非线性、切趾和相移对光纤布拉格光栅反射谱的影响

【摘要】：光纤光栅是 90 年代发展起来的新型光学器件。光纤光栅以其特有的 高波长选择性、与光纤系统兼容、插入损耗低、结构简单、体积小等优 点，在光纤通信领域具有巨大的应用市场。 光纤纤芯的光学特性在蓝光或紫外光的强激光照射下可以发生永久 性的改变。光纤光栅就是利用这种光敏性制成的一种折射率沿光纤纵向 周期变化的波导。光通过这样的波导将产生相位的周期性变化。 耦合模理论是研究光纤光栅传输特性的一个重要理论。耦合模理论 分别处理光纤光栅内向前和向后传播的光，光栅提供向前和向后传播的 光的耦合。本文从耦合模理论出发，研究了非线性、切趾和相移对光纤 布拉格光栅传输特性的影响。 本文在研究非线性对光纤光栅反射谱的影响时，采取了不同于传统 的对传输方程进行积分的方法，而是采用了一种崭新的分析方法——零 点图法。分析结果表明： 1. 随着光纤光栅内光场能量的增加，禁带向低频长波方向移动。且光场 能量越大，频移量越大。 - 77 - WP=86 吉林大学硕士学位论文 2. 当光栅内的光场能量超过一定值时，禁带的右侧边缘将超过线性情况 下禁带的中心。此时布拉格波长不再被反射，而是被透射。 因此，通过控制光栅内的光场强度可以控制布拉格波长的光是被光 栅透射，还是被光栅反射。在此意义上，光栅可以用来实现对布拉格波 长的光的“开”和“关”。 零点图法的优点在于：计算简便、易于掌握、能够更加直观地反映 不同程度的非线性对光纤光栅反射谱的影响，并由此可以推断实线“开 关”所需的光场强度。零点图法将在研究非线性对光纤光栅反射谱的影 响中有重要的应用价值。 普通光纤布拉格光栅主反射峰两侧的旁瓣严重地影响光栅的滤波特 性，使其不能满足光通信系统中高隔离度的要求。可以通过光学切趾移 去这些旁瓣。本文用传输矩阵法数值模拟了七种切趾函数在不同参数下 切趾处理后的光栅反射谱。模拟结果表明，切趾可以很好的抑制光纤光 栅反射谱的旁瓣，使光栅反射谱的形状更加规则。在禁带内谐振波长附 近较宽范围内反射率接近 100%；而调谐到光栅禁带外的光几乎不受光栅 禁带的影响，完全透射出光栅。通过分析和归纳各种切趾函数处理后的 光栅反射谱我们发现这些规律： 1. 对于同一切趾函数，光栅反射谱的禁带宽度、禁带边缘陡峭性和旁瓣 抑制程度要受到所选参数的影响。并且旁瓣的抑制以禁带宽度和禁带 边缘的陡峭性为代价。因此应根据需要，慎重选取参数。 2. 具有完全切趾窗口图形的切趾函数处理后的光栅反射谱要比具有部 - 78 - WP=87 吉林大学硕士学位论文 分切趾窗口图形的切趾函数处理后的光栅反射谱牺牲更大的禁带宽 度和禁带边缘陡峭性。 3. 超高斯函数切趾和帽形函数切趾随参数变化比较复杂。通过选取适当 的参数，即可以对禁带附近的旁瓣有更好的抑制效果，也可以对远离 禁带的旁瓣有更好的抑制效果。 4. 帽形函数、超高斯函数、柯西函数、高斯函数和余弦函数都能很好的 抑制禁带附近的旁瓣。 5. 升余弦函数、帽形函数和超高斯函数对于远离禁带的旁瓣有更好的抑 制效果。 6. 折射率调制深度缓慢地变化到最大的切趾函数可以更好的保持禁带 边缘的陡峭性。 7. 折射率调制深度缓慢地减小到最小的切趾函数能更好的抑制远离禁 带的旁瓣。反之，则对于禁带附近的旁瓣抑制效果更好。 这些规律性的结论对于制作满足不同要求的切趾光栅有重要的指导 意义。 通过在均匀光栅上设置一个或多个相移，可以在光栅反射谱的禁带 内打开线宽极窄的一个或多个透射窗口，使得光栅对某一波长或多个波 长有更高的选择度。本文用传输矩阵法数值分析了不同相移量和不同相 移位置对光栅反射谱的影响。分析结果表明： 1. 禁带内窄透射峰的数目与光栅内相移段的数目相同。 2. 透射峰的大小和线宽由相移在光栅中所处的位置决定。越靠近光栅中 心位置，透射峰越大，透射峰的线宽也越窄。 - 79 - WP=88 吉林大学硕士学位论文 3. 透射峰在禁带中所处的位置由相移量的大小决定。当? π 2时，透 射峰的波长大于布拉格波长。当? ?2时，透射峰的波长小于布拉格 波长。相移大小越接近π 2，透射峰越靠近禁带中心布拉格波长，且 透射峰线宽越窄。 这些理论结果对相移光纤光栅的实际应用也将起重要的指导作用。