长周期光纤光栅透射谱计算方法的比较与分析

长周期光纤光栅透射谱的求解方法有多种,本文以耦合模理论为基础,对常用的积分法、公式法、传输矩阵法求解长周期光纤光栅的透射谱进行比较与分析,指出这三种求解方法各自的特点和适用条件.积分法可在较宽波长范围内直接得到多个模式透射谱的精确解,但求解过程繁琐,运算量大;公式法虽然在表述和计算上较为方便,但只能在较小波长范围内直接求解单个模式的透射谱;传输矩阵法求解过程简便、准确度高、计算量相对较小,特别适合计算一些非均匀光纤光栅的透射谱.该研究为选择一种精确度高且理论和计算都较简单的计算长周期光纤光栅透射谱的方法提供理论依据.     

长周期光纤光栅的分析和优化设计

利用传输矩阵法对相移和变迹长周期光纤光栅的传输特性进行了计算和分析,提出长周期光纤光栅传输谱的相移优化设计方法.采用非均匀相移的设计思想,优化长周期光纤光栅的传输谱.和传统的均匀相移和变迹长周期光纤光栅相比,可以有效消除长周期光纤光栅谐振波长附近的旁瓣,并保证其传输性能.计算和分析结果表明:这种方法比传统的变迹优化设计方法更有效.     

薄膜长周期光纤光栅透射谱的优化算法

通过对长周期光纤光栅模式耦合机理和长周期光纤光栅透射谱特点的详细分析,给出了仿真薄膜长周期光纤光栅透射谱的解决方案。该方案从大量的波长抽样点中选择那些对耦合有贡献的抽样点来计算,并且对每一抽样点只计算最有效的模次的耦合,可以在保证模拟的正确性的前提下最大限度地减少长周期光纤光栅透射谱仿真的计算量。以振幅掩模法（芯层折射率分布近似为矩形分布）写制的薄膜长周期光纤光栅进行了数值研究,研究中考虑了材料色散对导模和包层模式折射率的影响。研究结果表明,该方案能极大提高仿真速度。     

高频CO2激光脉冲写入的相移长周期光纤光栅

运用矩阵传输法，并结合长周期光纤光栅的模式耦合理论，阐述了相移长周期光纤光栅传输光谱的形成原理.利用高频CO2激光脉冲制作出相移长周期光纤光栅.该方法仅需用计算机绘制光栅结构图形，再由计算机依照此图形控制CO2激光器对普通光纤曝光，就可自动完成光纤光栅的制作.实际制造出一条相移长周期光纤光栅，在1520~1570 nm和1610~1670 nm波长范围内分别呈现出相移图样，相移波段的通带中心波长分别为1546 nm和1640 nm.对光栅进行温度测试，观测1610~1670 nm范围内相移光谱的变化，发现相移光栅的通带及阻带中心波长具有相同的温度变化系数，其数值为0.064 nm/℃，另外又测试了光栅的应变特性，灵敏度约为－0.51 nm/mε.因此在利用光栅温度特性或应变特性做传感的过程中，可以仅测试通带中心波长的变化，实现低成本多样化的测量手段.     

双波长啁啾相移光纤光栅

理论研究并实验验证了一种含有两段π相移的啁啾相移光纤光栅.采用F矩阵对啁啾相移光纤光栅进行计算并分析了该光栅的谱特性.含有两段π相移的啁啾相移光纤光栅可以在普通啁啾光栅透射谱阻带中产生双波长透射峰,透射峰位置直接取决于光栅中π相移的位置,透射峰的线宽和透射峰的波长间隔没有关系,仅随着啁啾率的增大而增大.采用带相位掩模的逐点扫描法对含有两段π相移的双波长啁啾相移光栅进行了制作,获得波长间隔为8 nm的双波长透射谱的光栅器件.该光栅的消光比和3 dB谱线宽分别为20 dB和0.08 nm,实验结果和理论设计一致.     

长周期光纤光栅傅里叶模式耦合理论

建立了长周期光纤光栅傅里叶模式耦合理论.在分析同向模式耦合时,发现了同向耦合模式的振幅系数间存在傅里叶变换关系.推导了长周期光纤光栅的同向耦合谱和透射谱的通用表达式.该理论是用傅里叶变换分析得出长周期光纤光栅折射率微扰的空域谱,再对该空域谱进行模式同向耦合分析,从而得到长周期光纤光栅光谱特性的通用表达式.根据该理论模拟分析了长周期光纤光栅在不同长度和微扰幅值时的光谱特性,与传统耦合模理论进行了对比分析.结果表明,该长周期光纤光栅傅里叶模式耦合理论具有简单、精确和高效的特点,与实际长周期光纤光栅的透射谱特性一致.应用该理论可分析无过耦合的任意轴向折射率微扰分布的长周期光纤光栅光谱特性.     

