本文在简要介绍了光纤光栅的特点、传感机理和传输特性等一些基本工作原理的基础上，综述了现有的基于长周期光纤光栅折射率传感的研究现状，并针对长周期光纤光栅传感测量中出现的一些问题提出了我们自己的利用少模光纤Bragg光栅高阶模的折射率测量方案。长周期光纤光栅传感测量时交叉敏感现象比较严重，且传输谱不稳定，测量精度不高；圆型Bragg光纤光栅对外界折射率的敏感度较低，若腐蚀得很细则机械强度又会变得很低，而我们提出的D型少模光纤Bragg光栅的折射率测量方案，利用D型光纤结构的特殊性，可以在保证一定机械强度的情况下将其深度腐蚀以提高对外界折射率的灵敏度。本文通过大量的模拟计算和实验操作对方案的可行性进...Based on presenting the characteristics, sensor principle and transmission speciality of Fiber Grating in brief, this thesis summarize the study actuality of refractive index sensor using Long Period Fiber Grating (LPG) and put forward our new refractive index measurement using Few-mode Fiber Bragg Grating (FBG). LPGs have severe cross-sensitivity, unstable transmission spectrum and lower precisio...学位：理学硕士院系专业：信息科学与技术学院电子工程系_无线电物理学号：20033000

李杰

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学校编码：10384                              分类号      密级         学号：S200330005                                         UDC           硕  士  学  位  论  文                                            新型D型少模光纤Bragg光栅的特性及其 在折射率测量中的应用 The speciality of D-type Few-mode Fiber Bragg Grating and its applications in the refractive index measurement  李 杰  指导教师姓名：董 小 鹏 教授    专 业 名 称：无 线 电 物 理 论文提交日期：2006 年 5 月 论文答辩时间：2006 年 5 月 学位授予日期：2006 年  月   答辩委员会主席：           评    阅    人：            2006 年   月 厦门大学博硕士论文摘要库 厦门大学学位论文原创性声明   兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。                         声明人（签名）： 年    月    日  厦门大学博硕士论文摘要库厦门大学博硕士论文摘要库 厦门大学学位论文著作权使用声明   本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于   1、保密（  ），在   年解密后适用本授权书。   2、不保密（  ） （请在以上相应括号内打“√”）   作者签名：      日期：  年 月 日 导师签名：      日期：  年 月 日  厦门大学博硕士论文摘要库厦门大学博硕士论文摘要库 摘 要 本文在简要介绍了光纤光栅的特点、传感机理和传输特性等一些基本工作原理的基础上，综述了现有的基于长周期光纤光栅折射率传感的研究现状，并针对长周期光纤光栅传感测量中出现的一些问题提出了我们自己的利用少模光纤Bragg 光栅高阶模的折射率测量方案。长周期光纤光栅传感测量时交叉敏感现象比较严重，且传输谱不稳定，测量精度不高；圆型 Bragg 光纤光栅对外界折射率的敏感度较低，若腐蚀得很细则机械强度又会变得很低，而我们提出的 D型少模光纤 Bragg 光栅的折射率测量方案，利用 D型光纤结构的特殊性，可以在保证一定机械强度的情况下将其深度腐蚀以提高对外界折射率的灵敏度。本文通过大量的模拟计算和实验操作对方案的可行性进行验证，对实际应用时可能出现的问题提出了解决方案。 数值计算部分包括：（1）模拟出 D型少模光纤 Bragg 光栅各传输模式的耦合系数及其随入射波长的变化关系。（2）模拟出圆型光栅、D型光栅和深度腐蚀后的D型光栅Bragg波长随包层厚度以及外界折射率的变化关系，并做了对比分析。（3）模拟出深度腐蚀后的 D 型光栅的波导双折射随各参数的变化关系以及 D 型光纤和圆型光纤的连接损耗问题。 实验中我们用扫描电境（SEM）观测出不同腐蚀时间下 D 型光纤和圆型光纤的截面厚度，得出光纤在 20％浓度 HF 酸下的腐蚀速度；分别测量了圆型和 D型少模光纤 Bragg 光栅中心波长随外界折射率、温度的变化；分析了应变和温度在溶液折射率测量中对 Bragg 波长的影响，并提出了补偿方案。 模拟计算和实验取得了较为一致的结果。  关键词：D型光纤；少模光纤光栅；折射率测量     厦门大学博硕士论文摘要库厦门大学博硕士论文摘要库                       Abstract Based on presenting the characteristics, sensor principle and transmission speciality of Fiber Grating in brief, this thesis summarize the study actuality of refractive index sensor using Long Period Fiber Grating (LPG) and put forward our new refractive index measurement using Few-mode Fiber Bragg Grating (FBG). LPGs have severe cross-sensitivity, unstable transmission spectrum and lower precision; normal FBGs are insensitive to the Surrounding Refractive Index(SRI) and their mechanism intensity will get weak when corrupted very thin. The measurement using D-type Few-mode FBG brought forward will lift the sensitivity depend on deeper etching into core with stronger toughness.This thesis validate the feasibility of the scheme through a lot of simulation and experiments, and bring forward solution to the problems maybe occurred in the actual application.    