厚度为O.5μm 的侧边抛磨光纤传感器测量醋酸溶液浓度分辨率为0.55%.     

基于侧边抛磨光纤表面等离子体共振的折射率和温度传感研究

用轮式侧边抛磨法制作侧边抛磨光纤,通过磁控溅射法溅射金膜制成侧边抛磨光纤表面等离子体共振(SPR)传感器,并通过理论和实验对传感器的折射率灵敏度以及温度特性做了深入研究。结果表明表面等离子体共振波长随待测样品折射率的增大向长波长方向漂移,平均折射率灵敏度为4.1×103 nm/RIU(RIU为单位折射率),高于已报道的结果;共振波长随待测样品温度的升高向短波长方向漂移,平均温度灵敏度为0.36nm/℃,故该光纤SPR传感器具有更强抗温度漂移能力和更高的高折射率灵敏度,其在生物化学传感领域有重要的应用。     

侧边抛磨光纤中传输光功率变化的实验研究

针对轮式光纤侧边抛磨法制备的侧边抛磨光纤,研究了在侧边抛磨区覆盖不同折射率的材料时,侧边抛磨光纤传输光功率随覆盖材料折射率变化的特性.研究表明,侧边抛磨光纤中传输光功率会随抛磨区覆盖材料折射率的变化而改变.当覆盖材料的折射率小于1.437 8时,光功率损耗近似为零；而当覆盖材料的折射率逐渐增大接近1.452 1时,光功率损耗迅速增大至最大值.当覆盖材料的折射率由1.453 2逐渐增大时,光功率损耗由最大值逐渐减小,最终维持在某个确定的值.侧边抛磨光纤并不是抛磨深度越深,损耗就越大.侧边抛磨光纤中传输的光功率存在波长相关损耗(WDL）.实验结果与理论结论符合较好.     

侧边抛磨的U型金溅射塑料光纤等离子体共振传感器

为了测量溶液折射率变化，对塑料光纤纤芯表面的纤芯-金层-液体的3层膜结构进行研究，制作了一种使用U型结构并结合侧边抛磨方法的表面等离子体共振传感器。将截取的一段塑料光纤弯曲成为U型，并在烘箱中通过较高温度使这段光纤的曲率固定，对弯曲部分的外表面进行抛光，暴露该位置塑料光纤芯层并在其上溅射金纳米薄膜层，将制备好的传感器浸入不同折射率的液体中，使用光谱分析仪观察光谱的移动。实验结果表明:当塑料光纤SPR传感器测量折射率变化范围在1.333~1.406的液体时，可以通过光谱观察到随着液体折射率的增大，等离子体共振吸收峰位置也不断地向波长增大的方向移动，并且二者之间存在线性关系，其灵敏度为7.5×10-4 RIU/nm。该传感器探头具有灵敏度高、小型化、易制备、低成本的特点。     

侧边抛磨光子晶体光纤传输特性理论分析

在建立了侧边抛磨光子晶体光纤D型光纤光学模型的基础上,采用三维有限差分光束传输法计算和分析了侧边抛磨光子晶体光纤的光功率衰减、传输模场等与抛磨区几何参数(剩余半径、轴向旋转角、侧边抛磨区长度)的变化关系。结果表明,当剩余半径大于-1.5μm时,侧边抛磨光子晶体光纤的光功率衰减随着剩余半径的减小而增大;光沿着光纤传输时,基模光传输到抛磨区光功率发生衰减,经过抛磨区后,基模光功率出现回升。沿不同的轴向旋转角方向侧边抛磨,剩余半径大于0.5μm时,侧边抛磨光子晶体光纤的光功率衰减随着剩余半径变化的差别较小;剩余半径足够小时,光沿着光纤传输到抛磨区时,会产生高阶模,沿轴向旋转角θ=30°侧边抛磨时基模模场分布分散程度最大,且在抛磨区产生更多的高阶模。剩余半径大于1.5μm时,抛磨光纤长度变化对输出光功率影响很小,剩余半径小于1.5μm时,输出光功率透射率随着光纤抛磨长度的变化呈振荡变化。分析结果可为侧边抛磨光子晶体光纤的器件制作提供理论指导。     

