可调谐双芯光纤及其在光纤光栅传感与滤波器中应用的研究

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1、第一章绪论以光纤通信和光纤传感技术为代表的信息技术和传感技术在20世纪后半叶至今的几十年里飞速发展，极大地推动了人类社会的进步。光纤通信是信息社会的支柱，是“信息高速公路"的骨干网，也是世界通信发展的主体之一。光纤以其本质安全、不受电磁干扰、灵敏度高、体积小、易于复用、能埋入工程结构等特点在传感领域备受关注并得到广泛应用，已成为传感技术发展主流方向之一。1．1双芯光纤介绍1．1．1双芯光纤发展简史关于光在两平行波导间发生耦合方面的工作最早是在60年代早期发表nh圆，但在80年代末才这方面的理论才

2、得到重大提高嘲巾1·卧嘲。从实验的角度来说，1980年双芯光纤的实现口1是一个转折点。1981年，YasujiMurakami使用双芯光纤来测量弯曲波导的耦合特性咖，并且得出改变弯曲半径可以使耦合系数在0到1之间变化，可以利用这些特性来设计光方向耦合开关。到80年代末，双芯光纤对波长和偏振态的具有选择性‘9¨旧¨u1的特点已被人们所熟知，并且利用双芯光纤独特的光谱特性来设计光传感器件，包括温度n羽，应力n31和位移‘1铂的测量。它的非线性特性也被研究来实现超快速全光开关n聊和被动锁模器件n引。1

3、．1．2双芯光纤的分类自从双芯光纤问世以来，由于研究的深入和应用的需要，出现了多种类型的双芯光纤。我们按照其波导结构将其分为同轴双芯光纤和非同轴双芯光纤两大类。1)同轴双芯光纤，也称为双环芯或双包层光纤，顾名思义就是包层中的两个芯子具有相同的轴线，从而形成一内一外两个芯子的结构，图1．5是这种双芯光纤的结构示意图。由于这种光纤结构的特殊性，常用于制作大功率光纤激光器c17】．[I射。可调谐双：占光纤及j￡在光纤光栅传感与滤波器中应用的研究，felCoft．2图1．5同轴双芯光纤结构图2)非同轴双

4、芯光纤就是在一个大包层中同时存在两根独立的芯子，它们可以是离得很远，相互之间不发生耦合作用，而仅仅是两个芯子的集成；也可以是两芯子靠得很近，相互影响，图1．6是这种类型双芯光纤的基本结构示意图：包层▲、I厂)．-．．．I‘＼I●／’，lt／I⋯一lI，图1．6非同轴双芯光纤结构图随着研究的发展，根据不同的需要，非同轴双芯光纤也有了多个分支，主要有：A．双芯光子晶体光纤。随着1996年第一根光子晶体光纤的问世n引，光子晶体光纤以其无截至的单模传输、灵活的零色散波长、增强的非线性效应等啪1一系列独特

5、的传输特性吸引了众多的注意力。人们也开始利用光子晶体光纤来制作双芯光纤，图l-7是双芯光子晶体光纤的横截面示意图。当前双芯光子晶体光纤已广泛用于光开关‘2¨，偏振分束器眦1，色散补偿‘吲等。2第一章嫱论B．集成双芯光纤。这种双芯光纤包层中的两个苍子间隔较远，彼此互不相关，可以祝为将两根光纤集成在一起的器件，这种器件主要是通过拉伸使得两个芯子之问的距离变小，从而制成干涉型的光纤传寤嚣。该集成器件结构紧凑，柔软易于弯曲，并且具有较小的热敏感度，还可通过改变双芯光纤长度来调节灵敏度，制备加速度，流速，

6、弯曲等传瘟器跚。图1．8是这种集成器件的横截面照片。图1．8集成双善光纤横截面照片可调谐双芯光纤及其在光纤光栅传感与滤波器中应用的研究C．常规双芯光纤。这种双芯光纤的两个芯子靠得较近，当光在其中一个芯子传播时，另一根芯子可以看作是一种微扰结构，这就导致了光功率将在两个芯子之间发生耦合。根据两芯子在包层中位黄是否对称，可以将其分为两类，结构如图1．9(a)、(b)所示。下文中所提到的双芯光纤如无特殊表明都是指这种类型的双芯光纤。Ⅺ刚K】∞啦、√L／√山捌rg∞K、＼’COt、义＼爻2图1．9非同轴

7、双芯光纤两芯子位置图：a)为两芯子对称结构；b)为两芯子不对称结构1．2光纤光栅简介本文由于要将双芯光纤应用于光纤光栅波长变化的解调工作，因此下文首先将光纤光栅的基本特性作一初步介绍，以便第四章对双芯光纤解调的工作原理进行讨论。1．2．1光纤光栅的发展简史光纤光栅是一种光无源器件，它在沿纤芯轴向上的折射率变化呈周期性或者非周期性分布。近年来，光纤光栅在光纤通信以及光纤传感领域得到了很大的发展。以光纤光栅技术为基础的光纤光栅传感器正成为传感器研究领域的又一大热点。随着光纤光栅制造技术的不断完善，其

8、应用的成果同益增多，从光纤通信、光纤传感到光计算和光信息处理的整个领域都将由于光纤光栅的实用化而发生革命性的变化，光纤光栅技术是光纤技术中继掺饵光纤放大器(EDFA)技术之后的又一重大技术突破。正如权威人士指出乜引：“光纤光栅的出现迫使人们不得不重新考虑光通信中的每一个设计⋯⋯将来光通信系统中如果没有光纤光栅就如4第一章绪论同传统光学系统中没有镜片一样令人难以置信。"1978年加拿大通信研究中心的Hill等人汹1在实验室首次利用488nm氩离子激光器在掺锗光纤产生驻波干涉条纹，导致光纤的折射率沿