【導(dǎo)讀】微結(jié)構(gòu)光纖Bragg光柵濾波器。通過將功能材料填充入纖芯寫有Bragg光柵的高雙折射。長位置和波長間隔的可調(diào)諧濾波器。本課題涉及光電子學(xué)、新型光纖光子器件等領(lǐng)域。PCF)，是近十年來光纖技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。由于微結(jié)構(gòu)光纖具有傳統(tǒng)光纖無法提供的。非線性光學(xué)、高功率光傳輸?shù)阮I(lǐng)域表現(xiàn)出潛在的應(yīng)用前景。各種材料提供了良好的載體，從而大大拓展了微結(jié)構(gòu)光纖的應(yīng)用。通過合理設(shè)計微結(jié)構(gòu)。光纖的結(jié)構(gòu)和選擇合適的填充材料可以實(shí)現(xiàn)許多新的特性，可以用來實(shí)現(xiàn)各種光纖器件。到實(shí)踐中得到綜合訓(xùn)練，為其進(jìn)入社會，發(fā)揮專業(yè)特長打下堅實(shí)基礎(chǔ)。料較豐富，通過學(xué)生的努力，能夠完成初步的設(shè)計。題目符合專業(yè)方向，同意該生選題。實(shí)驗(yàn)和理論上分析該器件的調(diào)諧特性。查找相關(guān)資料，了解課題要求?？諝饪坠庾泳w光纖的結(jié)構(gòu)及基本知識。[5]羅濤，光子晶體光纖光柵在生物和化學(xué)傳感器領(lǐng)域研究進(jìn)展，激光與光電子進(jìn)展，20xx,[8]饒云江,王義平,朱濤.光纖光柵原理及應(yīng)用.科學(xué)出版社,北京20xx.

　　

【正文】 式，形成對入射波的反射。其反射波長即布拉格波長為 λB=2neffΛ，其中， Λ 為光柵周期， neff 為纖芯等效折射率。 設(shè)光纖纖芯折射率為 : 最大反射率為 : 反射譜帶寬為 : 此外還有 Tapered 光纖光柵 、 取 樣光纖光柵 、 Tophat 光柵 、超結(jié)構(gòu)光柵等。 基于微結(jié)構(gòu)光纖光柵相關(guān)器件的概述 )/2c os ()( 0 ???? znnzn ?)(c o s h)(s i n h )(s i n h),( 222222slsslk sllR ?? ??????? /?kk ?? /2 0nk ?222 ks ????21 ??? VM ppMn?????2/122 ))(/2( clco nnaV ?? ?? )(ta n h),( 2 llR ???2122 )()( 0 NnnB s ??? ??? 選擇合適的光學(xué)諧振腔是實(shí)現(xiàn)高功率光纖激光器的關(guān)鍵技術(shù)，通常采用光學(xué)二色鏡或者在光纖端面鍍膜構(gòu)成諧振腔，但這種方法在泵浦光的 耦 合和光纖的封裝方面都造成一定程度的麻煩，不利于光纖激光器的實(shí)用化和商品化，所以采用光纖光柵做諧振腔光纖光柵是一種低損耗的元件，具有很好的波長選擇性，它的采用簡化了激光器結(jié)構(gòu)，并且提高了光纖激光器的信噪比和可靠性，輸出光穩(wěn)定性好，提高了光束的質(zhì)量。另外用 光纖光柵做諧振腔我們可以把抽運(yùn)源的 光纖 和增益光纖有機(jī)的熔接在一起，這樣就避免了用二色鏡和透鏡組提供激光反饋帶來的損耗，從而降低了光纖激光器的 A值，提高了輸出激光的斜率效應(yīng)。采用光纖光柵做諧振腔的結(jié)構(gòu)如圖 。 LD光源 隔離器 FBG YDF FBG 圖 光纖光柵激光器結(jié)構(gòu)示意圖 Optical fiber grating laser structure schematic drawing 在光子晶體光纖的纖芯中摻入稀土元素，可以制成光纖激光器、放大器等有源器件。利用光子晶體光纖可以靈活設(shè)計的模場特性，改變傳導(dǎo)模式和有源介質(zhì)之間的相互作用，可以制造適用于不同要求的激光器。例如，為了獲得低閡值，可以采用小的模式面積的光纖激光器，而大模式面積可以應(yīng)用于高功率的情況。特別是光子晶體光纖與包層泵浦技術(shù)結(jié)合，為高光束質(zhì)量、高功率光纖激光器的進(jìn)一步提高提供了條件?；诠庾泳w光纖的雙包層光纖可以具有更大的模場面積和更大的內(nèi)包層數(shù)值孔徑，從而避免由于高功率和放大自發(fā)輻射所產(chǎn)生的 非線性效應(yīng)和效率降低，并提高泵浦光的耦合效率。 