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非线性、切趾和相移对光纤布拉格光栅反射谱的影响

作　者: 乔芸芸
导　师: 高锦岳
学　校: 吉林大学
专　业: 光学
关键词: 反射谱透射峰布拉格波长切趾禁带宽度函数处理吉林大学相移量均匀光栅折射率调制
分类号: TN253
类　型: 硕士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

光纤光栅是 90 年代发展起来的新型光学器件。光纤光栅以其特有的高波长选择性、与光纤系统兼容、插入损耗低、结构简单、体积小等优点，在光纤通信领域具有巨大的应用市场。光纤纤芯的光学特性在蓝光或紫外光的强激光照射下可以发生永久性的改变。光纤光栅就是利用这种光敏性制成的一种折射率沿光纤纵向周期变化的波导。光通过这样的波导将产生相位的周期性变化。耦合模理论是研究光纤光栅传输特性的一个重要理论。耦合模理论分别处理光纤光栅内向前和向后传播的光，光栅提供向前和向后传播的光的耦合。本文从耦合模理论出发，研究了非线性、切趾和相移对光纤布拉格光栅传输特性的影响。本文在研究非线性对光纤光栅反射谱的影响时，采取了不同于传统的对传输方程进行积分的方法，而是采用了一种崭新的分析方法——零点图法。分析结果表明：1. 随着光纤光栅内光场能量的增加，禁带向低频长波方向移动。且光场能量越大，频移量越大。 - 77 -<WP=86>吉林大学硕士学位论文2. 当光栅内的光场能量超过一定值时，禁带的右侧边缘将超过线性情况下禁带的中心。此时布拉格波长不再被反射，而是被透射。因此，通过控制光栅内的光场强度可以控制布拉格波长的光是被光栅透射，还是被光栅反射。在此意义上，光栅可以用来实现对布拉格波长的光的“开”和“关”。零点图法的优点在于：计算简便、易于掌握、能够更加直观地反映不同程度的非线性对光纤光栅反射谱的影响，并由此可以推断实线“开关”所需的光场强度。零点图法将在研究非线性对光纤光栅反射谱的影响中有重要的应用价值。普通光纤布拉格光栅主反射峰两侧的旁瓣严重地影响光栅的滤波特性，使其不能满足光通信系统中高隔离度的要求。可以通过光学切趾移去这些旁瓣。本文用传输矩阵法数值模拟了七种切趾函数在不同参数下切趾处理后的光栅反射谱。模拟结果表明，切趾可以很好的抑制光纤光栅反射谱的旁瓣，使光栅反射谱的形状更加规则。在禁带内谐振波长附近较宽范围内反射率接近 100%；而调谐到光栅禁带外的光几乎不受光栅禁带的影响，完全透射出光栅。通过分析和归纳各种切趾函数处理后的光栅反射谱我们发现这些规律：1. 对于同一切趾函数，光栅反射谱的禁带宽度、禁带边缘陡峭性和旁瓣抑制程度要受到所选参数的影响。并且旁瓣的抑制以禁带宽度和禁带边缘的陡峭性为代价。因此应根据需要，慎重选取参数。2. 具有完全切趾窗口图形的切趾函数处理后的光栅反射谱要比具有部 - 78 -<WP=87>吉林大学硕士学位论文分切趾窗口图形的切趾函数处理后的光栅反射谱牺牲更大的禁带宽度和禁带边缘陡峭性。3. 超高斯函数切趾和帽形函数切趾随参数变化比较复杂。通过选取适当的参数，即可以对禁带附近的旁瓣有更好的抑制效果，也可以对远离禁带的旁瓣有更好的抑制效果。4. 帽形函数、超高斯函数、柯西函数、高斯函数和余弦函数都能很好的抑制禁带附近的旁瓣。5. 升余弦函数、帽形函数和超高斯函数对于远离禁带的旁瓣有更好的抑制效果。6. 折射率调制深度缓慢地变化到最大的切趾函数可以更好的保持禁带边缘的陡峭性。7. 折射率调制深度缓慢地减小到最小的切趾函数能更好的抑制远离禁带的旁瓣。反之，则对于禁带附近的旁瓣抑制效果更好。这些规律性的结论对于制作满足不同要求的切趾光栅有重要的指导意义。通过在均匀光栅上设置一个或多个相移，可以在光栅反射谱的禁带内打开线宽极窄的一个或多个透射窗口，使得光栅对某一波长或多个波长有更高的选择度。本文用传输矩阵法数值分析了不同相移量和不同相移位置对光栅反射谱的影响。分析结果表明：1. 禁带内窄透射峰的数目与光栅内相移段的数目相同。2. 透射峰的大小和线宽由相移在光栅中所处的位置决定。越靠近光栅中心位置，透射峰越大，透射峰的线宽也越窄。 - 79 -<WP=88>吉林大学硕士学位论文3. 透射峰在禁带中所处的位置由相移量的大小决定。当? < π 2时，透射峰的波长大于布拉格波长。当? >?2时，透射峰的波长小于布拉格波长。相移大小越接近π 2，透射峰越靠近禁带中心布拉格波长，且透射峰线宽越窄。这些理论结果对相移光纤光栅的实际应用也将起重要的指导作用。

