论文摘要
现代通信网络是一种电光网络,它所固有的电子瓶颈是限制其发展的重要因素,这个难题的关键是其中的光电之间转换问题。如今一种不再需要光-电和电-光转换的新型网络应运而生,它就是全光网络。全光开关是实现全光交换的核心器件,定向耦合器能在其波导耦合区域通过非线性作用利用一个光波来控制和调节另一个光波,为实现全关开关提供了可能,因此受到广泛的研究和关注。光纤光栅的出现使得全光通信与全光传感成为了可能,是全光网络中应用最为广泛的光纤无源器件之一。光纤光栅具有小巧灵活、耐腐蚀、插入损耗小、抗电磁干扰、灵敏度高、稳定性好等诸多优点,广泛应用在波分复用、信道均衡、色散管理等方面,并且在航空航天、电力设备等特殊领域也有重要运用。本论文的主要研究工作如下：首先,介绍了光纤耦合器和光栅的研究意义,研究进展以及在全光网络中的应用前景。并重点介绍了光栅孤子理论和几种光纤光栅耦合器的原理,并分析了各自的优缺点及实用性。其次,从耦合模理论出发,对光纤布拉格光栅的数学模型进行了推导研究,研究了光波在光纤光栅中的传播规律,并根据其数学模型对反射谱进行了数值计算。分析线性与非线性两种情况下,光栅色散曲线的变化,以及二阶色散等与失谐频率的关系。然后,详细介绍二芯光纤光栅耦合器。研究禁带结构与两个纤芯之间的相移量的关系,以及相移量对反射率和透射率分布的影响。选取合适的光栅长度,使其保有普通光纤光栅耦合器的周期耦合性,在此基础上对比分析同相和反相时耦合器中的能量分布情况。在禁带内,前向波、后向波能量单调递减,同相情况时,两个纤芯中都有后向波传输,反相情况时只有输入纤芯中有后向波；在禁带边缘,同相情况时前向波、后向波能量仍是单调递减的,而反相时两者都是振荡的,振荡幅度逐渐变小,前后向相干迭加也是振荡的；远离禁带时,后向波几乎可以忽略,耦合周期性与普通二芯光纤耦合器相同,在耦合长度下,耦合器具有良好的开关特性。最后,研究了光在两种排列结构（等边三角形排列和等距平行排列）的光纤耦合器中传输的禁带及其产生慢光的频带分布,分析禁带结构。根据禁带边缘确定不同的慢光状态,分析波导间同相和反相时失谐频率对色散曲线及禁带的影响。研究表明改变相移量不仅影响禁带的宽度和位置,并且也会改变慢光状态的模式数。对于同相的三芯光纤光栅耦合器,研究表明当失谐频率处于禁隙内,脉冲在输入光纤中几乎完全被反射；当远离禁带时,类似于普通三芯光纤耦合器。