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基于错位偏移无芯光纤的高灵敏度湿度传感器

仪表技术与传感器 2022年第10期 21-26页

作者：刘博于洋常伟夏凤沈阳工业大学信息科学与工程学院辽宁沈阳110087 沈阳仪表科学研究院有限公司辽宁沈阳110043

提出一种通过错位偏移拼接的高灵敏度光纤湿度传感器,使用无芯光纤进行错位结构熔接,形成马赫-曾德尔干涉结构。在结构的错位端面采用具有良好吸水性的聚乙烯醇(PVA)作为涂覆层材料,对传感器进行了理论与试验的研究。实验结果表明:所提... 详细信息

提出一种通过错位偏移拼接的高灵敏度光纤湿度传感器,使用无芯光纤进行错位结构熔接,形成马赫-曾德尔干涉结构。在结构的错位端面采用具有良好吸水性的聚乙烯醇(PVA)作为涂覆层材料,对传感器进行了理论与试验的研究。实验结果表明:所提出的传感器具有良好的折射率特性和湿度特性,灵敏度可达-77.4284 nm/RIU,此外涂覆PVA的传感器在测量湿度的同时提高光纤传感器的机械强度,使错位光纤传感器在工程应用中得以应用。

关键词：无芯光纤湿度传感器错位结构马赫增德尔干涉仪聚乙烯醇

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可双参量同时测量的干涉型全光纤传感器

光子学报 2015年第10期44卷 82-87页

作者：曹晔赵晨童峥嵘天津理工大学计算机与通信工程学院天津市薄膜电子与通信器件重点实验室天津300384

提出并制作了一种马赫增德干涉仪级联光纤布喇格光栅的全光纤传感器,其中马赫增德干涉仪由两个球形结构组成,起分光器和耦合器的作用.分析了各项结构参量对灵敏度的影响,结果表明马赫增德干涉峰和光纤布喇格光栅的透射峰对不同参量的灵... 详细信息

提出并制作了一种马赫增德干涉仪级联光纤布喇格光栅的全光纤传感器,其中马赫增德干涉仪由两个球形结构组成,起分光器和耦合器的作用.分析了各项结构参量对灵敏度的影响,结果表明马赫增德干涉峰和光纤布喇格光栅的透射峰对不同参量的灵敏度不同.实验测得马赫增德干涉峰对温度、折射率和液位的灵敏度分别为0.072 45nm/℃、87.65nm/RIU和0.029 714nm/mm;光纤布喇格光栅透射峰对温度的灵敏度为0.009 89nm/℃,但对折射率、液位不灵敏,因此可利用敏感矩阵实现双参量同时测量.该传感器可广泛应用于化学、生物和制药等领域.

关键词：光纤传感器马赫增德尔干涉仪球形结构光纤布喇格光栅温度折射率液位

复合结构光纤干涉仪的应变传感器的设计及其研究

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复合结构光纤干涉仪的应变传感器的设计及其研究

作者：黄炳森暨南大学

学位级别：硕士

随着国家基础设施建设,航天事业以及精密加工等领域的蓬勃发展,传感器在其中扮演的角色日益关键。而光纤传感器由于其独特的优势,例如体积小巧易于集成,抗电磁干扰,耐高温等特点,在结构健康监测,航天工业,精密加工等领域比传统的电子传... 详细信息

