SMS光纖結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)傳性測量實驗研究報告目錄TOC\o"1-3"\h\u14020SMS光纖結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)傳性測量實驗研究報告 1296631.1非對稱拋磨SMS光纖結(jié)構(gòu)的設計 1315801.2非對稱拋磨SMS光纖結(jié)構(gòu)光場仿真 2207101.3非對稱拋磨SMS光纖結(jié)構(gòu)樣品的制備 5212351.3.1光纖側(cè)拋裝置 5124781.3.2制備步驟 5265531.3.3拋磨前后傳輸光譜對比 674581.4SMS光纖結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)特性測量 6193331.4.1非對稱SMS光纖結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)特性測量 6316051.4.2標準SMS光纖結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)特性分析 814181.4.3不同偏振狀態(tài)下非對稱拋磨SMS光纖結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)靈敏度測量 9307341.4.4非對稱拋磨SMS光纖結(jié)構(gòu)的溫度特性分析 91.1非對稱拋磨SMS光纖結(jié)構(gòu)的設計本文研究的是非對稱拋磨SMS結(jié)構(gòu)，是對傳統(tǒng)單多單結(jié)構(gòu)中的多模光纖進行兩個不同方向、不同深度的拋磨處理，多模光纖選取長度為4cm。多模光纖的截面圖如圖1.1所示，第一面的拋磨深度PD1為30μm，第二處拋磨深度PD2為20μm，并且兩個拋磨方向的夾角為45°。圖1.1多模光纖側(cè)拋前后截面圖仿真使用的SMS光纖結(jié)構(gòu)中多模光纖長度為4cm，包層直徑為125μm，包層的折射率為1.4271，纖芯直徑為105μm，纖芯折射率為1.4446。單模光纖包層直徑為125μm，包層折射率為1.4447，纖芯直徑為8.3μm，纖芯折射率為1.4504，輸入端和輸出端的單模光纖長度均為0.1cm。1.2非對稱拋磨SMS光纖結(jié)構(gòu)光場仿真將一單波長入射光由單模光纖輸入，此時以基模形式傳輸，當傳輸進多模光纖時會發(fā)生多模耦合現(xiàn)象激發(fā)一系列高階模式，并且在多模光纖內(nèi)發(fā)生干涉現(xiàn)象，仿真得到了多模光纖中光線傳輸方向的光場分布。仿真采用的是三維模式，總體環(huán)境設置中設置光的波長為1550nm，外部環(huán)境的折射率為1.33。將波長1550nm的光輸入到光纖結(jié)構(gòu)后，所得到的多模光纖內(nèi)在光線傳輸方向上的光場分布如圖1.2所示。圖1.2非對稱拋磨SMS光纖結(jié)構(gòu)內(nèi)的光場分布結(jié)果圖由圖1.2可以看出1550nm的單色光由單模光纖傳輸進多模光纖中時，發(fā)生了多模干涉效應，光的能量并不是集中分布于單模光纖的纖芯所在直線，而是在多模光纖內(nèi)都有分布，并且由于光的折射原理和全反射原理，光主要在單模光纖的纖芯內(nèi)和多模光纖內(nèi)傳播，而在單模光纖的包層以及外部環(huán)境里光的能量分布近似為零。此外，通過圖1.2我們還可以看出，拋磨后的SMS光纖結(jié)構(gòu)的光場分布是不對稱形態(tài)的，并且多模干涉效應依然存在。仿真中所構(gòu)造的拋磨后SMS光纖結(jié)構(gòu)的光場分布圖像與理論預期的圖像相同，所以將使用上述拋磨后SMS光纖結(jié)構(gòu)進行后續(xù)仿真。將拋磨后多模光纖傳輸方向上的耦合損耗進行仿真，仿真結(jié)果如圖1.3所示。圖1.3非對稱拋磨MMF與輸出端SMF的耦合損耗結(jié)果圖1.3是仿真拋磨后SMS光纖結(jié)構(gòu)在多模光纖4cm長度范圍內(nèi)的耦合損耗。其中橫軸傳輸距離中包含了單模輸入光纖以及單模輸出光纖各0.1cm?？梢钥闯?，與帶有未拋磨多模光纖的標準SMS光纖結(jié)構(gòu)的耦合損耗圖相比，拋磨后SMS光纖結(jié)構(gòu)中不能觀察到由自成像現(xiàn)象導致的周期性現(xiàn)象。紅色圓圈標注的是四個不同軸向位置的耦合損耗:a點為輸入端（多模長度0μm），b點為最小損耗處（多模長度19000μm)，c點為最大損耗處（多模長度31400μm)和d點為輸出端（多模長度40000μm)。