均匀光纤光栅光谱仿真研究
均匀光纤光栅光谱仿真研究
第一章绪论摘要全光通信是光纤通信的发展方向，自从1978年Hill等人制作出第一条光纤光栅之后，作为重要的全光网络器件之一，光纤光栅的研究和应用就一直受到人们的重视。
光纤光栅这种新型的光纤器件由于其独特的光学特性和灵活的设计特点,在光通信系统中有着广泛的应用,包括滤波器、全光复用/ 解复用器、色散补偿器和激光器谐振腔等等。
所谓光纤光栅即指光纤轴向上存在的折射率周期性变化。
其制作原理是基于石英光纤的光敏效应。
光纤中的光致折射率改变现象最初仅是一个科学问题，用来满足人们科学探索的好奇心，而正是因为光纤光栅在光通信与光传感领域的扮演的重要角色也使其成为光纤领域的一项基本技术。
在光纤通信的应用中根据应用场合的不同，针对对光纤光栅的光谱方面和色散方面特性会提出相应的专门要求，为了给光纤光栅制作过程中的方法选择及参量控制提供理论性指导，对光纤光栅的理论与应用研究有重要的实际意义。
在实际的光栅设计过程中，我们总是希望由所期望的光学特性来确定光栅的各个参数的值，因而对光纤光栅特性方面的数值模拟就具有非常重要意义。
本论文以光纤通信发展为主线介绍了光纤光栅的历史及其在光通信领域的应用，概述了光纤光栅的光敏效应，以光波导为背景介绍了分析光纤光栅常用的耦合模理论以及传输矩阵理论。
基于耦合模理论和传输矩阵理论对重要的两类光纤光栅：均匀光纤光栅和线性啁啾光纤光栅进行了分析推导。
并对两类光纤光栅的光谱方面特性进行了仿真研究，绘制出了两类光纤光栅在不同参数下的反射光谱特性曲线，讨论了不同参数对光纤光栅频率选择特性和色散特性的影响, 所得结果可作为这类光纤光栅结构参数设计的参考依据,给光纤光栅制作过程中的方法选择及参量控制提供理论指导，为光纤光栅这一重要器件的仿真软件的构建进行初步的探索。
关键词：光纤光栅耦合模理论传输矩阵法光通信器件数值仿真第一章绪论光纤通信技术是以光波为载波,以光导纤维为传输信道的一种现代有线通信技术。
人类已进入信息化时代，人类对通信的需求呈现加速增长的趋势，而光纤通信技术是构建信息高速公路的主要支柱。
光纤光栅重构方法研究及实验
光纤光栅重构方法研究及实验一、光纤光栅是什么？大家可能对光纤不陌生，尤其是在我们日常生活中，光纤的应用越来越广泛。
什么宽带上网、视频通话这些，都离不开光纤。
可你知道吗？光纤不仅仅是用来传输数据的，它还可以变得很神奇，成为一块“小小的光纤光栅”。
光纤光栅，听着就很酷吧？其实它是一种通过特殊工艺，在光纤里刻上规则结构的装置。
那这个“小结构”有什么用呢？它的作用可是大着呢，可以用来进行各种测量，譬如温度、应变、压力等，甚至还能用来检测光纤的老化情况。
想象一下，当你的光纤像人的皮肤一样感知到外界的变化，它会告诉你“这儿有点热”、“那儿有点压力”，是不是很神奇？光纤光栅的工作原理很简单。
它就像是光纤里的“滤镜”，可以根据不同波长的光的反射特性，来获取各种各样的信息。
每当光纤光栅受到外部环境变化的影响，反射的光波长就会发生变化，这些变化能帮助我们了解光纤所处的环境。
想想看，如果能通过这些微小的变化去了解身边的世界，岂不酷炸了？二、重构方法为什么重要？那你可能会问了，这么强大的光纤光栅，它怎么会有这么高的价值呢？要让光纤光栅发挥最大作用，重构方法至关重要。
重构方法，顾名思义，就是要通过分析光纤光栅反射出来的光信号，推算出它所代表的环境信息。
但问题来了，光纤光栅接收到的信息往往非常复杂，信号中不仅包含有用的信号，还有噪声，这就像是你在大街上听到的喧哗声，根本不知道谁在说什么，信息很难被清晰地提取出来。
所以，重构方法的目标就是通过一种“智慧”的方式，把这些看似杂乱无章的信号，转化成我们需要的有价值的信息。
举个例子吧，就好像你在听一个非常模糊的广播，但通过耳朵的努力，你能够把其中的一部分信息给听清楚，最终得到你想要的答案。
而这种能力，实际上就依赖于各种各样的数学算法。
通过这些算法，光纤光栅接收到的信号能被更精确地解析，从而推算出更多的信息。
三、实验与应用光纤光栅重构方法在实际应用中如何呢？别急，让我告诉你。
比如，咱们在一些高精密的工程项目中，像建筑大楼、桥梁甚至是航天器的监测中，光纤光栅就能发挥重要作用。
基于超环面均匀线距光栅的成像光谱仪优化设计研究
应用『 １ ＿ ３ ＿ ， 与棱镜色散光谱仪相 比，具有色散均匀 、光谱分辨 率高 的特点 。目前 ， 光栅 色散型光谱仪 大多使用 的是 基于平 面光栅 的 ｃ ｚ ｅ ｒ ｎ ｙ —Ｔｕ ｒ ｎ ｅ ｒ 光谱仪 ＿ ４ ］ ，它 由 ３ ～４个光 学元 件组成 。 在 远紫外大气遥感［ ６ ］ 等弱信 号探测 领域 ，由于信号 非常弱 ， 要 求光谱仪光学系统具有 较高传输 效率 。凹面光栅 自身同时具有色散和 聚焦 能力 ，单块 凹面光栅 就可构 成凹面 光栅光谱仪 ，光学元件少 ，因此 能量传 输效 率高 。在远 紫外
分 辨率 ０ ． ６ ｎ ｍ 的设计要求 ， 也证 明了该优化设计方 法是可行的 ，可在其他 波段推广应 用 ， 对光 栅色散型成 像 光谱仪的 设汁具有指导意义 。 关键 词 成 像光谱仪 ； 光学设计 ； 超环面均匀线距光栅 ； 遗传算法 ；Ｚ Ｅ ＭＡＸ
文 献 标 识 码 ：Ａ Ｄ ＯＩ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ４ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０ — ０ ５ ９ ３ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ５ — １ ４ ３ ３ — ０ ５
