1、上海交通大学硕士学位论文基于磁流体的长周期光纤光栅磁光可调谐光滤波器姓名：刘婷申请学位级别：硕士专业：电磁场与微波技术指导教师：陈建平20071201上海交通大学硕士学位论文 摘要 II 特性和调谐范围，并且将实验结果与由耦合模理论数值模拟出的理论结果相比较，证明了实验结果的可靠性。同时测量了这种磁光可调谐滤波器可以达到的消光比，分析了提高该磁光可调谐光滤波器性能的方法。 本文的实验中，所使用是密度为1.2 g/mL的水基Fe3O4磁流体，外加磁场强度的调节范围是0 Oe至1661 Oe，随着外加磁场强度的增大，磁流体的折射率由1.4471减小至1.4246，最大变化量为0.025。在该磁流体
2、折射率的磁光可调特性基础上，制作的长周期光纤光栅磁光可调谐光滤波器，最大调谐范围是7.4 nm，消光比为3.28 dB。通过采用折射率与长周期光纤光栅包层折射率更加接近的磁流体，或者使用对环境折射率更加敏感的新型长周期光纤光栅结构来扩大基于磁流体的长周期光纤光栅磁光可调谐光滤波器的调谐范围。 关键词：磁光可调谐光滤波器、长周期光纤光栅、磁流体 上海交通大学硕士学位论文 ABSTRACT III Tunable magneto-optical wavelength filter of long-period fiber grating with magnetic fluids ABSTRACT
3、Tunable wavelength filter of long-period fiber grating is an important optical filter for automatic switch optical networks. Due to its sensitivity to the refractive index of the surrounding material, coated with magneto-optical index tunable materials, the long-period fiber gratings can be fabricat
4、ed into the magneto-optical tunable wavelength filters. The refractive index of magnetic fluids can be tuned by varying the intensity of the external magnetic field, and thus demonstrate potential use in fabricating tunable optical devices. In this thesis, utilizing the magneto-optical tunability of
5、 the magnetic fluids refractive index, we have proposed and analyzed the tunable magneto-optical wavelength filter of long-period fiber grating with magnetic fluids. The principle for the sensitivity of long-period fiber grating to the ambient refractive index is the foundation for the design and fa
6、brication of tunable wavelength filter of long-period fiber grating. Based on the coupled-mode theory, we introduced the vector field distribution of the core-mode and cladding modes, the coupling between modes and the coupled-mode equations in long-period fiber grating. Besides, the transmission sp
7、ectra of long-period fiber grating with different surrounding refractive indices are numerically calculated. After investigating the relation of the resonant wavelength with the surrounding material, we analyzed the methods to improve the tuning range of the long-period fiber grating. The magneto-op
