光纤光栅的发明被称为光纤通信发展史上继掺铒光纤放大器(EDFA)之后的又一个里程碑。自1978年Hill等人首次发现光纤的光敏性以来,经过短短20几年的发展,光纤光栅在理论、制作技术等方面都得到了长足的发展,各种结构的新型光纤光栅不断涌现,应用领域日益扩展。目前它己经被广泛的应用于光通信、光传感、激光技术等领域,并给相关领域带来了革命性的变化。 本文以光纤光栅应用中的一项关键技术—波长调谐技术为核心。从光纤光栅理论、调谐技术以及应用等方面进行了详细分析。论文主要内容如下: 1.从光纤中的麦克斯韦方程组出发,首先建立了描述光波在光纤中传播的波动方程,进而分析了光纤中光波场的模式特性,并在此基础上,严格推导出描述模式耦合的耦合模方程。并用耦合模理论对最简单的均匀光纤Bragg光栅进行分析,建立其耦合模方程,并给出解析解。 2.通过建立不同类型光纤光栅的传输矩阵,利用传输矩阵法数值模拟了不同光栅参量(光栅长度、耦合系数等)对光纤Bragg光栅、长周期光纤光栅、啁啾光纤光栅、双周期光纤光栅、相移光纤光栅、超结构光纤Bragg光栅以及各种切趾光纤光栅的反射光谱和色散特性的影响。 3.分析了基于弹性梁(简支梁、悬臂梁和扭梁)的光纤Bragg光栅波长调谐原理,推导了与其对应的波长调谐关系式,最后重点讨论了利用等强度梁调谐实现线性无啁啾调谐的方法,并作了相应的模拟计算和实验研究。理论分析和实验证明,悬臂梁是一种很好的波长线性调谐装置。采用等截面梁调谐时,在小挠度情况下,光纤光栅啁啾不明显,但在较大调谐范围下,调谐过程中引起的光纤Bragg光栅啁啾将使反射谱带宽展宽,反射功率峰值下降;而采用变截面梁则可以实现波长的线性无啁啾调谐。 4.最后对用于传感领域的光纤Bragg光栅调谐滤波方法的基本原理进行了介绍,推导了该方法的灵敏度公式以及光电探测器噪声引起的误差公式,并作了相应的实验研究。