第３ ３ 卷， 第５ 期
２ ０ １ ３ 年 ５月
光
谱
学
与
光
谱
分
析
Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐ ｙ ａ ｎ ｄ Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
Ｖｏ １ ． ３ ３ ， Ｎｏ ． ５， ｐ ｐ １ ４ ３ ３ — １ ４ ３ ７ Ｍａ ｙ ，２ ０ １ ３
中图分类号 ： ＴＨ７ ４ ４ ． １
的曲率半径 ， 此 种光栅在超环面上通过机械刻划 的方 法容易
引 言
均匀光纤光栅法布里-珀罗腔反射峰值波长分析
第10卷 第5期大连民族学院学报Vol .10,No .5 2008年9月Journal of D alian N ationalities UniversitySeptembe r 2008文章编号:1009-315X (2008)05-0437-04均匀光纤光栅法布里-珀罗腔反射峰值波长分析冯显桂1,刘晓东2,刘海涛1,王昱枭1,刘 聪1,宋昭远2(1.西南交通大学信息科学与技术学院,四川成都610031;2.大连民族学院光电子研究所,辽宁大连116605)摘 要:从均匀光纤光栅法布里-珀罗腔(F -P 腔)的工作原理出发,通过引入等效F -P 腔长,分析推导出了其反射峰值波长表达式,得到反射峰间隔及其主带宽内的谐振峰数,并且从物理意义上进行了解释。
在耦合模理论和传输矩阵法的基础上,通过MAT LAB 编程进行了数值模拟仿真,并以两种方式改变等效F -P 腔长来分析其对反射谱的影响。
模拟仿真结果表明,等效F -P 腔长的引入对公式起了关键性作用,它等同于均匀取样光纤光栅(U SFBG)反射峰值波长表达式中的取样周期,验证了理论分析的结果。
关键词:光纤光栅F -P 腔;等效F -P 腔长;反射峰值波长;取样周期中图分类号:T N253文献标志码:AAna lysis on the Reflection -M a xi m um W a velengths ofthe Un i f orm F iber -gra t i n g F -P C av ityF ENG Xi an -gu i 1,L I U X i a o -dong 2,L I U Ha i -ta o 1,W ANG Yu -xi a o 1,L I U C on g 1,SO NG Zha o -yuan2(1.Scho ol of Infor m ati on Sc ience and T echn o l ogy,S outh we st JiaotongU nive rsity,Chengdu S i chuan 610031,China;2.Institute of Optoelec tronic Technol ogy,Dalian Nati onaliti e s Universit y,Dalian L i aoning 116605,China)Ab stra ct:The ana lytica l exp r ession f or the reflecti on -m axi m um wavelengths of the unif or m fi 2ber -grating F -P cavity is derived and exp lained by intr oducing equivalent F -P cavity length fr o m its wor k principle,the r eflection peak gap and the resonance peak nu m bers of the ma in band w idth are also obta ined.Then based on the coup led -mode theory and the trans m ission ma trix m ethod,the result of nume rical si m ulati on byMAT LAB pr ogra mm ing indicates that the equivalent F -P cavity length plays a key r ole in the exp ressi on,which is si m ila r t o the sam 2p ling peri od of unif or m sa mpled fibe r gr a tings in its reflec tion -m axi mum wave lengths ex p res 2sion,which c onfir med the theor e tical analysis .Key word s:fiber -grating F -P cavity;equiva lent F -P cavity length;reflecti on -m axi mum wave length;sa mp ling peri od 光纤光栅是一种十分重要的无源光器件,已被广泛应用于光通信和光纤传感等领域[1],为未来全光网络的到来奠定了基础。
光纤Bragg光栅的光谱特性研究的开题报告
光纤Bragg光栅的光谱特性研究的开题报告
光纤Bragg光栅是光纤传感器中广泛应用的光学元件，其具有较高的成像分辨率和信噪比，因此被广泛应用于测量温度、应变和光谱等各种物理量。
本文旨在探究光纤Bragg光栅的光谱特性及其在光谱领域中的应用。
首先，本文将简要介绍光纤Bragg光栅及其基本原理，包括锥形光束干涉法、相位掩膜法和光子晶体法等。
