（光学工程专业论文）基于光纤光栅的温度不敏感生化传感器及全光开关研究.pdf

北京邮电人学硕j ：论文 基于光纤光栅的温度不敏感生化传感器及全光开关研究 摘要 光纤光栅由于其优良的特性，是近年来研究的一个热点，广泛应 用于全光通信、传感等诸多领域。论文对温度不敏感光纤光栅生化传 感器，以及光纤光栅的非线性开关特性进行了深入的研究，主要作了 以下三个方面的工作。 1 研究了温度对光纤光栅生化传感器的影响，研究表明温度对 光纤光栅本身参数的影响和溶液折射率的影响会都造成布拉格波长 漂移，最后得出布拉格波长漂移与温度之间的数值关系；设计了温度 补偿方案，选用了半光栅蚀刻法，对不同低浓度和高浓度溶液采取不 同的补偿方法。 2 讨论了利用高非线性光子晶体光纤中的布拉格光栅的交叉相 位调制效应实现全光开关的理论模型，在理论模型的基础上建立了相 关的数值模型，并用显式差分法对数值模型进行求解，对不同参数设 置情况下的光开关特性分别进行了深入的研究。 3 利用分步傅立叶方法和精确的龙格库塔法对长周期光纤光栅 的归一化非线性耦合模方程进行数值分析，得出了谐振情形和非谐振 情形下，弱光输入和强光输入脉冲在长周期光纤光栅中的非线性传输 特性。纤芯输出光强随纤芯输入光强的变化表明在谐振情形下，光开 关特性对应先断后通的情况；非谐振情形下，光开关特性对应先通后 断、再到通的情况。 关键词：光纤布拉格光栅长周期光纤光栅温度不敏感生化传感 器全光开关光子晶体光纤 北京邮电人学颇i ：论文 t e m p e rp m 瓜e i n s e n s i t i v eb 1 0 c h e m i c a l s e n s o ra n da l l 0 p t i c a ls w i t c h i n g b a s e do nf i b e rg r a t i n g s a b s t r a c t b e c a u s eo fi t se x c e l l e n tp r o p e r t i e s ，o p t i c a lf i b e rg r a t i n gi sah o t r e s e a r c hi nt h er e c e n ty e a r s a n dn o wi th a sb e e nw i d e l ya p p l i e di n a l l - o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n s ，o p t i c a ls e n s o r s a n dm a n yo t h e rf i e l d s t e m p e r a t u r e - i n s e n s i t i v eb i o c h e m i c a lf i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o r ，a sw e l l a sn o n l i n e a ra l l - o p t i c a ls w i t c h i n gb a s e df i b e rg r a t i n g si sf o c u s e do n t h e p r e s e n tp a p e rh a sd o n et h ew o r ka sf o l l o w s ： 1 t h ee r r o ro fs e n s i n ga f f e c t e db yt e m p e r a t u r ei sd i s c u s s e d t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h es e n s o rs e n s i t i v i t yi sa f f e c t e db y t e m p e r a t u r et h r o u g h b o t ht h ef b g sa n dt h er e f r a c t i v ei n d e xo fc h e m i c a ls o l u t i o n sc h a n g e t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nw a v e l e n g t hs h i f t w i t h t e m p e r a t u r ec h a n g e s i s o b t a i n e db yn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n as c h e m eo ft e m p e r a t u r e - i n s e n s i t i v e c h e m i c a ls e n s o rb a s e do nf b g si s d e s i g n e d d i f f e r e n tm e t h o d so f c o m p e n s a t i o nt ol