8、tical tunability of the magnetic fluids refractive index directly determines the tuning range of the tunable magneto-optical wavelength filter of long-period fiber grating with magnetic fluids. In order to know the magneto-optical tunability of the magnetic fluids, we need to 上海交通大学硕士学位论文 ABSTRACT I
9、V measure the magnetic field-dependent refractive index. By using the method-retroreflection on the fiber-optic end face, the field-dependent refractive index of magnetic fluids was measured and the magneto-optical tunability was analyzed. On the basis of the sensitivity of long-period fiber grating
10、 to the surrounding refractive index and the magneto-optical tunability of the magnetic fluids, we proposed the tunable magneto-optical wavelength filter of long-period fiber grating with magnetic fluids. The transmission spectra and the tuning range of the tunable magneto-optical wavelength filter
11、were experimentally investigated. By comparing the experimental results with the theoretical ones, the experimental results were verified. In addition, the extinction-ratio of the tunable magneto-optical wavelength filter was measured and the methods to improve the performance of the filter were bri
12、efly analyzed. In our experiment, the water-based Fe3O4 magnetic fluids with the density of 1.2 g/ml are used, and the intensity range of the external magnetic field is between 0 Oe and 1661 Oe. While the intensity of the magnetic field increases, the refractive index of the magnetic fluids decrease
13、s from 1.4471 to 1.4246, realizing the maximum shift of 0.025. Coated with the magnetic fluids, the tunable magneto-optical wavelength filter of long-period fiber grating has a wavelength tuning range of 7.4 nm and an extinction-ratio of 3.28 dB. Through finding the magnetic fluids with the refracti
14、ve index closer to the cladding index of long-period fiber grating or using new structured long-period fiber grating with higher sensitivity to ambient index, the wavelength tuning range of the tunable magneto-optical wavelength filter of long-period fiber grating with magnetic fluids can be expande