然后，我们将系统梳理光纤Bragg光栅的光学特性，包括谐波产生、反射光谱和透射光谱等，重点研究光栅参数对反射谱和透射谱的影响，如光栅周期、折射率调制深度和长度等。
接下来，我们将探究光纤Bragg光栅在光谱领域中的应用，包括分光仪、光源稳定和激光频率锁定等方面，同时还将介绍基于光纤Bragg光栅的传感器设计及应用，如温度传感器、应变传感器和气体浓度传感器等。
最后，我们将总结光纤Bragg光栅的光谱学特性及相关应用的研究现状和进展，并提出未来的研究方向和挑战。
本文的研究将为光纤Bragg光栅的进一步应用提供有益参考，并对光纤传感器及光谱仪器的发展提供有益的借鉴作用。
光纤光栅虚拟实验报告
一、实验目的1. 理解光纤光栅的基本原理和特性。
2. 学习光纤光栅在光学通信系统中的应用。
3. 通过虚拟实验，掌握光纤光栅的测试方法。
4. 提高对光纤光栅技术在实际工程中应用的理解。
二、实验原理光纤光栅是一种在光纤中引入周期性折射率分布结构的光学元件，其主要原理是利用光在光纤中的全反射和干涉现象。
当光波在光纤中传播时，如果入射角大于临界角，光波将在光纤内发生全反射。
当光波在光纤中传播一段距离后，反射光波与入射光波之间发生干涉，形成特定的干涉条纹。
通过改变光纤的折射率分布，可以实现对光波波长的选择和调节。
光纤光栅具有以下特性：1. 带宽窄，频率分辨率高。
2. 选择性好，抗干扰能力强。
3. 稳定性好，寿命长。
4. 可集成化，易于与光纤通信系统结合。
三、实验仪器1. 光纤光栅仿真软件（如FiberSim、OptiSystem等）。
2. 光纤通信系统仿真软件（如OPNet、NS2等）。
四、实验步骤1. 光纤光栅结构设计使用光纤光栅仿真软件，根据实验需求设计光纤光栅的结构参数，如周期长度、纤芯直径、折射率分布等。
2. 光纤光栅性能分析在仿真软件中，对设计的光纤光栅进行性能分析，包括反射率、透射率、带宽、选择性和稳定性等参数。
3. 光纤通信系统仿真将设计的光纤光栅集成到光纤通信系统中，进行系统仿真。
主要分析系统性能，如误码率、信噪比等。
4. 实验结果分析对实验结果进行分析，验证光纤光栅在光纤通信系统中的应用效果。
五、实验结果与分析1. 光纤光栅结构设计设计了一种周期长度为10μm，纤芯直径为50μm，折射率分布为周期性变化的三角形光纤光栅。
2. 光纤光栅性能分析仿真结果显示，该光纤光栅的反射率为99.9%，透射率为0.1%，带宽为100nm，选择性为±0.1nm，稳定性良好。
3. 光纤通信系统仿真将设计的光纤光栅集成到光纤通信系统中，仿真结果显示，系统误码率为10^-9，信噪比为20dB，满足实际应用需求。
全息法刻制均匀光纤光栅的参数研究
周 期与 干涉 图像周 期 相 同的 光纤 光栅 ．被 写入 的光
纤 成 为一 种 周期性 变 化 的光 波 导，其纵 向折射 率 的
（） ２
上式 中 为 Ｕ 光源波 长， Ｖ ０为两 束刻 写光 的夹
维普资讯
第１ 期
陈雪娟
全息法刻制均匀光纤光栅 的参数研 究
维普资讯
第ｌ ９卷 第 １ 期 ２０ ０ ７年 ３月
湖 南 文 理 学 院 学 报 （ 然 科 学 版） 自
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆ ｎ ｎＵｎｖｒｉ ｆ ｔ ａ ｄＳ ｉｎ ｅＮ ｔｒ ｌ ｃｅ ｃ ｄｔ ｎ ｏ ｒａ ａ ｉｅｓ ｙｏ Ａｒ ｎ ｃｅ ｃ（ ａｕ ａ ｉｎ ｅＥ ｉｏ ） ｏ Ｈｕ ｔ ｓ Ｓ ｉ
形成 明 条纹 ，并且 又有 １ 路光 线 与 ２ 路 光 线会 遇 形 成 次 一级 明条 纹．由相 干 条件 可 知 ，相 邻 明纹 的光 程差 Ａ ＝２ ６ ，所 以 由图中几何 关 系得 ：
ｄ
图 １ 使用 Ｕ 图案 写入制作 Ｂ ａ ｇ光栅 Ｖ ｒｇ
Ａ ＝ｄ ｉ ｄ ｎ ｓ 一 － ） ｄ ｉ ， （ ｄ ｉ ＝２ １ ｓ ｎ ｓ ｎ ）
（ ５ ）
２ｓｎ０ｃ ｓｏ ｉ ｏ￣
由（） 可判 断，通过 调 节 ０ ５式 和 可精 确 控制 光 栅 节距 ，且一 般 ｏｏ ０） （ ≈９ 。角取 值偏 大，而 角取 值
３ ７
角 半值 ， 为 两相 干光 的干 涉 条纹 间距 ，其值 等于 刻 ｄ 写 成 的光栅 栅距 ． ６ （） Ｈ 以通过 调节 ０ ｑ２￣ 可 角得 到 纤芯 上任 意 的光 栅 节 距 ．例 如 ，对 于 常 用 ＨｅＣ 激 光 器 ，当 —ｄ １
＝
ｄ： — ． — 【
仿真指示光栅实验报告
一、实验目的1. 了解光栅的基本原理和特性；2. 掌握光栅衍射现象的仿真方法；3. 熟悉仿真软件的使用，提高仿真分析能力；4. 分析光栅衍射条纹间距与光栅参数的关系。
二、实验原理光栅是一种利用光的衍射和干涉现象进行分光的装置。
当一束单色光垂直照射到光栅上时，光在光栅的狭缝中发生衍射，形成衍射光波。
这些衍射光波在光栅后方产生干涉，从而在光栅的焦平面上形成明暗相间的衍射条纹。
光栅衍射条纹间距公式为：Δθ = mλ/d，其中Δθ为相邻亮条纹或暗条纹之间的夹角，m为衍射级数，λ为光波波长，d为光栅常数。
三、实验仪器与软件1. 实验仪器：光栅、光源、光具座、屏幕；2. 仿真软件：MATLAB、Simulink。
四、实验步骤1. 安装并启动MATLAB软件；2. 在MATLAB中，创建一个Simulink模型，用于仿真光栅衍射现象；3. 在模型中，添加光栅、光源、光具座和屏幕等组件；4. 设置光栅参数，如狭缝宽度、光栅常数等；5. 设置光源参数，如波长、光强等；6. 运行仿真，观察屏幕上形成的衍射条纹；7. 分析仿真结果，探讨光栅参数对衍射条纹间距的影响。