o wa n dh i g hc o n c e n t r a t i o ns o l u t i o n sw i t hh a l fg r a t i n g e t c h e da r ea p p l i e d 2 at h e o r e t i c a lm o d e lo ft h ea l l o p t i c a l s w i t c h i n go fu s i n gb r a g g g r a t i n gi nah i g h l yn o n l i n e a rp h o t o n i cc r y s t a lf i b e ri se s t a b l i s h e dt h r o u g h a n a l y z i n gt h em o d e lo fc r o s sp h a s em o d u l a t i o n ( x p m ) b a s e do nt h e t h e o r e t i c a lm o d e l ，n u m e r i c a lm o d e l i si n v e s t i g a t e da n dr e a l i z e db yu s i n g d i f f e r e n t i a lm e t h o d o b v i o u ss c h e m e t h ep a r a m e t e r si n f l u e n c i n gt h e c h a r a c t e r so ft h es w i t c h i n ga r ed i s c u s s e d 3 t h en o r m a l i z e dn o n l i n e a rc o u p l e dm o d ee q u a t i o ni nl o n gp e r i o d f i b e rg r a t i n g ( l p f g ) i sn u m e r i c a l l yc a l c u l a t e dw i t hs l i t - s t e pf o u r i e ra n d e x p l i c i tr u n g e k u t am e t h o d s t h en o n l i n e a rp r o p a g a t i o ni nl o n gp e r i o d f i b e rg r a t i n gw i t hl o wa n dh i g hi n t e n s i t yi n c i d e n ti nt w ot y p i c a lc a s e s 北京邮电人学硕j ：论义 ( o n r e s o n a n c ec a s ea n do f f - r e s o n a n c ec a s e ) i so b t a i n e d t h eo u t p u tl i g h t i n t e n s i t yi nc o r ew i t hi n c i d e n ti n t e n s i t yc h a n g e ss h o w s t h a t ，t h es w i t c h i n g p e r f o r m a n c eo fl p f gi so f ft oo ni no n r e s o n a n c ec a s e ，a sw e l la so n t o o f f , a n dt h e nt oo ni no f f - r e s o n a n c ec a s e k e yw o r d s ：f i b e r b r a g gg r a t i n gl o n g - p e r i o d f i b e r g r a t i n g t e m p e r a t u r e i n s e n s i t i v e b i o c h e m i c a ls e n s o r a l l o p t i c a ls w i t c h i n g p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r 北京邮i 乜入学硕：i ：论文 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列 的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权 书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：歪露查日期：2 ：仝：呈缢 导师签名：i 兰己五址日期：2 生旦盟 北京邮电大学硕上论文 1 1引言 第一章绪论弟一早三百1 ：匕 1 9 7 8 年，k o h i l l 等人首次发现掺锗石英光纤紫外光敏特性，即布拉格( b r a g g ) 光栅效应，并采用驻波写入法制成第一只光纤光栅。