抗弯曲大模场面积光纤的研究

摘要

抗弯曲大模场面积光纤能够抑制非线性效应，使光纤的功率容限损和伤阈值值得以提高，能为解决弯曲状态下大模场面积与单模特性之间的矛盾提供强有力的解决方案，在高功率光纤激光器与放大器小型化、集成化发展领域具有非常重要的应用前景。掺铥光纤激光器起步晚，工作波长位于2μm附近的抗弯曲大模场面积光纤相对较少，且存在很多问题，如弯曲半径较大、对弯曲方向敏感和弯曲损耗高等。
　　本论文从良好的单模特性、小弯曲半径及弯曲方向不敏感的设计目标出发，利用Comsol软件进行数据仿真，深入研究不同光纤参数对光纤特性的影响，提出三种在工作波长为2μm，弯曲半径10cm时均具有良好弯曲特性的具有阶跃纤芯的抗弯曲大模场面积光纤。
　　所完成的主要工作如下:
　　1、明确有限元模型基本原理、边界条件的选取及弯曲等效折射率模型应用条件，以有限元方法结合光纤弯曲等效折射率模型建立抗弯曲大模场面积光纤特性分析模型，分析了不同纤芯半径的传统阶跃光纤的弯曲特性，为设计抗弯曲大模场面积光纤提供理论指导。
　　2、从良好的单模特性、减小弯曲半径及弯曲方向不敏感等方面考虑，提出具有阶跃纤芯和高折射率掺杂棒包层的大模场面积光纤，并将其与非阶跃纤芯的光纤进行对比，明确阶跃纤芯对于调节弯曲损耗方面的优势。该光纤在工作波长为2μm处，弯曲半径为10cm时，能够稳定的维持单模运转;高阶模与基模的损耗比超过100，模场面积为1410μm2，且对弯曲方向不敏感。
　　3、减少包层掺杂棒层数，进一步降低光纤的基模损耗，提升高阶模与基模的损耗比，简化光纤结构，改善弯曲状态下的单模特性。在工作波长为2μm处，弯曲半径为10cm时，高阶模与基模的损耗比提升至767，且对弯曲方向不敏感;当弯曲角度为±15°时，高阶模与基模的损耗比能达到1590，单模特性优良。还对光纤结构进行容差分析，以指导光纤实际制作。
　　4、将包层中掺杂棒替换为高折射率耦合环，进一步简化光纤结构，使之能通过MCVD制作方法在一根预制棒上实现。当纤芯半径为41μm时，高阶模与基模的损耗比最高为887，模场面积为1508μm2，单模特性最好。得益于光纤简单的结构，该光纤能够通过增大纤芯半径并合理优化参数达到扩展模场面积的目的。在工作波长为2μm处，弯曲半径为10cm时，纤芯半径在40μm-67μm范围内，均满足单模条件，模场面积最高能突破2450μm2。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 引言

1．2 大模场面积光纤简介

1．3 抗弯曲大模场面积光纤发展概述

1．3．1 抗弯曲大模场面积光纤研究现状

1．3．2 抗弯曲大模场面积光纤存在的问题

1．4 本论文主要工作

2．1 引言

2．2 有限元分析模型

2．2．1 基本原理

2．2．2 边界条件选取

2．3 弯曲等效折射率模型

2．4 不同纤芯半径的传统阶跃光纤弯曲特性分析

2．5 小结

3 具有阶跃纤芯和高折射率掺杂棒包层的大模场面积光纤

3．1 引言

3．2 具有阶跃纤芯和高折射率掺杂棒包层的大模场面积光纤

3．2．1 光纤的结构设计

3．2．2 阶跃纤芯对弯曲特性的影响

3．2．3 纤芯参数对光纤弯曲特性的影响

3．2．4 弯曲角度对光纤弯曲特性的影响

3．3 改进型具有阶跃纤芯和高折射率掺杂棒包层的大模场面积光纤

3．3．1 光纤的结构设计

3．3．2 弯曲特性

3．3．3 容差分析

3．4 小结

4 具有阶跃纤芯和高折射率环形包层的大模场面积光纤

4．1 引言

4．2 光纤的结构设计

4．3 参数优化和弯曲特性

4．4 容差分析

4．5 模场面积扩展

4．4 小结

5 结论

5．1 本论文的主要研究内容及成果

5．2 下一步拟开展的研究工作

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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