五、实验结果与分析1. 当光栅狭缝宽度增大时，衍射条纹间距减小；2. 当光栅常数增大时，衍射条纹间距增大；3. 当光波波长增大时，衍射条纹间距增大；4. 当衍射级数m增大时，衍射条纹间距增大。
六、实验结论通过本次仿真实验，我们掌握了光栅衍射现象的仿真方法，熟悉了仿真软件的使用，提高了仿真分析能力。
同时，我们分析了光栅参数对衍射条纹间距的影响，验证了光栅衍射条纹间距与光栅参数的关系。
七、实验注意事项1. 在仿真过程中，注意设置合适的参数，以确保仿真结果的准确性；2. 在分析仿真结果时，要充分考虑光栅参数对衍射条纹间距的影响；3. 注意观察屏幕上的衍射条纹，以便更好地理解光栅衍射现象。
八、实验总结本次仿真实验，我们通过MATLAB软件对光栅衍射现象进行了仿真，分析了光栅参数对衍射条纹间距的影响。
光栅光谱仪原理及设计研究
光栅光谱仪原理及设计研究光栅光谱仪原理及设计研究引言：光栅光谱仪是一种常见的光学仪器，用于分析物质的光谱特性，从而获得物质的组成和结构信息。
本文将介绍光栅光谱仪的原理，并重点讨论其设计和研究。
一、光栅光谱仪的原理1.1 光的波动特性光是一种电磁波，具有波动特性。
在光栅光谱仪中，光通过光栅后会发生衍射现象，根据衍射理论，光的波长和光栅的构型会影响衍射光的传播方向和强度。
1.2 光栅的工作原理光栅是一种具有周期性结构的透明或不透明薄片。
光栅中的周期性结构可以将入射光线分散成不同波长的衍射光束。
光栅的周期性结构由等间距的凹槽或凸起组成，通常用线数（即每毫米的凹槽或凸起数）表示。
1.3 衍射光的分布与光栅的参数入射光线通过光栅后，不同波长的衍射光相对应于不同的衍射角。
光栅的参数，例如线数、入射角等，会影响不同波长的衍射光的强度和相对位置。
二、光栅光谱仪的设计2.1 构成光栅光谱仪主要由入射系统、衍射系统、检测系统和信号处理系统四个部分组成。
2.2 光栅的选择光栅的选择需要考虑波长范围、分辨率和灵敏度等因素。
常见的光栅类型有平面反射光栅和平面透射光栅，具有不同的特点和应用领域。
2.3 光谱仪的性能指标常用的光谱仪性能指标包括分辨率、灵敏度、动态范围和信噪比等。
这些指标直接影响着光栅光谱仪的测量精度和可靠性。
三、光栅光谱仪的研究应用3.1 光谱分析光栅光谱仪可以用于物质的光谱分析，通过检测不同波长的衍射光的强度分布，可以获得物质的组成和结构信息。
例如，利用光栅光谱仪可以测量吸收光谱、发射光谱、荧光光谱等。
3.2 生物医学领域在生物医学领域，光栅光谱仪被广泛运用于分析生物体内物质的组成和结构。
例如，可以通过检测人体组织中的衍射光谱特性，实现早期癌症的早期诊断和疾病的监测。
3.3 光通信在光通信领域，光栅光谱仪可以用于检测和分析光纤中的光信号。
通过光栅光谱仪检测光纤中的衍射光谱特性，可以对光信号进行解调和分析，实现高速、稳定的光通信传输。
长周期光纤光栅光谱特性仿真研究
452
中国光学
第 13 卷
Fiber Gratings (LPFGs) is solved by using the transmission matrix method and the relationship between the spectral characteristics of LPFGs and grating parameters (such as grating period, writing length and the depth of refractive index modulation) is simulated. The results show that the resonant wavelength of LPFGs is redshifted with an increase in the grating period and refractive index modulation depth, and that the resonant wavelength with higher-order mode is relatively more sensitive on the grating period. At the same time, the change in the spectral bandwidth mainly depends on the writing length of the grating. The bandwidth narrows gradually with an increase in the length of the grating and over-coupling occurs when the grating length is higher than 5.2 cm. With an increase in the refractive index modulation depth, the grating has the phenomena of incomplete coupling, complete coupling and over-coupling, and the position of the maximum resonance loss will gradually transfer to the lower-order mode. The results of this research have important referential significance for the theoretical research of LPFGs and parameter designs in practical applications. Key words: long period fiber grating；the coupled-mode theory；transmission spectrum
