长周期光纤光栅耦合器的特性分析与优化设计

摘要

多根长周期光纤光栅(LPFG)平行紧密贴合可形成LPFG耦合器。由于LPFG是透射型光栅，因此该耦合器无后向反射，信道隔离度高，插入损耗低，具有波长选择特性，同时实现带通和带阻滤波特性，适用于全光宽带分插复用器，在密集波分复用系统中具有广泛的应用前景。本文针对两根紫外写入的均匀LPFG组成的2×2耦合器的特性进行了理论和实验研究，为进一步深入研究机械微弯变形法写入的LPFG耦合器和混合型耦合器的传输特性和设计优化奠定了良好的基础。
　　 理论分析从光纤模型和光栅的耦合模理论出发，阐述了光纤的两层标量、三层标量和三层矢量等各种常用的光纤模型和Turan Edogan等学者的耦合模理论。本文在借鉴了已有的光纤模型和光栅理论的基础上，综合消逝场耦合的概念，数值分析了LPFG耦合器的耦合特性。分析表明，纤芯基模的自耦合系数对谐振波长影响较大，而对耦合效率基本无影响。因此，当关注提高耦合效率时，可根据忽略自耦合系数的耦合方程组的解析解对LPFG耦合器的参数进行初步设计。但当侧重频谱的具体特性时，则必须采用考虑自耦合系数的耦合方程组的数值解进行优化设计。理论分析说明通过合理设计光栅的折射率调制、周期和长度，采用合适的折射率匹配液和相对偏移量可以获得100％耦合效率或特定功率比的LPFG耦合器。
　　 实验研究了不同外界媒质和相对偏移量下该光栅耦合器的输出频谱，结果表明：采用高折射率的折射率匹配液和合适的相对偏移量可提高LPFG耦合器的耦合效率。但外界媒质折射率增大后，谐振波长略向短波长方向漂移，而相对偏移量的变化对谐振峰位置无影响。数值拟合的透射谱和耦合谱与实验结果基本一致，各种情况下的耦合效率也非常吻合。