15、d. Keywords: tunable magneto-optical wavelength filter, long-period fiber grating, magnetic fluids 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：刘婷 日期：2008年 1月 20日 上海交通大学 学位论文版权使用授权
16、书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名：刘婷 指导教师签名：陈建平 日期： 2008年1月 20日 日期： 2008年 1月 20日 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论 11 引言 光纤通信是20世纪70年代以后发展起来的新的通信技术。光
17、纤通信被认为是通信发展史上的一次革命性的进步，历经近半个世纪的飞速发展，光纤通信网络已成为现代通信网的基石。目前，光纤通信网络正在向高速度、大容量、智能化三个方向发展。光网络的发展在很大程度上依赖于新型光器件的发展，其中，能够适应高速度、大容量、智能化光网络的需要的可调谐光滤波器技术成为新型光器件领域一个研究热点。 传统光网络中网络节点处信息的交换、数据流的分出和插入都在电域完成，电光（E/O）和光电（O/E）转换限制了光网络信息处理的速度，造成了“电子瓶颈”问题。信息从源节点到目的节点的处理、交换、路由均在光域完成的全光网络成为高速光网络发展的必然方向。可调谐光滤波器能够直接在光域提取特定波
18、长信道的光信息、完成波长选择路由功能，是全光网络中信息处理和交换的核心器件。 为了提高光网络的带宽的利用率，密集波分复用（DWDM）技术已获得实际应用。在DWDM光传输系统中，不同传输通道间的波长间隔仅为0.4 nm - 2 nm，大大增加了光通信系统的通信容量。波分复用系统的波长的解复用、信息的检测都可以通过可调谐光滤波器实现，同时，DWDM光网络中传输通道间距的减小对可调谐光滤波器的波长分辨率提出了更高的要求。 DWDM光传输系统解决了带宽问题，然而由于IP业务量本身的不确定性和动态变化特性，对网络带宽的灵活提供和动态分配要求也越来越迫切。智能光网络能够灵活动态分配网络带宽，是现代光网络技
19、术的发展目标，为了满足智能光网络的对灵活性和动态性的需求，可调谐技术成为智能光网络中光器件的关键技术。另外，可调谐光滤波器的调谐速度，成为衡量光网络灵活性和动态性的重要指标。 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 2 12 可调谐光滤波器概述和分类 可调谐光滤波器是一种可调的波长或频率的选择器件，通过调谐技术，可以从含有多个波长分量的光信号中，选择出所需波长或频率光信号。主要性能参数有：中心波长、带宽、插入损耗、动态范围、调谐速度等。 可调谐光滤波器的种类很多，按照工作原理主要可分为基于干涉原理的滤波器和基于光栅原理的滤波器两大类。其中，基于干涉原理的滤波器主要有可调谐Fabry-Perot
20、光滤波器和可调谐Mach-Zehnder光滤波器两种；基于光栅原理的滤波器主要包括声光可调滤波器和可调光纤光栅滤波器。 121 可调谐Fabry-Perot 光滤波器 可调谐Fabry-Perot光滤波器1的工作原理是由Fabry-Perot腔中的多光束干涉原理。Fabry-Perot腔由两面彼此平行的镜面构成，光线由光纤输入进入腔中并在两镜面间多次反射，如图1-1所示。 图1-1 Fabry-Perot腔原理示意图 Fig. 1-1 Principle scheme for Fabry-Perot Cavity 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 3 Fabry-Perot腔中光线经过无
21、数次往返后，可得到谐振腔的投射率为： 2222(1)(1)4sin(/2)tRiARTARR =+ (1-1) 式中， iA为入射光场， tA为透射光场， R 为镜面的透射率，为相邻两光束的相位差，可以表示为： 04 coscnL= (1-2) 其中， n为腔中折射率， cL为腔长。当入射波长0使得满足2 m=i （m 为正整数）时, 有极大透过峰。这就形成了Fabry-Perot腔的具有波长选择性的透过特性, 从而达到滤波的效果。通过调整两镜面间距以改变腔长，或者通过改变腔中物质折射率，均可以改变极大透过峰波长的位置，从而实现了可调谐的滤波功能。应用Fabry-Perot腔滤波原理的滤波器种
