光纤光栅温度调谐技术研究

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光纤光栅是一种重要的光纤无源器件,具有体积小、成本低、波长编码、与光纤系统天然兼容等特点,广泛应用于光纤传感及光纤通信领域。本文综述了目前光纤光栅温度调谐的主要技术手段及研究成果。本文主要研究工作如下:理论方面:阐述了光纤光栅光谱分析的数值方法即传输矩阵法,给出了非均匀温度场分布下求光纤光栅啁啾光谱的方法及MATLAB仿真源代码;建立了光纤加热器传热分析简化数学模型;给出了I/V光电放大模块的设计方法。仿真分析方面:应用COMSOL有限元仿真软件研究了单模光纤的径向及轴向传热特性,得到光纤光栅热调谐的时间常数极限值约为1.3ms,轴向热扩散深度约为7mm;得到表面镀3μm铜膜的光纤光栅,在200mW电功率下升温幅度可达700℃,温度稳定时间约4s;给出了一种石墨芯结构的光纤加热器设计模型,分析了加热器表面温度场分布特点,并用传输矩阵法仿真分析了温度场对光栅反射谱的影响,表明此种结构加热器非常适合光纤光栅中心波长的线性调谐,60mm石墨芯光纤加热器在10W电功率下波长调谐范围可达6nm,光谱啁啾及展宽可以忽略;设计了一种由石墨芯及铜电极构成的非均匀温度场光纤加热器模型,该模型在光纤光栅谱型控制方面有一定应用价值;分析了光纤光栅非均匀温度场传感特性,仿真结果表明被测物表面温度场分布能“无失真”传递到光纤纤芯上,光纤轴向传热引起的轴向温度场混叠效应微弱,光纤能精确感受作用在其外柱面边界上的非均匀温度场;给出了各种典型非均匀温度场作用下光纤光栅反射谱规律。实验方面:制作了双路I/V光电变换电路模块,实测带宽为6.6MHz,跨阻放大倍数为10000倍;分别设计了卤素灯式加热器、石墨芯式加热器两种光纤加热器,并搭建了温控光纤光栅波长调谐实验系统;利用石墨芯式光纤加热器进行了基于温控光纤光栅的波长解调验证性实验及光纤光栅谱型的啁啾切趾实验,展示了光纤光栅温度调谐技术的实际应用;测试了康宁SMF-28光纤制得的光纤光栅在524K温度下折射率调制深度随时间衰变的关系图,拟合出了热衰减模型的三个系数,用以分析光纤光栅在任意温度下的长期稳定性。
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