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基于光子晶体光纤光栅的谱特性及其传感应用研究

作　者: 黄从利
导　师: 黄勇林
学　校: 南京邮电大学
专　业: 光学工程
关键词: 八角格子 光子晶体光纤 光纤光栅 传感 有限元
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


近十年,光子晶体光纤光栅(PCFG)由于其优良的特性及其在光通讯方面的广泛应用,逐渐成为人们研究的热点之一。而光子晶体光纤光栅技术的日臻完善,也使光子晶体光纤光栅在传感领域得到了更好的发展。本文主要以包层为正八边形对称结构的锗掺杂光子晶体光纤中(八角格子光子晶体光纤)的Bragg光栅(O-PCFBG)和长周期光栅(O-PCF-LPG)为研究对象,分析了光栅的光谱特性和传感特性,使人们能够更加深入的理解光子晶体光纤光栅传感技术所能带来的社会价值。本文首先介绍了光子晶体光纤光栅及其传感技术在国内外的发展和研究现状。接着阐述了傅里叶变换法、传输矩阵法、耦合模理论以及有限元法等光子晶体光纤光栅的分析法。详细分析了占空比、纤芯直径、空气孔层数、空气孔填充物折射率、相移以及光栅长度和调制深度等参数对光谱性质的影响。结果表明:空气孔层数的增加可以限制模式能量向包层泄露,但对谐振峰的谐振波长和耦合强度影响不大。除空气孔层数外,改变上述的参数均会影响谐振峰的谐振波长和耦合强度。此外,还分析了八角格子光子晶体光纤光栅的单模截止条件,并结合相位匹配条件,设计了一种方法,实现了光栅在需要波长处谐振的目的。基于谐振条件和光谱特性的结论,分析了八角格子光子晶体光纤光栅的温度和应变传感性质,并计算了其温度和应变灵敏度以及结构参数对传感灵敏度的影响。结果表明:八角格子光子晶体光纤光栅的应变灵敏度较低,而温度灵敏度较灵敏,这种特性有利于解决交叉敏感。而改变八角格子光纤晶体光纤的占空比和纤芯直径对温度和应变灵敏度的影响甚微。最后,基于八角格子光子晶体光纤Bragg光栅设计了一种单参量的传感器,温度灵敏度达到0.11941nm/℃,实现了应变不灵敏的温度传感。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-6
目录  6-8
第一章 绪论  8-13
  1.1 PCFG 的发展史  8-11
  1.2 PCFG 传感技术的研究现状  11
  1.3 本论文主要内容  11-13
第二章 光子晶体光纤光栅（PCFG）的理论分析  13-19
  2.1 PCFG 的理论分析  13-17
  2.2 有限元法  17
  2.3 小结  17-19
第三章 八角格子光子晶体光纤光栅（O-PCFG）光谱特性的研究  19-47
  3.1 八角格子光子晶体光纤Bragg 光栅（O-PCFBG）反射谱的性质分析  19-37
    3.1.1 O-PCBG 的截止条件  19-22
    3.1.2 空气孔层数对O-PCFBG 反射谱的影响  22-25
    3.1.3 空气孔直径对O-PCFBG 反射谱的影响  25-30
    3.1.4 纤芯直径对O-PCFBG 反射谱的影响  30-35
    3.1.5 光栅长度和调制深度对O-PCFBG 反射谱的影响  35-37
  3.2 八角格子光子晶体光纤长周期光栅（O-PCF-LPG）透射谱的性质分析  37-46
    3.2.1 光栅周期与谐振波长的关系及PCFG 结构参数对谱的影响  37-42
    3.2.2 光栅结构参数对O-PCF-LPG 透射谱的影响  42-44
    3.2.3 相移对O-PCF-LPG 透射谱的影响  44-46
  3.3 小结  46-47
第四章 八角格子光子晶体光纤光栅（O-PCFG）传感特性的研究  47-66
  4.1 温度与PCF 模式有效折射率的关系  47
  4.2 八角格子光子晶体光纤Bragg 光栅（O-PCFBG）传感理论  47-50
    4.2.1 O-PCFBG 的温度传感  47-49
    4.2.2 O-PCFBG 应力传感  49-50
  4.3 八角格子光子晶体光纤Bragg 光栅（O-PCFBG）的传感实验  50-56
    4.3.1 O-PCFBG 温度传感仿真分析  50-53
    4.2.3 O-PCFBG 应力传感仿真分析  53-54
    4.3.3 光纤结构参数对O-PCFBG 温度和应力传感的影响  54-56
  4.4 八角格子光子晶体光纤长周期光栅（O-PCF-LPG）的传感理论  56-58
    4.4.1 O-PCF-LPG 的温度传感  56-57
    4.4.2 O-PCF-LPG 的应力传感  57-58
  4.5 O-PCF-LPG 的传感仿真分析  58-63
    4.5.1 O-PCF-LPG 温度传感仿真分析  58-60
    4.5.2 O-PCF-LPG 应力传感仿真分析  60-62
    4.3.3 光纤结构参数对O-PCF-LPG 温度和应力的影响  62-63
  4.6 一种基于O-PCFBG 的单参量传感系统  63-64
  4.7 小结  64-66
第五章总结与展望  66-68
致谢  68-69
参考文献  69-73
攻读硕士学位期间发表的论文  73

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器（变换器）、传感器
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