《光纤Bragg光栅光谱特性分析及研究论文》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光纤Bragg光栅光谱特性分析及研究论文（37页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 论文题目: 光纤Bragg光栅光谱特性分析及研究 摘 要 光纤光栅是一种新兴的光学器件，现在已成为光纤通信和传感等方面有很重要的应用，并且随着全光通信网络和光纤传感技术的发展将会发挥越来越重要的作用。它的研究和应用已经成为当前热点技术课题。光纤Bragg光栅光谱特性分析与研究也是研究人员重点关注的课题。论文根据光纤光栅的工作理论和耦合模理论和传输矩阵理论，分析讨论了光纤Bragg光栅光谱特性，为光纤Bragg光栅光谱特性的应用提供了理论依据；对光纤Bragg光栅的反射率和透射率与光栅的长度，折射率，折射率调制深度，半高全宽之间的关系进行全面研究；利用传输矩阵法研究了切趾光栅的光谱特性以及各种
2、切趾函数对光谱特性的影响。关键词：光纤Bragg光栅，光谱特性，耦合模理论，切趾光栅，传输矩阵法2ABSTRACT Fiber Bragg gratings is a kind of new component which has already has been significantly broad applied in fiber communication and fiber sensor with development of communication network and fiber sensing technology. Researches and applications
3、 of this technology have obtained a greater emphasis in hot research area at present.In this paper, regarding with fiber Bragg gratings, coupling modes and transmission matrix theories, we have discussed characteristics of property of Bragg gratings, aiming to provide theoretical support for measure
4、ment of Bragg gratings property characteristics; considerable analyses have been done on the relationship between reflectivity and transmission of Bragg gratings, effective refractive index, length, effective refractive index moderating change, and FWHM; And also the impact of apodized gratings prop
5、erty characteristics and variation of apodization functions on fiber gratings spectrum have been discussed by applying transmission matrix methods. KEY WORDS: Fiber light gratings, Spectrum characteristics, Coupling mode theory, Transfer Matrix, Apodization gratings. 目 录第一章 绪论11.1研究的意义目的11.2国内外发展状况2
6、1.3本论文要研究的内容3第二章 均匀光纤Bragg光栅的原理52.1 耦合模理论52.1.1 光纤Bragg光栅耦合模理论52.1.2 光纤Bragg光栅反射率与透射率72.2参数对光纤Bragg光栅的影响分析112.2.1 光栅长度对反射率、透射率的影响112.2.2 有效折射率变化对反射率、透射率的影响122.2.3 光栅长度对半高全宽度的影响132.2.4 有效折射率调制变化对半高全宽度的影响14第三章 切趾FBG的光谱特性分析153.1引言153.2 传输矩阵法163.3 切趾函数对FBG光谱特性的影响193.3.1 高斯切趾函数影响193.3.2 升余弦切址函数影响203.3.3柯
7、西切趾函数影响21结 论24参 考 文 献25致 谢26附 录271均匀光纤Bragg光栅的光谱特性计算程序272. 传输矩阵法编制的光纤Bragg光栅计算程序30第一章 绪论1.1研究的意义目的光纤Bragg光栅（fiber Bragg grating, FBG）光谱特性分析与研究是研究人员重点关注的课题。光纤光栅是一种新兴的光学器件，现在已成为光纤通信和传感等方面有很重要的应用，并且随着全光通信网络和光纤传感技术的发展将会发挥越来越重要的作用。它的研究和应用已经成为当前热点技术课题。随着光通信的逐步发展,不仅对光纤Bragg光栅光谱中的谐振波长，峰值和带宽的要求更加严格，在频谱特性分析与改
8、进方面还有大量的工作要做。光纤光栅以其特有的高波长选择，与光纤系统兼容，插入损耗低，结构简单，体积小等性能，广泛应用于光源，光放大，光纤色散补偿，光信号处理，光纤传感等领域，是下一代高速光纤通信系统中不可缺少的关键器件之一。随着互联网和多媒体通信的发展，数据传输量正在迅猛地增长，光纤通信技术受到广泛重视。密集波分复用技术的采用，可以大大提高光纤通信的容量。但是，如何方便地在光纤线路上实现高速数据的密集波分复用和全光解复用，以及如何实现光信号在光纤传输过程中的色散补偿，是人们亟待解决的两个问题。不过，随着光纤Bragg光栅的出现，这两个难题的解决变得容易了。至此，光纤光栅以它独特的滤波和色散特性
