双通道可调谐滤波器论文.docx
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双通道可调谐滤波器论文
毕业设计
双通道可调谐滤波器Bragg微结构光纤光栅的理论设计
姓名：
谢金彤
学号：
08030065
班级：
08信息科学2
专业：
电子信息科学与技术
所在系：
电子信息工程系
指导教师：
苗银萍副教授
天津理工大学中环信息学院
本科毕业设计选题审批表
届：
2012系别：
电子信息工程系专业：
电子信息科学与技术
学生姓名
谢金彤
学号
08030065
指导教师
苗银萍
职称
副教授
所选题目
双通道可调谐滤波器Bragg微结构光纤光栅的理论设计
题目来源
科学技术
选题理由（选题意义、拟解决的问题、对专业知识的综合训练情况等，不少于100字）：
本课题旨在理论上设计了基于功能材料填充的波长位置和波长间隔可调谐的双通道微结构光纤Bragg光栅滤波器。
通过将功能材料填充入纤芯写有Bragg光栅的高双折射微结构光纤中，通过改变功能材料的折射率，从而改变光纤的双折射特性，进而实现波长位置和波长间隔的可调谐滤波器。
本课题涉及光电子学、新型光纤光子器件等领域。
微结构光纤（MicrostructuredFiber,MF），又称光子晶体光纤（PhotonicCrystalFiber，PCF），是近十年来光纤技术领域的研究热点。
由于微结构光纤具有传统光纤无法提供的导光和控光特性，在诸多应用领域的研究也随之展开，在光通信、光传感、光纤激光器、非线性光学、高功率光传输等领域表现出潜在的应用前景。
微结构光纤的空气孔为填充各种材料提供了良好的载体，从而大大拓展了微结构光纤的应用。
通过合理设计微结构光纤的结构和选择合适的填充材料可以实现许多新的特性，可以用来实现各种光纤器件。
本题目主要完成设计双通道微结构光纤Bragg光栅滤波器的方法，实现波长位置和波长间隔的可调谐滤波器的技术。
通过本课题的研究，可以使学生对所学知识如何应用到实践中得到综合训练，为其进入社会，发挥专业特长打下坚实基础。
指导教师意见（不少于50字）：
课题设计有较高的技术性和可靠性要求，虽有一定的难度，但相关产品设计参考资料较丰富，通过学生的努力，能够完成初步的设计。
题目符合专业方向，同意该生选题。
指导教师签名：
2011年11月28日
系主任意见：
签字（或盖章）：
年月日
注：
本表一式二份，一份附在毕业设计内，一份系内保存。
天津理工大学中环信息学院
本科毕业设计任务书
题目：
双通道可调谐滤波器Bragg微结构光纤光栅的理论设计
姓名谢金彤届2012
系别电子信息工程系专业电子信息科学与技术
指导教师苗银萍职称副教授
下达任务日期2011年11月18日
一、毕业设计内容及要求
1、课题说明
微结构光纤（MicrostructuredFiber,MF），又称光子晶体光纤（PhotonicCrystalFiber，PCF），是近十年来光纤技术领域的研究热点。
由于微结构光纤具有传统光纤无法提供的导光和控光特性，在诸多应用领域的研究也随之展开，在光通信、光传感、光纤激光器、非线性光学、高功率光传输等领域表现出潜在的应用前景。
微结构光纤的空气孔为填充各种材料提供了良好的载体，从而大大拓展了微结构光纤的应用。
通过合理设计微结构光纤的结构和选择合适的填充材料可以实现许多新的特性，可以用来实现各种光纤器件。
本课题旨在设计一种基于功能材料填充的波长位置和波长间隔可调谐的双通道微结构光纤Bragg光栅滤波器。
通过将功能材料填充入纤芯写有Bragg光栅的高双折射微结构光纤中，通过改变功能材料的折射率，从而改变光纤的双折射特性，进而实现波长位置和波长间隔的可调谐滤波器。
2、基本要求
（1）了解微结构光纤特性
（2）掌握微结构光纤光栅的写制技术
（3）实验上掌握微结构光纤光栅的填充技术
（4）实验和理论上分析该器件的调谐特性。
3、其它要求
（1）查找相关资料，了解课题要求。
（2）掌握光纤熔接机的手动熔接方法。
（3）空气孔光子晶体光纤的结构及基本知识。
（4）掌握光子器件的调谐技术。
（5）了解微结构光纤的带隙结构和导光特性
参考文献
[1]廖延彪.光纤光学.清华大学出版社,北京2000.
[2]LiE,WangX,ZhangC.Fiber-optictemperaturesensorbasedoninterferenceofselectivehigher-ordermodes.AppliedPhysicsLetters,2006,89（091119）:
1-3
[3]王志.光子晶体光纤及其功能器件的研究:
[南开大学博士学位论文].南开大学，2005.
