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山东科技大学
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[硕士论文] 宫顺顺
通信与信息系统 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:光纤Bragg光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)作为一种优良的光纤器件,自从产生以来,就被广泛应用于光纤传感和光纤通信等领域。由于FBG中的光信号为一种极窄线宽的波长信号,因此,对于该信号的测量可以克服光源波动的干扰,同时兼具光纤器件的低损耗、易于复用和抗电磁干扰等优点。
  石墨烯作为一种由单层碳原子构成的二维蜂窝状结构的晶体,具有独特的能带结构,理论和实验研究,均表明石墨烯有着良好的光学、热学和电学特性。将石墨烯与光纤结合是近年来开展的工作,利用石墨烯优良的特性,结合光纤微纳光传输结构,开发石墨烯光纤器件是目前国内外的研究热点。
  本论文以EFBG(Etched FBG)为研究对象,依据石墨烯材料特殊的光学和热学特性,通过理论和实验相结合的方法对石墨烯膜EFBG器件的温度和光控特性进行了深入的研究。论文工作主要包括:
  1、综述了石墨烯膜光纤光栅器件的研究现状并总结了石墨烯材料的成膜方法。对EFBG和石墨烯膜的性质进行分析,从理论上对FBG和EFBG的理论模型和传感机制进行研究,通过模场仿真软件研究石墨烯对EFBG传输光场的影响,为石墨烯膜EFBG光子器件的研究奠定了理论基础。
  2、石墨烯膜EFBG温度特性研究。以FBG温度特性为基础,对石墨烯膜EFBG的温度特性进行研究,实验获得了不同处理方式下的温度灵敏度,未处理过的FBG的灵敏度为10.3pm/℃,EFBG的温度灵敏度为11pm/℃,石墨烯膜EFBG的温度灵敏度为11.6pm/℃。
  3、对石墨烯膜EFBG光控特性进行研究。以石墨烯膜EFBG为研究对象,对沉积有氧化石墨烯的EFBG器件进行光控特性研究,并对不同厚度石墨烯膜的光控特性进行实验,实验结果表明:当宽带光源的功率从1mw变化到55mw时,EFBG未去掉包层的反射峰的波长保持不变,去掉包层反射峰波长出现红移,共漂移了2.6nm,灵敏度为119.3pm/mw,在石墨膜厚度增大时,光控特性更为明显,当石墨烯膜的厚度为4.8nm时,波长漂移量最大,共漂移了3.433nm,且波长与功率具有良好的线性关系。
  4、对不同波长的激光光源的光控特性进行研究。实验中分别用波长为1500nm、1550nm和1600nm的激光光源进行光控实验。实验结果表明:对于波长分别为1500nm、1550nm和1600nm的激光光源分别调节其功率,得到的光控灵敏度分别为57.6pm/nm、52.7pm/mw、45.8pm/mw,波长越短,光控特性越好,且波长与功率均具有良好的线性关系。
摘要:Mach-Zehnder干涉仪具有制作简单,灵敏度高,实用性强等优点,但是本身质地脆弱,存在交叉敏感,灵敏度有待进一步提高等问题.基于此,该文利用碳纳米管封装光纤,在提高机械强度的同时提高光纤传感器的灵敏度.通过实验验证,利用碳纳米管封装Mach-Zehnder传感器在1.333-1.335折射率变化范围内拥有900nm/RIU的灵敏度,而在1.335-1.35的范围内拥有280nm/RIU的灵敏度....
摘要:基于小芯径光纤具有稳定性好,抗干扰能力强、成本低等优点,该文提出了一种纤芯失配式的多模干涉理论的光纤折射率传感器,由单模-小芯径-单模光纤组成.另外,制作了具有不同折射率值的溶液进行实验,且进一步研究了该传感器的传输光谱与折射率的关系.实验结果表明在测量折射率为1.334-1.4384的折射率溶液时该传感器得到了很好的灵敏度....
摘要:本文提出了一种基于全光纤马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉式光纤温度传感器结构,是在单模光纤(SMF)上熔接一段30mm长的细芯径光纤,利用光纤的纤芯模和包层模对温度灵敏度的差异,来测量在不同波长处的波长温度关系,实现对温度的测量.实验中我们分别对波长1531.2375nm和1544.39nm处的干涉波谷进行测量,得到两个波谷的温度灵敏度分别为89pm/℃和94.7pm/℃,该温度灵敏度系数远远大于光纤布拉格光栅,且测试曲线呈现很好的线性度.该类传感器具有结构简单、温度灵敏度高、造价低等优点....
摘要:设计并制作了一种基于马赫-曾德干涉仪(Mach-Zehnder interferometer,MZI)原理的温度与压力同时测量的光纤传感器,该传感器采用多模-细芯-多模(Multimode fiber-Thin core fiber-Multimode fiber,MTM)结构,其原理是,当多模光纤(Multimode fiber,MMF)中的光到达第1个熔接点时一部分进入细芯光纤(Thin core fiber,TCF)的纤芯,激发起纤芯模;另一部分进入TCF的包层,激发起包层模.当这两部分光到达第2个熔接点处时,TCF纤芯中的光进入MMF的纤芯,TCF包层中的光一部分进入到MMF的包层,另一部分进入MMF的纤芯,与纤芯模式发生干涉.外界环境如温度、压力等发生改变时干涉谱将随之漂移,因此可以通过观察光谱中干涉谷的漂移来测量外界温度、压力的变化.当温度变化范围为30℃-90℃时,实验测得Dip1、Dip2的温度灵敏度分别为0.042 4 nm/℃、0.051 9 nm/℃.当压力变化范围为0 N-9.8 N时,实验测得Dip1、Dip2的压力灵敏度分别为-0.240 6 nm/N、-0.5244 nm/N.由于Dip1和Dip2对温度和压力的灵敏度分别不同,因此可以利用矩阵实现对温度和压力的同时测量.该传感器制造简单精巧,成本较低,具有一定的研究以及应用价值....
摘要:制作了一种基于细芯光纤TCF(Thin-Core Fiber)和双球结构的干涉型光纤传感器.在两根单模光纤的一端分别制作球形结构,两个球形结构由细芯光纤相连构成MZ干涉结构,实现了对温度、折射率、拉力3个物理量的测量.实验结果表明,温度、折射率、拉力的灵敏度分别是0.066 5 nm/℃、-33.652 nm/RIU、-0.360 8 nm/N,且线性度良好.该传感结构在环境监测、医疗卫生和安全监测等领域有着广泛的应用....
摘要:全光纤干涉式传感结构中包层模场与外界物理量作用,携带被感测信息,因此对包层模的研究是设计制作和提高该类传感器传感性能的关键.利用有限差分光束传播法获得传感光纤不同长度和不同芯径比时传感器对应的光谱,通过傅里叶变换获得其干涉频谱,计算出各主要参与干涉的包层模组的有效折射率,利用色散方程确定对应包层模.理论仿真结果显示,随着传感部分光纤长度增加,参与干涉的包层模式随之增加,并且向高阶模式变化,光谱变得稠密,是多阶包层模干涉的叠加,传感器输出干涉谱的自由光谱范围变小.随着输入光纤与传感光纤芯径比变化,会明显改变纤芯包层功率分布,同时,芯径比增大也会增加参与干涉的包层模种类和阶数....
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