22、类很多，主要有光纤型Fabry-Perot腔滤波器、折射率可调Fabry-Perot腔滤波器以及微机械Fabry-Perot腔滤波器。 122 可调谐Mach-Zehnder 光滤波器 可调谐Mach-Zehnder光滤波器2的结构示意图如图1-2所示。由两个输入端, 两个输出端和两个3dB 耦合器组成。两个3dB 耦合器中间的两臂光纤长度不等, 相差 L。可以在光臂上贴上热敏膜或加上PZT 来进行调整 L。Mach-Zehnder光滤波器的原理是基于两个相干单色光经过不同的光程传输后的干涉理论。考虑两个波长1， 2 复用后的光信号由光 纤送入 Mach-Zehnder光滤波器的输入端1, 两
23、个波长的光功率经第一个3dB耦合器均匀地分配到干涉仪的两臂上, 由于两臂的长度相差 L, 因此经两臂传输后的光, 在到达第二个3dB耦合器时就产生相位差2/ nLfc=，式中 n是波导折射率指数，复合后每个波长的光信号在满足一定的相位条件下, 在两个输出光纤中的一个相长干涉, 而另一个相消干涉。如果在输出端口3， 2满足相长条件，1满足相消条件, 则输出2光；如果在输出端口4，2满足相消条件，1满足相长条件，则输出1光，从而将两个信号光分开。 可调谐Mach-Zehnder光滤波器的优点是信道间隔可以做到很小，制造成本低，对偏振很不灵敏, 串音很低，但是调谐控制复杂, 调谐速度较慢。 上海交通
24、大学硕士学位论文 第一章 绪论 4 图1-2 Mach-Zehnder光滤波器的结构示意图 Fig. 1-2 Structure of Mach-Zehnder optical filter 123 声光可调滤波器 声光可调谐光滤波器3通过声光材料传输的声波或超声波信号产生随声波幅度周期性变化的应力，使该材料的分子结构产生局部的密集和疏松，相当于使折射率产生周期性的变化，其结果是声波产生了可以对光束衍射的光栅，其光栅常数即为超声波波长。 现有的声光可调谐滤波器基本上是基于LiNbO3波导的，它的缺点是插入损耗和偏振相关性比较大。近年来，人们开始研究利用光纤中的声光效应来实现可调谐滤波4，由于这
25、种滤波器由普通单模光纤构成，不但与光纤通信系统完全兼容，具有极低的插入损耗和较小的偏振相关性，而且可以通过加载多个频率的声波，按需要构成各种滤波谱形状以适应特殊的需要（例如EDFA 增益均衡滤波器） ，因而是很有发展前途的一类全光纤可调谐光滤波器。单模光纤可调谐声光滤波器结构如图1-3所示。 单模光纤RF 信号纵模PZT换能器铝锥声波去涂敷层单模光纤L图1-3 单模光纤可调谐声光滤波器结构图 Fig. 1-3 Schematic diagram of single-mode fiber acousto-optic tunable filter 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 5 压电陶
26、瓷(PZT) 产生的声波经过铝锥放大后进入一段去掉涂敷层的光纤，在光纤中产生周期性的折射率变化。当折射率变化的周期等于单模光纤中某一光波长处的基模(LP01模) 与包层模(LP11模，LP12模，LP13模)之间的拍长时，基模就通过声光相互作用耦合成为包层模并被后面光纤的涂敷层吸收,从而在该波长处形成滤波。 124 可调光纤光栅滤 波器 光纤光栅是一种基于光纤（通常是单模光纤）的折射率周期性变化的折射型光栅。光纤光栅通常利用光纤的光敏特性，由紫外光照写入载氢的石英光纤纤芯，使纤芯折射率产生周期性的变化。目前，利用聚焦的CO2激光脉冲逐点写入法，以其灵活方便的特点，被越来越多的用于长周期光纤光栅
27、的制作中。 光纤光栅使特定波长的入射的光发生向后或向前的衍射，从耦合模理论来看，就是向前传输的导模在纤芯折射率的微扰下，与满足相位匹配条件的模式发生的能量耦合。相位匹配条件为： 12()2= (1-3) 式中1和2分别表示两个耦合模式的传播常数，表示光栅的周期。光纤光栅按照耦合的方向不同，可以分为两大类：布拉格光纤光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）和长周期光纤光栅（Long-Period Fiber Grating，LPG）。 FBG也称为反射型光栅或短周期光栅，模式耦合发生在两个反向传输的模式之间，光栅周期通常为几百个纳米；LPG也称为透射型光栅模式耦合发生在两个同向传输
28、的模式之间，光栅周期为几百个微米。 式(1-3)中的1和2与外界温度、环境折射率以及应力都有联系，因此，FBG和LPG的谐振波长都表现出对外界温度、环境折射率以及应力的变化的敏感性5,6，进而通过调节控制外界温度、环境折射率或者应力可以制成不同的可调光栅滤波器。 13 长周期光纤光栅的调谐技术 对于长周期光纤光栅而言，它对外界温度、应力以及环境折射率变化比FBG更为敏感，由于外界温度和环境折射率的控制比较易于控制，因此，通常基于长周期光纤光栅的可调光栅滤波器是通过调节外界温度和环境折射率实现的。 写在标准通信光纤上的长周期光纤光栅对于外界温度变化的灵敏度为3nm/10上海交通大学硕士学位论文
