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倾斜光纤光栅因其独特的性能越来越受到人们的重视,由于其等相位面有一定的倾斜角度,因此在光谱监测、光纤放大器等方面有着独特的性能应用;在传感器领域也有着十分广泛的应用。多模倾斜光纤光栅在未来城域光纤通信和光传感器中有着重要作用,但关于多模倾斜光纤光栅的理论研究很少,目前只有关于多模倾斜光纤光栅的实验见诸报道。本文的将VCM法扩展到多模倾斜光纤光栅中,用于计算多模倾斜光栅的远场辐射问题,从而获得了计算多模倾斜光纤光栅远场辐射的数值解法。
本文首先回顾了光纤光栅的发展历程,总结了倾斜光纤光栅在光通信领域和传感器领域的重要应用。简单介绍了倾斜光纤光栅的制备方法、理论研究方法和实验方法。指出在倾斜多模光纤光栅中目前还只有实验研究,缺乏理论指导,有必要进行倾斜多模光纤光栅的理论研究。
接着,本文系统地介绍了在倾斜光纤光栅中常用的几种理论分析方法,如耦合模理论、天线理论和VCM法。指出了耦合模理论、天线理论在研究倾斜光纤光栅中的局限,以及VCM法用于分析单模光纤倾斜光栅的远场分布的优点。由于VCM法非常适合于计算单模光纤倾斜光栅的辐射场,而且误差较小。因此本文选用VCM进行倾斜多模光纤光栅的研究分析。
在此基础上,本文首先应用VCM法分析了单模光纤光栅的远场辐射性能,侧重研究了入射光波长、倾斜角、偏振态和光栅周期等参量对倾斜光纤光栅辐射场的影响。通过数值仿真获得了具体的数据,与国内外文献资料进行对比,证实了利用VCM计算倾斜单模光纤光栅所获得的计算结果非常理想。
基于以上工作,本文进一步推导了多模VCM法功率流密度计算公式以及多模共振波长的计算公式,仿真计算各参量对多模及少模TFBG辐射远场的影响,主要考虑的影响因素为入射光波长、倾斜角和偏振态,并给出了少模TFBG中主要几个模式的辐射远场关于波长、倾斜角和偏振态性能的分析过程和结果。指出倾斜光纤光栅的远场辐射强度随着倾斜角的增大而减小:入射波偏振态仅在光纤光栅倾斜角较大时,对其辐射强度有影响,倾斜角角度较小时,偏振态对TFBG的影响很小。