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温度和应变对光纤折射率的影响 温度和应变对光纤折射率的影响 第17卷　第12期 1997年12月光　学　学　报ACTAOPTICASINICA.17,No.12VolDecember,1997,150001) (Michelson)光纤白光干涉系统,通过测量随着温度或应变改变而变化的光程,给出了单模光纤有效折射率的温度和应变相关特性。对于SMF228型单模光纤,测得折射率温度系数和应变温度系数在波长为1300nm处分别为0.762×10-5 ℃及-0.1332×10-6 ;ΛΕ在波长1550nm处则为0.811×10-5 ℃及-0.1649×10-6 。并与几种不同光纤相应的数据进ΛΕ 关键词　光纤,　折射率,　折射率温度系数,　折射率应变系数,　光纤干涉仪,　白光干涉。 光纤折射率不仅是波长的函数[1],而且与光纤的环境温度和应力状态密切相关[2,3]。光纤折射率是光纤设计与制做的重要参数之一,也是商用化光纤产品的特性参数。光纤折射率的温度相关特性和应力相关特性对于光纤光缆设计、光纤传感器设计、光纤探测仪器和光纤测试等具有重要意义。 Carr等人用光学时域反射计(OTDR),通过比较光脉冲在真空中和光纤中光速的方法,给出了光纤折射率的温度系数和拉应力相关系数[4]。本文则采用迈克尔逊光纤白光干涉系统,在1300nm和1550nm两个典型波长范围内,分别测量了SMF228型单模光纤折射率随温度和应变的变化情况。 2.1　折射率状态函数及其相关系数 对于光纤折射率而言,通常视为一不变常数。然而事实上,光纤折射率n不仅是波长Κ的函数,而且还随环境温度T及所处的应变状态Ε而变化。因而,光纤折射率可一般地用一个状 。若把零应力状态某一固定波长和恒定温度下的折射率记为n(Κ态函数n(Κ,T,Ε, T0)。由于折射率变化通常很小,因而一般地可在该值附近展开为 ((1)T-T0)+ΕT)分别为光纤折射率的温度系数和记CT=[1 n(Κ,T0)](5n 5T),CΕ=[1 n(Κ,T0)](5n 5Ε 应变系数。于是(1)式可写成)=n(Κn(Κ,T,Ε,T0)+ 收稿日期:1997年1月11日 1714光　　　学　　　学　　　报17卷 )=n(Κn(Κ,T,Ε,T0)[1+CT(T-T0)+CΕΕ](2) 本文将用实验的方法来确定相关系数CT及CΕ。 2.2　光程比较测量法 为了对上述参数进行测量,采用图1所示的迈克尔逊光纤干涉仪,通过光程比较的方法来间接地测量折射率随相关状态的变化特性。 来自宽带光发射二极管的光被3dB,光纤臂后,,号,,就会产生如图2所。利用这一干,,将导致光程差发生变化。于是可移动参考比较,。通过测量反射扫描镜变化前后的位移即可测得相应光纤折射率的变化 Fig.1FiberopticMichelsonwhitelightinterfer2 ometermeasuring systemFig.2OutputsignalpatternoffiberopticwhitelightinterferometerilluminatedbyaLEDsource 2.3　折射率温度系数的确定 设零应力状态下光纤长度为L的测量臂置于环境温度为T的测量室中,如图3所示。参考比较臂的长度为L0,其环境温度为T0保持恒定不变 在温度为T0时,测量光程与参考光程的平 L(T0)n(Κ,T0)=L0(T0)n(Κ,T0)+x(3) 式中L(T0)为T0温度下测量光纤臂的长度, Fig.3TemperaturechamberusingforfiberopticL0(T0) refractiveindex testtemperaturecoefficient为参考比较光纤臂的长度。x为参考比较光纤臂端点到扫描反射镜之间的距离。当测量光纤温度上升为T时,由于光纤的线性热膨胀及折射率的改变将导致光纤光程发生变化。于是新的光程平衡方程为 L(T0)[1+ΑT0)]n(Κ,T0)[1+CT(T-T0)]=L0(T0)n(Κ,T0)+x+?x(4)T(T- 式中Α.5×10-7 ℃为光纤的线性热膨胀系数。?x为扫描反射镜的位移。略去高阶小项,T=5 (5)?x=L(T0)n(Κ,T0)[ΑT0)T+CT](T- CT=L(T0)n(Κ,T0)(T-T0)-ΑT(6) 12期苑立波:　　温度和应变对光纤折射率的影响1715 2.4　折射率应变系数的确定 为了测量