光纤光栅传输矩阵研究

利用模耦合理论给出并分析了一般坐标系下相移布喇格光纤光栅中的传输矩阵及其特性,所给出的传输矩阵具有分段不变性,而且不能被分解为一个矩阵和一个相移矩阵的乘积.利用该传输矩阵可以研究均匀、相移、啁啾、超结构等光纤光栅及光栅的级联等.计算了相移光栅的反射谱和相移量的关系,以及两个光栅级联时的反射谱.结果表明,同样相移量时的反射谱和已有文献不同,两个光栅级联时,也不同于已有文献,各自的谐振波长与光栅的级联没有关系.     

光纤布喇格光栅的理论分析

本文从耦合模理论出发推导了光纤布喇格光栅的最大反射系数和反射主峰带宽的表达式,以此为基础具体分析了相移光栅,导出了一些有重要意义的结果。     

相移光纤光栅耦合系数控制

为了通过遮挡法实现不同耦合系数π相移光纤光栅制作,分析了刻制过程中的相移形成原理,提出通过调整遮挡区长度和π相移周期次数控制π相移光纤光栅耦合系数的方法.采用传输矩阵法对刻制相移光纤光栅过程中的透射谱变化进行仿真计算,分析了不同光栅条纹可见度下遮挡区长度对相移光纤光栅透射谱的影响.基于不同遮挡区长度进行了相移光纤光栅制作实验,结果表明:通过调整遮挡区长度和π相移出现次数能够实现对相移光纤光栅耦合系数的有效控制.     

级联长周期光纤光栅的光谱特性研究

级联长周期光纤光栅的透射谱具有干涉峰的振幅大、谱型丰富等优点。利用传输矩阵法分析了级联及相移长周期光栅的光谱特性,研究了级联光栅间距、位置和相移对光栅谱的影响,并对级联及相移长周期光栅谱进行了比较。结果表明:两者光谱特性在光栅间距长度与光栅周期之比较小或级联位置靠近光栅两端时具有较强的一致性。对相移长周期光栅而言,当引入多个相移时,两个主阻带间的通带宽度随着引入的相移个数的增多而逐渐变宽。     

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.     

镀膜长周期光纤光栅的单峰宽带滤波特性

镀膜长周期光纤光栅(LPFG)工作于相位匹配转折点时纤芯模与高次包层模的耦合产生单个宽带损耗峰,其3 dB带宽取决于纤芯模和包层模之间的色散差、光栅长度以及中心波长.研究表明,薄膜折射率和厚度的变化将影响纤芯模与包层模之间的色散差,从而影响损耗峰的3 dB带宽,同时损耗峰中心波长亦随之移动.薄膜折射率为1.57,厚度为350 nm时,损耗峰带宽可达302 nm.减小光栅长度在保证中心波长损耗大于6 dB的前提下可使损耗峰3 dB带宽增大至334 nm.进一步研究表明,在均匀LPFG中偏离光栅中点的适当位置引入单个π相移可以使带宽增大至372 nm以上.     

基于相移光纤光栅的布拉格波长解调原理的分析

提出了一种基于相移光纤光栅(phase shifted fiber grating)的布拉格波长解调技术，相移光纤光栅在反射谱阻带中能打开线宽极窄的一个或多个通透窗口，而且窗口位置随所加相移量的大小呈线性变化。实验中应用电流调谐相移量以实现布拉格波长的解调。选用最大波长偏移量为2nm的相移光纤光栅进行调谐滤波，温度的测量范围可达到200℃，应变的测量范围可达到2000μs。实验表明利用相移光纤光栅进行布拉格波长解调，取得了预期的效果，为布拉格波长解调技术提出了新的思路。     

