新型光纖M-Z干涉?zhèn)鞲薪Y構及特性研究.pdf

1、隨著經(jīng)濟的迅猛發(fā)展和社會的不斷進步，環(huán)境污染和工程質(zhì)量問題已成為制約社會和諧發(fā)展的重要因素。開發(fā)新型的監(jiān)測用傳感器，已成為當今學術界以及工程界的研究熱點。與傳統(tǒng)電子傳感器相比，光纖傳感器由于具有結構靈巧、質(zhì)輕價廉、抗電磁干擾及腐蝕、易于復用和遠程感測、傳輸容量大等優(yōu)點，因此被越來越多地應用于各種領域的監(jiān)測。尤其是相位調(diào)制型的光纖傳感器，因其可在大范圍內(nèi)實現(xiàn)對外界參量快速而精確的動態(tài)測量而受到諸多關注。在此類傳感器當中，光纖馬赫-曾德爾干

2、涉儀(MZI)是重要且應用廣泛的結構形式之一;它主要是通過外界參量改變信號臂與參考臂之間的相位差，再利用解調(diào)技術獲知參量的實時變化信息。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、性價比更高且易于封裝，近幾年成為人們的研究熱點。
　　本文針對這一熱點問題，從傳感單結構設計的危度，提出幾種新型全光纖MZI傳感器，通過從對稱到一維非對稱進而到二維非對稱幾何結構上的改變，使其在性能及應用上實現(xiàn)了從標量傳感到一維矢量

3、傳感，再到二維矢量傳感的拓展與突破。并且，對所設計的MZI實驗制作方法、光譜特性以及傳感性能，分別進行了系統(tǒng)的研究和詳細的闡述。本文主要研究工作及其成果如下:
　　1.在普通單模光纖上，從結構出發(fā)探索同種結構中不同形成參數(shù)及異種結構對光纖器件光譜特性的影響，模擬、探究并總結規(guī)律，發(fā)現(xiàn)設計結構的最優(yōu)參數(shù)，實驗上制作出所設計的光纖傳感器。
　　2.實驗上探索多種傳感參量的測試，包括溫度、應變、彎曲、側向壓力等。研究所設計的光纖傳

4、感器對不同參量的靈敏性，探索其最適宜的傳感應用領域。經(jīng)過優(yōu)化結構及制作參數(shù)，提出提高靈敏度的研究方案，根據(jù)理論分析結果，指導制作性能優(yōu)化的全光纖MZI傳感器，并應用于相應的傳感領域。
　　3.采用類比方法，將同種MZI結構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，制作結構新穎、功能優(yōu)異的新型光纖傳感器。同時，進行外界參量的傳感實驗，分析基于不同結構的光纖MZI對傳感特性的影響。
　　4.將不同的錐形結合，設計制

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

6、br>　　5.首次提出并實現(xiàn)了一種基于全光纖MZI的彎曲矢量傳感器。該傳感器結構由在單模光纖上制作的錯位熔接結點和過度熔接形成的凸形錐級聯(lián)而成，錯位熔接改變了光纖的圓柱對稱性，使形成的干涉條紋對沿錯位方向的正負向彎曲響應不同，亦即干涉峰值波長的漂移方向相反。因此，此類MZI能夠在一維上同時探測出所施加外力的大小和方向。實驗表明，在峰值波長1463.86 nm和1548.41 nm處，對于曲率范圍-3～3 m-1的彎曲靈敏度分別達到11.

7、987nm/m-1和8.697 nm/m-1。
　　6.首次利用全光纖MZI與長周期光纖光柵(LPFG)結合，實現(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小錯位熔接結點與一個強耦合LPFG級聯(lián)而成。寫制的LPFG曝光方向與光纖錯位方向垂直，使器件幾何結構在二維平面上具有非對稱性，并且使在產(chǎn)生干涉的同時保持光柵諧振峰的相對獨立性。利用LPFG諧振峰和干涉峰對彎曲的響應不同，可以實現(xiàn)對彎