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光纤光栅原理及应用问题 研究报告 报告人：方良 时间：2012-10-10 目录 1、发展概况 2、耦合模理论 3 、分类及应用 目录 4、制作方法 1、发展概况 光通讯系统中如果没有光纤光栅就好比传统光学系统中没有镜片一样难以置信！ 在通信、传感等领域均有广阔的应用 2、耦合模理论 正规光波导中的麦克斯韦方程组： 将电矢量，磁矢量和微分算符分为横向和纵向： 2、耦合模理论 代入整理得： （1-a,b,c,d） 光纤中，纵模耦合比横向耦合小得多，所以这里只需考虑横模 2、耦合模理论 将方程组（1）中前两个方程两边取旋度 并利用后两式消去 整理后得： 其中 (2-a,b) 表明了光波导中电场横向分量和磁场横向分量的相互关系 2、耦合模理论 正规光波导中，折射率分布与纵向无关，即 ，利用 式2-a，b就化为： (3-a，b) 把非正规光波导的横向场展开成一系列正规光波导的横向场的线性叠加： (4-a,b) 将上两式分别代入2,3式中，整体得到： 2、耦合模理论 2、耦合模理论 将上式两边点乘 ，再在无穷大平面上积分， 利用正交性 (5) 2、耦合模理论 同理得： （6） 2、耦合模理论 在无耦合的情况下，方程5、6右边为零，联立两式得到一个二阶奇次线性微分方程， +代表沿z轴正方向传播的波，-表示沿z轴负方向传播的波。 （7） 解得： 2、耦合模理论 在有模式耦合的情况下，同样满足上式， 此时， 为z的函数。 将上两式再代入5、6式，整理得， （8） 此时 于是 2、耦合模理论 均匀光纤布拉格光栅纤芯处的折射率分布为， 光纤光栅的模式耦合主要发生在基膜的正向模和反向模之间的耦合，于是v,u都取1，又由于弱导情况下 2、耦合模理论 将8式中的v,u都取1后，将7式代入， 考虑强耦合项，忽略弱耦合项,化简得 设边界条件 ,由此可以解得 分别对应光纤光栅中正向和反向基膜的振值函数。 2、耦合模理论 于是，光栅反射率和透射率为 整个分析求解过程中物理量的演变情况 均匀光栅的反射谱 2、耦合模理论 对非均匀光栅光栅，则采用传输举证法，将其分割为n段均匀光栅来讨论。 2、耦合模理论 3、分类及应用 光纤光栅 相移 产生一个窄带 取样 反射谱呈梳状，梳状滤波器，波分复用 切趾 抑制旁瓣，改善色散 啁啾 色散补偿 倾斜 随倾斜角的增大，反射率降低，带宽变窄， 中心波长向长波长移动 布拉格光纤光栅 长周期光纤光栅 纤芯基膜与包层模之间的耦合 均匀Bragg 光纤激光器、光纤传感器、光纤波分复用/解复用等 3、分类及应用 光纤布拉格光栅可以广发用于应变、温度、压力及动态电磁场等的测量，测量原理是其中心波长 随着这些外界物理参数的变化而变化。用于石油、化工和大型建筑等方面的安全监测。 一、在传感领域的应用 太空飞船X-38的再入式实验飞行器 （NASA图片） 传感器布测区域 分布式温度传感方案 分布式应力传感方案 输出信号 植入光纤温度传感元 输入信号 输出信号 埋入光纤应力传感元 输入信号 光纤监测网 损伤探测 太空飞船X-38上用于健康监测的光纤光栅传感网络 3、分类及应用 二、在通信领域的应用 在光通信网络中作光纤激光器、光纤放大器、滤波器、波分复用\解复用器以及色散补偿器等。 4、制作方法 分波阵面干涉法和相位掩模 谢谢！