20xx年， CrystalFiber A/S公司與Jena 80W和 260W的雙包層激光器，并且認(rèn)為最高輸出功率可以提高到 ，這標(biāo) 志著微結(jié)構(gòu)雙包層光纖激光器已經(jīng)達(dá)到并正在超越普通雙包層光纖激光器的水平。 此外光子帶隙效應(yīng)會改變稀土摻雜光子晶體光纖中的自發(fā)輻射，增加處于激發(fā)態(tài)稀土離子的壽命，并改變受激輻射的分布，但是這些現(xiàn)象還需要進(jìn)一步的理論和實(shí)驗(yàn)研究。 器 光子晶體光纖靈活的設(shè)計和特殊的傳輸性質(zhì)為其在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。 MacPherson等人利用多芯光子晶體光纖實(shí)現(xiàn)了曲率和速度的測量。光子晶體光纖中的空氣孔結(jié)構(gòu)可以被應(yīng)用于氣體傳感中， Hoo通過在折射率引導(dǎo)光子晶體光纖的纖芯出增加一個小空氣孔，通過該孔中的消逝場感知?dú)怏w的特性。此外 Zou等人還利用光子晶體光纖中布里淵散射的頻移測量應(yīng)變和溫度。 微結(jié)構(gòu)光纖（ MOF）及微結(jié)構(gòu)光纖光柵（ FOFG）具有比常規(guī)光纖 (GF)及光纖光柵 (GFG)更為豐富的結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性。改變MOF中微孔的排列、大小以及占空比 ， 設(shè)計雙芯或多芯或者將特殊介質(zhì)載人微孔均可改變 MOF及 MOFG的光學(xué)性質(zhì) ， 獲得優(yōu)于 GF及 GFG的光學(xué)特性。因此 ， MOF及 MOFG的出現(xiàn)為新型光濾波器的設(shè)計與研制提供了廣闊的創(chuàng)造空間。 (1)利用微結(jié)構(gòu)光纖彎曲損耗特性設(shè)計濾波器 根據(jù)級聯(lián)型光纖濾波器的設(shè)計理念及方法 ， 將具有不同彎曲損耗邊沿的微結(jié)構(gòu)光纖相對接 ， 通過改變兩光纖不同的彎曲半徑 ，可以實(shí)現(xiàn)帶寬可調(diào)諧寬帶帶通濾波器。將全固型 MOF與 Bragg光纖對接設(shè)計了一種可調(diào)諧寬帶光纖濾波器。這種利用 MOF不同彎曲損耗邊沿特性設(shè)計的光纖濾 波器 ， 其優(yōu)點(diǎn)在于不需要引人光纖光柵等其他元件制作工藝相對簡單。 (2)利用微結(jié)構(gòu)光纖帶隙特性設(shè)計濾波器 微結(jié)構(gòu)光纖按其傳光機(jī)制分可分為全內(nèi)反射方式和光子帶隙效應(yīng)。由于 MOF特殊的傳導(dǎo)機(jī)制和靈活設(shè)計的結(jié)構(gòu) ， 使其具有普通光纖難以比擬的獨(dú)特性質(zhì)。將 MOF及 MOFG用于濾波器設(shè)計與 研制 ， 可使濾波器結(jié)構(gòu)更為簡潔 ， 濾波性能更加優(yōu)良。除了運(yùn)用光子帶隙傳導(dǎo)機(jī)制設(shè)計、研究光濾波器之外 ， 還有研究者將全內(nèi)反射和光子帶隙傳導(dǎo)機(jī)制相結(jié)合 ， 設(shè)計出混合傳導(dǎo)機(jī)制的雙芯微結(jié)構(gòu)光纖。這種新型光纖可用于實(shí)現(xiàn)波長可選擇濾波功能 ， 但這種結(jié)構(gòu)需要通過 預(yù)填充來實(shí)現(xiàn)。在全固型光子帶隙光纖和 柚子 型微結(jié)構(gòu)光纖中寫制 Bragg光纖光柵均可實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的濾波功能 。 本 畢業(yè)設(shè)計的主要 內(nèi)容 隨著微結(jié)構(gòu)光纖理論分析方法基本成熟，制造工藝日益完善，對微結(jié)構(gòu)光纖的研制熱點(diǎn)正逐步向應(yīng)用領(lǐng)域轉(zhuǎn)移。在通信領(lǐng)域，盡管由于損耗、價格等原因，在長距離傳輸方面，微結(jié)構(gòu)光纖尚不能取代普通光纖，但微結(jié)構(gòu)光纖以其獨(dú)特的傳導(dǎo)機(jī)制和普通光纖無法實(shí)現(xiàn)的性質(zhì)成為下一代光通信器件重要組成部分。 基于功能材料填充的波長位置和波長間隔可調(diào)諧的雙通道微結(jié)構(gòu)光纖 Bragg 光柵濾波器的設(shè)計，本文主要在以下幾 個方面做了研究工作： ，由于光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了它具有許多普通光纖不具備的性質(zhì)，如支持寬波長范圍單模傳輸，模場面積、色散的極大可控性，易于實(shí)現(xiàn)雙折射等特性的研究。 ，對光子晶體光纖光柵進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，在柚子型光子晶體光纖上寫制了 Bragg光柵，觀察到多波長諧振現(xiàn)象，利用全矢量有限元方法對其進(jìn)行了分析。 充入纖芯寫有 Bragg 光柵的高雙折射微結(jié)構(gòu)光纖中，通過改變功能材料的折射率，從而改變光 纖的雙折射特性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)波長位置和波長間隔的可調(diào)諧濾波器。 ，基于功能材料填充的波長位置和波長間隔可調(diào)諧的雙通道微結(jié)構(gòu)光纖 Bragg光柵濾波器。 第二章 微結(jié)構(gòu)光纖光柵的理論研究方法和寫制技術(shù) 微結(jié)構(gòu)光纖的理論研究方法 與普通光纖相比， 微結(jié)構(gòu) 光纖的傳導(dǎo)機(jī)制更加復(fù)雜，結(jié)構(gòu)更加靈活。不同結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖性能往往千差萬別，為了研究微結(jié)構(gòu) 光纖的特性，設(shè)計基于 微結(jié)構(gòu) 光纖的器件，進(jìn)行理論分析是非常必要的。然而由于 微結(jié)構(gòu) 光纖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，通 常無法獲得問題的解析解，也不能直接應(yīng)用傳統(tǒng)的光纖理論，只能借助于數(shù)值計算方法。 在早期的分析中， ，提出了有效折射率模型，可用于一些定性的分析。但由于在空氣和石英的界面上存在折射率突變，因此要獲得精確的結(jié)果必須采用全矢量的數(shù)值分析方法。 有效折射率模型是一種簡單的標(biāo)量方法，這種方法適用于分析折射率傳導(dǎo)光子晶體光纖。它的基本思想是把光子晶體光纖的纖芯和包層分別看成由具有不同有效折射率的單一材料，使其簡化成普通階躍折射率型光纖，進(jìn)而借助普通光纖的理論進(jìn)行分析。 使用這種方法 的關(guān)鍵在于確定纖芯和包層的有效折射率。對于含有空氣孔的包層結(jié)構(gòu)，其有效折射率定義為在完整的包層結(jié)構(gòu)中 (即不考慮纖芯缺陷 )所能傳播的最低階傳導(dǎo)模式的有效折射率。在包層具有規(guī)則周期結(jié)構(gòu)的情況下，包層有效折射率的計算只需取出一個包含結(jié)構(gòu)最小周期的單元，并施以周期邊界條件，計算其中的最低階傳導(dǎo)模式即可。 有效折射率模型的提出對于直觀理解折射率傳導(dǎo)型 微結(jié)構(gòu) 光纖的傳導(dǎo)機(jī)制有很大幫助，并可用于定性研究光 子 晶體光纖的一些傳輸特性。但是作為一種近似的標(biāo)量方法，有效折射率模型在對光子晶體光纖這種存在折射率突變的結(jié)構(gòu)做定量分析時 會具有一定的誤差，要想獲得光子晶體光纖精確的傳輸特性，必須采用全矢量的數(shù)值計算方法。 平面波展開方法廣泛應(yīng)用于光子晶體結(jié)構(gòu)的分析中，它利用Bloch理論把場表示成平面波交疊的形式，來分析光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)。由于在光子晶體結(jié)構(gòu)中， ε1(γ→ )是空間坐標(biāo) γ→ 的周期函數(shù)，可以用傅立葉級數(shù)展開，同時根據(jù) Bloch理論， E→ (γ→ )和 H→ (γ→ )也具有空間周期性，所以它們可以在倒易空間中傅立葉展開，得到下列形式的特征函數(shù)： ? ? ? ? ? ?? ?e x pk n k nE E G K GG i????? ??? ? ??? ??? ??? ? ??? ? ???? ( 2 . 1 ) ? ? ? ? ? ?? ?e x pk n k nH H G K GG i??? ??? ? ??? ??? ??? ? ??? ? ???? ( 2 . 2 ) 其中 {G→ }是倒格子矢量， E是波矢量。將傅立葉展開的E→ (γ→ )、 H→ (γ→ )和 ε1(γ→ )帶入特征方程中，獲得代數(shù)特征方程組，用數(shù)值方法求解上面特征方程組，就可以獲得特征模的模場分布和模式的色散關(guān)系。