随着国家基础设施建设,航天事业以及精密加工等领域的蓬勃发展,传感器在其中扮演的角色日益关键。而光纤传感器由于其独特的优势,例如体积小巧易于集成,抗电磁干扰,耐高温等特点,在结构健康监测,航天工业,精密加工等领域比传统的电子传感器更加受到工程人员的青睐。本文以光纤法布里珀罗干涉仪(Fabry–Pérot interferometer)应变传感器为主要研究对象,通过分别引入马赫增德尔干涉仪(Mach-Zehnder-interferometer)机制以及光纤塞格纳克环干涉仪(Fiber Sagnac interferometer)机制两种方案,分别构建两种复合结构的光纤应变传感器。分别解决FPI应变传感器在高温情况下容易受到温度串扰导致的测量不准确的问题以及FPI传感器由于灵敏度不高导致测量不准确的问题,主要研究内容和创新点如下:(1)在FPI应变传感器的基础上,通过一段微腔将MZI机制引入到FPI结构中,构建一个复合结构的应变传感器,利用MZI和FPI对应变和温度的不同响应特性,通过矩阵运算的方法实现了温度和应变的同时测量,从而减缓了温度串扰的影响。本论文从仿真和实验上对所提传感器进行了相对应的研究。实验上证明了所提传感器的应变灵敏度为4.28 pm/με并且能在高温800℃下仍然能稳定工作,对于解决高温环境导致的FPI应变传感器测量误差问题具有重要帮助。(2)基于FPI应变传感器,通过引入FSI,并将FPI内置于FSI中,构建一个复合结构的应变传感器,通过合理设计两种干涉仪的自由光谱区的大小使输出光谱产生游标效应,利用游标效应的放大作用使所提传感器的灵敏度得到放大。从而减小了由于传感器灵敏度过低导致的测量误差。实验证明,这种基于游标效应的复合结构应变传感器的灵敏度比传统的单个FPI的灵敏度提升了19.7倍,达到65.1 pm/με,在目前为止所知同类型传感器中灵敏度最大。在工程应用上,所提出的传感器在解决光纤应变传感器由于灵敏度过低而导致的测量不准确的问题上具有重要作用。

关键词：光纤传感器法布里珀罗干涉仪马赫增德尔干涉仪塞格纳克干涉仪游标效应应变测量

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光通信波段低频压缩态光场的产生及应用

光通信波段低频压缩态光场的产生及应用

作者：要立婷山西大学

学位级别：硕士

压缩态光场作为连续变量量子信息科学研究中的重要资源之一,已经被应用于连续变量量子信息和量子计算领域,以及突破散粒噪声极限的精密测量领域,特别是利用压缩态光场可以填补激光干涉仪引力波探测器的真空通道,提高其探测灵敏度。连续... 详细信息

压缩态光场作为连续变量量子信息科学研究中的重要资源之一,已经被应用于连续变量量子信息和量子计算领域,以及突破散粒噪声极限的精密测量领域,特别是利用压缩态光场可以填补激光干涉仪引力波探测器的真空通道,提高其探测灵敏度。连续变量光通信波段1550 nm压缩态光场在光纤中有着极低的传输损耗,与现有的光纤通信系统高度兼容,是基于光纤的实际应用中的重要量子资源,因而制备光纤通信波段1550 nm非经典态光场非常必要。随着对压缩态光场更进一步的需求和应用,制备更低频段的压缩态光场引起了科学家的广泛关注。通过简并光学参量振荡器可获得低频真空压缩态光场,并为基于光纤的量子精密测量提供有效的量子光源。本文研究了连续变量1550 nm光通信波段低频压缩态光场的产生及应用,主要内容如下:1、介绍了压缩态光场产生的背景和应用以及低频压缩态光场的研究动机和国内外动态。2、首先介绍了利用光学参量下转换过程产生压缩态光场的理论模型,以及非线性晶体的准相位匹配技术和探测压缩态光场的平衡零拍探测技术。然后在实验上利用阈值以下I类简并光学振荡器,制备了连续变量1550 nm低频压缩态光场。在分析频段50 k Hz-900 k Hz范围内获得真空压缩态光场。在200 k Hz分析频率处,压缩态光场的最大压缩度达5.0 d B;在最低分析频率50 k Hz处,压缩态光场的压缩度为2.0d B。在分析频率低于50 k Hz时,DOPO输出的光场噪声起伏已经高于SNL,没有压缩输出。这主要是由于泵浦光场在音频段有非常高的弛豫振荡噪声、光路的寄生干涉以及探测器在音频段存在更高的电子学噪声等因素引起的。3、首先介绍了干涉仪特别是光纤干涉仪的种类和用途,以及压缩态光场在干涉仪中的应用及研究现状。然后在实验上搭建了马赫-增德尔全光纤干涉仪,并将产生的1550 nm光通信波段真空压缩态光场注入该全光纤干涉仪,填补其真空通道,光纤干涉仪测量信号的信噪比提高了约1 d B,初步搭建了量子增强型光纤干涉仪。

