光纤Bragg光栅光谱特性分析及研究论文.docx

论文题目:光纤Bra明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ABSTRACTFiber 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 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 measurement 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 property 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.第一章绪论 11.1研究的意义目的 11.2国内外发展状况 21.3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 弓I言 153.2传输矩阵法 163.3切趾函数对FBG光谱特性的影响 183.3.1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(Uber 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，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［I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［习1976年,美国在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lOkmo 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0.85|im,光纤 损耗为2.5〜3 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⑶1978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，在硅基掺错光纤中，利用驻波法写出了世界上第一根光纤光栅［叽 这种光纤光栅能够把光纤中某个方向传输的本征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⑷。

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［习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， 透射光分成向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［习。

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“Sine “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，同时对碉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 到应有的作用囚。

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度， 折射率，折射率调制深度，半高全宽之间的关系，并写出公式表达式4、 利用传输矩阵法研究切址光栅的光谱特性以及各种切趾函数对光谱特 性的影响变化。