手征光纤光栅制备中若干关键问题的研究

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手征光纤光栅是一种通过高速熔融扭转线双折射光纤而制成的新型光栅结构,它不仅同普通光栅一样具有波长选择特性,还具有圆偏振选择的特性。在圆偏振态的产生方面,手征光纤光栅具有得天独厚的优势,可以说是一种天然的全光纤型的圆起偏器件。众所周知,圆偏振技术在光纤电流传感、光纤相干通信等领域具有广泛的应用,为了进一步推动圆偏振技术的发展,实现手征光纤光栅的制备是一个值得关注的研究方向。因此,本论文以长周期手征光纤光栅的有效制备为目标,对光栅制备过程中所涉及到的理论与实际问题进行了系统的分析,为制备实验的有序进行提供理论依据与指导。首先,探讨了制备手征光纤光栅所需的应力型双折射光纤的双折射特性。在此基础上,进一步研究了双折射光纤在应力区沿横截面周向非均匀分布时的双折射效应。着重讨论了应力区的数目增加时,光纤的双折射大小随应力区之间夹角的变化关系,为增大应力型光纤的双折射效应提供了一个可行性方案。其次,针对已确立的长周期手征光纤光栅的实验制备平台方案,从以下两个方面进行了讨论:1)考虑到平台方案确立时的理论依据,均是在基于手征光纤光栅为连续扭转的前提下获得的。如果采用步进操作系统来实现手征光纤光栅的有效制备,则需要明确系统步长的选择对手征光纤光栅性能的影响。我们从耦合模理论出发,研究了不同步长下手征光纤光栅的传输谱特性,并给出了实现光栅有效制备的步长的选择范围;2)考虑到制备平台的机械特性,所制备手征光纤光栅两端会存在扭转率渐变的部分,而它们的存在对整个光栅性能会产生影响。通过对耦合模方程进行修正,我们分析了扭转率渐变部分的长度对整个光栅性能的影响,并进一步确定了对光栅性能不会产生影响的扭转率渐变部分长度的取值范围。最后,采用全矢量的耦合模理论,分析了基于椭圆偏芯光纤的手征光纤光栅的模式耦合和偏振选择特性。分析过程中,我们同时考虑了手征光纤光栅截面相对介电常数微扰形式的低阶和高阶微扰效应,确立了模式间的耦合选择机制及光栅的偏振选择特性。然后,通过数值模拟,获得了不同偏芯程度下光栅的圆偏振选择特性,证实了理论分析所得到的模式耦合机制及偏振选择特性,为手征光纤光栅的进一步应用提供了基础。
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