一种具有任意光功率分布的光纤光栅设计方法技术

本发明专利技术公开了一种具有任意光功率分布的光纤光栅设计方法，重构出光纤光栅的折射调制函数。从给定的沿光纤光栅长度的光功率分布出发，对光纤光栅进行分段处理，结合光纤光栅的边界条件(uN=1和v0=0)和能量守恒定律，推导得到谐振波长处光纤光栅内部的前向传输模、后向传输模的幅度。同时，根据传输矩阵法，针对均匀型、切趾型光纤光栅推导得到谐振波长处前向传输模、后向传输模的恒定相位。立足于已得到的前向传输模、后向传输模的幅度和相位，运用耦合模矩阵计算得到反射系数、耦合系数，并从中推算出光纤光栅的折射率调制函数，完成光纤光栅的重构设计。除适用于光纤光栅，本发明专利技术还适用于具有任意光功率分布的均匀型、切趾型波导光栅的设计。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术主要涉及到光纤光栅、光子滤波器、光通信、微波光子学、光传感等领域，尤其涉及。
技术介绍
光纤光栅具有滤波性能灵活、易与光纤系统融合、插入损耗低、简单便宜等特点，因而在光通信、光信号处理、微波光子学、光传感等领域有着广泛的应用。而在不同应用场合中，对光纤光栅的特性要求也不尽相同的。譬如，在光通信中需要特殊的带内相频响应来进行色散和色散斜率补偿，或者需要多信道滤波来实施波分复用技术；在光信号处理中，可以基于特殊设计的光纤光栅对光信号进行傅里叶变换、差分与微分运算、以及慢光处理；在微波光子学中，具有高分辨率的相频响应和超窄带幅频响应的光纤光栅可以从光域上精密操控和处理微波信号；在光传感领域，双波长光纤光栅或光栅阵列被应用于感知温度和应变，消除温度和应变的交叉敏感。为了满足上述各种应用中的不同要求，国内外研究人员提出了一系列重构算法和设计方案。逆散射算法是其中比较经典的一种:任意滤波频率响应通过逆散射算法逐层计算，重构出光纤光栅的结构参数(主要是局部耦合系数和折射率调制函数)。逆散射算法(有时候称为剥层算法)能够重构设计出具有矩形带通、复杂相频响应、强反射率、均匀多信道/非均匀多信道光纤光栅，相关论文包括:1)R.Feced, Μ.N.Zervas, andM.A.Muriel, “An efficient inverse scattering algorithm for the design ofnonuniform fiber Bragg gratings，，，IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.35,n0.8, pp.1105 - 1115, 1999 ；2) J.Skaarj L.Wang, and T.Erdoganj “On the synthesis offiber Bragg gratings by layer peeling，，，IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.37，n0.2，pp.165-173，2001.。联合时频分析方法也可被拓展应用到光纤光栅重构设计中，诸如 M.A.Muriel，J.Azana，and A.Carballarj “Fiber grating synthesis by use oftime-frequency representations,，’Optics Letters, vol.23, n0.19, pp.1526-1528，1998.。另外，纯相位取样技术、迭代计算、优化算法也被广泛应用于重构多信道光纤光栅折射率调制函数的相位分布，从而获得的多信道光纤光栅具有高信道一致性和高衍射效率，比如H.Li, T.Kumagaij K.0gusuj and Y.Shengj “Advanced design of a multichannel fiberBragg grating based on a layer-peeling method, ”Journal of Optical Society of America-B, vol.21，n0.11，1929-1938，2004.以上重构算法和设计方法集中于:从定制的频率响应(幅频响应和相频响应)出发，重构得到光纤光栅的结构参数。然而，光纤光栅在光栅长度方向上的光功率分布亦是其另一个重要特性，可以视为光纤光栅滤波特性在空间域上的一种体现。光纤光栅内部的光功率分布在光通信、微波光子学、光传感中有着特殊重要应用。如在光域中处理微波信号时对反射点(或时延)的稳定控制，短光纤激光器谐振腔的设计，基于单个光纤光栅的分布式传感等。目前，针对光纤光栅内部的光功率分布的研究，局限于已知结构下光纤光栅内部的光功率分布分析；即已知光纤光栅的结构参数(主要是折射率调制函数)，定量分析其内部的光功率分布，例如论文M.A.Muriel, A.CarbalIar, and J.Azana, “Fielddistributions inside fiber gratings,，，IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.35，n0.4，pp.548-558，1999。而一个亟待解决的问题是:设计一个具有任意或定制光功率分布的光纤光栅；即给定一个任意或定制光功率分布，重构设计出一个符合要求的光纤光栅。这一问题当前还未见有有效的解决方法或方案。
