光纤光栅光谱特性研究.doc

SHANDONGＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ 课程设计 题目：光纤光栅光谱特性研究 所属课程：应用光学 学 院： 理学院 专 业： 光电信息科学与工程 学生姓名： 卢远 学 号： 指导教师： 郭立萍 2015 年 6 月 光纤光栅光谱特性研究 摘要 光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种无源滤波器件。由于光栅光纤具有体积小、熔接损耗小、全兼容于光纤、能埋入智能材料等优点，并且其谐振波长对温度、应变、折射率、浓度等外界环境的变化比较敏感，因此在光纤通信和传感领域得到了广泛的应用。 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。 matlab仿真，画出不同光栅的光谱图，观察各种参数的变化对光栅光谱特性的影响，并分析光纤光栅光谱图。 关键词:光纤光栅;耦合模理论;光谱特性 目录 摘要 I 第1章 绪论 1 1.1 光纤光栅的基本概念 1 1.2 光纤光栅的现状与应用 1 1.2.1光纤光栅的现状 1 1.2.2光纤光栅的应用 2 1.3光纤光栅的近期研究进展 3 1.4研究光纤光栅的光谱特性的目的 4 第2章 光纤光栅理论分析 6 2.1 光纤光栅的光谱特性及其数值模拟 6 2.1.1 均匀光纤光栅 7 2.1.2 线性啁啾光纤光栅 8 第3章 结果与讨论 11 3.1 均匀光纤光栅 11 3.2线性啁啾光纤光栅 16 结论 17  第1章 绪论 1.1 光纤光栅的基本概念 光纤光栅是用光纤材料光敏特性而制作的。光敏性, 就是指当材料被外部光照射时, 进而引起该材料物理或化学特性的暂时或永久性变化的特性。当特定波长光辐射掺锗光纤时, 这个光纤的一些物理特性就发生了永久性的改变,比如折射率、吸收谱、内应力密度等。在外部光源照射时,光纤的折射率也随光强的空间分布发生相对应的变化,变化的大小与光强成线性关系并可以保留下来,从而形成光纤光栅。光纤光栅的折射率沿光纤的轴方向并呈现周期性的分布, 是典型的折射率型衍射光栅。根据衍射理论,以角1入射的光将以角2 衍射, 且满足布拉格衍射方程[1]。 光纤光栅是利用光纤材料的光敏性(外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起的折射率永久性变化)，在纤芯内形成空间相位光栅，其作用的实质是在纤芯内形成(利用空间相位光栅的布拉格散射的波长特性)一个窄带的(投射或反射)滤光器或反射镜。光纤光栅的现状与应用T的不同，可以将光纤光栅分为短周期和长周期光纤光栅两类:短周期光纤光栅又称为光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating FBG )，其光栅周期T约为0.5μm;长周期光纤光栅(Long Periodic Fiber Grating ，LPFG)的周期T较大，一般约为100~500μm[9]。其中在短周期光纤光栅中有包括均匀光栅、线性啁啾光栅（Linearly Chirped Fiber Grating ， LCFG )、锥形光栅和采样光纤光栅等。由于均匀光栅、LCFG,锥形光栅和LPFG应用最广，本文中只讨论在单模光纤中这四种光纤光栅的光谱特性。 2.1.1 均匀光纤光栅 在均匀光纤光栅中，模式耦合发生沿正向和反向传输的导模之间，并且满足如下的耦合方程: （2.1） 式中A(z)和B(z)分别为正向和负向传播的光波振幅，Ω为横向耦合系数，△β为布拉格失配量，且。为纤芯的有效折射率，λ为光波在空气中的波长，T为光纤光栅的周期，L为光纤光栅长度。在单模光纤光栅中，有： （2.2） 式中△n为光纤光栅的折射率调节度。 通过微分方程组可得[10]：（2.3a） （2.3b） 式中参数S满足关系式:S2=Ω2-△β2。将边界条件，即A(0)=1和B(L)=0。代入可得光纤光栅的反射率和透射率分别为: （2.4） 2.1.2 线性啁啾光纤光栅 （2.5） 式中a（L）=A（L）exp（iβL），b（0）=B（0），并且其中的矩阵元素分别等于