基于电弧放电法的长周期光栅的制作及特性研究开题报告

全文总字数：4919字

1. 研究目的与意义（文献综述）

20 世纪后半叶以来，光纤传感技术以其安全、高灵敏度、便于构成传感网络等优点而迅速发展，成为传感器技术发展的主流方向，被广泛应用于各类传感领域，影响并推动人类社会的不断发展 。自从 1995 年，美国 att 贝尔实验室提出长周期光纤光栅（long period fiber grating，lpeg）及其相关的技术后，lpfg 引起了人们的广泛关注，并迅速在光纤传感领域成为了研究的热点 。1996 年 a.m.vengsarkar 等人用逐点写入法首次在单模光纤（single mode fiber，smf）中写入了真正意义的 lpfg，并利用 lpfg 实现了带阻滤波、掺铒光纤放大器（edfa）的平坦增益和外界扰动（应力、温度、弯曲和折射率等）传感。lpfg 属于一种光纤无源器件。主要原理是利用纤芯区的光敏性，在光纤上的纤芯区形成一种空间上的周期性的结构，即对光纤纤芯的折射率进行周期性调制，使得光在光纤中的这一区域的传播路径或者传播方式进行调制或者改变。通常 lpfg 的光栅周期为几十至几百微米。它是一种一体式体积小巧的无源器件，这种器件的出现使得光纤应用范围由简单的传输介质开始扩展为独立的光子器件，拓宽了光纤技术的研究应用。

目前，国内外对 lpfg 的研究主要包括理论和各种领域应用方面的研究。随着对 lpfg 的研究越加广泛，lpfg 不再局限于写在 smf 上，越来越多的特种光纤被写入 lpfg。越来越多的理论模型和理论方法被建立和采用。各种各样应用在通信和传感领域的传感器被制作出来。对 lpfg 的研究应用不断拓宽和发展。

研究 lpfg 的理论模型有很多，其中最常用的方法是耦合模理论和传输矩阵法。当 lpfg 结构改变时，还可以使用局域耦合模理论进行建模分析。lpfg 本质上是基于麦克斯韦方程组求解具有特殊边界条件的光波导，但直接求解 lpfg 方程比较困难，因而衍生出了基于麦克斯韦方程的耦合模理论。在 1997 年，turan-erdogan 先后发表了多篇文献使用耦合模理论详细分析并研究了 lpfg 中的纤芯基模、包层模及辐射模之间的模式耦合特性，给出了 lpfg 比较完整的耦合模式理论和分析方法。一般地，在折射率调制比较弱的情况下，光纤中同向传输的纤芯模和包层模会由于折射率调制的原因，有效折射率发生变化，导致在光栅区域两个模式发生耦合；该理论分析了 lpfg 的各个参数（如传播常数、耦合系数、谐振波长、损耗峰幅值、带宽和透射率等）与光栅周期、光栅长度、折射率调制深度（光纤载氢程度或者掺杂浓度）等之间的解析关系，推理严密，与实验结果相符，这些理论分析结果为后来 lpfg 理论研究的发展奠定了基础 。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容：

（1）基于耦合模理论建立理论模型，并对其进行模式耦合的分析。

（2）结合上述理论模型，利用电弧放电法实验室制备不同参数的偏芯光纤长周期光栅，分析不同参量对其光谱的影响。

3. 研究计划与安排

（1）第1－4周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需理论基础。确定方案，完成开题报告。

（2）第5－6周：熟悉掌握基本理论，完成英文资料的翻译，熟悉相关工具软件的使用。

（3）第7 - 9周：运用耦合模理论对电弧放电法制作的长周期光栅进行理论分析，建模仿真。

4. 参考文献（12篇以上）

【1】du c , wang q , zhao y . long period fiber grating sensor induced by electric-arc discharge for dual-parameter measurement[j]. instrumentation science technology, 2017:10739149.2017.1317268.

【2】yin g , tang j , liao c , et al. automatic arc discharge technology for inscribing long period fiber gratings[j]. applied optics, 2016, 55(14):3873.

【3】abrishamian f , dragomir n , morishita k . refractive index profile changes caused by arc discharge in long-period fiber gratings fabricated by a point-by-point method[j]. applied optics, 2012, 51(34):8271-8276.