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基于长周期光纤光栅的传感器及全光开关研究

金晶  
【摘要】:长周期光纤光栅是近年来出现的一种新型光无源器件,它实现了同向传播的纤芯基模和包层模之间的耦合。由于长周期光纤光栅具有工艺简单、插入损耗小、无后向反射、对外界环境变化的反应灵敏度高、体积小、易与其它光通信器件集成和连接等独特的优点,受到了国内外广大学者的关注。发展短短数年,其在光纤通信和光纤传感领域已经显示出了极为广阔的应用前景。本文以长周期光纤光栅的耦合模理论为基础,对基于长周期光纤光栅的传感器以及全关开关的特性进行了理论分析和研究。主要研究工作包括: 首先,从分析单模光纤中纤芯基模和包层模的色散方程以及场分布出发,结合耦合模理论推导出了均匀长周期光纤光栅的自耦合系数、交叉耦合系数、谐振波长、带宽等几个公式,并对长周期光纤光栅的光谱特性进行了讨论。接着从Maxwell方程组出发,推导了长周期光纤光栅的非线性耦合模方程。为开展对长周期光纤光栅的研究工作打下了良好的理论基础。 其次,从理论上研究了长周期光纤光栅的敏感特性,包括温度响应、轴向应力响应和外界折射率响应等。分析表明,谐振波长的温度和轴向应力以及外界折射率灵敏度与光纤类型、光栅的周期、模式耦合的阶次等因素有关。接着较全面的介绍了长周期光纤光栅在温度传感、应力传感、折射率传感、弯曲量传感、扭曲量传感、电流传感等各方面的应用。 最后,利用分步傅立叶算法和精确的龙格库塔算法求解了基于长周期光纤光栅中脉冲演变遵循的非线性耦合模方程,研究了长周期光纤光栅中的非线性脉冲传输,得到了谐振和非谐振两种情况下基于长周期光纤光栅的全光开关的开关率。发现在两种情况下,利用高阶超高斯脉冲都能够显著提高光开关的开关率。同时还发现,长周期光纤光栅中光开关的开关率将依赖于超高斯型脉冲的阶数,随着超高斯型脉冲阶数的增加,光开关的开关率也将增加。


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