基于侧边抛磨光纤的全光纤在线光功率监测器

应用侧边抛磨光纤的倏逝波原理,用光电探测器对光纤侧边抛磨区出射光能进行监测,根据理论和实验分析光纤侧边抛磨区出射光能分布,将具有特殊U型侧边抛磨形状和适当抛磨深度的侧边抛磨光纤与光电探测器精密微封装,制成基于侧边抛磨光纤的全光纤在线光功率监测器。测试表明:此全光纤在线光功率监测器对光纤传输的光功率响应特性好,监测器光电转换效率可达200 mA/W以上。测试了器件的插入损耗、波长相关损耗、波长相关光电转换效率和偏振相关损耗等。其波长相关损耗和偏振相关损耗分别为0.3 dB(1 520 nm～1 620 nm)和0.07 dB(1 310nm)。此器件具有对光纤纤芯无破坏、光路中无插入元件、可与光纤系统直接熔接等诸多优点。     

基于闪耀光纤光栅的折射率传感技术实验研究

提出了一种基于闪耀光纤光栅传感技术的折射率测量新方法,即采用SLED作为光源,通过检测闪耀光纤光栅透射谱强度实现折射率的测量.实验证明,当环境折射率在1.372 3~1.453 2之间变化时,闪耀光纤光栅透射功率从0.611~0.472 mW线性下降,其灵敏度达到1.718 μW/（0.001折射率变化）.该检测方法具有结构简单、无需波长检测、灵敏度高、易于工程化等优点.     

FBG滤波的级联LPFG温度和折射率传感装置

利用长周期光纤光栅具有较高的温度、折射率灵敏度,以及光纤布喇格光栅具有较高反射效率的特点,设计了一种基于光纤布啦格光栅滤波的级联长周期光纤光栅温度和折射率传感装置.利用光纤布喇格光栅的高反射率,将级联长周期光纤光栅干涉波峰的局部功率反射到功率计中,实现了温度和折射率的测量.基于信号叠加原理,对光纤布喇格光栅滤波的级联长周期光纤光栅温度和折射率传感方法的可行性进行了分析.将实际测得的功率计示数与温度以及折射率的变化进行二项式拟合,其确定系数分别为0.9990和0.9959,表明该传感方法可用于温度和折射率的精确测量.最后对该装置的稳定性做了一系列的测试,验证了该传感系统具有较高的稳定性.     

倾斜光纤光栅溶液折射率传感器的实验研究

根据倾斜光纤光栅(TFBG)和表面镀金的TFBG传感器测量折射率的基本原理,通过OptiGrating软件模拟了不同浓度溶液下TFBG的透射谱和芯层模与某阶包层模耦合引起的谐振峰,初步得出了TFBG各阶包层模随着外界折射率的增大而向右偏移、在一定的传感范围内中心波长与外界折射率呈线性关系的结论。用小型离子溅射仪对TFBG镀45 nm厚度左右的金膜,并用扫描电镜在微观上观察镀膜效果。通过不同浓度下的NaCl溶液、MgCl₂溶液、CaCl₂溶液实验,对比研究了裸TFBG和镀金TFBG传感器对溶液折射率的传感特性。从而验证了模拟仿真得出的结论并定量分析得知：镀金后具有表面等离子体共振的TFBG溶液折射率灵敏度大于500 nm·RIU-1,而裸TFBG为2 nm·RIU-1左右,大约提高了200～300倍,且在一定范围内中心波长与溶液折射率的线性拟合度都在0.99以上。     

Characterization of fiber Bragg grating for maximum reflectivity based on modulation depth of refractive index

This study proposed the modeling of fiber Bragg grating as a sensor for the optimum reflectivity with minimum discontinuities at the end of center wavelength. Recent advancement in optical sensor technology, make it necessary to generate the optimum results with minimum error. In this analysis, dependence of grating output spectra on various parameters has been studied for minimum bandwidth, side lobes and maximum reflectivity. In previous studies effect of length and other parameters has been studied. In this paper author has included the effect of modulation depth also. Study shows that grating length and modulation depth of refractive index of core are very critical factors which significantly alter the grating characteristics. Here low absorption third window of optical communication is used for the sake of low attenuation. All the simulation has done using GratingMOd software using transfer matrix method.     