[4]C.-H.Lee,C.-H.Chen,C.-L.Kao,etal.Photoandelectricaltunableeffectsinphotonicliquidcrystalfiber.Opt.Express,2010,18（3）:
2814-2821
[5]罗涛，光子晶体光纤光栅在生物和化学传感器领域研究进展，激光与光电子进展，2009,11
[6]ChehuraE,JamesS,TatamR.TemperatureandstraindiscriminationusingasingletiltedfibreBragggrating.E.Chehuraetal.OpticsCommunications,2007,275:
344-347
[7]SunJ,ChanC.C,TanK.M,DongX.Y,ShumP.Applicationofanartificialnetworkforsimultaneousmeasurementofbendingcurvatureandtemperaturewithlongperiodfibergratings.SensorsandActuatorsA,2007,137:
262-267
[8]饶云江,王义平,朱涛.光纤光栅原理及应用.科学出版社,北京2005.
[9]WangZhu,ChiangKinSeng,andLiuQing.Microwavephotonicfilterbasedoncirculatingacladdingmodeinafiberringresonator.OpticsLetters,2010,35（5）:
769-771
[10]X.Zhang,R.Wang,F.M.Cox,etal.Selectivecoatingofholesinmicrostructuredopticalfiberanditsapplicationtoin-fiberabsorptivepolarizers.OpticsExpress,2007,15（24）:
16270-16278
[11]T.T.AlkeskjoldandA.Bjarklev.Electricallycontrolledbroadbandliquidcrystalphotonicbandgapfiberpolarimeter.Opt.Lett.,2007,32（12）:
1707-1709
[12]W.Yiping,J.Wei,J.Long,etal.Opticalswitchbasedonafluid-filledphotoniccrystalfiberBragggrating.OpticsLetters,2009,34（23）:
3683-3685
二、毕业设计进度计划及检查情况记录表
序号
起止日期
计划完成内容
完成情况
指导教师签名
检查日期
1
2011年11月18日至2011年11月30日
确定毕设选题，明确研究方向
2
2011年12月1日至2011年12月15日
查阅资料，了解相关研究领域
3
2011年12月16日至2011年12月31日
查阅文献，学习基础理论
4
2012年1月4日至2012年1月12日
建立理论分析模型
5
2012年2月20日至2012年3月5日
确定毕设实验设计方案
6
2012年3月6日至2012年3月20日
按照实验方案初步展开实验
7
2012年3月21日至2012年4月1日
实验结果分析
8
2012年4月2日至2012年4月15日
结合理论分析实验结果
9
2012年4月16日至2012年4月30日
重复并改进实验方案
10
2012年5月1日至2012年5月14日
总结并分析所有实验结果
11
2012年5月15日至2012年5月25日
完成并修改毕设初稿
12
2012年5月26日至2012年6月1日
完成毕设的写作，准备答辩
注：
1、表中“完成情况”、“指导教师签名”栏目要求用黑（蓝）笔填写，其余各项内容要求打印。
2、毕业设计任务书一式二份，一份附在毕业设计内，一份系内保存。
天津理工大学中环信息学院
本科毕业设计开题报告
届：
2012系别：
电子信息工程系专业：
电子信息科学与技术
毕业设计题目
双通道可调谐滤波器Bragg微结构光纤光栅的理论设计
学生姓名
谢金彤
学号
08030065
指导教师
苗银萍
职称
副教授
课题的意义
本课题旨在理论上设计了基于功能材料填充的波长位置和波长间隔可调谐的双通道微结构光纤Bragg光栅滤波器。
通过将功能材料填充入纤芯写有Bragg光栅的高双折射微结构光纤中，通过改变功能材料的折射率，从而改变光纤的双折射特性，进而实现波长位置和波长间隔的可调谐滤波器。
本课题涉及光电子学、新型光纤光子器件等领域。
微结构光纤（MicrostructuredFiber,MF），又称光子晶体光纤（PhotonicCrystalFiber，PCF），是近十年来光纤技术领域的研究热点。
由于微结构光纤具有传统光纤无法提供的导光和控光特性，在诸多应用领域的研究也随之展开，在光通信、光传感、光纤激光器、非线性光学、高功率光传输等领域表现出潜在的应用前景。
微结构光纤的空气孔为填充各种材料提供了良好的载体，从而大大拓展了微结构光纤的应用。
通过合理设计微结构光纤的结构和选择合适的填充材料可以实现许多新的特性，可以用来实现各种光纤器件。
国内外发展状况
填充材料的折射率直接影响带隙的位置和宽度，研究者们通过填充温敏聚合物来实现温度可调的带隙微结构光纤，或者采用液晶来实现电调谐。
液晶具有许多特殊的光学性质，所以在微结构光纤的填充实验中被广泛采用和研究。
由于填充材料远离纤芯，光纤的导光虽然受到材料的影响，但是仍然维持折射率传导。
2002年，朗讯OFS实验室的B.Ryan等人首先报道了通过向折射率引导型微结构光纤的包层空气孔填充高折射率而使其成为带隙传导的微结构光纤。
这一研究结果具有重大的意义，它使得越来越多的人开始关注这种基于材料填充的光子带隙微结构光纤（LiquidfilledbandgapMF，LFBG-MF），使得填充研究成为微结构光纤研究领域的一个热点。
本课题的研究内容
基于功能材料填充的波长位置和波长间隔可调谐的双通道微结构光纤Bragg光栅滤波器的设计，有以下几项研究内容：
（1）了解微结构光纤特性
（2）掌握微结构光纤光栅的写制技术
（3）实验上掌握微结构光纤光栅的填充技术
（4）实验和理论上分析该器件的调谐特性。
研究方法
采用理论与实验相结合的，结合导波光学的基本原理，分析在光在光纤中的传输特及应用；掌握光纤熔接机的手动熔接方法；掌握光纤光子器件的填充与调谐技术；将实验结果与理论相比较并调试。
研究步骤
（1）查找相关资料，了解课题要求。
（2）掌握理论基础并能够理论模拟。
（3）根据实际要求设计器件参数。
（4）能够优化设计光子器件。
参考文献
[1]廖延彪.光纤光学.清华大学出版社,北京2000.