其中式 ()和 ()中磁場的展開通常具有無限項(xiàng)，然而在實(shí)際的數(shù)值計算中只能取有限項(xiàng)，取的項(xiàng)數(shù)越多，計算精度越高，但是所消耗的時間和系統(tǒng)資源也越多，因此需要根據(jù)實(shí) 際的要求進(jìn)行權(quán)衡。 在這種方法中，光纖的橫截面被看成是一個單一單元，平面波展開方法被應(yīng)用于由這種單元構(gòu)成的周期結(jié)構(gòu)中。平面波展開方法適合計算具有完整周期結(jié)構(gòu)的光子能帶，但是當(dāng)采用這種方法計算缺陷模式時，由于采用超元胞近似中隱含使用了周期邊界條件，所以不能計算由于有限包層結(jié)構(gòu)帶來的損耗，而且收斂速度也比較慢。 為了改進(jìn)平面波展開方法的缺點(diǎn)， White 等人提出了多級方法。這種方法中，圓形的纖芯和空氣孔中切向電場和磁場分布被寫成以局部極坐標(biāo)展開的諧波形式 ： ? ? ? ? ? ? ? ?e x pffz j m m J j fmE A F P r im ??? ? ?? ? ( 2 . 3 ) ? ? ? ? ? ? ? ?10 e x pffz j m m J j fmH Z B F P r im ???? ? ?? ? ( 2 . 4 ) 與平面波展開方法相比多級方法提高了運(yùn)算速度和精度，并且可以計算損耗，缺點(diǎn)是這種方法通常只能用于光纖包層空氣洞是圓形的情況。 局部函數(shù)法與平面波展開方法的主要區(qū)別在于所選取的基函數(shù)不同，在局域函數(shù)法中，通常采用正交的 數(shù)作為基函數(shù)，橫向磁場可以展開為： ? ? ? ?, , ,0 ,mmFt x yf a b a b a b a bahh x y x x y y???? ? ? ? ? ?? ( 2 . 5 ) 其中 ψωa， b（ x， y） 是正交的 HermitGaussian 函數(shù)，定義為： ? ? ? ?ab xy abxy? ? ?? ? ?， （ ， ） = ( 2 . 6 ) ? ? 2 2124 22 !a xaa xx e Ha? ??? ??? ? ? ??? ???? ( 2 . 7 ) 把 ()式帶入磁場的全矢量波動方程中，進(jìn)行必要的整理，就可以轉(zhuǎn)化為特征值問題進(jìn)行求解。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以用于計算有限結(jié)構(gòu)，但是要提高精度常常耗時較長。 超晶格法是在結(jié)合局部函數(shù)法和平面波展開法的基礎(chǔ)上開發(fā)的。該方法采用正交 HermitGaussian函數(shù)作為基函數(shù)展開模式的電磁場。而對于光纖橫截面的采用超元胞近似，并將含有中心缺 陷的光子晶體光纖結(jié)構(gòu)分成兩個具有不同周期的完整二維光子晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算，對于這兩種結(jié)構(gòu)的折射率分 布采用類似于平面波展開方法的周期函數(shù)進(jìn)行展開。同平面波展開方法和局部函數(shù)法相比，這種超晶格法具有更高的效率和精度。 有限差分法可以用于分析結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的光子晶體光纖?；厩蠼獠襟E是首先把求解區(qū)域劃分成網(wǎng)格，然后利用網(wǎng)格上離散的電磁場的值來代替電場、磁場的連續(xù)函數(shù)，用差分來代替微分，最終把時域或頻域中連續(xù)的波動方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)特征值方程組。對于求解區(qū)域進(jìn)行離散是采用有限差分法的關(guān)鍵，目前通常采用離散方法是 Yee網(wǎng)格方法，這種網(wǎng)格劃分方法可以簡化獲得的差分方程，提高計算精度。 盡管借助于有限差分法 可以求解結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜的問題，由于有限差分方法要求網(wǎng)格劃分盡量大小相同，否則會影響計算精度，因此當(dāng)幾何形狀過于復(fù)雜時，采用這種方法會發(fā)生困難。 圖 Yee 網(wǎng)格 Yee grid