关键词：光通信波段低频压缩态光场光学参量振荡器马赫增德尔干涉仪量子增强

面向OSNR监测的智能数据处理系统的研究与实现

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面向OSNR监测的智能数据处理系统的研究与实现

作者：安娜北京邮电大学

学位级别：硕士

随着未来光网络在网络灵活性和传输容量两方面的飞速发展,作为信号无误码传输的保障——全光信号性能监测技术越来越受到人们的重视。在众多的信号性能参数中,可衡量信号噪声水平的光信噪比(OSNR)作为最基本的传输损伤指标,因其直接影... 详细信息

随着未来光网络在网络灵活性和传输容量两方面的飞速发展,作为信号无误码传输的保障——全光信号性能监测技术越来越受到人们的重视。在众多的信号性能参数中,可衡量信号噪声水平的光信噪比(OSNR)作为最基本的传输损伤指标,因其直接影响和反映了网络中的总体性能而显得尤为重要,因此需要得到有效地诊断和补偿。其中,利用信号和噪声的相干性差别进行带内OSNR监测的技术(干涉法OSNR监测技术),因其对色散、偏振模色散、输入信号功率、噪声偏振度和信号速率、码型不敏感,引起了越来越多的关注,是最具有实用潜力的监测技术之一。鉴于此,该论文致力于基于干涉法的带内OSNR监测技术研究。论文的主要工作如下:1、提出了一种新型的基于Lyot-Sagnac干涉环的多波长带内OSNR监测方案,该方案可对ITU间隔为200GHz的4波长40 Gbaud NRZ-QPSKWDM信号同时进行监测,监测范围为7～25dB (测量误差在±0.5 dB范围内),且每一通道的OSNR监测结果不受邻近通道OSNR值的影响。实验结果还表明该方案对待测信号波长、功率、色散、偏振模色散和偏振噪声都不敏感,具有很强的鲁棒性;能够用于多波长WDM系统中的信号OSNR值的同时监测。2、为解决干涉法监测带内OSNR实验中人工取数和处理数据的繁琐及误差,设计并实现了一套基于数据采集卡的面向OSNR监测应用的智能数据采集和数据处理系统。软件部分中,为实现实时数据采集和处理,采用了多线程的工作方式,主要包括有数据采集线程、数据存储线程和数据处理线程。在数据处理线程中,为减小采集数据的抖动而引入了三种数据平滑算法对采集数据进行平滑处理。并通过对电信号发生器产生的不同幅值、不同噪声水平的周期性信号进行不同平滑算法多次平滑处理,对比各平滑处理前后的数据,发现三种平滑算法均有效,且随着平滑次数的增多,信号更接近参考信号,三种算法中七点一次平滑方法最优。从针对干涉法OSNR监测的应用,并兼顾数据处理耗时的角度考虑,七点一次平滑算法两次平滑处理为最优平滑处理方式。3、结合智能数据处理系统与基于马赫增德尔干涉仪(MZI)的OSNR监测实验系统,通过实验验证了该智能数据处理系统的有效性、实时性,解决了人工取数和处理数据的繁琐及误差问题。通过对比去噪处理前后所测得的OSNR值,发现平滑算法可以有效抵御OSNR监测器输出功率的抖动所造成的OSNR测量误差,可显著的增大OSNR监测范围。通过对比各种平滑算法多次平滑处理后所得的OSNR值,发现三种平滑算法对增大OSNR监测范围均有效,其中七点一次平滑两次的效果最佳。最后,通过对系统参数(如输入信号光功率、偏置电压重频)的改变,发现该智能数据处理系统不受输入信号光功率和偏置电压重频变化的影响,具有很强的鲁棒性。

