基于双螺旋微纳光纤耦合器的光学游标传感特性研究

针对双螺旋结构微纳光纤耦合器(DHMC),理论研究其游标效应的内在机理和光谱特性。实验制备直径为5~7μm的DHMC,并研究其应变、温度以及折射率的传感特性,采用快速傅里叶变换(FFT)并利用带通滤波对特征干涉光谱数据进行提取,分别得到在x、y正交偏振态下的干涉光谱以及它们叠加形成的游标光谱。实验结果表明:制备的DHMC的结构参数及光谱特性与基于理论分析的预测基本吻合;DHMC的x、y偏振态干涉谱叠加形成的游标效应光谱与x、y正交偏振态下的干涉光谱相比较,对应变和温度传感呈现出减弱的光学游标效应,而对折射率传感则呈现出增强的光学游标效应。以上研究结论对DHMC的制备及其在折射率、温度及应变传感中的应用具有实际指导意义。

熔融拉制微纳光纤耦合器的仿真模拟

为了对微纳光纤耦合器进行研究,采用光束传播法,在不同熔融区长度和不同波长输入光情况下对微纳光纤耦合器的熔融拉制过程进行数值模拟,取得了输出光功率随拉伸长度变化的曲线和光场分布,并分析了耦合器的3个阶段的模场变化和光场特点。结果表明,当拉伸到微纳光纤耦合器失去有效耦合阶段时,两光纤的输出光功率趋于相等且不再随拉伸长度的变化而变化;熔融拉锥耦合器在各个阶段的光场分布特点不同;熔锥型的微纳光纤耦合器失去有效耦合与熔融区的光纤直径直接关联,且此光纤直径与输入光的波长有关,波长越小,熔融区需经拉伸达到的光纤直径越小。这一结果对研究微纳光纤耦合器失去有效耦合的成立条件是有帮助的。

熔锥型微纳光纤耦合器的理论与实验研究

针对熔融拉锥系统制得的熔锥型微纳光纤耦合器,选择适当的连续函数描述其光场分布,采用归一化的三角分布和矩形分布的加权叠加,以及高斯分布和三角分布的加权叠加实现了模场沿耦合器区域的连续变化;利用局部模式耦合理论推导出腰区及腰区附近锥形区的耦合系数计算公式,并得到微纳光纤耦合器输出光功率随拉伸长度的变化曲线.计算结果表明,随着拉伸长度的增加,光能量在两臂中来回交替耦合的程度变小并且呈现包络样,直至腰区耦合功能消失.通过实时监测拉制微纳光纤耦合器的输出光功率,得到火焰扫描宽度以及氢气流量对双纤失去耦合效应拉伸长度的影响:火焰扫描宽度(均匀腰区)越宽,拉伸长度临界值越大;氢气流量(熔融度)越大,拉伸长度临界值越小.实验结果显示,当光纤耦合器腰区直径达到1.6μm时,耦合功能消失,两输出端口光功率相同且恒定,微纳光纤耦合器具备稳定的光学传输特性.

微纳光纤耦合应变传感器

为了实现高精度的应变传感测量,提出了一种基于高灵敏度微纳光纤耦合应变传感器。将两根单模光纤剥掉涂覆层后放置于光纤拉锥平台上,并将这两根光纤相互缠绕在一起,设置所需拉锥参数,打开氢气流量,利用氢气火焰对两根光纤进行拉锥燃烧,制备光纤耦合器,利用耦合后的强倏逝场特性实现对应变的测量。通过对该器件的反复测量,得出它具有很好的可逆性。为克服交叉敏感问题,通过干涉波谷对温度与应变具有不同敏感特性,利用系数矩阵解决温度对应变的影响。实验结果显示,应变灵敏度为20.35 pm/με,相应的线性相关系数为99.9%。该应变传感器相较于其他传感器灵敏度高、稳定性好、成本低,在建筑安全检测等方面具有一定的应用价值。

基于双通道反射式微纳光纤耦合器膜片的精准连续血压监测

提出一种反射式微纳光纤耦合器传感膜片,以实现高精度、连续和无创血压监测。该传感膜片由反射式微纳光纤耦合器、聚二甲基硅氧烷薄膜和环氧树脂基底组成,具有很高的压力灵敏度(-0.682 kPa-1),且无需精确空间对准即可实现脉搏波检测;然后,构建双通道脉搏波检测系统,以获得肱动脉传导时间、桡动脉传导时间以及桡动脉和肱动脉之间的传导时间差值;基于上述参量,利用支持向量回归算法建立血压预测模型。实验结果表明,所提系统的收缩压平均偏差和标准偏差分别为0.08 mmHg和1.13 mmHg,舒张压的平均偏差和标准偏差分别为-0.35 mmHg和1.25 mmHg,符合美国医学仪器促进协会的标准,与其他类型的传感器相比,所提系统的准确度有明显提高。使用该系统监测一天内以及运动时的血压波动,结果表明该系统在连续精准测量血压方面具有可行性及很大的应用潜力。

基于光纤过耦合器结构的温度应变传感器

从微纳光纤耦合的角度,采用单模光纤2×2耦合的方式,利用光纤过耦合设计出一种光纤传感器。通过改变光纤耦合器的拉锥参数使其达到过耦合状态,此时光纤自身的过耦合结构受环境影响导致光波长会对外界的温度和应变变化有较高的响应度,以此来实现对温度和应变的测量。实验中分别拉锥了过耦合长度为22 000μm和22 500μm的光纤过耦合器,并比较了它们的透射谱。温度和应变的传感测试结果表明,波长对温度响应度最低满足104 pm/℃,对应变响应度最低满足-21 pm/με。