技术实现思路
鉴于以上陈述的已有重构算法和设计方法的不足，本专利技术旨在提供一种能够设计出具有任意或定制光功率分布的光纤光栅的方法，从而有效地实现基于空间域上光功率或光能量分布的光纤光栅重构设计。本专利技术的目的通过如下过程来实现。—种具有任意光功率分布的光纤光栅设计方法，从任意给定的光功率分布出发，结合光纤光栅的边界条件(uN=l和Vtl=O)和能量守恒定律，推导得到谐振波长处光栅内部的前向传输模、后向传输模的幅度。同时，根据传输矩阵法，针对均勻型、切趾型光纤光栅推导得到谐振波长处前向传输模、后向传输模的恒定相位。立足于已得到的前向传输模、后向传输模的幅度和相位，运用耦合模矩阵计算得到反射系数、耦合系数，并从中推算出光纤光栅的折射率调制函数，完成光纤光栅的重构设计。实际执行过程为如下。首先将光纤光栅划分为N段(可是均匀分段，也可是非均匀分段)，在每一段光栅中，折射率调制视为常量；光栅段的编号为I N，归一化长度为O 1，如附图说明图1(a)所示。在每一段的界面处，都存在前向传输模Uk和后向传输模vk,如图1(b)所不。因而，光纤光栅各分段点的光功率、差分形式的光功率即为:`Pk I uk+vk 12.(I)APk=Pk-Pk^1.⑵定义一个归一化函数[即(3)式]，则⑴和(2)可以改写成⑷和(5)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有任意光功率分布的光纤光栅设计方法，该方法包括如下步骤：a)首先将光纤光栅划分为N段，光栅段的编号为1，2，3…k?1，k，…N，在每一段光栅中，折射率调制视为常量；归一化长度为0～1，在每一段的界面处，都存在前向传输模uk和后向传输模vk，则光纤光栅各分段点的光功率Pk、差分形式的光功率ΔPk为：Pk∝|uk+vk|2??????????(1)ΔPk＝Pk?Pk?1?????????(2)b)定义一个归一化函数：Σi=1Nf(i)=1---(3)根据式(1)?(3)可得出：Pk=P0+(PN-P0)Σi=1kf(i)---(4)ΔPk＝(PN?P0)f(k)????????(5)c)从任意给定的光功率分布Pk或者差分形式的光功率分布ΔPk出发，结合光纤光栅的边界条件uN＝1和v0＝0以及能量守恒定律，计算得到光纤光栅内部前向传输模uk和后向传输模vk：uN＝1，v0＝0????????????(6)|uk|2-|uk-1|2=|vk|2-|vk-1|2∝Pk-Pk-12=ΔPk2---(7)arg(uk)＝0，arg(vk)＝π/2????(8)其中，arg(·)表示取相位；d)立足于已得到的前向、后向传输模，运用传输矩阵：Mk=(1-|ρk|2)-12×1-ρk*-ρk1×exp(jδΔzk)00exp(-jδΔzk)---(9)ukvk=Mk×uk-1vk-1---(10)其中δ为失谐量，Δzk为第k个光栅段的长度，在谐振波长处失谐量δ为0，得到每一光栅段的反射系数ρk：ukvk=(1-|ρk|2)-12×1-ρk*-ρk1×uk-1vk-1---(11)Re(ρk)=(E-C)(G+A)+(F-D)(H+B)(G2-A2)+(H2-B2),---(12)Im(ρk)=(E-C)(H-B)+(F-D)(G-A)(H2-B2)+(G2-A2),其中Re(·)和Im(·)分别表示实部、虚部；A＝Re(ukuk?1)，B＝Im(ukuk?1)，C＝Re(ukvk?1)，D＝Im(ukvk?1)，E＝Re(vkuk?1)，F＝Im(vkuk?1)，G＝Re(vkvk?1)，H＝Im(vkvk?1)；e)由于反射系数ρk与耦合系数qk存在着如下对应关系：ρk=tanh(|qk|Δzk)×qk*|qk|,---(14)进而计算出每一段光栅的耦合系数qk|qk|=[ln1+|ρk|1-|ρk|]/(2Δzk)---(15)arg(qk)＝π?arg(ρk).??????????(16)f)最后，根据耦合系数qk、折射率调制函数Δnk的对应关系：δn(z)=Δnk(z)2exp{j[K0z+θk(z)]+c.c---(17)qk(z)=-jK02n0Δnk(z)exp[-jθk(z)]---(18)其中K0＝2π/Λ，Λ为光栅周期，c.c表示复共轭，θk(z)＝0，计算出折射率调制函数Δnk的幅度和相位：|Δnk|=2n0Λπ|qk(z)|---(19)arg(Δnk)=arg(qk)-32π---(20)e)具有此折射率调制函数的光纤光栅即为具有任意光功率分布的光纤光栅。...

【技术特征摘要】
1.一种具有任意光功率分布的光纤光栅设计方法，该方法包括如下步骤: a)首先将光纤光栅划分为N段,光栅段的编号为1,2,3吣1^-1,k,…N,在每一段光栅中，折射率调制视为常量；归一化长度为O 1，在每一段的界面处，都存在前向传输模Uk和后向传输模vk，则光纤光栅各分段点的光功率Pk、差分形式的光功率APk为: Pkoc uk+vk 12(I) APk = Pk-Pk...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹喜华，戈伟伟，周丰洲，周志，潘炜，罗斌，闫连山，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：