表面镀层长周期光纤光栅双峰谐振及其透射谱研究

采用严格的耦合模理论,通过求解表面镀层长周期光纤光栅的特征方程,给出了双峰谐振波长的确定方法,以及它与光栅周期和模式序数之间的关系。结果表明,对应于较高次的包层模式,存在双峰谐振现象,且包层模式序数越高,与芯模产生谐振耦合所需的光栅周期越小。进一步讨论了双峰谐振波长的间距随薄膜参量与光栅参量变化的关系,描绘了这些参量对透射谱衰减谐振峰的影响,理论分析结果与X.W.Shu的无镀层长周期光纤光栅实验结果一致。这些研究为建立高灵敏的双峰谐振薄膜传感器提供了结构优化的理论支持。     

金属镀层两层膜系长周期光纤光栅谐振特性研究

采用严格的耦合模理论,建立了镀会属膜和敏感膜的两层膜系长周期光纤光栅复特征方程,用微扰法对复数超越特征方程进行求解.结果和文献[5]给出的数据相符.理论模拟数据表明.金属的消光系数对功率密度和透射谱影响很大.低阶偶次模式在纤芯内的功率密度所占比重远大于奇次模式,其衰减峰幅度也比奇次模高,因此,金属镀层长周期光纤光栅实际应用时,需要选择偶次模作为研究对象.进一步理论分析了金属和敏感膜层参数对长周期光纤光栅谐振特性的影响,研究发现,金属膜厚、敏感膜厚和折射率对谐振波长有较大的影响,谐振波长随金属膜厚、敏感膜厚和折射率的增大向短波方向漂移.在某些区域谐振波长存在跳变现象,长周期光纤光栅实际应用时应避开此区域.     

膜层传输矩阵理论在布拉格光纤光栅分析中的应用

利用膜层传输矩阵理论研究折射率调制对布拉格光纤光栅传输特性影响.根据传输矩阵理论计算光栅折射率的调制幅度、光栅长度、调制方法等对布拉格光纤光栅的反射率、反射峰波长和半幅宽度的影响.结果表明:膜层传输矩阵理论与传统传输矩阵法、耦合模理论对布拉格光纤光栅特性分析结论一致;采用高调制长度、低调制幅度可以获得良好的布拉格光纤光栅反射峰,而反射主峰位置改变需用调整调制周期.实验和理论对比分析了主峰在1 550nm波长的布拉格光纤光栅反射峰情况,验证了该方法的可行性.与传统方法相比,膜层传输矩阵法计算公式简单、运行速度快,可应用于布拉格光纤光栅辅助设计.     

长周期光纤光栅的理论分析及实验验证

采用简化的三层光纤模型,从模式理论和耦合模理论出发,分析了长周期光纤光栅的耦合特性及功率透射谱,给出了长周期光栅的主要特性参数。利用计算机建模,采用Matlab软件对实用的SMF 28单模光纤加以特定的光栅折射率调制参数进行数值计算,并采用振幅掩模法刻写长周期光纤光栅进行实验验证,计算结果与实验结果相吻合。     

涂有半导体气敏薄膜的长周期光纤光栅气敏传感特性理论分析

首先利用耦合模理论研究了长周期光纤光栅LPFG折射率敏感特性,数值计算了长周期光纤光栅透射谱谐振波长与环境介质折射率的关系。其次分析了半导体氧化物气敏膜光学特性机理,当气体与薄膜接触时,气体会使敏感膜的消光系数、吸收系数和相应的折射率发生变化。基于上述两点,提出可将气敏膜涂于光栅表面,利用气敏膜的折射率随环境气体成分和浓度变化而变化的特性,从而影响LPFG透射谱谐振波长的变化,通过检测波长的变化达到探测气体成分和浓度的目的。由于长周期光纤光栅对环境介质折射率的灵敏度高于光纤,且其传感信号属于波长调制,测量信号不受光强波动及光纤损耗的影响,因此其灵敏度比强度型光纤气体传感器高。     

New transfer matrix method for long-period fiber gratings with coupled multiple cladding modes

A new transfer matrix method for long-period fiber gratings with coupled multiple cladding modes is proposed and numerically characterized. The transmission spectra of uniform and non-uniform longperiod fiber gratings are numerically characterized. The theoretical results excellently agree with the experimental measurements. Compared with commonly used methods,such as using the fourth-order adaptive step size control of the Runge-Kutta algorithm in solving the coupled mode equation,the new transfer matrix method exhibits a faster calculation speed.     

Optical-fiber-to-waveguide coupling using carbon-dioxide-laser-induced long-period fiber gratings

Optical fibers are expected to play a role in chip-level and board-level optical interconnects because of limitations on the bandwidth and level of integration of electrical interconnects. Therefore, methods are needed to couple optical fibers directly to waveguides on chips and on boards. We demonstrate optical-fiber-to-waveguide coupling using carbon-dioxide laser-induced long-period fiber gratings (LPFGs). Such gratings can be written in standard fiber and offer wavelength multiplexing-demultiplexing performance. The coupler fabrication process and the characterization apparatus are presented. The operation and the wavelength response of a LPFG-based optical-fiber-to-waveguide directional coupler are demonstrated.     