π相移光纤光栅水听器的超声波传感指向特性

π相移光纤光栅因具有较短的有效光栅传感长度,近年来成为了超声传感领域的研究热点.本研究旨在探究π相移光纤光栅作为水听器应用时对超声波的指向性特性.选取π相移光纤光栅作为超声传感单元,先基于分层介质的声传播理论计算出水中超声波入射时光纤纤芯的应变,再运用基于光学耦合模方程的传递矩阵法计算反射光谱得到光波长偏移.将角度-频率空间分为三个区域,计算了声波频率在1—10 MHz时不同角度下的应变结果和光波长偏移响应特性,并开展了实验研究.结果表明,理论和实验结果具有较高的一致性,π相移光纤光栅在超声波垂直光纤入射时响应最大,随声波入射方向与光纤法向间夹角的增加,π相移光纤光栅的声响应先急剧下降,后在水中直达声波和光纤中导波叠加时出现极大值.此外,π相移光纤光栅的声响应随声波频率增加而降低.本研究对π相移光纤光栅在超声传感中的实际应用具有重要意义.     

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.     

相移光纤光栅的制作和特性

在光纤光栅的刻蚀平台中引入精密移动电机,控制相位掩模板的移动,从而在光纤光栅的刻蚀过程中,在光栅的固定位置引入相移量,采用此简单易行的方法制作出了多种相移光纤光栅,分析所刻光纤光栅的光谱曲线,符合理论分析和设计的要求。     

相移光纤光栅多重滤波特性研究及应用

滤波器是通信中一种重要的器件,相移光纤光栅因其显著的滤波特性,可作为带阻滤波器应用于密集波分复用系统,实现光信号的解调。影响相移光纤光栅滤波特性的因素有很多,通过相移光纤光栅的耦合模理论分析,并利用MATLAB语言编程计算出相移光纤光栅的单波长、双波长和多波长滤波反射谱。结果发现:光栅参数的变化会使相移光纤光栅滤波特性发生改变;当进行双波长滤波时,反射谱将随着相移点位置由内向外的改变而向内塌缩;多波长滤波时,相移点位置不同可分别出现多透射窗口和超宽矩形透射窗口。     

Yb3+相移分布反馈光纤激光器的理论分析

对相移分布反馈掺Yb^3 光纤激光器进行了理论分析，发现当相移为π时，增益阈值最小，相移越远离π，增益阈值越大，信号波长越偏离布拉格波长；随着光纤光栅耦合系数的增加，激光器的增益阈值越小，输出功率越大；相移分布反馈光纤激光器的正向和反向输出持性与光纤光栅的相移点的位置有关。     

啁啾相移光纤光栅分布式应变与应变点精确定位传感研究

利用啁啾相移光纤光栅狭缝的中心波长对应变点和应变量的波长敏感性,实现应变与应变点精确定位的传感.当啁啾光纤光栅上的某一位置产生微应变时,该应变点会产生相移,其频谱则会出现一个与之对应的狭缝,且狭缝的深度和中心波长与应变的大小和位置相关.当串接不同中心波长的啁啾光纤光栅后,即可实现一定范围内的分布式应变与应变点精确定位检测.本文通过V-I传输矩阵法建立了狭缝深度和中心波长关于应变量和应变位置的理论模型,分析结果表明理论上可以实现微米量级的精确定位.搭建了级联啁啾相移光纤光栅的分布式应变传感装置,实验获得的最大应变灵敏度为0.19 pm/με.该精确定位传感装置在先进制造、精密加工、航空航天、铁路系统等高新技术领域具有重要的应用前景.     

非均匀应变场下相移光栅光谱特性及其实验研究

采用传输矩阵法系统研究轴向非均匀应变场下相移光栅光谱特性,对均匀应变、线性应变、二次应变以及三次应变分布下相移光栅反射谱进行仿真,分析应变分布函数各项系数对反射率、通透带宽、透射窗口对应波长以及光谱形状的影响,并得出规律性结论。基于不同形状悬臂梁组建应变调谐实验装置,利用有限元法计算固定于不同形状悬臂梁表面相移光栅栅区应变分布,结合数值计算结果进行相移光栅应变调谐实验,研究相移光栅栅区轴向在均匀应变场、线性应变场以及二次应变场下相移光栅的反射光谱,实验结果表明在不同应变场下相移光栅反射谱呈现规律性变化,与仿真结果很好吻合。     

