微纳光纤模场特性分析及传感应用

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1、分类号：密级：UDC：编号：河北工业硕士学位论文微纳光纤模场特性分析及传感应用论文作者：许爱雪学生类别：全日制专业学位类别：工程硕士领域名称：电子与通信工程指导教师：刘明生职称：教授资助基金项目：国家高技术研究发展计划（863）项目（2013AA014203）DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofElectronicsandCommunicationEngineeringANALYSISOFMODALFIELDCHARACTERISTICSOFMICRO-NA

2、NOFIBERANDITSAPPLICATIONINSENSINGbyXuAixueSupervisor:Prof.LiuMingshengMarch2017ThisworksupportedbyNationalHighTechnologyResearchandDevelopmentProgram(863)Project.No.2013AA014203.摘要在小尺寸光子学等众多研究领域，微纳光纤的研究得到了高度的关注。微纳光纤具有光传输损耗小、独特的强倏逝波传输和耦合效率高等特点，在光纤传感检测领域、光电子器件和光纤通信等众多领域，微纳光纤都具有重要的应用价值

3、。本文利用有限元分析方法针对不同设计参数下的微纳光纤，数值模拟了其模场分布特性；火焰熔融拉锥制备熔锥型光纤耦合器，并对其在不同拉伸长度下的损耗特性进行分析研究；实验研究了微纳光纤器件在温度和溶液折射率传感方面的应用。具体内容如下：选取有限元法分析软件COMSOLMultiphysics对微纳光纤进行数值仿真分析，研究了微纳光纤在纤芯直径、传输波长、包层与纤芯折射率差异性等参数下的光纤模场分布和耦合效果的影响。分析结果表明：适当减小微纳光纤直径、缩小纤芯和包层折射率数值差异以及增大传输波长等参数可以起到增强光纤间倏逝场耦合的作用，耦合效果明显。采用改进的一步拉伸

4、法实验拉制平台制备熔锥型光纤耦合器；实验分析拉伸长度在10mm到35mm范围内熔锥型光纤耦合器附加损耗和插入损耗偏差的参数关系，同时利用光束传播法数值模拟光功率在光纤间的能量分布，得到不同拉伸长度下光纤耦合器输出光功率的变化规律。理论模拟和实验研究数据发现：拉伸长度在20mm左右时，耦合器的光学性能相对较好。利用光束传播法对熔锥型光纤耦合器在不同光纤参数设置下的光功率分布情况进行数值模拟，设计和搭建了熔锥型光纤耦合器温度和溶液折射率传感特性检测的实验系统。由实验结果可知，熔锥型光纤耦合器随着温度或者溶液折射率的升高，透射光谱图整体向短波长方向漂移，参数变化量和

5、漂移量基本上保持线性关系；然而谐振峰强度变化不大。基于长周期光纤光栅和熔锥型光纤耦合器光学器件的温度与折射率双参量传感实验研究，选取某一谐振峰作为检测对象，其波长随温度变化响应灵敏度高，谐振峰强度随折射率变化响应灵敏度高，结合传感系数矩阵方程，实现温度和折射率的双参量同时检测。关键字：微纳光纤模场特性有限元法光纤传感熔融拉锥IABSTRACTInthefieldofsmall-sizedphotonics,theresearchonmicro-nanofibertechnologyhasreceivedhighheatattention.Micro-nanof

6、iber,whichhastheadvantageofloweropticaltransmissionloss,theuniquestrongevanescentwavetransmissionandhighcouplingefficiencyiswidelyusedinthefieldofopticalfibersensing,opticalfibercommunicationandoptoelectronicdevices.Theworkdoneinthisdissertationisasfollows:Thefirst,thefiniteelementa

7、nalysissoftwareCOMSOLMultiphysicsisusedtoanalyzethemicro-nanofiber.Thedistributionandcouplingeffectofthemicro-nanofiberundertheparametersofcorediameter,transmissionwavelengthandthedifferenceofcladdingandcorerefractiveindexandsoforth.Thesimulationresultsshowthatthefiberparameterssuch

8、asthediameterofthem