基于傅里叶模式耦合理论的光纤光栅相位谱分析方法及其应用

摘要

光纤光栅已经广泛应用于光纤通信和传感领域，在全光通信网络和现代光纤传感技术中有重要的作用。随着光纤光栅理论研究的不断深入和制造方法的不断创新，光纤光栅已成为很有发展前景、最具代表性的光纤无源器件，目前主要基于光纤光栅幅值谱特性进行应用。同时，光纤光栅的相位谱对其结构变化极其灵敏，而且与其时延和色散特性密切相关，在高灵敏度传感、射频光子滤波、超快光纤激光色散补偿、微分布式传感以及信号处理等方面都有重要的应用。因此开展光纤光栅相位谱特性的研究具有重要的现实意义和学术参考价值。　　本文基于傅里叶模式耦合理论研究了光纤布拉格光栅相位谱特性的分析理论，并将该分析理论应用于光纤光栅相位谱的分析以及任意光纤光栅的设计，具体内容包括：　　（1）说明了光纤光栅相位谱在光纤通信以及传感领域的应用，对比分析了光纤光栅的相位谱分析理论以及设计方法；　　（2）介绍了光纤布拉格光栅的傅里叶模式耦合理论；基于该傅里叶模式耦合理论阐述了光纤布拉格光栅的相位谱特性和适用于任意光纤布拉格光栅的相位谱通解，得到了几种常见非均匀光纤布拉格光栅的解析解；在上述理论的基础上，提出了逆向设计任意复杂光纤布拉格光栅的设计理论和算法；　　（3）根据光纤布拉格光栅相位谱的通解和解析解，对相移、变迹、超结构、啁啾等多种非均匀光纤布拉格光栅的相位谱进行了仿真分析，并与用传输矩阵法及多层膜法分析所得的结果进行了对比分析。对比的结果表明基于傅里叶模式耦合理论的相位谱分析方法具有很高的精度、效率和普适性。　　（4）根据光纤布拉格光栅相位谱的通解，分析计算了多种非均匀光纤布拉格光栅的时延、色散特性，并与传输矩阵法的分析结果进行了对比研究；　　（5）根据傅里叶模式耦合理论和相位谱特性，建立了光纤光栅的设计理论和算法，可用于设计具有任意光谱的光纤布拉格光栅。设计了具有任意三角形、双三角形、高斯型以及梳状型光谱的光栅，并采用直接傅里叶变换分析法对所设计光纤光栅的响应谱进行了分析验证，验证结果表明所设计的光纤光栅精确地具有所希望的响应谱。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 光纤布拉格光栅的发展及其应用概况

1.3 光纤布拉格光栅分析理论概述

1.4 光纤布拉格光栅相位谱的理论分析方法及应用研究现状

1.4.1 耦合模理论法

1.4.2 基于耦合模理论的传输矩阵法

1.4.3 多层模分析法

1.4.4 傅里叶变换分析法

1.4.5 其他方法

1.4.6 基于光纤光栅相位谱的应用

1.5 基于光纤光栅分析理论的反向设计方法研究现状

1.5.1 解GLM方程法

1.5.2 层剥法

1.5.3 傅里叶变换设计法

1.5.4 基于优化算法的设计方法

1.6本文的主要研究工作

2 基于傅里叶模式耦合理论的光纤布拉格光栅相位谱理论

2.1引言

2.2 光纤布拉格光栅的傅里叶模式耦合理论

2.3 光纤布拉格光栅的相位谱理论

2.3.1 光纤布拉格光栅相位谱的通解

2.3.2 光纤布拉格光栅相位谱的解析解

2.4 基于幅值及相位谱的光纤光栅设计理论

2.5 本章小结

3 光纤布拉格光栅相位谱的仿真分析实验

3.1 引言

3.2 光纤布拉格光栅相位谱通解的仿真分析

3.2.1 相移光纤布拉格光栅

3.2.2 变迹类光纤布拉格光栅

3.2.3 超结构光纤布拉格光栅

3.2.4 啁啾光纤布拉格光栅

3.2.5 任意光纤布拉格光栅

3.2.6 精度及效率分析

3.3光纤布拉格光栅相位谱解析解的仿真分析

3.3.1 余弦类变迹光纤布拉格光栅

3.3.2 相移光纤布拉格光栅

3.3.3 超结构光纤布拉格光栅

3.3.4 分析方法的效率及其精度分析

3.4 本章小结

4 光纤布拉格光栅相位谱在时延及色散分析中的应用

4.1 引言

4.2 基于光纤布拉格光栅相位谱解的时延及色散分析

4.3 光纤布拉格光栅时延及色散分析的仿真验证

4.4 本章小结

5 光纤布拉格光栅相位谱在反向设计中的应用

5.1引言

5.2 光纤布拉格光栅的设计算法

5.3 设计光纤布拉格光栅仿真实验

5.3.1 三角形光谱光栅

5.3.2 双三角形光谱光栅

5.3.3 高斯型光谱光栅

5.3.4 梳状型光谱光栅

5.3.5 设计精度及效率分析

5.4 本章小结

6 总结

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果