[2]LiE,WangX,ZhangC.Fiber-optictemperaturesensorbasedoninterferenceofselectivehigher-ordermodes.AppliedPhysicsLetters,2006,89（091119）:
1-3
[3]王志.光子晶体光纤及其功能器件的研究:
[南开大学博士学位论文].南开大学，2005.
[4]C.-H.Lee,C.-H.Chen,C.-L.Kao,etal.Photoandelectricaltunableeffectsinphotonicliquidcrystalfiber.Opt.Express,2010,18（3）:
2814-2821
[5]罗涛，光子晶体光纤光栅在生物和化学传感器领域研究进展，激光与光电子进展，2009,11
[6]ChehuraE,JamesS,TatamR.TemperatureandstraindiscriminationusingasingletiltedfibreBragggrating.E.Chehuraetal.OpticsCommunications,2007,275:
344-347
[7]SunJ,ChanC.C,TanK.M,DongX.Y,ShumP.Applicationofanartificialnetworkforsimultaneousmeasurementofbendingcurvatureandtemperaturewithlongperiodfibergratings.SensorsandActuatorsA,2007,137:
262-267
[8]饶云江,王义平,朱涛.光纤光栅原理及应用.科学出版社,北京2005.
[9]WangZhu,ChiangKinSeng,andLiuQing.Microwavephotonicfilterbasedoncirculatingacladdingmodeinafiberringresonator.OpticsLetters,2010,35（5）:
769-771
指导教师意见（不少于50字）
课题基于功能材料填充的波长位置和波长间隔可调谐的双通道微结构光纤Bragg光栅滤波器，涉及光电子学、新型光纤光子等领域。
该生能够积极查阅资料做前期准备工作，同意该生开题
指导教师签名：
2012年1月6日
注：
本表一式二份，一份系内留存，一份发给学生，最后装订在毕业论文中。
双通道可调谐滤波器Bragg微结构光纤光栅的理论设计
摘 要
微结构光纤，又称光子晶体光纤。
微结构光纤的空气孔为填充各种材料提供了良好的载体，通过合理设计微结构光纤的结构和选择合适的填充材料可以实现许多新的特性，可以用来实现各种光纤器件。
使得越来越多的人开始关注这种基于材料填充的光子带隙微结构光纤。
基于功能材料填充的波长位置和波长间隔实现可调谐的双通道微结构光纤Bragg光栅滤波器。
将功能材料填充入纤芯写有Bragg光栅的高双折射微结构光纤，分析在光在光纤中的传输特及应用；掌握光纤熔接机的手动熔接方法；掌握光纤光子器件的填充与调谐技术；将实验结果与理论相比较并调试。
通过改变填充功能材料的折射率，从而改变光纤的双折射特性，进而实现波长位置和波长间隔的可调谐滤波器。
可应用在光通信、光传感、高功率光传输等领域。
关键词：
微结构光纤；光子晶体光纤；光子带隙微结构光纤；光纤Bragg光栅
TheTheoryDesignofDoubleChannelTunableFilterBraggMicrostructureOpticalFiberGrating
ABSTRACT
Microstructurefiber,alsoknownasaphotoniccrystalfiber.Theairholesofthemicrostructurefibertofillavarietyofmaterialsprovidesagoodcarrier,throughtherationaldesignofmicro-fiberstructureandselectionofsuitablefillmaterialcanachievealotofnewfeaturescanbeusedtoachieveavarietyoffiberopticdevices.Moreandmorepeoplestartedtopayattentiontothemicro-structureofthephotonicbandgapfiber-basedmaterialfilled.
