手征光纤光栅耦合模分析中若干问题的深入研究及应用

摘要

手征光纤光栅是在熔融状态下高速扭转特种光纤得到的一种新型光纤光栅，常用的特种光纤有偏芯光纤、几何型线双折射光纤以及应力型线双折射光纤。按其纤芯截面旋转对称性的不同，它可以被分为单螺旋和双螺旋光栅。纤芯截面具有360度旋转对称性的单螺旋光栅通常不具有偏振选择特性，这一点与普通的长周期光纤光栅很相似。纤芯截面具有180度旋转对称性的双螺旋光栅则具有圆偏振选择的耦合特性，可以用来实现圆偏振起偏。我们实验室在前期工作中分析了单螺旋长周期手征光纤光栅偏振无关的耦合特性、双螺旋长周期手征光纤光栅的圆偏振选择耦合特性及其在圆偏振技术中的应用。
　　 在这些前期工作的基础上，针对手征光纤光栅研究中若干亟待解决的问题，本文系统研究并完善手征光纤光栅的标量理想模耦合、矢量理想模耦合以及本地模耦合分析;在理论上分析小偏芯单螺旋长周期手征光纤光栅与普通长周期光纤光栅的传输谱差异;明确大偏芯单螺旋长周期手征光纤光栅中以往被忽略的双螺旋分量对其传输特性的影响;分析双螺旋中等周期手征光纤光栅中较难处理的辐射模耦合问题。这些理论分析完善了单螺旋和双螺旋手征光纤光栅的传输特性研究。作为理论模型的应用和实际器件设计的指导，本文着重研究单螺旋长周期手征光纤光栅的液位传感特性、双螺旋中等周期手征光纤光栅的宽带圆偏振起偏特性。
　　 首先，本文系统建立手征光纤光栅的理想模（包括标量模和矢量模）耦合、本地模耦合的分析模型，在给出理想模、本地模的求解方法以及耦合模方程、耦合系数的表达式后，对耦合模方程作初步讨论，为后续分析建立理论基础。
　　 其次，本文利用标量理想模耦合理论对基于小偏芯光纤的单螺旋长周期手征光纤光栅的谱特性进行了分析，指出其耦合强度以及谐振峰带宽等特性与普通长周期光纤光栅的差别，并研究由此导致的液位变化的谱响应特性的不同。在此基础上，本文分析了基于该光栅的波长解调的液位传感，并提出通过腐蚀包层和高阶模耦合的方法提高传感的灵敏度。
　　 最后，本文采用一般形式的矢量模耦合理论对手征光纤光栅的单、双螺旋分量所引起的耦合效应进行统一求解，利用该理论模型研究大偏芯单螺旋长周期手征光纤光栅中双螺旋分量对光栅传输特性的影响。此外，我们利用等效闭波导中的漏模表达具有连续谱的辐射模，分析双螺旋中等周期手征光纤光栅中较难用传统耦合模理论处理的辐射模耦合问题，并验证其宽带圆偏振起偏特性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 手征光纤光栅的已有研究概述

1．3 本文主要研究内容及其意义

参考文献

第2章 手征光纤光栅的耦合模理论

2．1 光纤中模式的求解

2．1．1 理想模求解

2．1．2 本地模求解

2．2 手征光纤光栅理想模耦合模型

2．2．1 标量理想模耦合模型

2．2．2 矢量理想模耦合模型

2．3 手征光纤光栅本地模耦合模型

2．3．1 从理想模耦合方程出发得到本地模耦合方程

2．3．2 直接得到本地模耦合方程

2．4 本章小结

参考文献

第3章 手征光纤光栅的标量理想模分析

3．1 单螺旋长周期手征光纤光栅的标量模分析

3．2 单螺旋长周期手征光纤光栅与普通长周期光纤光栅的比较研究

3．3 单螺旋长周期光栅的液位传感分析与优化

3．4 本章小结

参考文献

第4章 手征光纤光栅的矢量理想模分析

4．1 单螺旋长周期手征光纤光栅的矢量模计算

4．1．1 小偏芯单螺旋长周期手征光纤光栅的计算

4．1．2 偏芯较大的单螺旋长周期手征光纤光栅计算

4．2 双螺旋手征光纤光栅的矢量模分析

4．2．1 双螺旋长周期手征光纤光栅的芯层与包层模耦合分析

4．2．2 双螺旋中等周期手征光纤光栅的芯层模与辐射模耦合分析

4．3 本章小结

参考文献

第5章 总结

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文