29、第一章 绪论 6 至10nm/1006，较FBG大一个数量级。在温度调谐方面，D.M.Costantini等人7在普通长周期光纤光栅包层外镀上金属后通过电加热，以0.7瓦的功率实现了11个纳米的调谐范围；对于纤芯掺入热光系数与SiO2材料的热光系数差比较大的B-Ge或F等材料的长周期光纤光栅，能够明显地提高长周期光纤光栅谐振波长对温度的敏感性，韩国的Jun Kye Bae等人8以对纤芯掺入B-Ge的长周期光纤光栅实行分段加热的方法，以80的温度变化实现了30个纳米的调谐范围。 为了进一步提高基于长周期光纤光栅的可调光栅滤波器的调谐范围，可以在长周期光纤光栅外面涂敷对折射率对温度敏感的热光材料，
30、并且采用特殊结构的光纤。贝尔实验室和朗讯公司的Anatoli A. Abramov，Benjamin J. Eggleton等人9采用写在“空气包层光纤”上的长周期光纤光栅，并在“空气包层中”填充了对温度敏感的聚合物，在包层外作为环境层的涂覆层上镀上金属，通过电加热的方式，以0.17瓦的功率，实现了高达60纳米的调谐范围。 采用温度调制方式的可调光栅滤波器的调谐速度受到加热速度的限制，因此，高速的电光调制方式受到广泛的关注。宾西法尼亚州立大学的Q. Chen等10将高电光系数的聚合物纳米颗粒涂敷在长周期光纤光栅包层外面，并且通过电极加电压改变聚合物纳米颗粒的折射率，从而实现长周期光纤光栅谐振波
31、长偏移超过50nm的调谐，波长偏移对电场的灵敏度为30/ Vm 。 另外，在采用同样的调谐方法的情况下，选择长周期光纤光栅的高次谐振，可以成倍地提高长周期光纤光栅的调谐范围和调谐灵敏度。 14 磁流体的概述和主要类型10,12,13,14 在自然界中，通常的磁性物质都是呈固态，若对其加热到熔点以上，则会变成液态，但是一般磁性物质的熔点都比其居里（Curie） 温度高，在尚未熔化成液态前，它们就由铁磁性变成顺磁性了，此时磁性非常弱，所以液态的磁性物质必须人工合成，合成的液体磁性物质称作磁流体。磁流体（或称作：磁性液体、磁液、铁磁流体、磁性胶体、磁性流体，英文为：Magnetic fluid，Fe
32、rrofluid，magnetic liquid，简称MF）是由纳米级的强磁性颗粒高度弥散于某种液体之中所形成的稳定的胶体体系，它既具有磁性固体物质的磁性，又具有液体的流动特性，是一种新型的功能材料，受到人们的日益重视，其应用已深入到电子、能源、航空航天、国防军工、冶金机械、化工环保、仪器仪表、医疗卫生等方面，收效十分显著15。 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 7 磁流体的种类较多，分类的方法也不相同，到目前为止，磁流体还没有系统的分类方法，不过按业内区分的方法，可分为以下几种： 1. 按磁性颗粒种类分 有铁氧体磁流体（这是目前最为常见的，人们通常所说的磁流体就是这种，有Fe3O4和-
33、Fe2O3两种，它是以金属氧化物为磁性颗粒的。这种磁流体出现的比较早，随后又不断发展）、钴磁流体、镍磁流体、稀有金属磁流体（如最新的钆磁流体）、合金磁流体（如钴-铁磁流体，锰-铁磁流体，等）、氮化铁磁流体（如-Fe3N， - Fe4N和Fe8N，等，因氮化铁的磁性较强，故可获得较高饱和磁化强度的磁流体）和掺杂磁流体（或称作复合型磁流体，就是以普通磁流体和非磁性颗粒复合形成的一种新型磁流体，如塑料微球掺杂磁流体、金属或非金属掺杂磁流体）。有时为了改善磁流体的某些性能，还要加入某些东西，如在水基的磁流体中添加硫酸钠可调节其粘度，添加稀土钴颗粒可提高磁流体的磁化强度，添加乙二醇可降低凝固温度16。再
34、如，以Co和Fe3O4为磁性颗粒，以D1和D2为表面活性剂（D1为几种活性剂配制的一种活性剂，D2为油酸）和以烃类化合物为载液制成的新型磁流体Co- Fe3O4磁流体，其磁化强度比用纯Fe3O4颗粒制成的磁流体高1.6倍17，等。 2. 按载液分 有水基、烃基、煤油基、汞基、酯基、二酯基、硅酸盐酯类基、合金基、合成酯基、聚二醇基、聚苯醚基、氟聚醚基、硅碳化合物基、卤化烃基、苯乙烯基、有机溶剂基（庚烷，二甲苯，甲苯，丁酮）、碳氢化合物基（合成剂、石油）和有机化合物基磁流体，等。也可按表面活性剂的种类将磁流体分类，如油酸磁流体、丁二酸磁流体和氟醚酸磁流体等，但是这种分类方法很少见。 3. 按表面活
35、性剂的有无分 按表面活性剂的有无可将磁流体分为两类：加表面活性剂的磁流体和不加表面活性剂的离子型磁流体。 4. 按应用领域分 有密封用磁流体、润滑用磁流体、医用磁流体、扬声器用磁流体、印刷打印用上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 8 磁流体、能量转换用磁流体，等。 5. 按性能指标分 有低粘度和高粘度磁流体、低挥发损失和高挥发损失磁流体、低饱和磁化强度和高饱和磁化强度磁流体、轻磁流体和重磁流体，等。 6. 其它特殊的磁流体17 日本研制成功了彩色的水基磁流体，其颜色有红色的、黄色的、蓝色的和黑色的。彩色磁流体是把磁流体按一定方法与染料溶液混合配制而成的18。 日本还研制出一种透明的磁流体，