The tasks of analog computation include : i) Simulating the coupling coefficients of D-type Few-mode FBG transmission modes and LP02  mode changing relation with work wavelength. ii)Simulating relations of the Bragg wavelengths changing with envelope thickness and SRI of normal, D-type and D-type with deep etching FBGs respectively and make contrastive analyses. iii)Simulating the wave-guide bi-refraction effect of D-type FBG with deep etching changing relation with several parameters and the splice loss issue between fiber and D-fiber.     In the experiment, we observe the section thickness of fiber and D-fiber under different etching times using Scan Electron Microscope(SEM) and get the etching velocity under HF with 20% concentration; measure Bragg wavelength of normal and D-type FBGs changing relations with SRI and temperature respectively; analyze the effect of the stress and temperature on the refractive index measurement of  FBGs. Key words: D-fiber; few-mode Fiber Grating; refractive index measurement  厦门大学博硕士论文摘要库  厦门大学博硕士论文摘要库目 录  第一章 引言......................................... 1 §1.1 光纤光栅的特点和基本类型 ...........................................................................1 §1.2 光纤光栅传感机理 ...........................................................................................3 §1.3 本文的主要工作和创新之处 ...........................................................................4 第二章 光纤光栅折射率传感的机理和研究进展........... 6 §2.1 光纤光栅传输特性 ...........................................................................................6 §2.2 光纤光栅折射率传感模型 ...............................................................................9 §2.3 光纤光栅在折射率传感中的研究现状 .........................................................10 2.3.1 长周期光纤光栅中心波长随外界折射率变化关系的研究 .............11 2.3.2 聚合物敷层长周期光纤光栅的研究 .................................................13 2.3.3 化学溶液浓度的测量 .........................................................................13 2.3.4 金属敷层长周期光纤光栅的研究 .....................................................14 §2.4 D型少模光纤Bragg光栅折射率传感 .............................................................15 2.4.1 渐逝场原理 .........................................................................................15 2.4.2 少模光纤光栅特性 .............................................................................16 2.4.3 D型光纤传输特性................................................................................17 第三章 光纤光栅折射率传感数值计算与结果分析........ 21 §3.1 光在D型光栅上的耦合特性分析 ..................................................................21 §3.2 外界折射率变化对少模Bragg光栅波长影响的模拟分析...........................25 3.2.1 圆型少模光纤Bragg光栅仿真结果 ....................................................26 3.2.2 D型少模光纤Bragg光栅仿真结果 .....................................................28 §3.3 深度腐蚀的D型光纤Bragg光栅折射率传感及传输特性的分析 ................30 3.3.1 深度腐蚀的D型光纤光栅Bragg波长随外界折射率的变化 ............32 3.3.2 深度腐蚀时的双折射效应 .................................................................34 3.3.3 纤芯到平面的距离对连接损耗的影响 .............................................40 第四章 实验结果与分析.............................. 