[发明专利]一种具有任意光功率分布的光纤光栅设计方法

说明书

技术领域

本发明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，尤其涉及一种具有任意光功率分布的光纤光栅设计方法。

背景技术

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,M.N.Zervas,and M.A.Muriel,“An efficient inverse scattering algorithm for the design of nonuniform fiber Bragg gratings,”IEEE Journal of Quantum Electronics,vol.35,no.8,pp.1105–1115,1999；2)J.Skaar,L.Wang,and T.Erdogan,“On the synthesis of fiber Bragg gratings by layer peeling,”IEEE Journal of Quantum Electronics,vol.37,no.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.Carballar,“Fiber grating synthesis by use of time-frequency representations,”Optics Letters,vol.23,no.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.Kumagai,K.Ogusu,and Y.Sheng,“Advanced design of a multichannel fiber Bragg grating based on a layer-peeling method,”Journal of Optical Society of America-B,vol.21,no.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.Carballar,and J.Azana,“Field distributions inside fiber gratings,”IEEE Journal of Quantum Electronics,vol.35,no.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。

发明内容