為了分析拋磨后SMS光纖結(jié)構(gòu)內(nèi)的光場分布，基于BPM進行了數(shù)值模擬，對圖1.3中位置對應的特定模態(tài)場分布分別進行了拋磨前后模式場對比圖仿真對比，如圖1.4、圖1.5、圖1.6、圖1.7所示。圖1.4拋磨前后輸入端（多模長度0μm）的模式場（a）標準SMS光纖結(jié)構(gòu)多模長度0μm的模式場（b）拋磨后SMS光纖結(jié)構(gòu)多模長度0μm的模式場由于拋磨工作是針對多模光纖進行的，而在輸入端（多模長度0μm）時，拋磨前后SMS光纖結(jié)構(gòu)模式場對比圖是一樣的，沒有區(qū)別。圖1.5拋磨前后最小損耗處（多模長度19000μm）的模式（a）標準SMS光纖結(jié)構(gòu)多模長度19000μm的模式場（b）拋磨后SMS光纖結(jié)構(gòu)多模長度19000μm的模式場圖1.6拋磨前后最大損耗處（多模長度31400μm）的模式（a）標準SMS光纖結(jié)構(gòu)多模長度31400μm的模式場（b）拋磨后SMS光纖結(jié)構(gòu)多模長度31400μm的模式場圖1.7拋磨前后輸出端（多模長度40000μm）的模式（a）標準SMS光纖結(jié)構(gòu)多模長度40000μm的模式場（b）拋磨后SMS光纖結(jié)構(gòu)多模長度40000μm的模式場綜合圖1.4、圖1.5、圖1.6、圖1.7可以看出，模場在輸入端的分布仍然是圓對稱的，但隨著光在非對稱拋磨SMS光纖結(jié)構(gòu)中傳播，模場分布不再是對稱的，產(chǎn)生的強度由多模干涉效應隨傳播距離決定。1.3非對稱拋磨SMS光纖結(jié)構(gòu)樣品的制備1.3.1光纖側(cè)拋裝置采用精密的光纖拋磨系統(tǒng)制備非對稱拋磨SMS光纖結(jié)構(gòu)。光纖側(cè)拋裝置如圖1.8所示，其可以實現(xiàn)不同拋磨深度、角度、長度的制備。圖1.8光纖側(cè)面拋磨實驗裝置原理圖光纖拋磨系統(tǒng)由電動滾輪、CCD觀測系統(tǒng)和控制單元三個主要部分組成。在電動滾輪的外表面覆蓋一層用于拋磨多模光纖的砂紙。砂紙粗糙度的選擇會影響拋磨平整度和拋磨時間，本實驗中選取的是粗糙度為800目的砂紙。電動滾輪由自動控制單元來調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)速度和水平移動速度，可在旋轉(zhuǎn)的同時水平移動，產(chǎn)生不同的拋磨長度。CCD攝像機與電腦連接，實時監(jiān)測多模光纖的拋磨深度。1.3.2制備步驟在拋磨多模光纖之前，在兩段單模光纖之間焊接一個4cm長的多模光纖來制備普通的SMS光纖結(jié)構(gòu)。非對稱拋磨SMS光纖結(jié)構(gòu)的制備工藝可分為三個步驟。首先用兩個光纖夾具固定普通SMS光纖樣品，確保預拋磨部分位于兩個光纖夾具的中點。接下來在控制單元中設定具體的拋磨參數(shù)，包括拋磨長度以及拋磨深度。當一面拋磨完畢后，將SMS光纖樣品精確旋轉(zhuǎn)到45°。最后重復上述步驟制作第二個拋磨面，此時即可完成非對稱拋磨SMS光纖結(jié)構(gòu)的制備。多模光纖在非對稱拋磨前后顯微鏡下的截面圖如圖1.9所示圖1.9MMF截面顯微鏡照片（a）拋磨前（b）非對稱拋磨后1.3.3拋磨前后傳輸光譜對比本節(jié)中將拋磨前后的SMS光纖結(jié)構(gòu)在波長范圍1400nm-1500nm內(nèi)進行仿真，得到了SMS光纖結(jié)構(gòu)的傳輸光譜曲線，并將兩個傳輸光譜作對比，對比結(jié)果如圖1.10所示。圖1.10非對稱拋磨前后SMS光纖結(jié)構(gòu)的光譜通過觀察圖1.3我們可以看出，經(jīng)過拋磨后的SMS光纖結(jié)構(gòu)的透射損耗有所增加，波長略有偏移，這是由于折射率分布的變化導致多模干涉效應有所減弱所導致。1.4SMS光纖結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)特性測量1.4.1非對稱SMS光纖結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)特性測量本節(jié)中將對制備好的非對稱拋磨SMS光纖結(jié)構(gòu)樣品進行扭測量，實驗所使用的扭轉(zhuǎn)測量裝置如圖1.11所示。圖1.11方向扭轉(zhuǎn)測量實驗裝置原理圖將非對稱拋磨SMS光纖結(jié)構(gòu)固定在兩個平臺之間，其中一個平臺保持固定，另一個平臺可自由旋轉(zhuǎn)。實驗中采用超連續(xù)光源提供寬帶光源，并利用偏振控制器改變輸入非對稱拋磨SMS光纖結(jié)構(gòu)的輸入光的偏振狀態(tài)。光譜分辨率為0.02nm的光譜分析儀采集輸出的光信號用。