46  厦门大学博硕士论文摘要库§4.1 实验系统的搭建及测量 .................................................................................46 4.1.1 ASE光源...............................................................................................46 4.1.2 光纤的腐蚀及腐蚀速度的测量 .........................................................48 4.1.3 圆型和D型少模光纤光栅传输谱线 ..................................................49 §4.2 外界因素对少模光纤光栅Bragg波长影响的实验与分析...........................50 4.2.1 圆型少模光栅的实验结果分析 .........................................................51 4.2.2 D型少模光栅的实验结果分析 ...........................................................52 §4.3 温度和液面应力对光纤光栅折射率测量的影响 .........................................54 4.3.1 温度影响的补偿方案 ..........................................................................54 4.3.2 液面应力对Bragg波长的影响 ............................................................55 第五章 总结与展望.................................. 58 致  谢............................................. 60   厦门大学博硕士论文摘要库Content   Chapter One  Introduction........................... 1 §1.1 he characteristic and style of Fiber Grating...................................................1 §1.2 The sensor principle of Fiber Grating ............................................................3 §1.3 The primary tasks and innovation of this thesis ............................................4 Chapter Two  The refractive index sensor principle and research progress of Fiber Grating ..................... 6 §2.1 The transmission speciality of Fiber Grating.................................................6 §2.2 The refractive index sensor model of Fiber Grating .....................................9 §2.3 The research status quo of refractive index sensor using Fiber Grating...10 2.3.1 The research of LPG center wavelength changing with SRI ..........11 2.3.2 The research of LPG with polymer film ...........................................13 2.3.3 The measurement of chymistry liquor concentration .....................13 2.3.4 The research of LPG with metal film ................................................14 §2.4 The refractive sensor using D-type few-mode FBG.....................................15 2.4.1 The principle of evanescent filed .......................................................15 2.4.2 The speciality of few-mode FBG........................................................16 2.4.3 The speciality of D-fiber ....................................................................17 Chapter Three  The analog computation and result analysis of refractive index sensor using Fiber Grating ............... 21 §3.1 The analysis of coupling speciality to D-type Fiber Grating.......................21 §3.2 The analysis of few-mode fiber Bragg wavelength affected by SRI...........25 3.2.1 The emluator result of normal few-mode FBG ...............................26 3.2.2 The emluator result of D-type few-mode FBG .................................28 §3.3 The analysis of refractive index sensor and transmission speciality to D-type FBG with deep etching.......................................................................30  厦门大学博硕士论文摘要库3.3.1 Bragg wavelength of D-type few-mode fiber with deep etching changing with SRI ...............................................................................32 3.3.2 The bi-refraction effect of D-type FBG with deep etching ..............34 3.3.3 The effect on splice loss of D-type fiber core-to-flat distance..........40 Chapter Four  The experiment and analysis of result ..... 