Bragg光纤光栅的光谱仿真课程设计
目录摘要 (I)Abstract (II)1光纤光栅简介 (1)2 BeamPROP软件介绍 (2)3光纤光栅的绘制与设置 (3)3.1光纤光栅波导的全局设置 (3)3.2光纤光栅的绘制 (4)3.3光路的设置 (7)4光纤光栅的仿真 (9)4.1光栅XZ切面图 (9)4.2波形仿真 (10)4.3参数扫描 (11)5心得体会 (14)6参考文献 (15)摘要光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯形成一个窄带的滤波器或反射镜。
本文介绍的是通过BeamPROP软件进行光纤光栅的光谱仿真，BeamPROP是一款实用性非常强的光学应用软件，本文包含了BeamPROP软件的介绍、光纤光栅的原理以及进行光谱分析及仿真。
关键词：光纤光栅；BeamPROP；光谱仿真AbstractOptical fiber Bragg grating is using fibre material photosensitive sex, through the method of uv exposure will incident light to a coherent pattern fiber core, in fiber core along the fiber axis within the core to the refractive index cyclical change, so as to form the permanent space phase grating, and its function is essentially in fiber core is formed in a narrow band filter or mirrors.This article describes the software through Beamprop fiber grating spectral simulation, Beamprop is a very strong practical optical applications, this article contains Beamprop software introduction, the principle of fiber Bragg grating and spectral analysis and simulation.Keywords: fiber grating; Beamprop; spectrum simulation1光纤光栅简介布拉格光纤光栅（Fiber Bragg Grating）简称为FBG。
布拉格光栅反射光谱的数值仿真
I
目录
布拉格光栅反射光谱的数值仿真..................................................................................................... I 摘要......................................................................................................................................................I Numerical simulation of the optical fiber Bragg grating reflective spectrum............................ II 第一章 绪 论..........................................................................................................................
光纤光栅原理及问题研究报告.
dbu(z)
dz
juau(z)
v
kv(1u)av(z)
(5)
[n2(x,y,z)02-(nx,y)E]ut(x,y•)Evt(x,y)Ad
式中， kv(u1) j0
[Eut(x,y)Hut(x,y])•dA
2、耦合模理论
光纤光栅原理及问题研究报告.
目录
目录
1、发展概况 2、耦合模理论 3 、分类及应用 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：
E j u oH H j E
+代表沿z轴正方向传播的波，-表示沿z轴负 方向传播的波。
2、耦合模理论
于是 a u a u a u ,b u a u a u
在有模式耦合的情况下，同样满足上式，
此时，cu、cu- 为z的函数。
将上两式再代入5、6式，整理得，
d au
dz
jβuau
v
[kvuav kv-uav- ]
d au-
dz
jβuau-
v
[ kv-uav kvuav- ]
此时 kv u 1 2(kv (1 )u kv (2 )u )k ,v u 1 2(kv (1 )u kv (2 )u )
（8）
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，
n 1 (x ,y ,z) n 1 (x ,y ) n （ 1z ） , n 1 (z n 1 )(z 1 c )[o z)] s , (
均匀布拉格光栅的原理及MATLAB反射谱仿真
