光子晶体光纤的传输特性及其温度传感应用

光子晶体光纤的传输特性及其温度传感应用

论文摘要

光子晶体光纤(Photonic Crystal Fibers,PCFs)独特的导光机理和灵活的结构设计,使其广泛用于光纤通讯、光纤传感、非线性光学和光纤激光器等领域。PCFs中微孔结构为气体、液体和固体等功能材料填充提供平台,这种结合材料学和光学的加工方法使PCFs的性能更优越。填充PCFs广泛用于光纤传感、光纤调制器件、非线性光学、光电集成等领域。相对固体和气体,液体填充更容易实现。本文从PCFs优良特性和PCFs液体填充改进性能出发,理论和实验研究了PCFs和液体填充PCFs的传输特性及应用。主要研究工作如下:1、采用等离子体化学气相沉积工艺结合堆叠拉丝法制备了第一带隙传输1550 nm低损耗单模宽带宽固态芯光子带隙光纤,并通过仿真对结构参数进行优化。2、设计制作了一种简单易行的PCFs液体填充装置,通过修改熔接方法和熔接程序参数,实现了液体填充PCFs和单模光纤的低损耗熔接。实验研究了甘油填充两种低损耗PCFs的温度传输特性。在110280℃,传输光谱呈现出温度调制光强的特性,获得1430 nm波长处150℃时0.936 dB/℃的温度灵敏度。这一简单的结构可应用于温度传感、光纤衰减器和光纤滤波器。3、实验研究了甲苯填充PCFs的传输光谱,填充后的PCFs为光子带隙(photonic bandgap,PBG)导光。其中一根光纤带隙传输窗口中存在两处明显的凹陷,这种光谱凹陷源于高折射率棒的共振吸收。基于光谱凹陷随温度上升蓝移的特性,获得高达为-14.63 nm/℃的温度灵敏度。这种简单全光纤结构温度调制器可用于高精度的温度测量和陷波滤波器。4、理论和实验研究了掺硼保偏PCF(polarization-maintaining photonic crystal fiber,PM-PCF)Sagnac干涉仪(Sagnac interferometer,SI)的温度传感特性,温度灵敏度在-1.62-1.83 nm/℃范围内。光纤双折射主要源于应力双折射,掺硼PM-PCF SI良好的温度灵敏度取决于对温度敏感的应力双折射。5、对掺硼PM-PCF分别填充甘油和甲苯,填充光纤变为改进全内反射和PBG两种导光机理并存的杂化PCFs。其独特的结构和PBG效应对光纤双折射的调制,使填充掺硼PM-PCF SIs温度灵敏度存在正-零-负值的变化过程。其中,甘油填充掺硼PM-PCF SI可获得42℃时-6.34 nm/℃的温度灵敏度,甲苯填充掺硼PM-PCF SI甚至可获得37.5℃时高达19.03 nm/℃的温度灵敏度。这种不动点(温度灵敏度等于零)两边干涉峰随温度移动方向不同的SIs可用于多参量测量。6、理论和实验研究了甘油和甲苯填充掺硼PM-PCF的带隙传输谱的温度响应特性。带隙边缘随温度漂移的灵敏度在甘油填充掺硼PM-PCF中高达-10.033 nm/℃(38℃45℃),甲苯填充掺硼PM-PCF中更是高达-76.197 nm/℃(59℃63℃)。超高的温度灵敏度源于高传输窗口位于第一带隙。具有PBG效应热可调谐填充PCFs可用于温度传感和调谐带通滤波器。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 1 绪论
  •   1.1 PCFS的发展和分类
  •   1.2 功能材料填充PCFS
  •   1.3 选题意义、研究内容及创新点
  • 2 PCFS理论基础、制作工艺及SC-PBGF研究
  •   2.1 PCFS的仿真方法
  •   2.2 PCFS制作工艺
  •   2.3 1550nm低损耗单模SC-PBGF研究
  •   2.4 本章小结
  • 3 液体填充PCFs温度实验
  •   3.1 液体填充PCFS制备和熔接
  •   3.2 甘油填充PCFS的温度控制传输光谱强度研究
  •   3.3 甲苯填充PCF共振吸收峰的温度传感特性
  •   3.4 本章小结
  • 4 PM-PCF的 Sagnac干涉温度传感特性及增敏研究
  •   4.1 掺硼PM-PCF SI温度传感实验
  •   4.2 液体填充掺硼PM-PCF SIS温度实验
  •   4.3 本章小结
  • 5 基于液体填充PM-PCFS带隙效应的超灵敏温度传感
  •   5.1 液体填充掺硼PM-PCFS宽带光源温度传感实验
  •   5.2 超连续谱光源温度传感实验和讨论
  •   5.3 本章小结
  • 6 总结与展望
  •   6.1 总结
  •   6.2 展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 附录 攻读博士学位期间发表论文目录
  • 文章来源

    类型: 博士论文

    作者: 程兰

    导师: 李进延

    关键词: 光子晶体光纤,光子带隙,液体填充,光纤器件,温度传感,保偏光子晶体光纤

    来源: 华中科技大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,信息科技

    专业: 物理学,无线电电子学

    单位: 华中科技大学

    分类号: TN253

    DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.000018

    总页数: 129

    文件大小: 4830K

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