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多重非对称光纤及光纤光栅的理论与实验研究

作　者: 耿鹏程
导　师: 张伟刚
学　校: 南开大学
专　业: 光学
关键词: 微结构光纤光子晶体光纤保偏光纤偏芯光纤光纤光栅倾斜光栅多重非对称空间调制光开关光纤耦合器单偏振单模二维弯曲传感
分类号: TN253
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着众多类型光纤与光纤光栅的问世,单根光纤与光纤光栅对光波的调控能力几乎发挥到了极致,人们似乎只有通过复杂的光纤集成系统,才能实现对光波的进一步操控,然而,这显然与当前光纤器件微型化与集成化的发展趋势是相左的。按照新的物理观点,光纤技术在光波控制和光波信息交换等方面的内涵还远没有得到更深入的认识与挖掘,还有待于人们从不同的角度开展深入系统的研究。因此,本文基于空间调制理论和高频C02激光脉冲三维写制光栅技术,首次设计或研制出几种具有多重非对称特征的光纤与光纤光栅,并对其应用进行了相关研究和探索,为设计与研制具有灵活操控光波功能的新型光纤与光纤光栅提供了新理念和新方法。论文主要工作和研究成果如下：1.首次提出多重非对称光纤与光纤光栅的概念。根据光纤与光纤光栅的空间调制特征,首次较为系统的对光纤与光纤光栅的多重非对称性进行了分析和总结,丰富了现有光纤与光纤光栅的分类方法。2.首次较为系统的分析了非对称性对光纤导光性能的影响。分别从光纤横截面上纤芯的非对称性对纤芯模式导光特性的影响、包层的非对称性对局域包层模导光特性的影响、光纤轴向非对称性对超模模式间耦合特性的影响三个方面,对非对称光纤的导光特性进行了理论模拟和分析。3.通过选择性填充方法在一段保偏光子晶体光纤的非对称区域(两个大空气孔中)填入了折射率温敏匹配液,实现了光纤轴向和横截面的共同非对称填充调制,将填充后的光子晶体光纤内置于Sagnac环中,研制出一种新型温度传感器。提出的这种多重非对称填充方式,可以灵活调控光子晶体光纤内光波的传导特性,为新型光子晶体光纤调谐器件的研制提供了新思路和新方法。4.基于折射率匹配谐振耦合原理,设计-了一种带宽高达400nm的新型单偏振单模光子晶体光纤,该光纤具有可灵活调控纤芯模式和多个局域包层模式间耦合系数等特点。提出的设计方法,对新型光子晶体光纤的设计与研制具有重要的参考价值。5.首次提出一种双波段正交单偏振单芯光子晶体光纤,其两个正交偏振态分别支持1.31μm和1.55μm波段内光波的单偏振传输。这种新型双波段正交单偏振光纤具有独特的导光机制,为新型偏振光纤器件的研制以及解决光纤中偏振衰落问题提供了新理念和新方法。6.基于有限差分光束传播法设计了一种具有多重非对称结构的可调谐光纤耦合器。在1.40μm至1.70μm波段内,此种耦合器的输出分光比和工作波长可以灵活调节。此外,设计的光纤耦合器集成在一根长度仅为7.3mm的光纤中,这为光器件的全光纤化、微型化提供了新思路。7.首次设计并研制出一种具有折射率多重非对称调制结构的正交级联长周期光纤光栅。基于此新型光纤光栅,实现了一种构造简便、性能优异的二维弯曲矢量传感器,为单光纤光栅空间感测以及优化和提升光纤光栅调控光波的功能提供了新的实现途径。此外,基于此种光纤光栅的结构特征和弯曲传感特性,我们提出了一种三维正交传感坐标系,利用该坐标系可以方便的同时解调出弯曲方向和曲率大小。8.分析了倾斜长周期光纤光栅的多重非对称空间调制特性,建立了其理论分析模型。实验研究了倾斜长周期光纤光栅和超长周期光纤光栅的扭转传感特性,结果表明,倾斜长周期光纤光栅可用于新型扭转与温度双参数传感器的研制。9.设计了几种基于双偏芯和正-偏双芯光纤的多重非对称光纤光栅,把光纤的多重非对称空间调制与光纤光栅的多重非对称空间调制特性相结合,对其潜在应用进行了分析和探索,对新型功能集成光纤光栅的设计与研制具有极其重要的参考价值。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第一章绪论  13-31
  第一节光纤发展历程概述  13-16
  第二节非对称光纤及其应用  16-22
    1.2.1 光纤的非对称性分析  16-18
    1.2.2 非对称光纤及其应用  18-22
  第三节光纤光栅发展历程概述  22-24
  第四节非对称光纤光栅及其应用  24-29
    1.4.1 光纤光栅的非对称性分析  24-26
    1.4.2 非对称光纤光栅及其应用  26-29
