多矩形芯光纤设计、制备及其光学特性研究

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集成干涉仪由于灵敏度高、测量范围大以及可靠性高已经被广泛的应用到传感领域。多芯光纤在集成干涉仪中发挥着重要作用,在环境传感和弯曲传感等方面已经有所应用。多芯光纤集成干涉仪的优点如下:尺寸小、灵活应用和热敏感性小。但是集成干涉仪通常是由传统的低双折射光纤构成,在传感器工作过程中存在信号偏振衰退现象,导致传感器性能降低。为了减小偏振衰退,本文提出了一种多矩形芯光纤,由于纤芯是矩形的且纤芯和包层的不对称,这种光纤可以产生高双折射。本文主要从以下几个方面进行研究:(1)根据纤内集成干涉仪存在的偏振信号衰退现象,提出了高双折射多矩形芯光纤。对多矩形芯光纤的理论进行了简单的介绍。(2)多矩形芯光纤结构设计以及参数优化,实心结构光纤由高折射率纤芯和纯二氧化硅包层组成,三个矩形芯在同一个圆周上,矩形芯中心与圆的中心连线之间的夹角为120°;空心结构光纤中间是一个大空气孔,三个高折射率矩形芯在同一个圆周上,矩形芯中心与圆的中心连线之间的夹角为120°,光纤包层材料是不掺杂的二氧化硅管。(3)利用有限元分析方法(FEM),结合多物理场仿真软件COMSOL对多矩形芯光纤光学特性进行仿真分析,主要分析以下特性:光纤模式特性、光纤的模式双折射、倐逝场特性以及单个矩形芯光纤弯曲损耗特性。其中对模式双折射进行了仔细研究,包括几何参数、材料参数以及应力棒介入对模式双折射的影响。(4)多矩形芯光纤制作方法和步骤,包括改进MCVD制做锗掺杂芯棒技术、划片切割成槽-堆积法组制预制棒技术和多矩形芯光纤的拉丝技术。(5)空心结构多矩形芯光纤模式双折射影响因素以及控制方法。可以调整纤芯的尺寸、纤芯锗掺杂浓度和纤芯距离空气孔的距离来调整双折射大小。还可以在中间空气孔出引入一个应力棒,这样会产生较大的内应力,实现高双折射。在中间空气孔中填充不同折射率的液体,此时纤芯中的光会更多的渗透进入空气孔区域,空气孔区域倐逝场会增强。单个矩形芯光纤可以通过向某个固定方向弯曲实现单偏振。经过研究表明,我们提出的多矩形芯特种光纤拥有高双折射特性,其双折射可以达到10-4,这种高双折射特性能够在减小偏振信号衰退方面得到进一步的应用。当空气孔中填入不同折射率材料液体时,会出现色散异常现在,能产生一个较大的负色散,希望在色散传感方面得到应用。单芯矩形芯中空光纤可以向特定的方向弯曲,通过调节弯曲半径实现单偏振。
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