9、，对光纤通信中的光发送，光放大，光纤色散补偿，光接收等各个方面产生重大影响，预示着光纤通信技术新阶段的到来，成为下一代高速光纤通信系统中不可缺少的器件，被认为是继光纤放大器之后光纤通信技术发展的又一里程碑。由于光纤光栅在高速通信领域的重要使用价值和可以预期的在其它一些领域的广泛应用前景，目前已成为全世界的研究热点1。研究光纤Bragg光栅光谱特性的意义目的在于现代通信发展的需求。在人们快速发展的生活变化中有很大的历史意义。1.2国内外发展状况 光纤光栅是近几年发展最为迅速的光纤源器件之一。自从1970年康宁公司拉出第一根低损耗的光纤以来，光纤通信以前所未有的速度迅速发展起来2。 1976年，美
10、国在Atlanta进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验，系统采用GaAlAs激光器做光源，多模光纤做传输介质，速率为44.7 Mb/s，传输距离为10 km。1977年，世界上第一个商用光纤通信系统在美国芝加哥的两个相距7 km的话局之间开通，该系统就是采用多模光纤，工作波长为0.85m，光纤损耗为2.53 dB/km，传输速率为44.736Mbit/s，这就是通常所说的第一代光纤通信系统3。 1978年加拿大通信研究中心的K. Hill等人Ill使用波长为488nm的兰色氢离子激光器，在硅基掺锗光纤中，利用驻波法写出了世界上第一根光纤光栅3。这种光纤光栅能够把光纤中某个方向传输的本征
11、模能量藕合到反方向传输的本征模能量中，从而导致某一特定波长一定带宽的光的反射，由于其谐振波长满足Bragg衍射方程，所以把这种光栅称为光纤Bragg光栅(FBG)用Hill方法制作的光纤光栅的谐振波长与制作光栅时的写入波长一致，其应用范围受到限制4。 1987年F. Ouellette将线性碉啾的Bragg光栅应用于通信系统中的色散补偿之后，许多著名学者在这个方面开展了大量的研究工作，并且取得了实际应用光纤光栅具有体积小，插入损耗低，与光纤完全兼容等特点，人们期望它能够在光纤通信的各个方面获得应用2。1989年Meltz提出了侧向全息写入技术，用这种技术制作的光纤光栅的周期，可以通过两束光的角
12、度进行调整，容易将其谐振波长写在通信波段但是，Meltz的侧向写入法需要光的相干性好，写入装置稳定5。1993年Hill等人又提出了位相模板侧向写入技术。位相模板是用光刻蚀技术，在硅质玻璃上刻出的表面凸凹不平的矩形周期性的条纹。当光照在模板上时，透射光分成6。1996年贝尔实验室的A. M. Vengsarkar等人提出来一种无论藕合方式，还是频谱特性都与FBG完全不同的新型光栅一长周期光纤光栅(LFG)。1997年Turan Erdogan利用藕合模理论来讨论光纤光栅中芯模与芯模，芯模与包层模之间的藕合，给出了均匀光纤Bragg光栅和长周期光纤光栅光谱的理论分析结果；在此基础上，还提出了非均
13、匀光纤光栅传输矩阵分析方法，成为研究和设计光纤光栅的指导性文献2。 由于均匀写入的光纤光栅的长度有限，在其反射谱主峰附近常常伴随着一系列边瓣，如果把这种光栅直接用在密集波分复用通信系统中，必然会造成信号的串扰。为了消除这些边瓣的影响，人们提出了“切趾”方案，包括用衍射率非均匀变化的位相模板写入法，二次曝光法等等。无论是采用那种“切趾”技术，其实质就是在光纤内部形成折射率调制类似“高斯”或“Sinc“函数分布的光栅，同时还必须保证光栅上总的平均折射率均匀分布。切趾后的光纤光栅不仅减小了信号串扰，同时对啁啾光栅色散补偿性能也有所改进。随着光纤光栅在通信和传感领域应用的逐步发展，不仅对光纤光栅光谱的
14、谐振波长，峰值和带宽的要求更加严格，而且需要对光谱形状进行控制，甚至需要研制特定光谱形状的光栅。光纤光栅是随着光纤通信技术的发展而发展起来的，这里介绍的只是一个概貌，远远不是它的全部目前，光纤光栅的某些技术和应用已经比较成熟，但是还有很多问题需要进一步的研究和探讨，在光纤光栅的谱形控制和重建方面还有大量的工作要做，光纤光栅的温度稳定性和时间稳定性问题还有待于进一步研究，光纤光栅批量生产的成本和效率问题需要得到解决，等等不管怎样，光纤光栅的可接入性是其它任何光滤波器件都无法比拟的，我们期待光纤光栅能够在光纤通信的各个环节起到应有的作用2。1.3本论文要研究的内容主要研究内容： 本项目旨在理论和数
15、据计算仿真两方面，完成对光纤Bragg光栅光谱特性的理论分析研究。本论文研究的内容主要包括以下几个部分。在绪论部分，主要讲述了论文研究的意义目的以及和光纤Bragg光栅在国内外的发展状况。第二章主要阐述了均匀光纤Bragg光谱特性的原理。首先对光纤Bragg光栅耦合模理论进行了介绍，并且对光纤Bragg光栅反射率与透射率以及光栅长度对反射率，透射率的影响，有效折射率变化对反射率，透射率的影响，光栅长度对半高全宽度的影响等内容进行了较为深入地研究。 第三章对FBG的光栅特性的切趾技术和传输矩阵理论进行分析。研究光纤Bragg光栅的切趾和传输矩阵的基本原理。并且分析了切趾函数对光谱特性的影响。分析当中高斯切趾函数，升余弦切址函数，柯西切趾函数等函数对光纤Bragg光栅光谱特性的影响也进行研究，得到了很好结论。并设计了光纤Bragg光栅的切趾软件实验。实验过程中得到了高斯，超高斯，切趾函数等单元对光谱的明显影响结果。主要要求：1、学习并掌握光纤Bragg光栅的工作原理和耦合模理论和传输矩阵理论等理论内容。 2、学习Mathcad和Matlab软件，编写分析均匀Bragg光栅以及切趾光栅的光谱特性的程序。3、利用耦合模理论分析计算Bragg光栅透射率和反射率与光栅的长