此后，m e l t z 等人又于1 9 8 9 年发明了光纤光栅紫外写入技术，并观察到强紫外干涉从侧面照在掺锗光纤上能 引起相应位置纤芯的折射率发生变化，依据该技术可制成不同参数的光纤光栅 跚。1 9 9 3 年相位模板法制作光纤光栅的出现和低温高压载氢敏化处理技术的发明 阳3 ，使得高性能光纤光栅的批量生产成为了可能，光纤光栅技术正在逐步成熟。 近年来光纤光栅理论及其制作技术得到了飞速发展，目前可对光纤光栅进行 分析的理论有：耦合模理论、r o u a r d 理论、b l o c h 理论等，其中，耦合模理论是 最广泛采用的理论分析方法。光纤光栅的制作技术也由原来的对环境要求苛刻的 驻波法、全息法发展到了目前易于批量生产的相位模板技术。为制作出有理想特 性的光纤光栅，各种切趾技术和控制技术也得到了巨大发展。 光纤光栅是无源器件，且成本低廉，因此它在光通信中的有着广泛的应用。 均匀光纤光栅可做滤波器，复用解复用，光的上下路( o a d m ) 等，啁啾光纤光 栅可用于色散补偿。在光纤传感器方面，自1 9 8 9 年光纤光栅首次用于温度和应 变测量以来1 ，光纤光栅因其独特的优点越来越受到人们的重视，它的优点有： 可测量的参量多、传感精度高、复用能力强、体积小、耐腐蚀、抗电磁干扰等。 目前光纤光栅传感器被广泛用于航空航天、建筑工程、电力、纺织等军用和民用 领域。 总之，光纤光栅已经走向了实用化，广泛用于光纤通信、光纤传感、光纤激 光器等等领域，它被认为是继掺铒光纤放大器( e d f a ) 之后，最有发展前途和最具 代表性的光纤无源器件之一。且随着光纤光栅技术的更加成熟，光纤光栅的应用 也必将更加广泛。 随着高功率激光器和光放大器的发展，非线性光学领域的研究和发展十分迅 速。光纤光栅的理论和制作技术的进步又揭开了非线性光学研究的新篇章。光纤 光栅非线性的研究开始于2 0 世纪7 0 年代末和8 0 年代初，w i n f u l 等首先理论研 究一维克尔非线性周期性介质中的双稳、脉冲压缩等非线性现象m 1 ，后来c h e n 等找到了周期性介质中的稳态孤子解阻1 ，随后研究者们又开展了一系列的理论研 究n 州1 。在8 0 年代末，y a b l o n o v i t c h 等提出了光子带隙的概念n 5 1 7 1 ，理论发现电 磁波在人为制作的周期性结构介质的行为与自然晶体中的电波行为相似。最早的 实验工作丌始于2 0 世纪9 0 年代初，l a r o c h e l l e 等利用交叉相位调制在光纤布拉 北京邮l u 人学颁i ：论文 格光栅中展示了全光开关耵。s a n k e y 等理论和实验研究了波导光栅中的光开关 特性n 蝴1 。两个研究组开创性地研究了光纤布拉格光栅的非线性脉冲传播。美国 贝尔实验的e g g l e t o n 等人在波长接近于光纤布拉格光栅的带隙边缘处观察到了 布拉格光栅孤子晗嘲1 。英国南安普敦大学光电子研究中心b r o d e r i c k 领导的研究 组研究了脉冲能量主要位于线性光子带隙内的情况下带隙孤子的形成以及实现 全光开关和全光“与”逻辑门阱删。利用a 1 g a a s 平面波导阵列，e i s e n b e r g 等实 验观察到了离散孤子。嚣1 ：光耦合到中心波导，在低功率下光场就会扩展其它波 导中，在高功率情况下光场就被限制到输入波导中，光的分布可以由离散非线性 薛定谔方程描述。近来m o r a n d o t t i 等又报道了离散孤子的管理啪3 。而f l e i s c h e r 等在光致非线性光子晶体中观察到了二维离散孤子踟。 目前光纤光栅的非线性特性研究还不太成熟，理论方面的研究取得一定的进 展，但实验方面的研究成果还相对较少，许多应用方面的研究还尚未展开。研究 的重点在于从材料和结构方面进一步增强器件的非线性，降低非线性现象出现所 需要的光功率。全光的研究是目前研究的另一个重点，不仅具有重要的物理意义， 还具有重要的应用价值。 1 2 光纤光栅在通信中的线性应用 一、光纤激光器u 光纤布拉格光栅的窄带反射特性和全兼容于光纤的特点，使其特别适合于光 纤激光器。利用光纤布拉格光栅的波长选择性可将其用作光纤激光器的腔镜，实 现模式选择和窄带反馈的单频激光器，与半导体激光器相比，该类激光器具有波 长连续可调、调谐范围大、线宽窄、输出功率高和相对强度噪声低等优点，并且 它还适合d w d m 系统中使用工作波长固定或可调谐的低噪声激光器阵列的要 求。光纤激光器在近年来的进展有：在1 9 9 8 年s l i 等人用光纤布拉格光栅制作 成功了可调谐主动锁模环形腔掺铒光纤激光器。2 0 0 4 年z h a oc h u n l i u 等人在 高双折射光纤中写入重叠的光纤布拉格光栅，然后利用此重叠的光纤光栅设计制 作了可切换的多波长掺铒光纤激光器。 二、光纤放大器羽 影响光纤通信向长距离和高速率方向发展的两个主要因素是损耗和色散，其 中的损耗问题自从掺铒光纤放大器( e d f a ) 产生后已得到解决。然而掺铒光纤 放大器具有增益不平坦性。利用闪耀光纤光栅的透射谱特性可以抑制光纤放大器 的增益峰，从而使引入闪耀光纤光栅后的光纤放大器增益谱平坦化。 