光柵子結(jié)構(gòu)對(duì)光纖光柵特性的影響

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1、一S，72第18卷第5期光學(xué)學(xué)報(bào)Vo】18．No51998年5月ACTAoPTICASINICAMay19g8光柵子結(jié)構(gòu)對(duì)光纖光柵特性的影響丁涪V越浩方祖捷7弓(中國(guó)機(jī)械研黼上180。摘要用傳輸矩陣法對(duì)具有不同參數(shù)的Z／4移相結(jié)構(gòu)、多節(jié)A／4移相結(jié)構(gòu)、有效折射率調(diào)制結(jié)構(gòu)、耦合系數(shù)調(diào)制結(jié)構(gòu)和縫合”誤差結(jié)構(gòu)等五種光柵子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。模擬結(jié)果解釋了作者研制的均勻光野光柵、相移光纖光柵的傳輸譜，也驗(yàn)證了其他研究小組發(fā)表的實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過對(duì)各種結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)研究，提出了一些新的利用光纖光柵的設(shè)想。關(guān)鍵詞!·．壟蘭!翌蘭至墊。誼1引言近幾年來．隨著紫外光寫柵技術(shù)的迅速發(fā)展，光纖光柵的制作

2、已日趨成熟，應(yīng)用不斷增加在光源方面：光纖光柵外腔能使普通的多模激光器單模運(yùn)轉(zhuǎn)E，啁啾光纖光柵能使鎖模激光器大范圍自動(dòng)鎖模。在光信號(hào)傳輸方面：光纖光柵已被用栗做光信號(hào)分插復(fù)用器【{，這種復(fù)用器是波分多路光通信系統(tǒng)中關(guān)鍵器件之一。啁啾光纖光柵可用于對(duì)光纖傳輸線路的色散進(jìn)行補(bǔ)償E，最近又有用非啁啾光纖光柵進(jìn)行色散補(bǔ)償?shù)膱?bào)道。光纖光柵還被廣泛用來做各種用途的光濾波器和光均衡器。在以上應(yīng)用中，單純的均勻光柵往往不能滿足要求，而需要在光柵中引入一些子結(jié)構(gòu)。如對(duì)光柵的耦臺(tái)系數(shù)進(jìn)行調(diào)制、對(duì)光柵進(jìn)行空間采樣等等。除了人為引入的子結(jié)構(gòu)外，有時(shí)還會(huì)無意或不可避免地在光柵中引入一些子結(jié)構(gòu)。這方面的一個(gè)

3、例子是用分段拼接的方法來制作長(zhǎng)光柵時(shí)，由于機(jī)械平移的精度往往稍差，因此在聯(lián)接處便不可避免地引入一個(gè)隨機(jī)相移而引入的縫合”誤差。在其光譜中便會(huì)出現(xiàn)被稱之為“縫合”誤差的旁瓣。光柵的子結(jié)構(gòu)，無論是人為或無意引入的子結(jié)構(gòu)，都對(duì)光纖光柵的特性有很大的影響，因此有必要對(duì)其進(jìn)行一個(gè)系統(tǒng)的研究。本文將對(duì)五種光柵子結(jié)構(gòu)等進(jìn)行分析，其結(jié)果將有助于對(duì)光纖光柵光譜特性的理解，也有助于設(shè)計(jì)和優(yōu)化光柵結(jié)構(gòu)使其達(dá)到預(yù)期的性能。2分析模型為了研究光柵的空間子結(jié)構(gòu)，將光柵分成相同長(zhǎng)度的Ⅳ段，如圖1所示。每一段中光柵的參數(shù)為常量，但相鄰段中這些參數(shù)可以不同。Ⅳ可根據(jù)需要取大或取小。*本項(xiàng)目得到國(guó)家自然科學(xué)基金(

4、69577020)、上海市應(yīng)用物理中心基金的資助。收稿日期：1997—08一O7光學(xué)學(xué)報(bào)l8卷計(jì)時(shí)寸l‘：：：：。rF．『(-)。-_le-+I(b)g‘lMultJ-secti。ngratingstructuremodel一(a)Sectionalignment；(b)Definitionofthetranfma”jxrageneraluniformgratingsectJotlr設(shè)波導(dǎo)中的光場(chǎng)可分解成正向傳輸和反向傳輸兩部分，分別以e+和e表示，則：E(z，￡)=e一(z)+e()一4()exp(j一j)+A()exp(J“+j)(1)式中為光波角頻率，=2‰為對(duì)應(yīng)的傳播常

5、數(shù)，為波導(dǎo)的有效折射率。圖1(b)所示的傳輸矩陣中的各元素可表達(dá)為：：，一exp[一Jfl,(+一)](二_』旦里lj≤+c0sh[s(A+一)]}(2)exp[-j#z(z,_j=—+z,)7sjnhEs(—～一)](3)一w塑墮L±sinh+。一矗)](4)k—exp[一j(+。一‰)]{塑l_+coshEs(一一m)]}(j)式中2n／n，口=一，==__，d為光柵的周期，為光柵的耦合效率，表示波導(dǎo)損耗。整個(gè)光柵的傳輸矩陣可用各個(gè)單元矩陣的乘積來表示：ET]=兀[]f6)由此可得光纖光柵的反射譜和傳輸譜，分別為：R一『e一(m)／e(z)I=『／l(7)f篙導(dǎo)I2=一—南

6、㈣相應(yīng)的相位為：伽arg_e一(m)／e(z])]一arg(】／Y2)(9)即=arg[e(+L)／e(1)]一arg(1／2)(10)·由此可通過下面的表達(dá)式計(jì)算相應(yīng)的時(shí)延mr／。(1¨其中c為真空中的光速?！?數(shù)值模擬結(jié)果與分析3．1^／4相移結(jié)構(gòu)眾所周知，在一段光柵正中間引入一個(gè)x／4的相移，其傳輸譜在阻帶的正中布拉格波長(zhǎng)上有一個(gè)帶寬很窄的傳輸峰，如圖2(a)所示計(jì)算中光柵總長(zhǎng)度取5mm，光柵耦合常數(shù)取65O～。圖2(b)給出了／4相移不在光柵正中間情況下光纖光柵的傳輸譜，其結(jié)果是布拉5期瞿榮輝等：光柵子結(jié)構(gòu)對(duì)光纖光柵特性的影響569格波長(zhǎng)上的傳輸率隨相移位置偏離光柵正中

7、位置的距離而下降如果相移在光柵的正中間，但相移量偏離s／4，結(jié)果會(huì)造成阻帶中的傳輸峰偏離布拉格波長(zhǎng)，如文獻(xiàn)[8]所述。圖2(c)是計(jì)算結(jié)果．圖2(d)是作者用遮擋法制得的相移光纖光柵的實(shí)測(cè)傳輸光譜由以上的分析可以＼{fld口日《看出．這屬于相移位置偏離正中、相移量接近／4的情況圓坫'：潞l5；圃螂／w．／塒Fig2TransmJ~ionspectraoffibergratingswithphaseshift．(a)4／4shiftatcenter：(b)4／4shiftatadifferen