微纳光纤耦合器无标生物传感特性

提出了一种基于微纳光纤耦合器的高灵敏度、便携式生物传感器,并对该传感器用于无标生物检测的灵敏度和重复性进行了研究。通过熔融拉锥法拉制出腰椎直径为3μm的光纤耦合器,并进行折射率检测实验。实验测得折射率灵敏度为1402.3nm/RIU,对检测结果进行拟合,得到拟合曲线的相关系数为0.99459。微纳光纤耦合器的弱耦合模型的计算结果和实验结果相符。将此微纳光纤耦合器用于检测羊免疫球蛋白(IgG)抗原,得到了2pg/mL的检出限;10次解离再生实验验证了该传感器的重复性,表明了微纳光纤耦合器在无标生物传感中具有高检测灵敏度的潜力和较好的实用价值。

基于色散拐点微纳光纤耦合器的通孔悬臂梁振动传感器

研究了一种基于色散拐点(DTP)微纳光纤耦合器(OMC)的通孔悬臂梁高灵敏度振动传感器。首先,从理论上分析OMC的轴向应变特性和振动特性,及其在轴向应变作用下的光谱特性。然后,采用熔融拉锥法制备多种不同直径的OMC并进行轴向应变实验。实验结果表明:当OMC的直径为1.6μm时,其DTP位于1500 nm附近,轴向灵敏度高达-35 pm/με,约为普通OMC的3.5倍。最后,将具有高轴向应变灵敏度的OMC固定在通孔悬臂梁上,制作成一种高灵敏度振动传感器,用于检测振动信号。结果表明:传感器检测的频率范围为30~2800 Hz,在一阶谐振频率(52 Hz)处响应最强;在一阶谐振频率之前的平坦区(约40 Hz)中,传感器在微弱振动(0~0.6g)下的加速度灵敏度高达85 mV/(m·s^(-2)),并具有良好的线性度。

微纳光纤耦合器光致热引起的全光强度调控特性

对微纳光纤耦合器(OMC)光吸收致热引起的全光强度调控特性进行了理论分析和实验研究。理论分析结果显示,OMC全光强度调控器件的调制响应效率与OMC腰区长度、抽运光在OMC腰区的损耗系数及抽运调制光强成正比,而与OMC腰区耦合光纤的半径成反比。通过实验将强度调制的980nm抽运光注入OMC以加热其腰区,实现了对OMC传输的1550nm工作光的全光调控功能。在百微瓦量级的调控光功率作用下,OMC全光强度调控器件即可实现整周期、大调制深度的强度调制,且在较小调制光功率下,调制响应信号幅度与调制信号幅度呈线性响应关系。OMC光热调控最小响应调制光功率为几十微瓦量级。研究成果为开发基于OMC光致热效应的光衰减、光开关及强度调制器等全光功能器件提供了实验数据,并为微纳光子集成光路热稳定性管控及片基量子通信系统安全性研究提供了可借鉴的研究方案。

微光纤耦合器制作及振动传感特性研究

分析了微光纤耦合器的基本光学特性,利用微纳光纤拉制平台,在线监测制作出具有良好光学性能的微光纤耦合器,对微光纤耦合器的振动信号响应特性进行分析与实验研究,并进行了行人走动引起的振动信号的响应测试,实验结果表明微光纤耦合器对外界振动具有高灵敏度的传感性能,在区域点警戒方面具有一定的应用价值。

三根平行微纳光纤耦合特性研究

微纳光纤具有大比例倏逝场传输的光学特性,相比于普通光纤,其耦合现象更加明显。利用基于有限元法的COMSOL Multiphysics软件对三根平行微纳光纤进行了详细的数值模拟研究。计算结果表明,纤芯间距改变时,三根平行微纳光纤随传输距离变化的功率耦合分布的规律是相似的,都呈周期性分布。纤芯间距不同时,耦合周期发生变化,且随着纤芯间距的增大,耦合周期也逐渐增大。且入射光的偏振态对耦合周期和耦合效率也有一定的影响。利用三根平行微纳光纤的耦合特性,设计了一种3×1微纳光纤耦合器,当选取恰当的纤芯间距和耦合区长度时,3×1微纳光纤耦合器的耦合效率最高可达93.3%。

四端口微纳光纤制作及特性研究

针对通过双光纤直接拉伸法获得的腰区直径达到波长甚至亚波长尺度的微纳光纤耦合器(OMC)进行了制作与实验研究;实验结果显示,当OMC的腰区直径小于2.5μm,其腰区耦合功能将消失,OMC将成为具有合束和分束功能的四端口微纳光纤(FPOM);通过在线监测样品拉制过程、工作稳定性测试、波长扫描等实验方法,分析并界定了OMC和FPOM的光学特性差异;采用基于光吸收制热效应的全光调制方法,分别对OMC和FPOM的光调制能力进行测试分析;FPOM具备稳定的光学传输特性,其分束比对波长、温度、传输光功率波动等物理参量不敏感,可用于微纳光子器件的集成;而经过结构优化设计的OMC不但可以用于温度、振动等传感研究,还具备作为全光调制器的潜力。