用两个波长相同的光纤布拉格光栅或一只光纤光栅的环行腔结构在e d f a 内形 成激光，可自动调节e r 粒子上能级粒子数的分布，在信号功率突变时保持先对 2 北京邮l 1 人学硕一l 论文 稳定的增益，从而实现e d f a 的增益控制和锁定。 三、分插复用器b 3 1 密集波分复用( d w d m ) 技术已成为现有光通信系统扩容的主要技术，然 而如何在密集波分复用系统中自由地实现光的分插复用( o a d m ) 是一个挑战。 光纤光栅加环行器很容易实现o a d m ，因此它在国内外的发展都很迅猛。可调 谐光纤光栅实现动态o a d m 的技术国内外报道已经很多，且已经很成熟，它可 在环形光网络中实现全光的平滑入出，在降低了成本的同时又提高了传输效率， 且它的结构简单，制作成本较低，适应于光纤通信系统的全光化、集成化要求。 四、色散补偿m 1 随着全光通信速率的提高，色散和非线性对系统传输能力的影响变得愈发显 著。经过近年来的研究，光纤光栅色散补偿器已经基本解决了光纤传输系统中的 色散问题。光纤光栅被偿色散的原理是：在啁啾光纤光栅不同反射点有不同的反 射波长，我们让红移分量在光栅前端反射，而让蓝移分量在光栅末端反射，即蓝 移分量比红移分量多走2 l 的距离。由于色散在光脉冲中红蓝移分量之间产生的 距离差，经过光栅后，滞后的红移分量便会赶上蓝移分量，这样就消除了色散效 应。目前光纤光栅作为色散补偿已经达到实用阶段。 1 3 光纤光栅在传感器方面的应用 光纤可用做传递信息的光信道，也可用作传感器。光纤传感技术是2 0 世纪 7 0 年代随着光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，以光波为载体、光纤为媒 质、感知和传输外部测量信号的新型传感器。光纤之所以能用做传感器在于它的 光束参数，诸如幅度、相位、波长、频率、偏振状态对温度、压力、电磁场、振 动和位移等环境因素的敏感性。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质 的光纤，具有一系列独特的，其它媒质难以比拟的优点，光波不产生电磁干扰， 也不怕电磁干扰，易为各种光电检测器接收，可方便地进行光电或电光转换，易 与高度发展的现代电子装置和计算机相匹配，光纤传感器的优点是不导电、重量 轻、体积小、耐高温和电磁辐射、柔性好、硬腐蚀，这些优点使它适合于易燃、 易爆、空间受限及强电磁干扰的恶劣环境下使用。因此，光纤传感器一问世便受 到极大地重视，几乎在各个领域得到研究和应用，成为现代传感器的先导，推动 着传感技术的蓬勃发展。 近年来，光纤b r a g g 光栅( f b g ) 由于其特有的性质得到了普遍的关注和广 泛的应用，尤其是在传感领域倍受青睐。光纤光栅的b r a g g 反射或透射峰波长和 它的周期以及纤芯折射率有关，而热光、弹光效应可改变光纤光栅的周期和纤芯 折射率，故光纤光栅的b r a g g 反射波长随温度和应变变化，所以人们利用这些特 3 北京邮i 乜人学硕i ：论文 性来检测光栅所处位置的温度或应力的变化防3 7 1 。光纤光栅还可以检测应力、应 变、温度、磁场、电流、液体浓度等多种参量，在建筑、桥梁、生物医学、航空 航天等领域有着巨大的应用。 一、在民用工程结构中的应用啪侧 民用工程的结构监测是光纤光栅传感器最活跃的领域。力学参量的测量对于 桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和状况监测是非常重要的。通过测量 上述结构的应变分布，可以预知结构局部的载荷及状况。光纤光栅传感器可以贴 在结构的表面或预先埋入结构中，对结构同时进行冲击检测、形状控制和振动阻 尼检测等，以监视结构的缺陷情况。另外，多个光纤光栅传感器可以串接成一个 传感网络，对结构进行准分布式检测，可以用计算机对传感信号进行远程控制。 二、在航天器及船舶中的应用 光纤光栅抗疲劳、抗腐蚀性能较好，而且可以减轻船体或航天器的重量，对 于快速航运或飞行具有重要意义，因此，光纤光栅传感器越来越多地被用于航天 器上。 为全面衡量船体的状况，需要了解其不同部位的变形力矩、剪切压力、甲板 所受的抨击力，对于普通船体大约需要1 0 0 个传感器，因此波长复用能力极强的 光纤光栅传感器最适合于船体检测。另外，为了监测一架飞行器的应变、温度、 振动、起落驾驶状态、超声波场和加速度情况，通常需要1 0 0 多个传感器，故传 感器的重量要尽量轻，尺寸尽量小，因此最灵巧的光纤光栅传感器是最好的选择。 三、在医学中的应用h 1 。4 羽 医学中用的传感器多为电子传感器，它对许多内科手术是不适用的，尤其是 在高微波( 辐射) 频率、超声波场或激光辐射的过高热治疗中。近年来，使用高频 电流、微波辐射和激光进行热疗以代替外科手术越来越受到医学界的关注，而且 传感器的小尺寸在医学应用中是非常重要的，因为小的尺寸对人体组织的伤害较 小，光纤光栅传感器是目前为止能够做到的最小的传感器。光纤光栅传感器能够 通过最小限度的侵害方式测量人体组织内部的温度、压力、声波场的精确局部信 息。