均匀布拉格光栅的原理及MATLAB 反射谱仿真张睿一、前言光纤光栅是纤芯折射率受到周期性微扰而形成的一种全光纤无源器件，自问世以来，由于其与光纤通信系统兼容、体积小、插入损耗低、结构简单、成本低等等，广泛应用于光纤通信、光纤传感、光信息处理等领域，对于光纤光栅的分析，通常主要用耦合模理论、付立叶变换理论与传输矩阵理论，本文主要得用传输矩阵理论对均匀布拉格光栅的反射谱进行理论分析和仿真。
二、均匀布拉格光栅的原理假设光纤光栅的模型如下：z i Z i+1AB 图光纤光栅的输入与输出如图可知输入为：i A z 、1iB z ;输出为：i B z 、1i A z ，但是为了表示方便，输入为：i A z 、i B z ，输出为：1i A z 、1i B z 。
利用麦克斯韦方程组可以得到光波在光波导中的耦合模方程：(2)(2)*j z j z dAj Be dzdBj Ae dz(3) 其中：由边界条件：10iiA zB z （4）可以得到相移光栅的传输矩阵：111i i ii z z ii A z A z F B z B z (5)其中：111122122i i z z s s F s s (6)11111212112211cosh(())sinh(()))sinh(()))sinh(()))cosh(())sinh(()))i i i i i i i i i i i i s s z z j s z z s s j s z z s s j s z z s s s z z j s z z s （7）22s ，为光纤的耦合系数。
整个相移光栅的传输矩阵可以表示为：1121...i i i i z z z z z z F F F （8）其反射率可以表示成：2(2,1)(1,1)F R F (9)三、MATLAB 反射谱仿真仿真所用的参数为：布拉格光栅的中心波长1550nm, 光栅有效折射率 1.47。
1、在kl 相同情况下的反射谱在kl=5的情况下，当l=2mm 、5mm 、10mm 、20mm 时，其反射谱如下：由以上图片可知，在l越长的情况下，光栅的反射谱越来越窄，在中心波长的反射率最高，此特性对于光纤通信器件，光纤传感器件具有很高的实用价值。
optisystem仿真全同光栅原创
基于OptiSystem 7.0低反射率光栅准分布式传感系统的仿真分析谢晓鹏布拉格光纤光栅有其内在的优势，主要的电磁干扰小，高敏性，体积小，尤其可以大量复用。
1光纤光栅传感器已经在结构传感和嵌入式传感器对温度和应变测量上应用。
光纤光栅传感器是一个强大的种类，带给监测系统很多优势。
与传统的电传感器相比，，作为应变和温度传感器小型廉价轻便等优势2。
在实际中，光纤光栅传感器各种解调技术都相应发展，其中波分复用（WDM），时分复用（TDM）、空分复用（SDM）和多种复用结合，发展已经趋近成熟。
在WDM中，不同中心波长的光栅串接在一根光栅上，由于激光器输出带宽有限和光栅波长波动范围，使其复用个数很少，通常只有十多个。
而在TDM、SDM和多种结合的情况下，虽然都可通过增加系统复杂性来增加可复用光栅个数，但其解调和费用也相应的增加。
低反射布拉格光栅拥有光栅的以上优势,且最大的优势在栅间串扰小，可实现光栅的大量复用。
本系统利用的是串接在单模光纤上低反射率、中心波长的相同光栅。
所刻光栅其反射率约为6%，中心波长为1550nm，其理论复用个数可达9个，并且随着反射率的降低，其复用个数会增加，尤其在反射率为0.01%时，可复用的个数可达1000以上。
在仿真中用脉冲产生器,产生一系列不同中心波长连续的脉冲光,通过改变光栅的中心波长,来观测光谱图和计算光栅性能.OptiSystem是一款创新的光通讯系统模拟软件包，它集设计、测试和优化各种类型宽带光网络物理层的虚拟光连接等功能于一身，从长距离通讯系统到LANS和MANS都使用。
一个基于实际光纤通讯系统模型的系统级模拟器，OptiSystem具有强大的模拟环境和真实的器件和系统的分级定义。
它的性能可以通过附加的用户器件库和完整的界面进行扩展，而成为一系列广泛使用的工具。
全面的图形用户界面控制光子器件设计、器件模型和演示。
巨大的有源和无源器件的库包括实际的、波长相关的参数。
参数的扫描和优化允许用户研究特定的器件技术参数对系统性能的影响。
大学大物实验光栅光纤维仿真实验报告
大学大物实验光栅光纤维仿真实验报告[实验名称]衍射光栅[实验目的]1、观察光栅的衍射光谱，理解光栅衍射基本规律。
2、进一步熟悉分光计的调节和使用。
3、学会测定光栅的光栅常数、角色散率和汞原子光谱部分特征波长。
[实验仪器]JJY1型分光计、光栅、低压汞灯电源、平面镜等。
[实验原理]1、衍射光栅、光栅常数。
d=a+b为相邻两狭：缝上相应两点之间的距离，称为光栅常数。
它是光栅基本参数之一。
由上式可知，光栅光谱具有以下特点：光栅常数d愈小（即每毫米所含光栅刻线数目越多）角色散愈大；高级数的光谱比低级数的光谱有较大的角色散；衍射角很小时，式（40-2）中的色散率D可看作常数，此时与成正比，故光栅光谱称匀排光谱。
2、光栅常数与汞灯特征谱线波长的测量：根据方程（40-1）式可知，若已知入射光在某一级某一条光谱线的波长值，并测出该谱线的衍射角，就可以求出所用光栅的光栅常数d。
反之，若已知所用光栅的光栅常数，则可由（40-1）式测出光源发射的各特征谱线的波长。
角的测量可由分光计进行。
[小结与讨论]（1）做此实验观察了光栅的衍射光谱，理解了光栅衍射的基本规律，进一-步熟悉了分光计的调节与使用，测定了光栅常数，角色散率。
达到了实验的预期要求。
（2）讨论：对于同--光源，分别利用光栅分光和棱镜分光有什么不同？光栅分光：光波将在每个狭缝处发生衍射，经过所有狭缝衍射的光波又彼此发生干涉，这种由衍射光形成的干涉条纹是定域于无穷远处的。