线性啁啾莫尔光纤光栅的理论研究

以经典耦合模理论为基础,结合线性啁啾莫尔光纤光栅的结构特性,给出了线性啁啾莫尔光纤光栅的耦合系数和耦合模方程,并用龙格库塔迭代法数值求解耦合模方程.对多种线性啁啾莫尔光纤光栅的光谱特性和时延特性进行了理论模拟.分析结果表明,线性啁啾莫尔光纤光栅的相移特性和切趾特性,使得该类型光栅在波分复用全光网中有着很好的应用前景.     

相移法在光栅投影测量中的应用

利用双目CCD相机记录的光栅投影测量技术是一种新型的光学测量方法。为了获得高精度测量相位值，提出一种优化相位测量精度的相移方法。该方法通过投影相传递函数和投影光的光强函数计算相位值，并考虑了测量投影光非正弦、非周期性的影响，提高了投影光栅的条纹精度和相位精度，相位精度为像素级，通过插值可达到亚像素级。     

线性化求解非线性记录光栅耦合波方程

采用折射率调制特性为上凸型和下凹型的调制曲线,提出了线性化求解非线性记录全息图耦合波方程的方法。以反射相位型全息光栅为例,用耦合波理论分析计算了记录介质折射率调制为上凸型和下凹型调制曲线的体全息图的衍射光谱特性。计算结果表明,折射率调制类型对光栅衍射光谱的带宽有较大影响,对次峰峰值也有影响,而对主峰峰值和峰值位置影响不大。这些结果可以解释实验测得的全息光栅衍射光谱带宽较宽和光栅衍射光谱的多样性。     

面向稀疏波分复用系统的超大带宽硅基光子滤波器

大带宽光子滤波器被广泛应用于稀疏波分复用系统中,而在硅基芯片上实现结构紧凑、性能优良的超大带宽滤波器仍然是该领域研究的重点。提出一种基于光栅辅助反向耦合器的超大带宽硅基光子滤波器。利用窄波导更低有效折射率和更分散电场分布的性质,实现了带宽为92.9 nm、器件长度为250.6μm的超大带宽滤波器。该滤波器具有矩形度高、带宽大、损耗低等优势,能满足稀疏波分复用系统中解复用等需求。     

单点相移光纤光栅光谱特性的研究与应用

可调谐窄线宽掺铒光纤激光器具有线宽窄、噪声低等优点,在光纤通信、光纤传感、相干探测和合成等方面有广泛的应用。根据传输矩阵法, 利用Matlab软件仿真出单点相移光纤光栅的透射谱,通过对不同相移量、不同相移点位置、不同光栅的长度以及不同纤芯有效折射率的单点相移光纤光栅透射谱进行分析,得到了影响其相移峰的透射率、线宽、位置的主要因素,并提出了一种利用相移量为π且相移点在中点的相移光纤光栅作为滤波窗口的可调谐窄线宽掺铒光纤激光器的方案。     

基于相移光纤光栅微分器超短光脉冲整形

基于耦合模理论和传输矩阵法,对相移光纤光栅的反射谱、相移特性进行了分析.结果表明,相移光纤光栅随着相移点个数的增加,反射谱透射窗口数目增多,相移发生多次跳变,从而形成对信号的微分效应,并且相移的微分阶数与所增加的相移点个数成正比.设计出基于相移光纤光栅微分特性的脉冲整形器,通过优化高斯信号各阶微分的加权系数,将高斯型输入脉冲整形成近似方形或三角形状的输出脉冲,通过调整光纤光栅第一段与第二段的长度比,使输出三角脉冲形状的失真现象得到改善.分析输入的高斯脉冲的脉宽发生±5%的波动时,输出波形依然可以获得很好的三角和平顶方形脉冲效果,从而证明了所设计的脉冲整形器的稳定性和实用性.