到目前为止，光纤光栅传感系统已经成功地检测了病变组织的温度和超声波 场，这为研究病变组织提供了有用的信息。 四、在电力工业中的应用 光纤光栅传感器因不受电磁场干扰和可实现长距离低损耗传输，从而成为电 力工业应用的理想选择。电线的载重量、变压器绕线的温度、大电流等都可利用 光纤光栅传感器测量。 五、在生化传感中的应用 生化光纤光栅传感器是基于光纤光栅b r a g g 波长对外界物质的折射率的敏 4 北京邮电人学硕士论文 感特性而制成的一种新型的光纤传感器h 3 4 引，可以测量多种化学溶液的浓度，在 环境污染、工业安全生产、精确质量控制、医学诊断等领域对化学物质检测医疗 和生态环境保护中有着广泛的应用。 下面介绍一下生化光纤光栅传感器的基本原理。根据模式耦合理论，光纤光 栅反射中心波长可由下式确定： 旯慨= 2 n 万a o 式( 1 - 1 ) 式中n 玎是光纤芯区的有效折射率系数，人。为光栅的栅距周期。当光栅周围 的环境( 如温度或应力) 发生变化时，将导致光栅栅距周期及纤芯有效折射率的 变化，从而使光纤布拉格光栅中心波长发生移动。 光纤纤芯有效折射率，l 可以表示为 ，r r 、2 刀= ，l ；一l 茜l ( 以卜刀：2 ) 式( 1 2 ) r 式中，u 和v 满足光纤的特征方程，通过求解特征方程就可以得出光纤纤芯 有效折射率随包层折射率变化的关系。 j 光纤布拉格光栅在腐蚀掉包层后，光栅只是波导结构的弱微扰，当外界物质 发生变化时，光纤的纤芯有效折射率将会发生明显的变化，进而影响光纤光栅反 射谱的布拉格波长变化。各种液体有着不同的折射率，而不同浓度溶液的折射率 也会发生变化，光纤光栅放在溶液中时，由于不同浓度的溶液对应着不同的折射 率，会引起光纤纤芯有效折射率发生变化，进而影响光纤光栅的布拉格波长的移 动，通过光谱分析仪探测b r a g g 中心波长的移动，可以测量溶液的浓度。 e 至 耋 差 u 15 1 2 15 4 1 4 06 08 01 0 0 c o n c e n t t a t i o n 惕 图1 - 1 单模光纤光栅b r a g g 波长随丙二醇溶液浓度变化的曲线 5 舛 弭 舛 铒 北京邮电人学硕f ：论文 许多化学物质的浓度，包括蔗糖、乙醇、己醇、十六烷、c a c l ：、n a c l 等，都 可以用生化光纤光栅传感器测量，原则上，任何折射率在1 3 和1 4 5 之间的化学 物质都可用生化光纤光栅传感器进行探测。图1 - 1 给出了单模光纤光栅b r a g g 波长随丙二醇溶液浓度变化的曲线。 温度是影响光纤光栅生化传感器测量精度的一个重要因素，本文对温度影响 光纤光栅生化传感器的布拉格波长漂移进行了深入的研究，并提出了一种温度不 敏感补偿方案。 1 4 光纤光栅在光开关中的非线性应用 1 4 1 利用基于非线性光纤的光栅耦合器实现全光开关 基于非线性光纤的光栅耦合器用于实现全光开关也已有报道h m l 。原理是通 过输入高强度的控制光在光纤光栅中引起非线性效应来控制光栅耦合器反射带 隙的波长变化对输入光实现开关作用。图1 - 2 给出了参考文献 4 8 中利用光栅耦 合器实现全关开关的实验装置图。 i n p u t 馥l ， ，九p 9 雌s a l f i b e rg r a t i n gm a t c h i n g s i g 爹n a l 当式f o r tu p k 哪g 严晰t 3 嘞b i e l 珊必爹e | 丈伽p i 1 蹦u 厂j p 0 r t 3 厶一 ， 匾edfl a s e r p u m 瑾p p c ，a l o d 卜l o c k e d ，- i ! ) 巴 l 一 p o l a r i z a t i o nc o n t r o l l e r一墨 图1 - 2 利用光栅耦合器实现全光开关的实验装置图 图1 2 中，e d f 为掺铒光纤，e d f a 为掺铒光纤放大器。 实验结果表明，中心波长为1 5 5 p m 的强泵浦光，可对波长范围为1 5 3 9 8 4 1 5 3 9 9 5 n m 的信号光产生开关的作用。 1 4 2 利用普通光纤中光栅的交叉相位调制效应实现全光开关 光纤光栅中折射率的周期性调制在中心波长处能够引起较大的反射率变化。 三阶非线性效应即自相位调制和交叉相位调制可用来改变介质的折射率，入射脉 冲本身的光强或者控制光可用来调谐光栅的折射率，进而调谐光栅带隙。这种效 应可用来实现全光开关。 6 北京邮l 乜人学硕j ：论文 1 9 9 0 年首次观察到通过交叉相位调制现象产生感应开关的现象，1 0 6 4 n m 的 泵浦光引起了5 1 4 5n l n 的信号光传输的切换，实验中光栅透射率随脉冲峰值能 量变化的曲线如图1 3 所示呻。 p u l s ep e a kp o w e d k w 图卜3 光栅透射率随脉冲峰值能量变化的曲线 近年来不断有利用普通光纤中光栅的交叉相位调制效应产生全光开关的实 验和数值分析的报道洲羽。 本文采用数值模拟的方法对布拉格光纤光栅全光开关和长周期光纤光栅全 光开关的光学特性进行了理论分析，并讨论了基于交叉相位调制效应的光子晶体 光纤光栅的全光开关特性和基于交叉相位调制效应和自相位调制效应得长周期 光纤光栅的全光开关特性。 