文档介绍：西北工业大学硕士学位论文
光纤光栅光谱特性及调谐技术的研究
摘要
光纤光栅的发明被称为光纤通信发展史上继掺饵光纤放大器之后的又一
个里程碑。自年等人首次发现光纤的光敏性以来,经过短短几年的发展,光
纤光栅在理论、制作技术等方面都得到了长足的发展,各种结构的新型光纤光栅不断涌
现,应用领域日益扩展。目前它己经被广泛的应用于光通信、光传感、激光技术等领域,
并给相关领域带来了革命性的变化。
本文以光纤光栅应用中的一项关键技术一波长调谐技术为核心。从光纤光栅理论、
调谐技术以及应用等方面进行了详细分析。论文主要内容如下
从光纤中的麦克斯韦方程组出发,首先建立了描述光波在光纤中传播的波动方
程,进而分析了光纤中光波场的模式特性,并在此基础上,严格推导出描述模式祸合的
祸合模方程。并用祸合模理论对最简单的均匀光纤光栅进行分析,建立其祸合模
方程,并给出解析解。
通过建立不同类型光纤光栅的传输矩阵,利用传输矩阵法数值模拟了不同光栅参
量光栅长度、藕合系数等对光纤光栅、长周期光纤光栅、碉啾光纤光栅、双
周期光纤光栅、相移光纤光栅、超结构光纤光栅以及各种切趾光纤光栅的反射光
谱和色散特的影响。
分析了基于弹性梁简支梁、悬臂梁和扭梁的光纤光栅波长调谐原理,
推导了与其对应的波长调谐关系式,最后重点讨论了利用等强度梁调谐实现线性无惆啾
调谐的方法,并作了相应的模拟计算和实验研究。理论分析和实验证明,悬臂梁是一种
很好的波长线性调谐装置。采用等截面梁调谐时,在小挠度情况下,光纤光栅惆啾不明
显,但在较大调谐范围下,调谐过程中引起的光纤光栅碉啾将使反射谱带宽展宽,
反射功率峰值下降而采用变截面梁则可以实现波长的线性无啾调谐。
最后对用于传感领域的光纤光栅调谐滤波方法的基本原理进行了介绍,推
导了该方法的灵敏度公式以及光电探测器噪声引起的误差公式,并作了相应的实验研
究。
关键词光纤光栅、藕合模理论、数值模拟、反射光谱、色散特性、弹性梁、调谐
西北工业大学硕士学位论文
西北工业丸学硕士学位论文
第章绪论
光纤光栅简介
光纤光栅是最近几年发展最为迅速的光纤无源器件之一。自从年等
人首先在掺锗光纤中采用驻波写入法制成世界第一只光纤光栅以来〔,〕,由于它具有许多
独特的优点,因而在光纤通信、光纤传感等领域均有广阔的应用前景￡同。随着光纤光栅
制造技术的不断完善,应用成果的日益增多,使得光纤光栅成为目前最有发展前途、最
具有代表性的光纤无源器件之一。由于光纤光栅的出现,使许多复杂的全光纤通信和传
感网成为可能,极大地拓宽了光纤技术的应用范围。
光纤光栅是利用光纤材料的光敏性外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起折
射率的永久性变化,在纤芯内形成空间相位光栅。其作用实质上是在纤芯内形成一个
窄带的透射或反射滤波器或反射镜。利用这一特性可构成许多性能独特的光纤无源
器件。例如,利用光纤光栅的窄带高反射率特性构成光纤反馈腔,依靠掺饵光纤等为增
益介质即可制成光纤激光器‘,用光纤光栅作为激光二极管的外腔发射器,可以构成外
腔可调谐激光二极管〔,利用闪耀型光纤光栅制作光纤平坦滤波器【利用非均匀光纤
光栅制作光纤色散补偿器『等。此外,利用光纤光栅还可以制成用于检测应力、应变、
温度等诸多参量的光纤传感器和各种光纤传感网〔”一‘刘。
光纤光栅的分类
均匀周期光栅
均匀周期光纤光栅包括光纤光栅与长周期光纤光
栅年,,利用实现了带阻
滤波以及掺饵光纤放大器的增益均衡问题,标志着的诞生。随后
根据模式祸合理论分析研究了的谱特性,奠定了的理论基础。虽然同是光
纤光栅,但与差异很大。从模式祸合机理来看,是前向传输的纤芯模
式与后向传输的纤芯模式之间的祸合而是前向传输的纤芯模式与同向的各阶次
包层模式之的藕合。所以,前者是反射型光纤器件,插入损耗较大几而后者
是透射型光纤器件,插入损耗可以小得多。由于是反向模式之间的祸合,周期一般
较短小于而周期较长,达几百微米。基本没有后向反射的优点,使
在光路中不会对光源产生光反馈。在谐振波长调谐方面,两者对应力的调谐基本相当
但在温度方面,要比敏感得多‘。并且制备简单易行,成本要低于
尽管有着上述种种优点,但它在实际应用中仍存在着一些局限性。比如,它
对弯曲非常敏感,一个很小的弯曲会将它的峰值波长向短区域称动,而峰佰也会从
西北工业丸学硕士学位论文
第章绪论
光纤光栅简介
光纤光栅是最近几年发展最为迅速的光纤无源器件之一。自从年等
人首先在掺锗光纤中采用驻波写入法制成世界第一只光纤光栅以来〔,