采用新型包層材料和基于微結構的光纖與光纖光柵的研究.pdf

1、光學纖維以優(yōu)良的光傳輸特性被廣泛地應用到通信系統(tǒng)、傳感、醫(yī)療器械和各種光學器件等眾多領域，研究熱點逐漸從研究衰減到研究光纖的色散和非線性，并有大量的有源和無源的光器件應運而生。近年來，特殊結構的光纖和光器件由于可以實現(xiàn)一些特殊的傳輸，滿足常規(guī)光纖很難滿足的要求和更容易的設計，越來越受到人們的關注，尤其在光器件設計上得到了廣泛的應用。 本論文理論和實驗研究了采用新型材料包層結構(即采用單軸晶體材料包層)和基于全內反射微結構的兩種新

2、型光纖及光柵。 首先提出了單軸各向異性材料為包層、其主軸沿光纖光柵軸線(Z軸)方向的布喇格光纖光柵模型，引入了單軸晶體材料主軸折射率比參數(shù)Kc1，從波動方程推出了理想正規(guī)模的特征方程，計算了基模HE11模的有效折射率、色散和功率限制因子；應用耦合模理論研究了該類布喇格光纖光柵的反射率、布喇格波長、反射波帶寬及色散，理論研究了對該類光纖的電光效應和彈光效應。本部分的研究對基于以單軸晶體材料為包層的光纖和光柵器件的研究提供了理論依據(jù)

3、，可以根據(jù)這些結論設計新型可調諧濾波器、波長選擇器和電壓、應力等傳感器。 應用改進的有效折射率法，分別用標量和矢量計算了微結構光纖(Microstructured Fiber，MF)的傳輸特性和全內反射微結構光纖Bragg光柵(MFBG)的反射特性和填充比的關系，提出了增大反射率的方法；應用BMP法設計了一種具有三層不同的空氣孔直徑的寬帶色散補償微結構光纖；設計和加工了長周期光纖光柵壓力傳感裝置，對普通單模光纖進行了壓力傳感實驗

4、，實驗表明傳感器性能良好，線性度和靈敏度高；在高非線性微結構光纖上用機械壓力法寫制了一種長周期光纖光柵，測定了透射譜深度和壓力大小的關系。 本論文主要研究內容和創(chuàng)新點如下： 1、單軸晶體包層光纖及光柵(1)提出了單軸各向異性材料為包層、其主軸沿光纖軸(Z軸)方向的光纖模型，矢量分析了特征方程、基模有效折射率和色散。 研究表明光纖的色散隨波長的增加而由負而正的增大，但零色散波長隨Kcl的增加而減小。當Kcl<1時，

5、零色散波長隨Kcl的增大而減小的很劇烈，但當Kcl>1，零色散波長變化不明顯。 (2)研究了功率限制因子和包層單軸晶體材料主軸折射率比參數(shù)Kcl，的關系，模擬了電光效應和彈光效應對此類光纖內光能量分布的影響。結果表明并且外加電場越強，纖芯內的光能量越少，光能量越集中到包層中；施加應變場越強，光能量越集中到纖芯中。 (3)模擬計算了包層為單軸晶體材料的布喇格光纖光柵的反射率、Bragg波長、反射波帶寬及色散和kcl的關系，

6、得出了單軸晶體包層光纖Bragg光柵比均勻各向同性包層的Bragg光柵更容易獲得高反射率；單軸晶體包層折射率的變化可以使Bragg波長產生移動；包層為各向同性材料的光纖比包層為單軸晶體材料的光纖更容易把光能量集中在纖芯中傳輸；對光纖Bragg光柵來說，包層中傳輸?shù)哪芰扛菀遵詈系椒聪驅Ｖ小?(4)基于上述理論，提出了分別采用鈮酸鋰(LiNbO3)和磷酸二氫鉀(KDP)兩種單軸晶體材料做包層的光電器件的設想，即分別利用鈮酸鋰的電

7、光效應和磷酸二氫鉀彈光效應設計可調諧濾波器、壓力和電場(壓)傳感器方法。 2、微結構無纖及光柵(5)應用改進的有效折射率方法(IEIM)分別用標量法和矢量法分析MF的有效折射率和基于全內反射MF的Bragg光柵的反射譜。計算結果表明標量法只適合填充比小于0.45的情況，對于比較大的填充比，要用矢量法來計算；包層中空氣比分增大時，基空間填充模的有效折射率變小，Bragg波長移向短波長一邊；隨著包層中空氣比分的增加，可以有效的提高微

8、結構光纖Bragg光柵的反射率。 (6)在高非線性微結構光纖上用機械壓力法寫制了10個周期，周期為1.2mm的長周期光纖光柵，測定了透射譜深度和壓力大小的關系，表明長周期光纖光柵的透射譜透射深度隨應力增加而單調增加，即能量從纖芯耦合到包層；當應力進一步增大，透射譜深度開始減小，即光開始從包層耦合回纖芯。 (7)采用金屬凹槽板完成了可調諧普通單模光纖的壓力傳感實驗，結果表明在0-70N的測量范圍內，透射峰衰減值隨壓力變化曲