1 5 本论文的主要工作 本论文主要进行了三个方面的工作：对温度影响生化光纤光栅传感器的的波 长漂移进行分析，得出光纤光栅波长漂移与温度之间的数值关系，并设计了一种 温度不敏感补偿方案；对高非线性光子晶体光纤中布拉格光栅的交叉相位调制效 应产生光开关进行了理论研究、建模及数值分析工作；对超短脉冲在长周期光纤 光栅中的非线性传输进行了理论研究及数值分析工作，研究了长周期光纤光栅工 作于谐振和非谐振情况下光开关的开关特性。 第二章从麦克斯韦方程出发，分别推导了光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅 的非线性耦合模方程；并阐述了研究光纤光栅非线性特性用到的传输矩阵法和分 步傅立叶法的基本原理和使用过程。 第三章研究了温度对光纤光栅生化传感器的影响，从温度对光纤光栅本身参 数的影响造成的波长漂移，和温度对溶液折射率的影响造成的波长漂移两方面进 行分析，得出光纤光栅波长漂移与温度之间的数值关系，并设计了一种温度不敏 再。昌冀嗨a，摹眦暑-呱 北京邮i 乜人学硕i ：论文 感补偿方案。 第四章先讨论了利用高非线性光子晶体光纤中的布拉格光栅的交叉相位调 制效应实现全光开关的理论模型，在理论模型的基础上建立了相关的数值模型， 并用显式差分法对数值模型进行求解，最后利用m a t l a b 编写程序，将数值模型 的解转化为可执行的程序。对不同参数设置情况下的光开关特性分别进行了深入 的研究。随后用数值方法研究了长周期光纤光栅中超短脉冲的非线性传输，分析 了长周期光纤光栅工作于谐振和非谐振情况下光开关的开关特性。 参考文献 【l 】k 0 h i l l ，y f u j i i ，d c j o h n s o ne ta 1 ，p h o t o s e n s i t i v i t yi no p f i c mf i b e rw a v e g u i d e s ： a p p l i c a t i o nt or e f l e c t i o nf i l t e rf a b r i c a t i o n a p p l p h y s l e t t19 7 8 ，3 2 ( 10 ) ：6 4 7 6 4 9 【2 】g m e l t z ，w w m o r e y , h g l e n n , f o r m a t i o no fb r a g gg r a t i n g si no p f i c mf i b e r sb y at r a n s v e r s eh o l o g r a p h i cm e t h o d o p t l e t t ，1 9 8 9 ，1 4 ( 1 5 ) ：8 2 3 - - 8 2 5 3 】k o h i l l ，b m a l o ，f b i l o d e a ue ta 1 ，b r a g gg r a t i n g sf a b r i c a t e di nm o n o m o d e p h o t o s e n s i t i v eo p t i c a lf i b e rb ye x p o s u r et h r o u g hap h a s em a s k a p p l p h y s ，l e t t ， 1 9 9 3 ，6 2 ( 1 0 ) ：1 0 3 5 - 1 0 3 7 4 】p j l e m a i r e ，r m a t k i n s ，v m i z r a h ie ta 1 ，h i g hp r e s s u r eh zl o a d i n ga sa t e c h n i q u ef o ra c h i e v i n gu l t r a h i g hu vp h o t o s e n s i t i v i t ya n dt h e r m a ls e n s i t i v i t yi n g e - d o p e do p t i c a lf i b e r s e l e c t r o n l e t ，1 9 9 3 ，2 9 ( 1 0 ) ：1 9 9 1 - 1 9 9 2 【5 】w w m o r e y , g m e l t z ，w h g l e n n ，f i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o r s p r o cs p i e ， 1 9 8 9 ，v o1 2 5 0 7 ：9 8 10 7 【6 】6 w i n f u lh g ，m a r b u r g e r , g a r m i r ee 。