啁啾长周期光纤光栅的超宽带滤波特性及其切趾优化

基于光纤光栅的模式耦合理论,采用传输矩阵法对啁啾长周期光纤光栅(LPFG)的超宽带滤波特性进行了分析。研究表明当啁啾LPFG的纤芯模同时与同向传输的多个阶次的包层模发生耦合,且与多个不同阶次包层模对应的谐振峰交叠时,其传输谱带宽可扩展到500nm以上,可用做超宽带带阻滤波器。传输谱带宽随模式序数、啁啾系数、光栅长度、周期和折射率调制量的增加单调递增,但随光纤包层半径的增大单调递减。采用高斯折射率切趾技术抑制了传输谱旁瓣,为设计超宽带滤波器提供了新的方法。     

双面曝光长周期光纤光栅偏振相关损耗

研究了采用高频CO2激光脉冲通过单面和双面曝光制作出的长周期光纤光栅(LPFG)的偏振相关损耗特性。单面曝光制作的长周期光纤光栅由于光纤横截面折射率改变不均匀,对入射光偏振态有较强的依赖性,主要表现为偏振相关损耗较大;为了降低偏振相关损耗,在制作长周期光纤光栅的过程中采用双面曝光的方法,以使其横截面折射率调制受高频CO2激光曝光改变均匀。实验数据显示,高频CO2激光脉冲制作的普通单面曝光长周期光纤光栅最大偏振相关损耗高达1.24 dB,而采用双面曝光的相同谐振峰值长周期光纤光栅的偏振相关损耗则可降至0.42 dB。因此,双面曝光制作的长周期光纤光栅能较好地克服入射光偏振态的不良影响,从而满足对偏振敏感的光纤通信和传感系统的应用要求。     

Characteristics of Multiply π Phase shifted Long period Fiber Gratings

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　ＴｈｅＬＰＦＧｉｓａｔｙｐｅｏｆｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｇｒａｔｉｎｇｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｃｏｕｐｌｉｎｇｔｈｅｇｕｉｄｅｄｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｍｏｄｅｔｏｔｈｅｆｏｒｗａｒｄｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇｃｌａｄｄｉｎｇｍｏｄｅｓ.ＵｎｌｉｋｅｔｈｅＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇ ,ｔｈｅｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎｏｆＬＰＦＧ’ｓｈａｖｅａｍｕｃｈｇｒｅａｔｅｒｐｅｒｉｏｄｉｃｉｔｙｔｈａｎｔｈｅｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｌ…     

Characteristics of Multiply π Phase-shifted Long-period Fiber Gratings

The transmission spectra of multiply π phase-shifted long-period fiber gratings (LPFG's) are analyzed by a combination of coupled-mode theory and the fundamental matrix method. The theoretical simulation shows that the LPFG' s can act as novel bandpass filters with two dominant passbands when multiple π phase-shifts are introduced at particular locations along the grating.     

Simultaneous independent measurement of strain and temperature based on long-period fiber gratings inscribed in holey fibers depending on air-hole size

We propose and experimentally demonstrate a simple and flexible scheme for the simultaneous measurement of strain and temperature using long-period fiber gratings (LPFGs) based on versatile holey fibers (HFs) with different air-hole sizes. The strongly resonant LPFGs (as much as approximately 24 dB) can be successfully achieved. The LPFGs inscribed in the HFs have similar temperature sensitivities regardless of air-hole size because of the same material composition. The strain sensitivities of the LPFGs, however, are different, since holey fibers have different cross-sectional areas depending on the air-hole size. The strain sensitivities of the HF-based LPFGs are enhanced by a factor larger than 2 as the air-hole size increases.     

Tunable optical add-drop multiplexer based on long-period fiber gratings for coarse wavelength division multiplexing systems

We propose and experimentally demonstrate a voltage-controllable add-drop multiplexer with a tunable coupler based on long-period fiber gratings (LPFGs). The tunable coupler is based on cladding mode coupling between two parallel LPFGs with divided coil heaters, which controls the resonant wavelength positions of the two LPFGs. The wavelength tunability of the tunable coupler is measured to be -0.45 nm/degrees C in the temperature range from 20 to 120 degrees C. The large tuning range of optical signals (approximately 50.54 nm) from 1502.32 to 1552.86 nm, which covers both the short (S) and the conventional (C) bands, is achieved. The channel isolation is as high as approximately 40 dB. It has several advantages, including a broad tuning range of wavelength in both the S- and C-bands, high channel isolation, no backreflection, and so on.