关键词： OSNR监测数据平滑算法数据采集卡马赫增德尔干涉仪 Lyot-Sagnac干涉环

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高级调制格式光信号相位和幅度再生技术研究

高级调制格式光信号相位和幅度再生技术研究

作者：李丰硕北京邮电大学

学位级别：硕士

相位敏感放大器(Phase Sensitive Amplifier,PSA)具有独特的相位选择特性,以其高增益,极低的噪声指数(理论上OdB),速度快,带宽宽的特点,在相位再生领域受到了越来越多的关注,尤其是对于相位调制信号,PSA在对信号功率进行放大的同时,可... 详细信息

相位敏感放大器(Phase Sensitive Amplifier,PSA)具有独特的相位选择特性,以其高增益,极低的噪声指数(理论上OdB),速度快,带宽宽的特点,在相位再生领域受到了越来越多的关注,尤其是对于相位调制信号,PSA在对信号功率进行放大的同时,可以实现信号的再生,弥补了相位不敏感放大器无法实现相位再生的缺陷。然而,现有的相位敏感放大器在相位再生的同时常常将部分相位噪声转换成幅度噪声,在之后的传输中,由于高登米勒(Gordon-Mollenauer,G-M)效应,幅度噪声又会转换成相位噪声,影响信号的质量。本文针对现有相位敏感放大器的上述问题,对马赫增德尔干涉仪结构进行改进,设计出一种幅度和相位同时再生的相位敏感放大器。本文的研究成果主要包括以下几个方面:首先,对四波混频效应(Four-Wave Mixing Effects)进行了理论推导,分析四波混频效应的原理,产生机制和相位失配理论,重点研究了四波混频效率的影响因素,得出光波间的频谱间隔,光纤的长度,工作波长,色散系数和衰减系数等是影响四波混频效率的主要因素,并根据理论推导提出了选择适合的频谱间隔和光纤长度,工作波长选择在光纤的零色散区间,自相位调制补偿和采用多次级联的四波混频等五种提高四波混频效率的方法。其次,本文对基于四波混频效应的相位敏感放大技术进行了深入的研究。本文首先借助于电磁场理论,对基于四波混频效应的相位敏感放大技术进行了理论的推导,并结合Matlab仿真,分析现有的相位敏感放大技术中存在的问题,问题的原因以及未来的发展瓶颈;接下来针对现有的相位敏感放大技术在相位再生的同时引入幅度噪声的问题,本文提出了一种可同时实现相位和幅度再生的相位敏感放大技术,并从理论推导和Matlab仿真两个角度验证了该设想的正确性,并基于该设想设计出一种改进的马赫增德尔干涉仪的相位敏感放大器(Modified Mach-Zehnder Interferometer Phase Sensitive Amplifier, MMZI-PSA)。最后,搭建仿真平台,从仿真角度验证该设想的可行性,以及改进的马赫增德尔干涉仪的相位敏感放大器结构的再生性能。为了更好的说明MMZI-PSA的再生特性,本文将该结构与传统的四波混频效应相位敏感放大器(Four-Wave Mixing Phase Sensitive Amplifier,FWM-PSA)进行对比,比较两套再生系统在不同的噪声环境下的再生信号的星座图,误码率和误差矢量幅度等再生性能。在信噪比为13dB的情况下,与FWM-PSA系统相比,小噪声环境下,MMZI-PSA系统的误码率比FWM-PSA系统改善了 44%,误差矢量幅度的改善了 10%;大信号情况下,MMZI-PSA系统的误码率改善了 48%,误差矢量幅度的改善了 16%。无论是在星座图,误码率还是误差矢量幅度等方面,MMZI-PSA系统的再生性能均优于FWM-PSA系统。MMZI-PSA系统能够在相位再生的同时有效的抑制幅度噪声,解决了现有相位敏感放大器在相位再生的同时引入幅度噪声的缺陷。上述研究成果为全光相位敏感放大技术的研究和应用提供了新的思路,这对于以后全光网络朝向更高速,高容量的方向发展具有更大的推动作用。