t h e o r yo fb i s t a b i l i t yi nn o n l i n e a rd i s t r i b u t e d f e e d b a c ks t r u c t u r e s a p p l p h y s l e t t ，19 7 9 ，3 5 ( 5 ) ：3 7 9 3 81 【7 】w i n f u lh g ，c o o p e r m a ng d s e l f - p u l s i n ga n dc h a o si nd i s t r i b u t e df e e d b a c k b i s t a b l eo p t i c a ld e v i c e s a p p l p h y s l e t t ，19 8 2 ，4 0 ( 4 ) ：2 9 8 3 0 0 8 】w i n f u lh g p u l s ec o m p r e s s i o ni no p t i c a lf i b e rf i l t e r s a p p l p h y s l e t t ，19 8 5 ， 4 6 ( 6 ) ：5 2 7 - 5 2 9 【9 】c h e nw ，m i l l sd lg a ps o l i t o n sa n dt h en o n l i n e a ro p t i c a lr e s p o n s eo fs u p e r l a t t i c e s p h y s r e v l e t t ，19 8 7 ，5 8 ( 2 ) ：16 0 16 3 【10 】m i l l sd l ，t r u l l i n g e rd lg a ps o l i t o n si nn o n l i n e a rp e r i o d i cs t r u c t u r e s p h y s r e v b ，19 8 7 ，3 6 ( 2 ) ：9 4 7 - 9 5 2 【1 1 】s i p ej e ，w i n f u lh g n o n l i n e a rs c h r f d i n g e rs o l i t o n si nap e r i o d i cs t r u c t u r e o p t l e t t 19 9 8 ，13 ( 2 ) ：13 2 13 3 【12 】d es t e r k ec m ，s i p ej e e n v e l o p e f u n c t i o na p p r o a c hf o re l e c t r o d y n a m i c so f 8 北京邮电人学硕上论文 n o n l i n e a rp e r i o d i cs t r u c t u r e s p h y s r e v a ，1 9 8 8 ，3 8 ( 1 0 ) ：5 1 4 9 5 1 6 5 【13 】c h r i s t o d o u l i d e sd n ，j o s e p h yr i 。s l o wb r a g gs o l i t o n si nn o n l i n e a rp e r i o d i c s t r u c t u r e s p h y s r e v l e t t ，19 8 9 ，6 2 ( 15 ) ：17 4 6 - 17 4 9 d es t e r k ec m ，s i p ej e c o m m e n t p h y s r e v l e t t ，1 9 8 9 ，6 3 ( 7 ) ：8 11 - 8 1l 】 【14 】a c e v e sa b ，w a b n i t zs 。s e l f - i n d u c e dt r a n s p a r e n c ys o l i t o n si nn o n l i n e a r r e f r a c t i v ep e r i o d i cm e d i a p l a y s l e t t a ，1 9 8 9 ，1 4 1 ( 1 2 ) ：3 7 - 4 2 【15 】y a b l o n o v i t c he ，g m i t t e rt j p h o t o n i cb a n ds t r u c t u r e ：t h ef a c e - c e n t e r e d c u b i c c a s e p h y s r e v l e t t ，1 9 8 9 ，6 3 ( 1 8 ) ：1 9 5 0 - 1 9 5 3 【16 】y a b l o n o v i t c he ，g m i t t e rt j ，l e u n gk m p h o t o n i cb a n ds t r u c t u r e ：t h e f a c e c e n t e r e d c u b i cc a s ee m p l o y i n gn o n s p h s p h e r i c a la t o m s p l a y s r e v l e t t ， 1 9 9 1 ，6 7 ( 1 7 ) ：2 2 9 5 - 2 2 9 9 【17 y a b l o n o v i t c he p h o t o n i cb a n d g