36、其磁性颗粒粒径为10-30 nm 的钇铁石榴石19,20。 15 磁流体的磁光可调性及其在光通信器件中的应用 当没有外磁场时，磁流体中磁性颗粒是均匀分布的，磁流体的光学性质是各向同性的，它的相对介电常数 r和相对磁导率 r在各个方向上都是相同的，即光在磁流体内部的传播速度或折射率是与方向无关的。若加上外磁场，则磁流体中的磁性颗粒在一定程度上沿着外磁场的方向作定向的排列，此时磁流体呈现各向异性的光学特性，这使得磁流体像某些单轴晶体一样具有特殊的光学性质，如：双折射、二向色性、起偏特性等。并且这些特性的强弱可以通过调整磁流体的厚度和磁场的强度等参数来调节，这在可调谐器件上是非常有益的。 磁流体在外
37、磁场的作用下具有双折射的特性，进而可用磁流体代替晶体制成光学器件，如：可用磁流体做成波片（相位延迟器）。光通过厚度为d的磁流体后，其o光和e光的相对相位差为： 02() eoe dnn = (1-5) 对于一般的晶体，一定的相位差对应于一定的厚度，因为其厚度一般是固定的，所以相位差也是固定的。若利用磁流体的双折射效应，因为它的双折射程度与外磁场强度有关，所以即使是厚度固定，也可以通过外磁场的强度来改变相位差，实现可调谐的功能。当线偏振光通过磁流体时，若磁场为零，则出射光仍是线偏振的；当磁场不是很强时，出射的光是椭圆偏振的；随着外磁场的加强，出射光就越接近上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论
38、9 圆偏振光。磁流体还具有另外一种磁光效应，即Faraday效应。当光的传播方向和外加磁场的方向一致时，入射线偏振光的偏振方向可以旋转，若在出射端口后置个检偏器，则出射光的强度会随着入射光偏振方向的改变而改变，据此可制作出光开关和衰减器。制成的衰减器，其衰减程度可由外磁场的强度来控制，因为偏振方向的旋转程度与外场强度成正比的，进而就实现了连续可调谐衰减器。Maiorov在频率为10GHz下（实际上是微波）对磁流体的Faraday效应进行了研究21，图1-4为其实验结果。 图1-4 十四烷基磁流体的Faraday 旋转效应 Fig. 1-4 Faraday rotation curves for
39、 the tetradecane-based MF 当外加磁场的大小超过某个临界值时，磁流体中磁性颗粒会发生团簇，进而磁流体的折射率和吸收系数会发生变化，且变化的大小与外加磁场的大小有关22。据此可以利用磁流体来制作可调谐光子器件， 例如：可调谐磁流体光栅23。 可调谐磁流体光栅是利用传统的光刻技术，在一个衬底上刻蚀形成周期性的梳状凹槽，然后将磁流体填入凹槽中，最后再用一个覆盖层覆盖在此光栅上面，将磁流体密封住，如图1-5所示。由于磁流体的折射率和吸收系数随着磁场而变化，而其他材料的折射率和吸收系数不变，所以当给此光栅加上磁场时，该光栅的折射率调制和吸收系数调制将变化，根据光栅理论可以知道，其
40、各阶的衍射效率将发生变化。具体地说，零阶和高阶衍射光的能量会发生交换。 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 10 图1-5 磁流体光栅示意图 Fig. 1-5 Diagram of MF Grating 另外，磁流体除了其折射率可以表现出磁光可调性，它的透射特性同样随着磁场强度的变化而变化。当外加磁场的大小超过某个临界值，磁流体中有团簇形成时，它对光的散射和吸收将增加，因此透射性能降低，据此可以制作可调谐磁流体调制器24。首先将普通的单模光纤拉细，使其直径大约十几微米，这样光纤的外面会有较多的倏逝场，通过对倏逝场进行调制，就可以制作出调制器，可调谐磁流体调制器结构示意图如图1-6所示。然后
41、将拉制的光纤穿入毛细管中，将磁流体填入其中，包覆在拉制的光纤周围，毛细管的两端用紫外固化胶密封住。当给磁流体加磁场时，其吸收和散射将增加，进而会衰减倏逝场的强度，这样出射光的总能量将减小。所以通过开关磁场，就可以对出射光强进行调制。并且，倏逝场的衰减程度与外加磁场强度的大小有关，这样调制器的调制深度就可以通过改变磁场的大小来改变，制作出调制深度可调的调制器。 图1-6 磁流体作包层的光纤倏逝场可调谐磁流体调制器结构示意图 Fig. 1-6 Diagrammatic sketch of the operating principle of the fiber-optic evanescent f
