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光纤光栅光谱特性及其在WDM全光网中的应用研究

徐新华  
【摘要】: 光纤光栅是利用石英光纤的紫外光敏特性将光栅直接做在光纤上而形成的无源光子器件,它具有插入损耗低、对偏振不敏感、与普通光纤连接简单等优点。因此,在光纤应用的所有领域都可以有广泛的应用,尤其是在WDM全光网中。本文以目前在WDM全光网中有良好应用前景的三种类型的光纤光栅(用包层模抑制光纤制作的光纤布拉格光栅、线性啁啾Moiré光纤光栅、矩形折射率调制型长周期光纤光栅)的理论和设计为研究内容。本文工作为光纤光栅型WDM全光器件的设计与性能研究提供坚实的理论依据,对WDM全光网的发展具有积极的促进与推动作用。 第一章首先回顾光纤通信的发展历程,介绍WDM全光网及其关键器件,全面总结光纤光栅的制作方法及其在WDM全光网中的应用现状。 第二章是整篇论文的理论基础。从光纤中的麦克斯韦方程组出发,首先推导出描述光在光纤传播的波动方程,进而分析光纤中模式特性,并在此基础上,严格推导出描述模式耦合的耦合模方程。 并用耦合模理论对最简单的均匀光纤布拉格光栅进行分析,建立其耦合模方程,并给出解析解。 第三章研究用包层模抑制光纤制作的光纤布拉格光栅。因为要考虑包层模,所以首先用光纤的三层模型得到包层模的场分布和色散方程,同时也给出单模光纤纤芯基模的场分布和色散方程。然后以第二章给出的耦合模理论为基础,结合用带光敏内包层的包层模抑制光纤的结构特性,推导出用这种光纤制作的光纤布拉格光栅的耦合系数和耦合模方程。以此为基础,详细研究了光敏内包层对该类型光栅中存在的正向传播的纤芯基模与反向传播的纤芯基模以及与反向传播的包层模之间的耦合的影响。用该理论模型计算所得光谱与实验测得光谱相吻合。最后,再简单介绍了其他两种包层模抑制方法。 第四章主要研究线性啁啾Moiré光纤光栅及其在光分插复用器(OADM)和多信道色散补偿器中的应用。首先从耦合模理论出发,结合线性啁啾Moiré光纤光栅的结构特性,建立了分析线性啁啾Moiré光纤光栅的耦合模方程,通过数值求解耦合模方程,研究了线性啁啾Moiré光纤光栅的光谱特性和时延特性。在此基础上,提出了一种新型的基于线性啁啾Moiré光纤光栅的光分插复用器(OADM)的结构设计方案;并设计出一种中心波长、相邻中心波长间隔都符合ITU规定的DWDM波长标准的基于线性啁啾Moiré光纤光栅的多信道色散补偿器件。 第五章研究折射率调制类型为矩形波的长周期光纤光栅。本章仍以耦合模理论为基础,首先对该类型光栅的折射率微扰进行展开,进而推导其相应的耦合系数和建立耦合模方程。在此基础上,进一步给出了该类型光栅具体数值模拟的方法与步骤,并以Corning公司的FlexcorTM 1060 型号光纤为例象,进行了数值模拟计算,理论计算的结果与文献中给出的实验结果相吻合。


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