a ps t r u c t u r e s j o p t s o c a m b ，1 9 9 3 ， 10 ( 2 ) ：2 8 3 - 2 8 7 【18 】l a r o c h e l l es h i b i n oy ，m i z r a h iv ，s t e g e m a ng i a l l - o p t i c a ls w i t c h i n go f g r a t i n gt r a n s m i s s i o nu s i n gc r o s s - p h a s em o d u l a t i o ni nf i b r e s e l e c t r o n l e t t ，19 9 0 ， 2 6 ( 1 8 ) ：1 4 5 9 - 1 4 6 0 【19 】s a n e yn d ，p r e l e w i t zd e ，b r o w nt g a l l - o p t i c a ls w i t c h i n gi nan o n l i n e a r p e r i o d i c - w a v e g u i d es t r u c t u r e a p p l p h y s l c t t ，1 9 9 2 ，6 0 ( 1 2 ) ：1 4 2 7 - 1 4 2 9 【2 0 】s a n k e yn d ，p r e l e w i t zd e ，b r o w nt g ，t i b e r i or co p t i c a ls w i t c h i n g d y n a m i c so ft h en o n l i n e a rb r a g gr e f l e c t o r ：c o m p a r i s o no ft h e o r ya n de x p e r i m e n t j a p p l p h y s ，1 9 9 3 ，7 3 ( 11 ) ：7 11 1 7 1 1 9 【21 】e g g l e t o nb j s l u s h e rr e ，d es t e r k ec m ，k r u gp a ，s i p ej e ，b r a g gg r a t i n g s o l i t o n p h y s r e v l e t t ，1 9 9 6 ，7 6 ( 1 0 ) ：1 6 2 7 1 6 3 0 【2 2 】e g g l e t o nb j d es t e r k ec m ，s l u s h e rr en o n l i n e a rp u l s ep r o p a g a t i o ni n b r a g gg r a t i n g s j o p t s o c a m b ，19 9 7 ，14 ( 11 ) ：2 9 8 0 2 9 9 3 【2 3 】d es t e r k ec m ，e g g l e t o nb j ，k r u gp a h i g h i n t e n s i t yp u l s ep r o p a g a t i o ni n u n i f o r mg r a t i n g sa n dg r a t i n g s u p e r s t r u c t u r e s j l i g h t w a v et e c h n 0 1 ，19 9 7 ， l5 ( 8 ) ：1 4 9 4 一l5 0 2 【2 4 】t a v e r n e rd ，b r o d e r i c kn g r ，r i c h a r d s o nd 。j i b s e nm ，l a m i n gr i a l l - o p t i c a la n dg a t eb a s e do nc o u p l e dg a p s o l i t o nf o r m a t i o ni naf i b e rb r a g g g r a t i n g o p t l e t t ，19 9 8 ，2 3 ( 4 ) ：2 5 9 - 2 6 1 【2 5 】t a v e m e rd ，b r o d e r i c kn c t r ，r i c h a r d s o nd j ，l a m i n gr i ，i b s e nm n o n l i n e a rs e l f - s w i t c h i n ga n dm u l t i p l eg a p s o l i t o nf o r m a t i o ni naf i b e r b r a g g g r a t i n g o p t l e t t ，19 9 8 ，2 3 ( 5 ) ：3 2 8 3 3 0 9 北京邮l u 人学硕士论文 2 6 】b r o d e r i c kn g r ，t a v e m e rd ，r i c h a r d s o nd j n o n l i n e a rs w i t c h i n