光栅在使用面积一定的情况下，狭缝数越多，分辨率越高：对于光栅常数一定的光栅，有效使用面积越大，分辨率越高。
棱镜分光：棱镜也是分光系统中的一个组成部件，因棱镜色散力随波长不同而变化，所在宽入射角宽波段偏振分光棱镜。
棱镜分辨率随波长变化而变化，在短波部分分辨率较大，即棱镜分光具有“非匀排性”，色谱的光谱为“非匀排光谱”。
这是棱镜分光最大的不足。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
均匀光纤光栅光谱仿真研究摘要全光通信是光纤通信的发展方向，自从1978年Hill等人制作出第一条光纤光栅之后，作为重要的全光网络器件之一，光纤光栅的研究和应用就一直受到人们的重视。
光纤光栅这种新型的光纤器件由于其独特的光学特性和灵活的设计特点,在光通信系统中有着广泛的应用,包括滤波器、全光复用/ 解复用器、色散补偿器和激光器谐振腔等等。
所谓光纤光栅即指光纤轴向上存在的折射率周期性变化。
其制作原理是基于石英光纤的光敏效应。
光纤中的光致折射率改变现象最初仅是一个科学问题，用来满足人们科学探索的好奇心，而正是因为光纤光栅在光通信与光传感领域的扮演的重要角色也使其成为光纤领域的一项基本技术。
在光纤通信的应用中根据应用场合的不同，针对对光纤光栅的光谱方面和色散方面特性会提出相应的专门要求，为了给光纤光栅制作过程中的方法选择及参量控制提供理论性指导，对光纤光栅的理论与应用研究有重要的实际意义。
在实际的光栅设计过程中，我们总是希望由所期望的光学特性来确定光栅的各个参数的值，因而对光纤光栅特性方面的数值模拟就具有非常重要意义。
本论文以光纤通信发展为主线介绍了光纤光栅的历史及其在光通信领域的应用，概述了光纤光栅的光敏效应，以光波导为背景介绍了分析光纤光栅常用的耦合模理论以及传输矩阵理论。
基于耦合模理论和传输矩阵理论对重要的两类光纤光栅：均匀光纤光栅和线性啁啾光纤光栅进行了分析推导。
并对两类光纤光栅的光谱方面特性进行了仿真研究，绘制出了两类光纤光栅在不同参数下的反射光谱特性曲线，讨论了不同参数对光纤光栅频率选择特性和色散特性的影响, 所得结果可作为这类光纤光栅结构参数设计的参考依据,给光纤光栅制作过程中的方法选择及参量控制提供理论指导，为光纤光栅这一重要器件的仿真软件的构建进行初步的探索。
关键词：光纤光栅耦合模理论传输矩阵法光通信器件数值仿真第一章绪论光纤通信技术是以光波为载波,以光导纤维为传输信道的一种现代有线通信技术。
人类已进入信息化时代，人类对通信的需求呈现加速增长的趋势，而光纤通信技术是构建信息高速公路的主要支柱。
现代光纤通信技术涉及光纤光缆技术、传输技术、光有源器件、光无源器件以及光网络技术等。
1.1光纤通信历史及发展:1880年，贝尔利用太阳光作为光源，以大气为传输信道，用硒晶体作为光接收器，进行了光电话的实验，实现了真正现代意义下的光通信，使通话距离最远达到了二百多米，但空间光传输易受到气候和周围环境等条件的影响，损耗也比较大。
1966年，英籍华人高锟博士和他的同事G. A. Hockham，在研究了光在石英玻璃纤维中传输的特性极其损耗问题之后，发现光在石英光纤中传输时的主要损耗是因为其中含有过量的铜、铁、铬、锰等金属离子和其他杂质，另外在拉制光纤时由于工艺技术等原因也造成了芯、包层分界面的不均匀，从而也导致光在玻璃纤维中传输的折射率也是不均匀的。
他们的研究成果以《光频率的介质纤维表面波导》为题。
因在光纤通信领域里光纤中实现光传输的突破性成果,高锟博士获得了2009年的诺贝尔物理学奖。
1970年，美国康宁玻璃公司研制出损耗为20dB 的石英光纤，从实践上证明了光纤作为通信的传输媒介是大有希望的。
同年，GaAlAs 异质结半导体激光器实现了室温下的连续运转，为光纤通信系统提供了理想的光源。
从此以后，光纤通信进入了快速发展时期。
20世纪七十年代,是光纤通信由起步到逐渐成熟的时期。
以光纤传输损耗的逐年下降为标志。
0.85m μ波长上的损耗低到了2dB/km 左右。
同时光纤传输带宽也得到了提升。
半导体光源和探测器的寿命和性能也不断改善。
20世纪八十年代，是光纤通信得到大发展的时期。
光纤通信系统由0.85m μ波长窗口过渡到损耗更小的1.31m μ波长和1.55m μ波长窗口。
在1.31m μ波长上实现了0.5dB/km 的低损耗，在1.55m μ波长窗口上更可实现0.2dB/km 的极低损耗。
同时为了扩展传输带宽，光纤也由多模光纤向单模光纤过渡。
工作于1.31m μ波长上的单模光纤通信系统被广泛使用。
这期间，波分复用光通信技术、相干光通信技术和光纤放大器技术等新技术也受到了人们的重视，开始投入大量的人力物力进行研究。
八十年代末期，工作于1.55m μ波长窗口上的光纤放大器------掺铒光纤放大器问世，使得1.55m μ波长窗口上的光纤通信系统得到快速发展。
为了满足构建信息高速公路的需求，伴随着光纤通信的发展，光纤通信的容量也一直在加速提升。
提高容量的途径之一是提升光纤单信道的容量，到了1993年，2.5Gbit/s 的光纤通信系统商用化，1995年10Gbit/s 的系统也被推出。
但受电子器件速率瓶颈的限制，单信道速率达到40Gbit/s 以上非常困难。
提高容量的另外一条途径是使用波分复用技术。
掺铒光纤放大器和波分复用技术的联合使用使得单根光纤的容量达到几百吉比特每秒到几十太比特每秒的数量级。
1.2全光网络:随着光纤通信容量的不断快速提升，电子瓶颈对通信容量的限制问题开始变的越来越突出。
现代通信网由传输和交换两大部分组成，传输系统容量的快速提升也构成了交换系统发展变革的巨大动力。