46 §4.1 The configuration and mesurement of experiment system.........................46 4.1.1 The ASE light source ..........................................................................46 4.1.2 The etching of fiber and measurement of etching velocity .............48 4.1.3 The transmission spectrum of normal and D-type few-mode FBG49 §4.2 The effect on few-mode fiber Bragg wavelength of surrounding ...............50 4.2.1 The experiment of normal few-mode FBG .......................................51 4.2.2 The experiment of D-type few-mode FBG........................................52 §4.3 The effect on refractive index measurement using FBG of temperature and stress on liquor surface ...........................................................................54 4.3.1 The compensator solution of temperature effect .............................54 4.3.2 Bragg wavelength affected by stress on liquor surface ...................55 Chapter Five  The summary and prospect .............. 58 Acknowledgement ................................... 60  厦门大学博硕士论文摘要库第一章 引言 第一章 引言 §1.1 光纤光栅的特点和基本类型              光纤光栅是一种纵向折射率按一定规律变化的可进行波长调制的光纤器件。利用光纤材料的光敏性（外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起折射率的永久变化），在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（投射或反射）滤波器或反射境，使得光在其中的传播行为得以改变和控制【1】。 光纤在紫外光照射下产生的光致折射率变化效应使得纤芯上形成周期性的折射率调制分布，从而对入射光波中相位匹配的频率产生相干反射，可以在典型的～ nm的带宽内产生反射，反射率可达 100％。光纤光栅的这一重要的波长选择特性使之成为光纤器件中一种重要的无源器件。作为传感单元110− 210【2～4】，光纤光栅的主要优势是检测信息波长编码的具有 610− ～ 210− 四个数量级线性相应的绝对测量和良好的重复性。并且，插入损耗低和窄带的波长反射提供了有利于在一根单模光纤上的复用，可实现光纤网络中的星型、串联、并联和环型连接。由于光纤的本征属性，如质轻、径细、柔韧、化学稳定、耐高温、抗电磁干扰（EMI）等，光纤光栅已被视为一种理想的传感材料，适合于检测静态和动态参量，其检测信息为波长编码的绝对测量，可使传感器能自校准。对光纤而言，波长编码带来的最大好处是抗干扰能力强，光源强度的起伏，光纤微弯效应引起的随机起伏和耦合损耗等不可能影响传感信号的波长特性。另外，光纤光栅作为传感探头结构简单，尺寸小且光栅的写入工艺也日益成熟，便于规模生产。因而，基于光纤光栅的传感系统具有广泛的应用前景。   光纤光栅传感器的种类日益丰富，目前主要的光纤光栅传感器包括光纤布拉格光栅FBG（Fiber Bragg Grating）、长周期光纤光栅LPG（Long Period Fiber Grating）、啁啾光栅(chirped fiber grating)、闪耀光栅(tilted fiber grating)、取样光栅(sampled fiber grating)等等（图 1－1所示）【5】。    1厦门大学博硕士论文摘要库新型 D 型少模光纤 Bragg 光栅的特性及其在折射率测量中的应用                                在现有的技术条件下，光纤光栅应用于传感领域时，一般需考虑以下几个方面的问题。 （1）光纤光栅的机械可靠性和光学可靠性。机械可靠性是指光纤光栅的抗拉、抗弯等性能；光学可靠性则指光栅的反射率、透射率、波长及带宽等光学参数在不同环境下的变化。 （2）光纤光栅的寿命。可利用光纤光栅随时间和温度的变化特性来定量评估光栅的使用寿命。 （3）光纤光栅的封装。在写入光栅时，一般要出去保护层，因而其机械强度大为降低，因此作为实用的光纤光栅应有良好的封装，一般应考虑适当的衬底材料和粘贴材料，否则会影响其使用寿命。 （4）交叉敏感的消除。光纤光栅对于应力、应变、温度、折射率等多种参量都具有不同程度的敏感性，即交叉敏感。 （5）增敏和去敏。通过特种材料的封装，提高期望参量的传感灵敏度，弱化无关参量的传感灵敏度，在检测中剥离和平滑无关参量。 图 1-1 光纤光栅的类型 a) FBG  b) LPFG c)啁啾光栅 d) 闪耀光栅 e)取样光栅 2厦门大学博硕士论文摘要库第一章 引言 （6）宽光谱、高功率光源的获得。光源的选择直接影响光纤光栅传感系统的量程和抗噪声能力，应予以足够的重视。 （7）波长移位的探测。以光纤 Bragg 光栅为基础构成的传感系统中，传感量主要是以波长为单位的微小移位，因此，传感系统中应有精密的波长或波长变化检测装置。 （8）光检测器的波长分辨率。光纤光栅传感系统检测灵敏度直接取决于检测波长变化的灵敏度，因此，光检测器的波长分辨率是一个关键技术问题。  §1.2  光纤光栅传感机理 光纤光栅的传感机制通常包括应变（strain）【6】引起的弹性形变（elastic distortion）和弹光效应（strain－optic effect），温度（temperature）【6】引起的热膨胀效应（thermal expansion effect）和热光效应（thermo－optic effect），以及磁场（magnetic field）【7】引起的Faraday效应。如表 1－1 所示。  表 1－1 光纤光栅的传感原理 测量参量 传感原理 参数 温度 热膨胀引起光栅栅隔的变化；热光效应引起光纤光栅折射率的变化 热光系数： 50.68 10 on en Cα−×∼ ff  热膨胀系数： 60.55 10 oeffn Cα−Λ ×∼  应力、应变 弹性形变导致光栅栅隔的变化；弹性光效应引起光栅折射率的变化 弹光张量： ，  11 0.113p ∼ 12 0.252p ∼Poisson 比：  0.16v∼  磁场 磁场引起左、右旋光的偏振折射率的变化 Verdet 常数： 810 (1300 )rad Gm nm∼V外界折射率 外界折射率改变引起光栅栅隔和场模有 效折射率的变化 －  利用上述基本效应，光纤光栅可制成用于检测应力、应变、温度、压力、振动、磁场和电流等多种参量的光纤传感器和光纤传感网。目前，除在航空航天飞行器、 3厦门大学博硕士论文摘要库Degree papers are in the “Xiamen University Electronic 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The speciality of D-type Few-mode Fiber Bragg Grating and its applications in the refractive index measurement

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