全文目录

目录  6-9
第一章导论  9-15
  第一节光纤通信系统的发展  9-10
  第二节光纤光栅在光纤通信系统中的应用  10-15
第二章光纤光栅的基本概念及制作技术  15-21
  第一节光纤光栅的分类  15-16
  第二节制作光纤光栅的物理机制  16-17
  第三节光纤光栅的制作技术  17-21
第三章耦合模理论及光纤布拉格光栅的传输特性  21-46
  第一节耦合模理论  21-24
  第二节线性情况下光纤布拉格光栅的传输特性  24-34
    3.2.1 线性情况下连续波的解  24-25
    3.2.2 光子带隙和色散特性  25-29
    3.2.3 光纤布拉格光栅的反射谱和光栅的滤波特性  29-34
  第三节非线性情况下光纤布拉格光栅的传输特性  34-41
    3.3.1 非线性情况下连续波的解  35
    3.3.2 非线性色散曲线  35-37
    3.3.3 非线性光纤布拉格光栅反射谱  37-39
    3.3.4 光学双稳态  39-41
  第四节零点图法分析光场能量对光栅反射谱的影响  41-46
    3.4.1 零点图  41-42
    3.4.2 作图法  42-44
    3.4.3 结论  44-46
第四章各种函数切趾对光纤光栅反射谱的影响  46-68
  第一节切趾技术  46-49
  第二节各种函数切趾对光栅反射谱的影响  49-62
    4.2.1 线性函数切趾  50-52
    4.2.2 余弦函数切趾  52-53
    4.2.3 升余弦函数切趾  53-54
    4.2.4 高斯函数切趾  54-56
    4.2.5 超高斯函数切趾  56-57
    4.2.6 帽形函数切趾  57-61
    4.2.7 柯西函数切趾  61-62
  第三节对比各种切趾对光栅反射谱的影响  62-68
    4.3.1 部分切趾  62-63
    4.3.2 远离禁带旁瓣抑制  63-64
    4.3.3 禁带附近旁瓣抑制  64-67
    4.3.4 结论  67-68
第五章相移光纤光栅的特性  68-80
  第一节相移技术  68-69
  第二节相移光纤光栅的特性  69-74
  第三节多段相移光纤光栅反射谱  74-76
  第四节切趾相移光纤光栅反射谱  76-77
  第五节相移光纤光栅的应用  77-80
参考文献  80-82
论文总结  82-85
中文摘要  85-89
英文摘要  89-94
发表论文情况  94-95
致谢  95

非线性、切趾和相移对光纤布拉格光栅反射谱的影响

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