新型光纖M-Z干涉?zhèn)鞲薪Y(jié)構(gòu)及特性研究.pdf

1、隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和社會(huì)的不斷進(jìn)步，環(huán)境污染和工程質(zhì)量問題已成為制約社會(huì)和諧發(fā)展的重要因素。開發(fā)新型的監(jiān)測(cè)用傳感器，已成為當(dāng)今學(xué)術(shù)界以及工程界的研究熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)電子傳感器相比，光纖傳感器由于具有結(jié)構(gòu)靈巧、質(zhì)輕價(jià)廉、抗電磁干擾及腐蝕、易于復(fù)用和遠(yuǎn)程感測(cè)、傳輸容量大等優(yōu)點(diǎn)，因此被越來越多地應(yīng)用于各種領(lǐng)域的監(jiān)測(cè)。尤其是相位調(diào)制型的光纖傳感器，因其可在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)外界參量快速而精確的動(dòng)態(tài)測(cè)量而受到諸多關(guān)注。在此類傳感器當(dāng)中，光纖馬赫-曾德爾干

2、涉儀(MZI)是重要且應(yīng)用廣泛的結(jié)構(gòu)形式之一;它主要是通過外界參量改變信號(hào)臂與參考臂之間的相位差，再利用解調(diào)技術(shù)獲知參量的實(shí)時(shí)變化信息。全光纖MZI由于將兩路傳輸光集成在同一根光纖之中，使器件更加靈巧、性價(jià)比更高且易于封裝，近幾年成為人們的研究熱點(diǎn)。
　　本文針對(duì)這一熱點(diǎn)問題，從傳感單結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的危度，提出幾種新型全光纖MZI傳感器，通過從對(duì)稱到一維非對(duì)稱進(jìn)而到二維非對(duì)稱幾何結(jié)構(gòu)上的改變，使其在性能及應(yīng)用上實(shí)現(xiàn)了從標(biāo)量傳感到一維矢量

3、傳感，再到二維矢量傳感的拓展與突破。并且，對(duì)所設(shè)計(jì)的MZI實(shí)驗(yàn)制作方法、光譜特性以及傳感性能，分別進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和詳細(xì)的闡述。本文主要研究工作及其成果如下:
　　1.在普通單模光纖上，從結(jié)構(gòu)出發(fā)探索同種結(jié)構(gòu)中不同形成參數(shù)及異種結(jié)構(gòu)對(duì)光纖器件光譜特性的影響，模擬、探究并總結(jié)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)，實(shí)驗(yàn)上制作出所設(shè)計(jì)的光纖傳感器。
　　2.實(shí)驗(yàn)上探索多種傳感參量的測(cè)試，包括溫度、應(yīng)變、彎曲、側(cè)向壓力等。研究所設(shè)計(jì)的光纖傳

4、感器對(duì)不同參量的靈敏性，探索其最適宜的傳感應(yīng)用領(lǐng)域。經(jīng)過優(yōu)化結(jié)構(gòu)及制作參數(shù)，提出提高靈敏度的研究方案，根據(jù)理論分析結(jié)果，指導(dǎo)制作性能優(yōu)化的全光纖MZI傳感器，并應(yīng)用于相應(yīng)的傳感領(lǐng)域。
　　3.采用類比方法，將同種MZI結(jié)構(gòu)移植于諸如光子晶體光纖、多模光纖、保偏光纖等特殊光纖上，制作結(jié)構(gòu)新穎、功能優(yōu)異的新型光纖傳感器。同時(shí)，進(jìn)行外界參量的傳感實(shí)驗(yàn)，分析基于不同結(jié)構(gòu)的光纖MZI對(duì)傳感特性的影響。
　　4.將不同的錐形結(jié)合，設(shè)計(jì)制

5、作出一種新型光纖MZI。該傳感器結(jié)構(gòu)由電弧放電形成的凹形錐和過度熔接形成的凸形錐級(jí)聯(lián)而成，形成的干涉譜中最大峰值衰減深度超過20dB。實(shí)驗(yàn)分析表明，此類干涉型傳感器在折射率范圍為1.333-1.3896內(nèi)，其探測(cè)靈敏度可達(dá)82.8nm/RIU。與凹-凹錐級(jí)聯(lián)型MZI相比，其靈敏度提高了5倍;與凸-凸錐級(jí)聯(lián)型MZI相比，其靈敏度提高了12倍。因?yàn)椴煌?jí)次的干涉峰對(duì)溫度和折射率的靈敏性不同，所以這種凹-凸結(jié)構(gòu)可以同時(shí)解決溫度交叉敏感問題。<

6、br>　　5.首次提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于全光纖MZI的彎曲矢量傳感器。該傳感器結(jié)構(gòu)由在單模光纖上制作的錯(cuò)位熔接結(jié)點(diǎn)和過度熔接形成的凸形錐級(jí)聯(lián)而成，錯(cuò)位熔接改變了光纖的圓柱對(duì)稱性，使形成的干涉條紋對(duì)沿錯(cuò)位方向的正負(fù)向彎曲響應(yīng)不同，亦即干涉峰值波長(zhǎng)的漂移方向相反。因此，此類MZI能夠在一維上同時(shí)探測(cè)出所施加外力的大小和方向。實(shí)驗(yàn)表明，在峰值波長(zhǎng)1463.86 nm和1548.41 nm處，對(duì)于曲率范圍-3～3 m-1的彎曲靈敏度分別達(dá)到11.

7、987nm/m-1和8.697 nm/m-1。
　　6.首次利用全光纖MZI與長(zhǎng)周期光纖光柵(LPFG)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了一種纖柵式二維傳感，即將彎曲的一維矢量傳感拓展到二維傳感。這種二維彎曲矢量傳感器由一個(gè)小錯(cuò)位熔接結(jié)點(diǎn)與一個(gè)強(qiáng)耦合LPFG級(jí)聯(lián)而成。寫制的LPFG曝光方向與光纖錯(cuò)位方向垂直，使器件幾何結(jié)構(gòu)在二維平面上具有非對(duì)稱性，并且使在產(chǎn)生干涉的同時(shí)保持光柵諧振峰的相對(duì)獨(dú)立性。利用LPFG諧振峰和干涉峰對(duì)彎曲的響應(yīng)不同，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)彎