基于扭转光纤和无芯光纤的新型滤波器特性及其应用研究

论文摘要

光纤滤波器是一类不可缺少的重要光学器件,其应用范畴广泛且渗透到了光通信系统的各个环节之中。随着滤波技术的快速发展,基于光纤滤波器的光纤传感器以及光纤激光器逐渐成为了研究热点。因其具有容易制造、成本低、结构紧凑、抗电磁干扰等特点在通信系统以及物联网领域具有重要的意义和应用前景。本论文主要对基于扭转光纤的双折射型滤波器和基于无芯光纤的模式干涉型滤波器进行了详细的理论研究和实验测试,将它们应用至光纤传感领域以及光纤激光传感系统。利用扭转光纤和无芯光纤特有的光学特性与光纤光栅等器件相结合,实现了复合型光纤滤波器的制作并应用至光纤激光器和多参量同时传感测量。取得研究成果如下:1、提出了基于椭圆芯扭转光纤的类索尔克可调谐双折射光纤滤波器,并基于该滤波器研制了全光纤高灵敏度扭转传感器。利用了琼斯矩阵分析法,首次建立了扭转光纤的离散理论模型,并使用传输矩阵方程推导出了该滤波器的透射率表达式,研究了其传输特性。通过选择适当参数的扭转光纤以及偏振控制器的调节,获得了具有波长可调谐、高精细度和高消光比的滤波器光谱输出。利用类索尔克结构滤波器设计了一款高灵敏度全光纤扭转传感器,并对传感系统的传输特性以及传感特性进行了理论和实验研究。结果表明,该扭转传感器对外界具有很低的温度灵敏度和应力灵敏度,可以非常有效地避免存在于大多数扭转传感器中的交叉敏感问题。2、对类索尔克结构光纤滤波器进行了优化,提出并搭建了一种具有全光纤结构、波长可调谐以及偏振不相关等特点的类索尔克萨格纳克（Sagnac）环梳状滤波器。建立了更具普适性的双折射扭转光纤模型,可应用于线性双折射光纤。利用琼斯矩阵对该滤波器的光谱特性进行了建模仿真,分析指出通过改变偏振控制器参数可以实现波长的动态调谐,并得到了实验验证。实验表明,波长的调谐范围可以达到整个自由谱宽并保持最大的传输强度,透射光谱消光比大于25 dB。该滤波器的入射光偏振不相关性也通过实验进行了验证。3、研究并搭建了一种基于单模-无芯-单模光纤（SNS）模式干涉结构的光纤环形激光传感器,并分别进行了曲率和温度测量。进一步将SNS结构与光纤光栅结合构造复合光纤滤波器,研制了一种双波长光纤环形腔激光传感器,并进行液位和温度双参量测量。与传统的光纤传感系统相比,激光传感系统具有更高光信噪比以及更窄3dB带宽。所研制的双波长光纤环形腔激光传感系统核心器件是由光纤布拉格光栅和SNS模式干涉仪并联而成的复合光纤滤波器,其既是传感单元,又用于激光波长筛选。实验测量了四种不同液体折射率条件下的液位灵敏度以及温度特性,液位灵敏度最高可达106.3 pm/mm。4、基于无芯光纤、扭转光纤和相移光纤光栅两两组合,设计并研制了两种复合型光纤滤波器,并分别应用至磁场温度同时传感测量和波长可调谐可切换的光纤激光器之中。第一种复合滤波器结构是将无芯光纤嵌入至扭转光纤环形镜中,可同时产生多模干涉以及Sagnac干涉效应。利用两种光纤对于外界磁场和温度的不同响应,实现了同时传感测量,磁场和温度的最高灵敏度高达713.07 pm/mT和-304.55 pm/℃。另一种复合型光纤滤波器结构由类索尔克Sagnac滤波器和相移光纤光栅级联组成,接入到掺铒光纤环形激光系统后,通过改变谐振腔偏振态,实现了波长可调谐可切换的单、双波长激光稳定输出。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 光滤波器的概述和研究热点
•   1.3 双折射光纤滤波器的发展及应用现状
•     1.3.1 双折射光纤滤波器的研究现状
•     1.3.2 双折射光纤滤波器在光纤传感领域的应用现状
•     1.3.3 双折射光纤滤波器在光纤激光器的应用现状
•   1.4 模式干涉型光纤滤波器的发展及应用现状
•     1.4.1 模式干涉型光纤滤波器的研究现状
•     1.4.2 多模干涉型光纤滤波器在光纤环形激光传感系统的应用现状
•   1.5 本论文的主要研究内容与成果
• 2 基于扭转光纤的类索尔克光纤滤波器及扭转传感研究
•   2.1 引言
•   2.2 琼斯矢量与琼斯矩阵的光学表达
•     2.2.1 偏振光的琼斯矢量
•     2.2.2 常见光学器件的琼斯矩阵
•   2.3 类索尔克可调谐双折射光纤滤波器的理论研究