关键词：相位敏感放大四波混频效应马赫增德尔干涉仪相位再生幅度再生

基于石墨烯光调制器的可调高重频光纤激光器研究

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基于石墨烯光调制器的可调高重频光纤激光器研究

作者：李对对西北大学

学位级别：硕士

隨着激光技术的快速发展,具有高重复频率的激光目前已广泛应用于光通信、光频梳、非线性显微镜和激光加工等领域,成为继高功率、多波长、超短脉冲和超宽光谱以外的又一重要研究方向,尤其在光通信领域,逐渐成为支柱型技术,因此也对其激... 详细信息

隨着激光技术的快速发展,具有高重复频率的激光目前已广泛应用于光通信、光频梳、非线性显微镜和激光加工等领域,成为继高功率、多波长、超短脉冲和超宽光谱以外的又一重要研究方向,尤其在光通信领域,逐渐成为支柱型技术,因此也对其激光的重复频率提出了越来越高的要求。如何设计出结构紧凑、成本低廉,且可以输出更高重频激光的激光器成为了当下的研究热点之一。针对这一需求,本论文研究了两种结构紧凑的光纤激光器来获得重复频率可调的超高重频超短脉冲激光,通过使用性能优异的石墨烯二维材料作为可饱和吸收体来产生脉冲并压窄脉冲宽度,同时结合光纤微环谐振腔或马赫增德尔干涉仪进一步提高激光脉冲的重复频率,获得了输出激光的重复频率可调的超高重频激光脉冲序列。本论文的主要研究内容及创新成果如下:1.在综述了高重频光纤激光器的研究背景以及应用前景的基础上,分析了光纤微环谐振腔MRR(Microring resonator)和马赫增德尔干涉系统MZI(Mach-Zehnder interferometer)作为光学梳状滤波器的滤波机理以及传输理论,并对MRR和MZI的滤波特性进行了演化分析,进一步说明了不同参数对滤波结果的影响;2.搭建了石墨烯调制-光纤微环滤波的可调高重频光纤激光器,通过设计石墨烯锁模掺铒光纤激光器,并在其中熔入一个光纤微环谐振腔作为梳状滤波器,得到了重复频率为106.04 GHz的脉冲序列。之后通过调节微环半径来改变输出脉冲的重复频率,最高获得了 292.4 GHz重复频率的脉冲;3.搭建了石墨烯调制协同MZI的重复频率可调的高重频光纤激光器,以还原氧化石墨烯薄膜用作可饱和吸收体,在掺铒环形光纤激光腔内加入MZI干涉仪,通过不断调节光纤延迟线或偏振控制器的情况下,获得了重复频率在101.21 GHz到11.11 THz之间变化的高重频脉冲序列。通过调节MZI两臂之间的光程差可以使重复频率连续变化,也可以通过调节偏振控制器和改变泵浦功率使重复频率发生整数倍的增长。这一结果使产生重复频率高于10 THz的激光成为了可能,并且全光纤的结构也使制造成本极大的降低;4.基于Ginzburg-Landau方程,对石墨烯调制协同MZI滤波的重复频率可调光纤激光器的实验结果进行了演化分析。将实验中的各个器件简化为可计算模型,计算不同器件对光场的影响,同时考虑光纤的增益、损耗、群速度色散、自相位调制等效应的影响,研究光场在腔内不断传输时的演化过程,利用分步傅里叶的算法求解了Ginzburg-Landau方程从而得到精确的数值解。演化结果与实验结果基本一致,可以通过改变MZI的光程差来实现脉冲串重复频率可调。另外,也从理论上研究了在调节偏振控制器时,当石墨烯作为可饱和吸收体,在耗散四波混频、光纤双折射滤波和脉冲分裂的共同作用下,可以使重复频率发生整数倍的变化。首次提出了在多种机制共同作用时,可以产生更高重复频率的脉冲,为研究高重频激光的产生方法提供了新思路。