折射率调制矩阵的Bragg光栅光谱分布特性研究

为了实现对光纤光栅回波光谱分布的控制,利用传输矩阵法构建了分段调制折射率的数学模型。通过在各个分段中以不同形式的折射率调制组合实现对回波光谱分布的控制,研究了基于不同折射率分布条件下的谱形特性,为实现获取任意形态的Bragg光谱分布提供了理论支撑。系统结合耦合模理论与矩阵传输算法,当分段后子光纤光栅尺寸符合边界条件时,即仍可应用耦合模理论计算,同时又可以将多段的耦合方程以正、反向模式的形式通过矩阵函数进行表达。由此可知,虽然任意折射率调制组合构成的整个光纤光栅不具备通解形式,但分段后的子光纤光栅具有可解析的特性,同时再利用矩阵传输算法可以将m段子光纤光栅的正反向模式进行计算,就能将任意形式光纤光栅的折射率调制函数转化为传输矩阵组,再对其反射率分布场进行解析。最终,可以得到整个光纤光栅的等效正、反模式,即实现回波光谱分布的控制。由理论部分可知,回波光谱分布特性主要受正反向导模耦合系数、纤芯位置、分段数决定,可由(z)和k(z)表示。通过MATLAB仿真分析可知,两参数在(0, 1)范围内对反射率函数具有明显的调制作用。随着控制参数阶数的增大,反射率调制斜率也会增大;当k(0.38, 0.48), (0.52, 0.58)时,反射率调制符合单调特性。从而得到了不同控制参数条件下反射率函数的分布变化,讨论了耦合系数对回波谱形控制的量化效果。实验利用AVESTA公司的Ti: Sapphire飞秒激光器完成了四种不同结构光纤光栅的制作,采用了四种折射率分段调制的FBG结构,分别是：①在m段中Λ₁和Λ₂交替均匀分布;②在m/2段中Λ₁和Λ₂交替均匀分布,其余段随机分布;③在m/2段中Λ₁和Λ₂随机分布,其余段也随机分布;④在整个光纤光栅段折射率随机分布。对以上四种FBG的回波光谱分布进行测试与比较,可知采用分段折射率调制对Bragg光谱特性的作用效果。实验结果显示：当以矩阵组形式的FBG若在m段分布时,则与传统串联型均匀FBG测试效果一致,具有两个明显的Bragg特征峰;而矩阵组在m/2段中分布时,测试光谱仍能明显获取折射率调制特征信息,即存在两个Bragg特征峰,但峰峰值减小,噪声谱增大,半宽变窄。同时,相比交替模式而言,随机分布形式此种变化趋势更为明显。由此可见,通过控制矩阵组分布对回波谱形中特征峰值、半宽及功率谱进行调制。该方法在预先设计折射率调制矩阵的条件下,可以对Bragg光谱分布进行精确控制,实现目标回波谱形的获取。     

侧面研磨光纤Bragg光栅的外部折射率敏感特性研究

光纤Bragg光栅对外界折射率的变化不灵敏,无法直接作为气体、液体等的敏感元件.侧面研磨的光纤Bragg光栅,一侧包层减小至几微米,其辐射场可通过包层透射到被传感物质,因而被传感物质的折射率的变化可以改变光纤的有效折射率,从而使光栅的Bragg波长产生位移.实验中利用不同浓度的NaCl溶液来改变光纤光栅的外部折射率,Bragg中心波长的偏移量和浓度近似为线性关系.同时,透射功率的变化量和浓度也近似为线性关系.     

聚焦法测量塑料光纤折射率分布的可行性研究

结合理论分析和实验验证,探讨了聚焦法测量塑料光纤纤芯的折射率分布的可行性。结果表明,对GI-POF而言,聚焦法是一种简单可行的技术.但是对SI-POF,由于入射光线在光纤边界处发生交叉,聚焦法不能精确测量其折射率分布.     

少模光纤布拉格光栅折射率传感的分析与测量

理论分析和模拟计算了少模光纤布拉格光栅基模及高阶模的耦合与传输特性,得到在相同外部折射率变化情况下,少模光纤基模与高阶模耦合对应的布拉格波长变化,比正、反向基模之间耦合对应的布拉格波长变化显著增大.实验上制作了少模光纤布拉格光栅,测量了基模之间以及基模与高阶模之间对应的布拉格波长随外部折射率、温度变化的情况,得到与理论分析相符的结果.而对于温度变化对折射率测量结果干扰的问题,提出了通过计算布拉格波长差来克服温度影响的方法.这些结果为采用布拉格光纤光栅测量外部折射率变化提供了一种新的途径.