•     2.3.1 扭转光纤的离散理论模型
•     2.3.2 类索尔克双折射光纤滤波器的理论分析
•   2.4 类索尔克双折射光纤滤波器的数值仿真及实验结果
•     2.4.1 离散模型参数N的设定及分析
•     2.4.2 滤波器相关特性的仿真模拟分析
•     2.4.3 滤波器的实验测量和结果分析
•   2.5 基于类索尔克结构滤波器的全光纤扭转传感器
•     2.5.1 实验装置及测量结果
•     2.5.2 光纤扭转传感器的理论模型
•     2.5.3 扭转传感理论分析及讨论
•   2.6 本章小结
• 3 基于类索尔克结构的双折射Sagnac梳状滤波器的研究
•   3.1 引言
•   3.2 基于双折射扭转光纤的Sagnac干涉仪的理论研究
•     3.2.1 相关光学器件的琼斯矩阵表达
•     3.2.2 双折射扭转光纤及Sagnac干涉仪的琼斯矩阵模型
•     3.2.3 透射率理论推导及参数关系
•   3.3 类索尔克Sagnac梳状滤波器数值仿真结果及分析
•     3.3.1 离散模型参数N的收敛
•     3.3.2 Sagnac滤波器的自由谱宽特性
•   3.4 滤波器的波长可调谐性研究
•     3.4.1 偏振控制器的琼斯矩阵理论
•     3.4.2 最大透射率波长可调谐
•   3.5 类索尔克Sagnac梳状滤波器的实验验证及讨论
•     3.5.1 实验装置及透射光谱测量
•     3.5.2 波长可调谐性的实验验证
•     3.5.3 入射光偏振不相关的实验验证
•   3.6 本章小结
• 4 基于多模干涉型滤波器的光纤激光传感器研究
•   4.1 引言
•   4.2 光纤模式干涉效应的理论分析
•     4.2.1 光纤模式耦合理论
•     4.2.2 线偏振模的特征方程
•   4.3 多模干涉型光纤环形腔激光传感系统
•     4.3.1 原理及仿真结果
•     4.3.2 SNS带通滤波器光谱测量及光纤激光传感系统
•     4.3.3 曲率传感实验结果
•     4.3.4 温度传感实验结果
•   4.4 基于多模干涉仪与光纤布拉格光栅并行的双波长光纤激光传感器
•     4.4.1 传感原理及理论
•     4.4.2 双波长光纤激光传感系统实验装置
•     4.4.3 液位传感实验结果
•     4.4.4 不同折射率溶液对液位传感影响
•     4.4.5 温度传感实验结果
•   4.5 本章小结
• 5 基于两类特种光纤和光纤光栅的复合滤波器的应用研究
•   5.1 引言
•   5.2 光纤光栅的理论分析
•     5.2.1 光纤光栅的耦合模理论
•     5.2.2 光纤光栅的传输矩阵法及仿真分析
•   5.3 基于无芯-扭转光纤环形镜的磁场和温度同时传感测量
•     5.3.1 磁场和温度测量传感原理
•     5.3.2 传感器实验装置及结构
•     5.3.3 磁场传感实验结果
•     5.3.4 温度传感实验结果
•   5.4 基于复合梳状谱滤波器的可调谐可切换光纤环形激光器
•     5.4.1 基于类索尔克Sagnac干涉仪和相移光栅的复合滤波器
•     5.4.2 实验装置及可调谐单波长激光输出
•     5.4.3 可切换双波长光纤激光器
•   5.5 本章小结
• 6 总结与展望
•   6.1 本论文的主要研究成果
•   6.2 下一步拟进行的工作
• 参考文献
• 作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果
• 学位论文数据集

文章来源

类型: 博士论文

作者: 孙春然

导师: 简水生

关键词: 光纤滤波器,扭转光纤,无芯光纤,双折射滤波器,模式干涉,光纤传感器

来源: 北京交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,无线电电子学

单位: 北京交通大学

分类号: TN253;TN713

总页数: 157

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