关键词：可调高重频光纤激光器石墨烯光纤微环谐振腔马赫增德尔干涉仪 Ginzburg-Landau 方程

基于MZI和WBG的聚合物平面光波导传感特性研究

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基于MZI和WBG的聚合物平面光波导传感特性研究

作者：田亮吉林大学

学位级别：硕士

目前，全球正在向信息化方向发展，光通信是构建信息化世界的一项重要技术，因此，集成光学成为了多国学者重点关注的领域。聚合物平面光波导是集成光学领域中一个重要的研究方向，将聚合物平面光波导进行传感应用是一个新的尝试，对于... 详细信息

目前，全球正在向信息化方向发展，光通信是构建信息化世界的一项重要技术，因此，集成光学成为了多国学者重点关注的领域。聚合物平面光波导是集成光学领域中一个重要的研究方向，将聚合物平面光波导进行传感应用是一个新的尝试，对于传感器的研究将是一个有力补充。本论文是围绕聚合物马赫增德尔干涉仪波导液体折射率传感器和聚合物波导布拉格光栅温度传感器的基础研究，核心工作和创新点是：（1）在聚合物马赫增德尔干涉仪波导液体折射率传感器方面，通过VC++软件编程对传感窗口长度进行了优化，在选定的待测液体折射率变化范围内，可实现测量曲线单调性变化，并获得较高的传感灵敏度。采用微电子工艺制备出了形貌良好的器件,还通过铝制探针将器件固定在测试台上，提高了测试系统的稳定性。通过测试输出光功率与待测液体折射率之间的变化关系实现了折射率传感功能。（2）在聚合物波导布拉格光栅温度传感器方面，根据现有工艺条件，对光栅的结构进行了优化设计,并通过MATLAB软件编程对光栅的特征参数进行了理论分析。利用紫外光刻、ICP刻蚀等技术制备出了性能良好的波导布拉格光栅滤波器，并通过测试谐振波长随温度变化的漂移实现了波导布拉格光栅的温度传感功能，传感器灵敏度为-0.20686nm/℃。

关键词：聚合物马赫增德尔干涉仪波导布拉格光栅传感器

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基于球状结构单模光纤的传感研究

基于球状结构单模光纤的传感研究

作者：袁硕天津理工大学

学位级别：硕士

光纤传感器较传统的电类传感器具有许多独特的优势,特别是能够在恶劣条件下正常工作。光纤传感器逐渐成为传感器领域的研究热点。本论文利用光纤熔接机在单模光纤上制作出球状结构,研究并设计出基于球状结构单模光纤的传感器,并实现对... 详细信息

光纤传感器较传统的电类传感器具有许多独特的优势,特别是能够在恶劣条件下正常工作。光纤传感器逐渐成为传感器领域的研究热点。本论文利用光纤熔接机在单模光纤上制作出球状结构,研究并设计出基于球状结构单模光纤的传感器,并实现对温度、液位、微位移等物理量的测量。在单模光纤上制作球状结构,会引起光纤传光特性发生变化,光谱容易受到外界环境变化的影响。球状光纤的出现为光纤传感器的制作提供新的思路,同时在可调谐光纤通信器件方面有很大的应用价值。本文的主要内容包括:1.本文首先概括了光纤传感器的研究背景,并分析了几种常见的干涉型传感器,概述了几种模场突变结构(偏芯、拉锥、模间失配等)的研究现状与传感特性。2.提出了单模光纤球状结构的制作方法,并对其原理进行分析。提出的球状光纤结构新颖,制作简单,成本低廉,具有潜在的应用价值。3.提出一种级联两个球状结构的透射式传感结构,并分析了级联球状结构的传感原理。在此基础上对比级联长度不同结构的光谱图,研究其对温度、应变、微位移、液位测量时的传感特性。4.在级联球状结构后串联布喇格光栅实现温度-液位双参量的测量。5.提出一个球状结构与布喇格光栅串联的反射式传感器,传感器能够观察到布喇格的纤芯模式与包层模式的反射峰。当外界环境发生变化时,从波长漂移和光强变化两个角度研究了传感器光谱在温度、微位移变化时的改变。

关键词：光纤传感器球状结构马赫增德尔干涉仪布喇格光栅