  第五节论文主要内容和创新点  29-31
    1.5.1 论文主要内容  29-30
    1.5.2 论文主要创新点  30-31
第二章多重非对称光纤与光纤光栅理论分析方法  31-46
  第一节多重非对称光纤的理论分析方法  31-40
    2.1.1 微结构光纤常用数值分析方法概述  31-32
    2.1.2 有限单元法  32-38
      2.1.2.1 磁场波动方程的泛函形式  32
      2.1.2.2 三角形边单元  32-34
      2.1.2.3 有限单元离散  34-37
      2.1.2.4 完美匹配层边界条件  37-38
    2.1.3 有限差分光束传播法  38-40
  第二节多重非对称光纤光栅常用理论分析方法  40-45
    2.2.1 耦合模分析法  40-41
    2.2.2 传输矩阵法  41-42
    2.2.3 倾斜光纤光栅理论分析方法  42-45
  第三节本章小结  45-46
第三章非对称性对光纤导光特性影响的分析  46-65
  第一节光纤横截面上纤芯非对称对光纤导光特性的影响  46-52
    3.1.1 纤芯紧邻空气孔直径大小对光纤导光特性的影响  46-49
    3.1.2 多空气柱缺失对光纤导光特性的影响  49-50
    3.1.3 纤芯紧邻空气孔的位置对光纤导光特性的影响  50-51
    3.1.4 纤芯折射率非对称分布对光纤导光特性的影响  51-52
  第二节光纤横截面上包层非对称对光纤导光特性的影响  52-56
    3.2.1 包层中局部空气孔直径改变对光纤导光特性的影响  52-55
    3.2.2 光纤光栅横截面上包层非对称对光纤导光特性的影响  55-56
  第三节光纤轴向非对称对光纤导光特性的影响  56-61
    3.3.1 横截面非对称、纵向对称光纤的导光特性  56-58
      3.3.1.1 双芯直径相同时光纤的导光特性  56-57
      3.3.1.2 双芯直径不同时光纤的导光特性  57-58
    3.3.2 横截面非对称、纵向非对称光纤的导光特性  58-61
      3.3.2.1 纵向几何非对称对光纤导光特性的影响  58-60
      3.3.2.2 纵向折射率非对称对光纤导光特性的影响  60-61
  第四节非对称区域填充对微结构光纤导光特性的影响  61-64
  第五节本章小结  64-65
第四章多重非对称光纤的理论模拟和分析  65-97
  第一节单偏振单模光子晶体光纤的设计与分析  65-84
    4.1.1 新型双波段单偏振单模光子晶体光纤的设计  65-68
    4.1.2 宽带单偏振单模光子晶体光纤的设计  68-84
      4.1.2.1 光纤结构与工作原理  68-69
      4.1.2.2 模拟结果与分析  69-70
      4.1.2.3 考虑空气孔直径变化时的理论分析  70-84
  第二节双波段正交单偏振单模光子晶体光纤  84-88
  第三节基于多重非对称光纤的可调谐耦合器  88-93
  第四节基于多重非对称光敏光纤的耦合器  93-95
  第五节本章小结  95-97
第五章多重非对称光纤光栅的传感特性及应用  97-112
  第一节空间交错型多重非对称光纤光栅的弯曲特性及应用  97-105
    5.1.1 光纤与光纤光栅弯曲传感器研究现状  97-99
    5.1.2 空间正交级联长周期光纤光栅的实验装置及光谱特性  99-101
    5.1.3 空间正交级联长周期光纤光栅的弯曲传感特性  101-104
    5.1.4 三维传感坐标系  104-105
  第二节多重非对称光纤光栅的潜在应用探索  105-111
    5.2.1 在常规单模光纤上写制的多重非对称光纤光栅的特性及应用  105-108
    5.2.2 基于多芯和光子晶体光纤的多重非对称光纤光栅的潜在应用探索  108-111
  第三节本章小结  111-112
第六章总结与展望  112-115
参考文献  115-125
致谢  125-126
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  126-128

多重非对称光纤及光纤光栅的理论与实验研究

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