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基于光纤光栅包层模耦合的谐振波长调谐灵敏度研究

杨旻蔚  
【摘要】: 随着光网络的规模日益扩大,网络中交换节点的设计意义也越来越重要。目前现有的众多方案,由于在交换速度、容量以及成本方面的不足使其应用受到限制。由于光纤光栅的全光纤、插入损耗小以及物理体积小的特点,使之能够与传统的光纤网络进行良好的互连,因而其应用十分广泛。此外,相对低廉的价格,也使其应用潜力很大。因此,研究基于光纤光栅的低损耗快速光交换节点的设计具有非常重要的现实意义。 光纤光栅分为短周期的布拉格光栅以及长周期光纤光栅。两种光栅都具有在特定波长上发生谐振,出现谐振峰损耗的现象。本文结合两类光栅的理论模型,从基于包层模耦合的谐振波长调谐灵敏度以及谐振峰带宽两个重要参数入手,尝试设计具有大灵敏度较小带宽的光纤光栅参数,同时,提出了改善光谱的方法。主要的内容如下: 1)首先,详细分析了非对称LPFG的折射率形成过程,进一步建立了相应的模型,通过腐蚀实验,验证了光束扩束过程引入的包层平均折射率变化以及纤芯周期性折射率调制是该类光栅的主要形成机理,并利用此模型,解释了高阶包层模耦合中出现的模式分裂现象。此外,通过腐蚀包层的方法还可以提高此类LPFG的谐振深度和减小其3dB带宽。 2)其次,对基于环境折射率传感的LPFG包层模谐振波长调谐灵敏度的机理进行了理论上详细的分析。研究表明对于特定的波长范围,在光栅的参数设计时,可以通过减少包层的半径和控制光栅周期大小来选择不同次数包层模式参与耦合的强弱,从而达到提高调谐灵敏度的目的:同时,实验还发现当环境介质的折射率与LPFG包层折射率接近时会发生包层模耦合跳变,此时,谐振波长会发生一个大范围的反向漂移。这个现象说明,通过选择合适的环境折射率介质,确定LPFG环境折射率工作点,可以实现高灵敏波长调谐的功能。 3)最后是将本文工作的LPFG调谐进一步延伸到FBG调谐设计。通过仿真计算,减小FBG的外径,同时在FBG光纤外包层中引入高折射率薄膜层后,改变环境折射率同样可以实现大范围的进行高灵敏度传感。


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