为了克服电子瓶颈对通信网的限制，人们在交换系统中引入了光子技术。
光子技术涉及到光时分复用、光空分复用、光波分复用和光码分复用等复用技术。
上述的复用技术分别从时间域、空间域、频率域和码字域的角度进行信号复用，不但增加了光纤通信系统的容量，而且丰富了光信号交换、控制方式，为光域下交换系统的实现提供了可能性，为全光网络的实现提供了可选的技术途径。
全光网络是指光信息码流在通信网络中的传输和交换环节始终以光的形式实现，而不需要经过光--电、电--光变换。
也就是说信息码元从源到宿的的传输交换过程中始终在光域内进行，不需要像传统的光纤通信系统那样在中继和交换等环节进行光域到电域的变换。
全光通信网络是解决目前所谓电子瓶颈问题的根本途径，它可以从大幅度提高节点的数据吞吐容量，从网络中传输和交换两个方面满足人们不断增长的对通信带宽的需求。
全光通信网络的发展取决于光纤通信网络中光放大、光色散抑制、光交换以及光信号处理等各个具体关键技术的发展。
同时同步数字序列（SDH）、异步传送模式（ATM）、IP/TCP 协议及多标记协议交换（MPLS）等光网络协议标准，是目前人们组建全光网络的主要依据。
到了20世纪90年代中后期，波分复用技术开始在光纤通信系统中大规模使用。
在波分复用技术下，波长本身成为组网（分插、交换、路由）的重要资源。
在全光网络中，光的波分复用技术不仅为现代光纤通信提供巨大的带宽容量，同时也提供丰富的可优化使用这些带宽的组网资源。
基于波分复用技术的WDM全光网络成为了研究热点，国际电联将其命名为光传送网。
光传送网是在传输网上引入光层，在光的层面上进行交叉连接和分插复用。
从而大大减轻了电交换节点上的由于容量不断增加而产生的压力。
基于光的波分复用技术的光纤全光网络中，波分复用设备除了作为光传输系统的基本设施，而且在光交换系统中也起着重要作用。
交换系统基本都由不同频率的光波长接合波分复用技术中的光交叉连接(OXC)器和光多路分插复接/解复接(OADM)器等关键光器件来承担路由交换功能，而不再需要进行电--光和光--电转换。
基于波分复用的WDM 全光网络技术具备很多优点，如本地数据业务可通过本地节点提供的以太网、SDH、ATM等接口，灵活可靠地接入WDM 全光网络。
另外WDM全光网络以基于不同波长的路由机制进行路由选择，使得WDM 全光网络具有良好的可扩展和易操作性。
以波分复用技术为基础的WDM全光网络目前得到了快速发展。
全光网络的发展也对能够与光纤通信相匹配的全光纤器件的研究和发展起到了促进作用。
光纤光栅便是这类器件中得到人们广泛重视的一类器件。
如前所述，自1970年，美国康宁玻璃公司研制出损耗为20dB的石英光纤为始端，光纤通信技术得到了高速发展。
在随后的几十年里，光纤通信经历了从短波长到长波长、从多模光纤向单模光纤、从单信道低速率向多信道高速率、从单一的光纤传输向光纤组网进而向全光网络的演进的大发展。
光纤通信的大发展也促进了光电子、光子集成，光纤传感等技术的快速发展，以光纤为基础的各种光纤光子器件也应运而生并随光纤通信的发展而发展,光纤光栅便是其一。
1.3光纤光栅历史及发展:1978年加拿大渥太华的加拿大通信研究中心的K. Hill等研究人员,使用波长为488nm和514.5nm 的单模氩离子激光器，基于驻波法在掺锗光纤中，首次制作出了光纤光栅。
所谓光纤光栅是纵向上存在折射率周期性变化的光纤。
当时，K. Hill等人把氩离子激光器发出的激光注入掺锗光纤，几分钟后观察到了反射的激光强度的增加。
最后随着时间的流逝几乎所有的激光都从光纤里面被反射。
通过对反射光谱进行的间接测量最终确定在一条一米长的光纤上制作出了一个带宽非常窄（小到200MHz）的光纤光栅滤波器。
这一成果是基于掺锗硅光纤的非线性特性（光敏特性），后来这一成果被命名为Hill光栅，并且在很大程度上促进了掺锗光纤的光敏特性研究。
Hill光栅的写入效率较低，并且光谱特性受用于写入光栅的激光器波长限制，只能对处于可见光波段的光波进行处理。
更细致的研究表明高掺锗光纤中光栅强度随着光强大小正比例增加，而在普通通信用光纤里面光栅强度与光强大小的平方成正比，同时进一步建议使用双光子过程作为光栅制作机制。
最初始的试验是由488nm的激光从光纤末端反射形成驻波模式去形成光栅。
此波长一半，即紫外波段上244nm上的单光子证明效率更高。
1989年，美国康涅狄格州东哈特福特联合技术研发中心的G.Meltz等研究人员开始使用两束位于紫外波段的光波干涉形成的干涉条纹照射光纤包层的侧面制作光纤光栅，称为全息侧面写入技术。
制作过程中，干涉极大值和折射率变化的周期可以通过改变两束光的夹角和紫外光的波长来进行设置，而不必再通过照射在纤芯上的可见光来设置。
从而使光纤光栅制作技术克服了光栅周期受限于写入波长的缺陷。
使用全息侧面写入技术可以制作反射任意波段光波的光纤光栅。
而且这种写入技术也解决了制作Hill光栅的写入效率低的问题。
驻波法和全息侧面写入法对写入激光器的相干性和整个系统的稳定性要求很高。
1993 K.O.Hill等人进一步提出了一种使用硅玻璃特制的相位模板进行光纤光栅制作的新技术，即用相位掩模光栅对写入激光进行调制。
使用相位模板制作光纤光栅时，用紫外激光照射相位掩模板，被相位掩模板衍射后照射于待成栅光纤。
用照射于光纤的其+1级和-1级衍射光的周期性明暗条纹制作光纤光栅，K.O.Hill等人提出的这种制作光纤光栅的方法同样使得光栅周期与写入波长无关而只与相位模板相关，而且这种相位掩模成栅技术放宽了对写入光源相干性的限制，减弱了对系统稳定性的要求，可以更加容易地制作光纤光栅，大幅降低了光纤光栅的成栅成本，为光纤光栅器件走向商用化铺平了道路。