光子晶体光纤重叠光栅理论模型与光谱特性研究

本文对光子晶体光纤重叠光栅的传输光谱及特性进行了研究.在理论上,提出了基于V-I传输矩阵法的光子晶体光纤重叠光栅分析模型,仿真研究了布拉格叠栅和啁啾叠栅的反射谱和时延特性.在实验上,利用193 nm紫外激光在光敏单模光子晶体光纤中实验制备了定制波长间隔的四重布拉格重叠光栅和波长间隔0.82 nm的啁啾重叠光栅.研究结果显示布拉格光栅的重叠光栅可通过各子光栅写制参数实现光谱灵活定制;基于啁啾光栅的重叠光栅具有周期性宽带滤波特性,谐振周期可由光栅周期偏移调整,且具有平坦的幅度响应和呈良好线性的群时延.实验所得光栅光谱与理论分析很好地符合.研究结果为光子晶体光纤重叠光栅的设计、制备及应用提供了重要的参考依据.     

光子晶体光纤布拉格光栅传输谱特性的分析

研究光子晶体光纤中光纤光栅的传输谱特性对于研制基于光子晶体光纤的光纤光栅器件有着重要的意义。结合耦合模理论和光束传输相关函数方法,对一种典型光子晶体光纤中的布拉格光栅(FBG)传输谱进行了理论分析。比较了光子晶体光纤中布拉格光栅与常规布拉格光栅的传输谱。数值分析了光纤截面结构变化对于光栅传输谱的影响,并给出这种影响的定性解释。计算结果显示,与常规光纤光栅相比,包层模共振引起的损耗峰与正反向纤芯模耦合引起的损耗峰可以相比拟,而包层模共振的间隔也比常规光纤中光纤光栅的包层模共振间隔要大。同时给出了晶体光纤截面上空气孔的占空比,空气孔的排布层数对于传输谱影响的规律。     

光子晶体理论应用于光纤布拉格光栅的研究

将光纤布拉格光栅近似为一维光子晶体，研究光栅的能带结构和光学传输特性。利用平面波展开法对光子晶体进行理论研究，将研究方法移植到光纤布拉格光栅上，并对其进行数值分析，得到光栅的传输特性。研究表明，光栅反射谱有多个反射峰，峰值中心频率是基频的整数倍，而且峰值处存在光子带隙，反射峰带宽对应光子带隙宽度，中心频率和带宽随光栅长度、高介电常量材料占空比、调制深度而变化。结果与传统的耦合模理论一致。     

光子晶体光纤光栅谱特性的数值模拟研究

应用多极法理论和传输矩阵法,对基于包层空气孔为正六边形对称结构的光子晶体光纤的布喇格光栅特性进行了计算和仿真。对比研究了常规单模光纤所成光栅与相同光栅周期的光子晶体光纤布喇格光栅反射谱之间的差异,重点研究了光子晶体光纤的结构参数变化(间隙孔半径、层数)与光子晶体光纤光栅的谐振峰变化规律。当光子晶体光纤的间隙孔半径增大时,光子晶体光纤光栅的谐振波长出现蓝移;当光子晶体光纤的间隙孔径不变、层数增加时,光子晶体光纤光栅的谐振波长出现红移。     

取样光纤光栅的多层薄膜分析新方法

将取样光纤光栅看成一个多层薄膜体系,每层膜用界面传输矩阵和膜层传输矩阵表示,将每层的传输矩阵相乘后得到取样光纤光栅的反射谱。数值计算结果表明:取样光纤光栅的总长度、折射率调制深度、占空比、取样周期和啁啾系数等参数都会影响反射谱的峰值和带宽。该模型的精度满足设计要求。     

光子晶体光纤布拉格光栅传输谱特性研究

结合多极法和耦合模理论,对一种典型的正六边形空气孔包层结构光子晶体光纤布拉格光栅的传输谱进行了研究,使用Matlab工具对这种光栅特性进行了计算和仿真。对比了常规单模光纤所成光栅与相同光栅周期光子晶体光纤布拉格光栅反射谱及时延特性之间的差异,并给出了定性解释。在此基础上,对光纤光栅的切趾特性进行了研究,选择不同的切趾函数,得出最佳切趾函数下光栅传输谱。理论计算和仿真结果表明,随波长增加,基模有效折射率下降;与相同周期常规光纤光栅相比,光子晶体光栅谐振波长出现蓝移;采用啁啾化处理后,10 cm长光子晶体光纤光栅可以提供1200 ps以上的线性时延。     

高双折射光子晶体光纤中均匀布拉格光栅的特性

研究了具有高双折射的光子晶体光纤(HB PCF)中均匀布拉格光栅(FBG)的光谱特性。利用紧凑的超格子模型,对光子晶体光纤的传输特性进行分析,研究正向传输和反向传输的模式之间的耦合规律,从而研究写入光子晶体光纤中的均匀布拉格光栅的特性。首先给出具有C6v对称性的零双折射光子晶体光纤中光纤布拉格光栅的布拉格波长λB随光纤结构参量的变化规律;然后分析一种高双折射光子晶体光纤中的光纤布拉格光栅的光谱特性,高双折射使两个不同偏振态的反射峰分开较大;最后分析了一种常用的双模双折射光子晶体光纤中光纤布拉格光栅的光谱特性,LP01模和LPe11模的两个偏振态对应的反射谱都由于高双折射而分开。     

取样布拉格光纤光栅的传输矩阵

根据在一般坐标系下均匀布拉格光纤光栅的传输矩阵,得到了取样布拉格光纤光栅的传输矩阵。利用傅里叶变换得到了取样布拉格光纤光栅的谐振方程。结果表明,在不考虑平均折射率变化的情况下,谐振峰的位置是由光栅的周期和取样周期共同确定的,与取样时的占空比、光栅长度和耦合系数没有关系。类似于物理光栅,取样布拉格光纤光栅也存在缺级现象,给出了出现缺级的条件。     

