微锥型长周期光纤光栅传感器研究
摘要
光纤传感技术的发展对于光纤通信网络的建设至关重要。目前的光纤传感器大多都
是基于特种光纤进行设计来实现器件的功能多样化以及高灵敏度的性能改进，虽然特种
光纤有着较为特殊的结构和独特的光学特性，但是也有着成本较高、模式的激发难以控
制、器件制造流程复杂的局限性。相比之下单模光纤结构简单、成本低廉。可以通过多
种结构加工技术实现对单模光纤传感器结构的设计与创新，使单模光纤传感器满足不同
使用环境下的传感需求。因此单模光纤仍在当今光纤传感领域占有一席之地。长周期光
纤光栅是一种典型的无源器件，有着宽带宽、高灵敏度等优点。若以单模光纤为载体，
通过光栅制造工艺的改进可以实现具有独特功能的光纤传感器。本论文基于单模光纤设
计了功能不同的多种传感器，并从原理分析和实验测量两方面对器件的传感特性进行了
较为深入的研究。
本论文的主要工作包括：
1．基于单模光纤设计了微锥型长周期光纤光栅传感器。制备长周期光纤光栅时对
单模光纤预施加轴向拉力来产生微锥结构，微锥结构的叠加构成了长周期光纤光栅。实
验结果表明，该传感结构在谐振峰波长处激发了LP15模式，还可以根据谐振峰变化情况
识别扭转方向，灵敏度高达-0.2087nm/(rad?m-1)。
2．在微锥制造过程中通过引入扭转量制造出微螺旋锥长周期光纤光栅。该传感结
构相比普通微锥长周期光纤光栅有着较高的轴向应变灵敏度，实验结果表明在0~3500
με范围内的轴向应变灵敏灵敏度为-3.478pm/με（0.001624dB/με）。对比未扭转的微锥
型光栅，灵敏度有着明显的提高。
3．在微螺旋锥的基础上引入啁啾函数排布设计了微螺旋锥型啁啾长周期光纤光栅
物理形变传感器。啁啾结构的引入与微螺旋锥的分布有利于包层模式的激发并提高器件
的集成度。实验结果表明，该传感器不仅具有高的扭转、轴向应变和弯曲灵敏度（-0.1575
-1?1
nm/(rad?m)、-0.006846nm/με和-10.62nm/m）。此外其还有较低的温度灵敏度（0.04330
nm/°C）。
关键词：长周期光纤光栅；光纤传感；螺旋结构；微锥；耦合模理论
微锥型长周期光纤光栅传感器研究
ABSTRACT
Opticalfiberservesasamediumforsignaltransmission.Duetoitsuniqueadvantages
suchascorrosionresistanceandhighsensitivity,itiswidelyusedinfieldssuchasnational
defense,militaryindustry,andcivilengineering.Thedevelopmentofopticalfibersensing
technologyiscrucialfortheconstructionoffiberopticcommunicationnetworks.Atpresent,
mostopticalfibersensorsaredesignedbasedonspecialopticalfiberstoachievefunctional
diversityandhighsensitivityperformanceimprovement.Althoughspecialopticalfibershave
arelativelyspecialstructureanduniqueopticalcharacteristics,theyalsohavelimitationssuch
ashighcost,difficulttocontrolmodeexcitation,andcomplexdevicemanufacturi