光纤Bragg光栅F-P腔色散特性的研究

【摘要】：近年来，利用光纤Bragg光栅的反射特性构造的F-P腔，由于其具有许多优异的特性，而被广泛应用在光纤通信和光纤传感领域。而随着科学技术的不断发展，光纤Bragg光栅F-P腔的新的应用也在不断涌现，因此对于它的透射谱和色散特性的研究具有重要的应用价值。 本论文研究的主要成果如下： 1.针对组成光纤Bragg光栅F-P腔的两端的光栅参数完全相同的情况，当参数改变时，通过数值模拟得到了其透射谱、群时延和色散随波长的变化关系。F-P腔的最小透过率随光栅的折射率调制深度、F-P腔的腔长、光栅长度和光栅的条纹可见度的增大而减小，但光栅的周期和纤芯折射率的改变对其影响不大；对于F-P腔的透射带宽，随着光栅长度的增大而减小，光栅折射率调制深度的增加而变宽，F-P腔腔长、光栅周期、光栅的条纹可见度和纤芯折射率对其没有影响；透射带宽内的谐振峰的数目随着光栅折射率调制深度和F-P腔腔长的增加而增多，光栅周期、光栅长度、光栅的条纹可见度和纤芯折射率对其没有影响；随着F-P腔腔长的减小，当减小到一定程度上时，最终在透射带宽内只会存在一个模式，在这里我们给出了本讨论中的存在一个模式的临界值，即阈值腔长为0.9mm。透射带宽内的谐振峰之间的间隔随着光栅长度和F-P腔腔长的增加而变窄，随着光栅的折射率调制深度增加而变宽，而光栅周期、光栅的条纹可见度和纤芯折射率对其也没有影响；另外，光栅周期、纤芯折射率和折射率调制深度影响着透射带宽的波长范围，即当光栅周期、纤芯折射率和光栅的折射率调制深度增大时，透射谱线整体向长波方向移动，发生了红移，而其它参数对其没有影响。透射带宽内的谐振峰的线宽随着光栅长度、光栅的折射率调制深度、F-P腔腔长、光栅的条纹可见度的增加而变窄，光栅周期和纤芯折射率对其没有影响。 2.在组成光纤Bragg光栅F-P腔的两端的光栅参数完全相同的情况下，我们研究了其群时延和色散随各个参数的变化关系。对于其群时延及其色散值，我们发现随着光栅长度、折射率调制深度、条纹可见度和F-P腔腔长的增加，其群时延最大值和色散的正负极值在增大，光栅周期的增加会使群时延和色散正负极值略微增加，纤芯折射率的增加对群时延最大值和色散正负极值影响不大。另外，当光栅周期、纤芯折射率和光栅的折射率调制深度增加时，其群时延和色散曲线发生了红移。在本文中我们画出了当光纤Bragg光栅F-P腔参数改变时，其群速度和光速的比值随波长的变化关系。通过研究发现，当光栅的长度、光栅的折射率调制深度、F-P腔腔长和光栅的条纹可见度增加时，F-P腔透射谱最小透过率对应的透射光逐渐由慢光变为快光，透射带宽内的谐振谱线对应的透射光速度变得更慢。当光栅周期、纤芯折射率和光栅的折射率调制深度增加时，我们获得的透射光的群速度最大值和最小值对应的波长位置将向长波方向移动，F-P腔腔长对光的群速度的影响是有限的。 3.当组成F-P腔两端的光栅的参数不同时，通过研究我们发现，当两个光栅的长度、折射率调制深度和条纹可见度差值增加时，其透射谱线的最小透过率减小，群时延最大值在增加；而光栅周期差值微小增加时，其透射谱最小透过率增大，群时延最大值减小。随着这些差值的增大，透射带宽内的谐振峰值的透过率减少，可以看出这对F-P腔的选模是不利的。两个光栅周期和折射率调制深度差值的增加，会使透射谱线发生红移，透射带宽变宽。 4.为了确定F-P腔分辨率和色散特性，我们将光纤Bragg光栅F-P腔与光纤Bragg光栅的透射和色散特性进行了比较，这里我们只对光纤Bragg光栅F-P腔两端光栅的参数是一致的情况进行讨论。我们发现，在保证其它参数不变的情况下，增加F-P腔的腔长，会增加透射带宽内的谐振峰数目，而且这些谐振峰都处在组成F-P腔的光栅的透射带宽内，且这些谐振峰之间的间隔变小。与光纤Bragg光栅相比，F-P腔的分辨率要更高。从光纤Bragg光栅F-P腔的色散曲线上看出，其有多个色散负极值，可以将其用于色散补偿。在实际应用中，如果其光纤Bragg光栅的参数都固定了，我们还可以通过调节腔长来满足我们对色散值的需求。 本文的研究结果对实际应用具有一定的指导作用，为未来更好的利用F-P腔提供了一定的参考。