Filledbasedonfunctionalmaterials,wavelengthandwavelengthspacingtunabledual-channelmicro-structurefiberBragggratingfilter.FunctionalmaterialsfilledintothecoretowriteamicrostructurefiberBragggratinghighbirefringenceanalysisinthelighttransmissioncharacteristicsandapplicationinopticalfiber;masterFiberFusionSplicermanualweldingmethod;masterfillfiberphotonicdevicesandtuningtechniques;Theexperimentalresultsarecomparedwiththetheoreticalanddebugging.
Bychangingtherefractiveindexofthefillingfunctionmaterial,thuschangingthebirefringenceofthefiber,soastorealizethewavelengthandwavelengthspacingofthetunablefilter.Canbeappliedinthefieldofopticalcommunications,opticalsensing,high-poweropticaltransmission.
KeyWords:
MicrostructuredFiber;PhotonicCrystalFiber;LiquidfilledbandgapMF;Bragggrating
目 录
第一章 绪论1
1.1微结构光纤简介1
1.1.1微结构光纤的基本概念1
1.1.2微结构光纤的分类2
1.1.3微结构光纤的主要特性3
1.1.4微结构光纤的发展概况4
1.2微结构光纤光栅的研究现状8
1.2.1普通光纤光栅8
1.2.2微结构光纤光栅8
1.3微结构光纤光栅的特性9
1.3.1光栅特性9
1.3.2光纤光栅的分类11
1.4基于微结构光纤光栅相关器件的概述13
1.5本毕业设计的主要内容14
第二章 微结构光纤光栅的理论研究方法和写制技术16
2.1微结构光纤的理论研究方法16
2.2光纤光栅的理论研究方法19
2.3光栅写制方法25
第三章 双通道可调谐Bragg微结构光纤光栅的理论设计29
3.1高双折射微结构光纤Bragg光栅的研究背景29
3.2微结构光纤光栅与空气孔填充技术结合的研究背景30
3.3一种双通道可调谐Bragg微结构光纤光栅的理论设计31
第四章 总结与展望36
参考文献37
致 谢38
第一章 绪论
微结构光纤（MicrostructuredFiber,MF），又称光子晶体光纤（PhotonicCrystalFiber,PCF），是近十年来光纤技术领域的研究热点。
由于微结构光纤具有传统光纤无法提供的导光和控光特性，在诸多应用领域的研究也随之展开，在光通信、光传感、光纤激光器、非线性光学、高功率光传输等领域表现出潜在的应用前景。
1.1微结构光纤简介
1.1.1微结构光纤的基本概念
众所周知，自然晶体（如半导体）中的电子由于受到晶格的周期性势场的散射，部分波段会因破坏性干涉而形成带隙，导致电子的色散关系呈带状分布，从而形成电子能带（ElectronicBand）。
如果将具有不同折射率（介电系数）的介质材料按照自然体的周期结构排布，类似的现象也存在于光子系统中。
1987年，Vblonovitch和Jonh在研究如何抑制自发辐射和光子局域特性时分别独立提出了光子晶体（PhotonicCrystal）的概念：
一种因折射率空间周期变化而具有光子能带的新型光学微结构材料，其折射率变化周期为光波长量级。
在1991年，Russell等人提出此类光纤主要是由在纤芯周围沿着轴向规则排列微小空气孔构成，通过这些微小空气孔对光的约束实现光的传导，不同空气孔填充率及排列分布的空气硅包层微结构光纤。
实际中由于空气孔在横截面上的排列圈样空气孔的大小以及填充率都可以变化，因此通过改变它的排列图样可灵活构造出很多结构的微结构光纤来从而可设计出具有不同特性的微结构光纤来满足不同的需要。
图1.1微结构光纤
Fig.1.1MicrostructuredFiber
微结构光纤中介质折射率的周期性变化对光子的影响与自然晶体中周期性势场对电子的影响相似：
一电磁波经周期介质散射后，某些波段的电磁波会因破坏性干涉而呈指数衰减，无法在系统中传播，从而在频谱中形成类似于半导体能带的光子带隙（PhotonicBandGap,PBG），相应色散关系也具有带状结构，形成光子能带（PhotonicBand）。
只有频率对应在光子能带中的光才能在光子晶体中传播否则会被禁止，这是微结构最根本的特征。
影响光子带隙的主要因素是光子品体的结构和材料的折射率比。
在二十世纪末，光子晶体概念的提出使人们像操纵电子那样操纵光子成为可能，为光子集成的产生提供了理论依据，具有重大的理论意义和应用前景。
微结构光纤优点：
微结构光纤的一个显著优点是其由单一材料构成（通常是石英），因此，在微结构光纤中不存在由掺
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