倾斜光纤光栅模式耦合理论研究

摘要

近年来，越来越多研究人员将目光集中在光纤布拉格光栅的研究上。光纤布拉格光栅已广泛的应用于传感器、激光器和通信系统中。倾斜光纤光栅是一种特殊的光纤布拉格光栅，其光栅平面与光纤纤芯轴向存在一定角度，与传统的光纤光栅相比还具有对外界环境折射率变化的特点，因此具有更加广泛的应用价值。虽然一些基于光纤光栅的设备已经投入使用，但仍存在一些理论上问题没有研究透彻。因此很多研究人员正致力于研究倾斜光纤光栅（TFBG）的基本性质原理。这可以帮助我们对光栅性质有更好理解，并有助于生物传感、化学传感等新应用，以及其他光学技术和物理现象相结合。 本文首先给出标准单模光纤的精确矢量解。光纤的包层模是多模的，可以存在成千上万的模式。我们使用Fimmwave来精确的计算模式的矢量解。我们可以发现包层模式可以根据偏振极化特性分成两类：角向或径向占据主导。这两类模式不会出现交叉耦合，且分别对应了P,S偏振态。接下来，我们使用MATLAB根据模式耦合理论计算了耦合系数，并模拟倾斜光纤光栅的光谱。本文主要研究正向传输的纤芯模与反向传输包层模耦合，及其在光谱上产生的一系列分立的共振峰。倾斜光纤光栅的模式耦合不仅仅是纤芯模与包层模标量的叠加，而且是矢量求和的结构。我们进一步的分析讨论了色散，倾斜角度，光栅长度，调制深度，以及不同介质中等对光谱的影响。色散会导致高阶包层模产生一个明显的漂移；光栅的长度以及调制深度会显著的影响共振峰的深度，并且基本成线性关系。并进一步深入的讨论了不同外界介质对倾斜光纤光栅的光谱影响：在水中倾斜光纤光栅的光谱会出现压缩并在截止波长附近出现大量的辐射模；镀金的倾斜光纤光栅在水中会产生表面等离子共振现象。 最后，将建立的理论模型与实验结果进行比较。在不同介质，以及镀金的情况下都与实验结果拟合情况良好。通过理论建模讨论了光栅长度，调制深度，以及外界环境折射率对光谱的影响，我们可以优化以上参数，提高倾斜光纤光栅的灵敏度。

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1.1 光纤布拉格光栅

1.2 倾斜光纤光栅

1.2.1 倾斜光纤光栅研究背景

1.2.2 倾斜光纤光栅应用

1.2.3 光纤表面等离子体共振效应

1.3 TFBG模式耦合理论

1.4 本文主要研究内容

1.5 本章小结

2.1 光纤模式的矢量解

2.1.1 解光纤模式

2.1.2 光纤的传输特性

2.2 模式耦合理论

2.3 FBG的耦合分析

2.4 TFBG的耦合分析

2.5 本章小结

3.1 模拟工具

3.1.1 FIMMWAVE

3.1.2 MATLAB

3.2 光纤矢量模式的求解与分析

3.3 TFBG透射谱的模拟分析

3.3.1 倾斜光纤光栅透射谱特征分析

3.3.2 影响倾斜光纤光栅透射谱的几个参数

3.4 倾斜光纤光栅在水中的光谱拟合分析

3.5 镀金倾斜光纤光栅光谱拟合

3.5.1 空气中的镀金倾斜光纤光栅SPR

3.5.1 水中的镀金倾斜光纤光栅SPR

3.6 本章小结