多模光纤光栅的特性及其较单模光纤光栅优越性的研究

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光纤光栅具有体积小、重量轻、可集成、抗电磁干扰、价格便宜等特点,在传感技术、色散补偿、波分复用等领域得到广泛的应用。目前,运用最多的光纤光栅是单模光栅,当然单模光纤有其自身的优点,但是单模由于单模光纤的纤芯比较小(一般小于10um),所以除了单模光纤和激光二极管外,单模光纤很难与其他的光器件或光源进行耦合。但如果将单模光纤换为多模光纤就能很好的弥补这个缺陷。多模光纤光栅不但具有单模光纤光栅的各项特性,还具有自身特有的优点:(1)由于多模光纤的纤芯比较粗(一般能达到50um或62.5um),这使得它很容易与光源以及其他光器件发生耦合,而且制作多模光纤的成本较低,这样用多模光纤光栅代替单模光纤光栅就可以降低产业化的成本。(2)由于多模光纤光栅的反射和透射峰具有多峰结构的特点,人们可以从这些反射/透射峰中得到更多的信息,这样就可以利用这一多峰的特点来解决在传感技术中一直困扰我们的温度与应力的交叉敏感问题,还可以解决光纤光栅解调中匹配光栅易受外界因素影响的问题,这些对光纤的传感技术都是很有利的。(3)由于多模光纤光栅的孔径大易耦合,所以它可以承受较大的可恢复应变。(4)波长调谐范围大。本文从三个方面分析多模光纤光栅的特性及其较单模光纤光栅的优越性。1多模光纤光栅的传感特性单模光纤光栅只能对单一参量(温度,应力,压力)进行传感测量。当两个或两个以上的参量同时发生改变时,单模光纤光栅无法分辨出各个参量对中心波长的影响。由于多模光纤光栅中存在很多模式,各个模式的折射率不同,对应的中心波长不同,各个模式的温度、应力、压力的灵敏度也不同。所以,用多模光纤光栅可以实现对温度、应力、压力的同时测量。用于双参量测量的两个波长要求间隔比较大,所以我们选用多模光纤光栅中的第0阶主模和第17阶主模来实现对温度、应力、压力的同时测量。文中分别分析了0阶和17阶主模的温度、应力、压力灵敏度,计算得出0阶和17阶主模的温度灵敏度为11.55pm/0C和11.11pm/0C,压力灵敏度为4.292pm/MPa和4.546pm/MPa,0阶和17阶主模的应变灵敏度相差特别小,他们的差距可以忽略。基于上面的分析,我们模拟了当温度改变200C,压力改变1000Mpa时,0阶和17阶主模透射谱的漂移情况。计算出0阶主模的漂移量为4.0612nm,17阶主模的漂移量为4.3243nm,他们的差距为0.3nm这个差距是比较小的。所以当温度和压力改变量比较大时,可以用多模光纤光栅实现温度压力的同时测量。而当这两个量变化比较小时,不适合用于双参量的测量。2多模光纤光栅的色散补偿技术由光纤光栅的色散理论得出,光纤光栅在波长满足δ=κ位置处有一个大的负色散,这个负色散正好可以用来补偿WDM系统中由普通光纤引入的正色散。而且分析得出光纤光栅适合对透射光进行色散补偿,不适合对反射光进行色散补偿。单模光纤光栅只有一个透射峰,所以只可以对满足色散关系的一个光频率进行色散补偿。由于在多模光纤光栅中可以传输多个模式,所以可以用多模光纤光栅进行多信道色散补偿。本文分析了光栅长度L、光栅周期Λ、折射率该变量δ n对多模光纤光栅色散的影响。当光栅的长度L发生改变时,每个模式可补偿的色散最大值,以及色散最大值对应的波长都发生改变。而且当光栅长度太小时,就会发生两相邻模式的正负色散的叠加,这样在色散补偿过程中容易造成失真,所以用于色散补偿的光纤光栅长度不能太短。当光栅的周期改变的时候,每个模式的色散最大值不会发生变化,但色散值最大值对应的波长会发生漂移。随着光栅周期的增大,最大色散对应的波长向长波长方向移动。当光栅耦合系数κ改变的时候,每个模式的色散最大值以及色散最大值对应的波长都会发生改变,但对色散最大值对应的波长的影响不是很大。耦合系数变化在一个数量级之内,波长的漂移不超过0.1nm。耦合系数越大,各个模式的最大色散值也越大。在等功率激发条件下,每个模式的色散最大值是相同的,相邻模式的信道间隔是相同的。而且随着上述参数改变的时候,每个模式的色散最大值以及色散最大值对应的波长的变化规律是相同的。在不等功率激发的条件下,每个模式的最大色散值随激发条件的不同而不同,但信道之间的间隔不变。3多模光纤光栅的慢光效应讨论了光栅长度L、光栅周期Λ、折射率改变量δ n这几个参数对多模光纤光栅时延特性的影响。当光栅长度改变的时候,多模光纤光栅的各模式的时延最大值,以及时延最大值对应的波长都发生改变,光栅长度越长,时延最大值越大,脉冲光群速度越慢,慢光效应越明显。时延最大值对应的波长随着光栅长度的增加向短波长方向移动。光栅周期的改变只对时延最大值对应的波长有影响,各模式的时延最大值不随光栅周期的改变而发生变化。折射率的改变量δ n对最大时延值和最大时延值对应的波长都有影响,δ n越大,时延最大值越大。时延最大值对应的波长随δn的增大向长波长方向移动。在等功率激发条件下,多模光纤光栅每个模式时延最大值相同,时延最大值随各个参数的变化规律相同,相邻模式之间最大时延值对应的波长间隔相同。在不等功率激发的条件下,每个模式的最大时延值随激发条件的不同而不同,但信道之间的间隔不变。
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