42、ield modulator using a MF as the cladding. 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 11 16 本文的主要工作 可以应用于高速度、大容量、智能化光网络中的可调谐光滤波器的研究是现代光通信发展的需要。基于长周期光纤光栅的可调谐光滤波器，作为一种全光纤滤波器，具有极低的插入损耗、较小的偏振相关性和较大的调谐范围等优点，得到越来越多的关注，而磁流体以其对外界磁场变化的敏感性，为可调谐光子器件的制作提供了新材料。本文长周期光纤光栅和磁流体相结合，探索基于磁流体和长周期光纤光栅的可调谐光纤滤波器。本文首先介绍分析长周期光纤光栅频谱对环境折射率变化响应的分析方法和
43、理论分析结果，然后研究磁流体的折射率在外加磁场作用下的变化情况，最后将长周期光纤光栅和磁流体相结合，制作成基于磁流体和长周期光纤光栅的可调谐光滤波器，实验研究这种新型可调谐光滤波器的调谐特性。 本文各章节内容安排如下： 第一章 绪论：介绍了可调谐光滤波器研究的意义和目前已有的可调谐光滤波器的种类，其中着重介绍了基于长周期光纤光栅的可调谐光滤波器。并且阐述了一种可以用于制作可调谐器件的具有磁光可调谐性的新型材料：磁流体。 第二章 长周期光纤光栅的折射率调谐理论研究：主要阐述了长周期光纤光栅理论模型的建立，频谱特性的分析方法，以及利用改变环境折射率对长周期光纤光栅频谱进行调谐的理论结果。 第三章
44、磁流体折射率的磁光可调性的测量和分析：研究了磁流体折射率实验测量方法，然后利用一种高效率、高精度的测量方法测量了随磁场变化的磁流体的折射率，并且分析了磁流体折射率的磁光可调谐特性。 第四章 基于磁流体的长周期光纤光栅磁光可调谐光滤波器： 实验研究了基于磁流体的长周期光纤光栅磁光可调谐光滤波器频谱特性和调谐范围，并与理论结果相比较，证明实验结果的可靠性。同时分析了光滤波器的消光比，以及提高光滤波器性能的方法。 第五章 总结与展望：总结了本文的工作，并对将来的工作进行了展望。 上海交通大学硕士学位论文 第二章 长周期光纤光栅的折射率调谐理论研究 12 第二章 长周期光纤光栅的折射率调谐理论研究 长
45、周期光纤光栅是在剥去涂敷层的裸光纤上通过紫外光或CO2激光脉冲写入的，分为纤芯、包层和环境层三层。长周期光纤光栅中的耦合是基模与同向传输的包层模之间，或者包层模与同向传输的包层模之间的耦合。基模的能量主要集中在纤芯中，对环境折射率的变化不敏感，而包层模的传输常数和模场分布不仅依赖于纤芯和包层折射率，也在很大程度上依赖于环境层折射率，因此通过改变长周期光纤光栅的环境折射率可以改变包层模的特性，进而改变长周期光纤光栅耦合特性，从而实现长周期光纤光栅的调谐。分析长周期光纤光栅的折射率调谐主要是在不同环境折射率情况下，分析包层模的特性，并通过耦合模理论对长周期光纤光栅谐振波长和频谱特性进行分析。 21
46、 长周期光纤光栅的模场分布 我们使用三层的阶跃折射率光纤模型（如图2-1）来分析长周期光纤光栅模场分布25。其中纤芯的折射率为1 n ，包层的折射率为2 n ，环境折射率为3 n ，纤芯半径为1 a ，包层折射率为2 a ，环境介质的半径认为无限大。 图2-1 三层的阶跃折射率光纤模型 Fig. 2-1 Diagram of a cross section of the three-layer, step-index fiber geometry 上海交通大学硕士学位论文 第二章 长周期光纤光栅的折射率调谐理论研究 13 21.1 长周期光 纤光栅的基模场分布 我们认为单模光纤的纤芯和包层折射
47、率差很小，即纤芯包层的相对折射率差121()/nnn=很小，因此可以采用弱导近似方法26分析纤芯模（即基模LP01或HE11）特性。由于分析包层模时使用的是矢量法，我们虽然使用弱导近似方法分析基模，但是基模电场仍写成矢量形式。LP01 模的色散方程为： 1100(1)()1(1)()JVbKVbVbVbJVbKVb= (2-1) 其中， J 为第一类贝塞尔函数， K 为第二类修正贝塞尔函数，22112(2/)Vann =为给定波长处的归一化频率，2222212()/() effbnnnn=为归一化有效折射率。通过求解式2-1可以得到LP01模的有效折射率。 我们可以近似将HE11模在纤芯区域（1 ra）的矢量分量写为27： 01011(1/)exp()exp()cocorEiEJVbraiiztra (2-2) 01011(1/)exp()exp()cocoEEJVbraiiztra (2-3) 归一化常数01 coE通过假设基模携带的能量为1W获得，具体表示为： 1/2001211112(1)coZbEnbaJVb+ (2-4) 其中000/377Z =，为真空中的电磁场阻抗。 z轴沿光纤方向，(2/) effn=为传播常数，下标“01”表示基模LP01。 利用弱导近似的分析传播常数和模场分布过程中，均假设包层半径为无限大（2 a ），因此，基模对环境折