取样光纤布拉格光栅

用传输矩阵法从理论上计算了取样光纤布拉格光栅的反射谱特性,提出了几种最高其谱特性的调制方案。用取样掩模版一次成栅的方法首次获得了波长间隔为０．８ｎｍ和１．６ｎｍ的取样光纤布拉格光栅。     

柚子型光子晶体光纤啁啾光栅的反射谱特性

利用有限元法和传输矩阵法,对柚子型结构的光子晶体光纤啁啾光栅的反射谱进行了理论分析。得到了啁啾光栅参数和光纤参数对光子晶体光纤啁啾光栅反射谱的影响规律。结果表明随着啁啾系数和折变量的增加,光栅反射谱呈规律变化,当啁啾系数增大到一定程度时几个反射峰会连到一起,形成一个大的反射带宽。光纤的内包层直径和纤芯直径的改变能够影响各反射峰之间的间距。同时研究了切趾变迹对光子晶体光纤啁啾光栅反射谱的影响,研究表明,所用切趾函数会同时对多个峰进行切趾,每个峰的切趾效果都很好。对反射谱波动较大的几个峰相连的啁啾光栅经过柯西切趾后反射谱曲线平滑,适合于实际应用。     

热激法光子晶体光纤光栅制备工艺中热传导特性研究

研究了基于结构性改变的光子晶体光纤光栅的热激法制备工艺,理论分析了此种工艺的成栅原理,采用热传导理论和有限元法研究了制备过程中光子晶体光纤中的温度场分布,以及包层空气孔结构和激光参数对成栅效果的影响.研究结果表明,利用光子晶体光纤包层空气孔周期性塌缩可以形成光栅;采用两点热激法时,能够实现能量在光纤径向均匀分布,轴向近似于高斯分布;包层气孔结构加速了成栅过程,相同光斑尺寸下,光纤塌缩所需激光功率随气孔层数和气孔半径的增大而减小;最后,对包层空气孔结构为1层到7层的光子晶体光纤热激过程进行仿真,得到了空气填 关键词： 光纤光栅 光子晶体光纤 热激法 有限元法     

Study of heat transfer characteristics in PCFG fabrication technology using heat method

The fiber gratings fabrication technology with the heating method in a photonic crystal fiber (PCF) based on structural change is examined. The principle of photonic crystal fiber gratings (PCFGs) is analyzed in theory. The heat transfer theory and finite element method are used to examine the thermal field distribution in the fiber and the influence of the air hole structure in the cladding, and the parameters of the laser beam in the process of grating fabrication are discussed. The results show that gratings can be formed by the periodic collapse of air holes in the cladding of PCFs. Under double-point heating condition, the energy is uniformly distributed in the radial direction and is approximate to Gaussian distribution in the axial direction. With the same size of the luminous spot, as the layers and radius of the air holes increase, the laser power needed to make the air holes collapse decreases. With the same laser power, as the luminous spot radius increases, the needed heating time increases. Moreover, the relationship between the laser power needed and the air filling rate is obtained as the number of layers of the air holes changes from 1 to 7. This kind of PCFG can overcome the long-term thermal instability of conventional gratings in substance and thus has great potential applications in the related field of optical fiber sensors.     

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Bragg光栅应变测量中啁啾特性的研究

用光纤Bragg光栅进行应变（静态、动态）测量时,由于光栅轴向各部分受到的应变不同,因而产生布喇格中心波长漂移量发生变化.实际测量中往往忽略此扰动对光纤光栅反射谱中心波长的影响,则必然带来测量误差.采用耦合模理论,分析并研究了Bragg光栅受轴向线性应变、高次应变和非线性周期应变波等情况下的啁啾特性.根据各自啁啾特性的不同,给出了对光纤光栅反射谱中心的影响,以及测量各种应变时的测量条件和范围.     

基于PCF-LPG的差分算法实现对光纤传感器的噪音消除

为了有效消除光源抖动及系统不稳定因素给光纤传感器带来的噪音干扰,提高光纤传感器的准确度,本文提出了一种基于光子晶体光纤长周期光栅的差分算法.利用光子晶体光纤长周期光栅良好的温度稳定性及宽光谱滤波特性,同时监测位于光子晶体光纤长周期光栅透射谱正负斜率线性区域内的两个信号功率变化.这两个信号是经同一路径到监测设备的,包含光源抖动以及系统其它不稳定因素带来的噪音干扰,对这两个信号进行差分处理即可有效消除噪音干扰,并将其应用于光纤环镜温度传感器.结果表明:通过基于光子晶体光纤长周期光栅的差分处理,在光源功率变化±10%的情况下,差分值基本保持不变,由此获得的温度测量值与真实值相对误差分别为0.04和0.03|与未引入差分算法相比,传感器准确度从约76%提高到约97%.本文提出的基于光子晶体光纤长周期光栅的差分算法可以有效消除光纤传感器内功率抖动所带来的噪音干扰,大大提高系统的准确度.     

光子晶体光纤的原理、结构、制作及潜在应用

传统光纤中的光能损耗和色散是阻碍其进一步向大容量和远距离通信方向发展的主要原因，因此制造具有低色散和低损耗的光子晶体光纤成为光纤技术努力的方向。在介绍光子晶体光纤的制作、导光原理和特点的基础上，研究了普通光纤不具备，而光子晶体光纤所具有的无休止的单模特性、奇异的色散特性、可控的非线性和易于实现的多芯传输等特点。研究结果表明，光子晶体光纤在光纤传感器、光子晶体天线、超宽色散补偿、光学集成电路等多方面具有广泛的应用前景。