通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)平臺來精確地控制旋轉(zhuǎn)角度θ，利用公式τ=θ/L來計算相應的扭曲率，即單位長度施加的扭轉(zhuǎn)應力。其中L為固定平臺與旋轉(zhuǎn)平臺之間的距離，如圖1.11中所示，固定為17cm。將實驗測得的數(shù)據(jù)進行處理，得到如圖1.12（a）所示的結(jié)果。圖1.12（a）順時針和逆時針方向扭轉(zhuǎn)時非對稱拋磨SMS光纖結(jié)構(gòu)的光譜變化（b）波長偏移與扭曲率的線性擬合結(jié)果圖1.12（a）為非對稱拋磨SMS光纖結(jié)構(gòu)沿順時針和逆時針方向，以30°步長扭轉(zhuǎn)時的光譜變化圖，此時將偏振控制器設置為零偏振狀態(tài)。從圖中可以觀察到，傳感器的波長移動方向與扭轉(zhuǎn)方向有關(guān)，順時針方向扭轉(zhuǎn)時諧振波長紅移，逆時針方向扭轉(zhuǎn)時諧振波長藍移。以上結(jié)果表明論文中設計的結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)方向扭轉(zhuǎn)測量。將圖1.12（a）中的數(shù)據(jù)線性擬合，所得到的線性擬合圖像如圖1.12（b）所示。對圖1.12（b）的結(jié)果進行線性回歸分析，計算出相應的靈敏度。順時針方向的靈敏度值為0.160nm/（rad/m），擬合系數(shù)R2為0.970；逆時針方向的靈敏度值為-0.140nm/（rad/m），擬合系數(shù)R2為0.988。1.4.2標準SMS光纖結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)特性分析本實驗為了證明是非對稱拋磨使得SMS光纖結(jié)構(gòu)對扭轉(zhuǎn)方向有了辨別能力，在相同長度為4cm標準SMS光纖結(jié)構(gòu)上進行了扭轉(zhuǎn)對比實驗。實驗結(jié)果如圖1.13所示。圖1.13標準SMS光纖結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)曲線圖從圖1.13中我們可以觀察到，無論扭轉(zhuǎn)是順時針方向還是逆時針方向，標準SMS光纖結(jié)構(gòu)的諧振波長幾乎沒有移動。波長偏移隨扭曲率的變化如圖1.14所示。通過計算得到波長移動方差為0.0027nm2，這就證明了標準SMS光纖結(jié)構(gòu)對扭轉(zhuǎn)辨別的靈敏度很低。由此可見，是非對稱拋磨引起的雙折射效應使得SMS光纖結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)的測量，并且還具有方向識別能力。圖1.14標準SMS光纖結(jié)構(gòu)的波長移動隨扭曲率變化折線圖1.4.3不同偏振狀態(tài)下非對稱拋磨SMS光纖結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)靈敏度測量由于多模光纖在非對稱拋磨后表現(xiàn)出偏振的相關(guān)特性，因此本實驗還對非對稱拋磨后的多模光纖進行了在不同偏振狀態(tài)下的靈敏度特性進行了研究。將測得數(shù)據(jù)進行處理并繪制折線圖，所得到的圖像如圖1.15所示。圖1.15不同偏振態(tài)下非對稱拋磨SMS光纖結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)靈敏度圖1.15為以π/6rad為步長，從0變化到π的非對稱拋磨SMS光纖結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)靈敏度變化折線圖，偏振狀態(tài)為0和π/2rad代表沿光纖快軸和慢軸發(fā)射的輸入光。從圖1.15的測量結(jié)果可以看出，非對稱拋磨SMS光纖結(jié)構(gòu)對不同偏振態(tài)的扭轉(zhuǎn)靈敏度不同。當偏振態(tài)為0或πrad時，此傳感器順時針方向的扭轉(zhuǎn)靈敏度大于逆時針方向的扭轉(zhuǎn)靈敏度。相反地，當偏振態(tài)設置為π/2rad時，順時針方向的扭轉(zhuǎn)靈敏度要低于逆時針方向的扭轉(zhuǎn)靈敏度。1.4.4非對稱拋磨SMS光纖結(jié)構(gòu)的溫度特性分析實驗中還對非對稱拋磨SMS光纖結(jié)構(gòu)的溫度響應進行了研究，具體的實驗裝置如圖1.16所示，非對稱拋磨SMS光纖結(jié)構(gòu)被放置在電控加熱爐上，通過一個內(nèi)置電子溫度計測量實時溫度，數(shù)值顯示在面板上。非對稱拋磨SMS光纖結(jié)構(gòu)的兩端分別于超連續(xù)光譜和光譜分析儀相連，以進行溫度測量工作。圖1.16溫度測試實驗裝置圖當溫度從3