新型少模光纤波导特性分析及其器件的研制

摘要

新型大模场面积少模光纤(few-mode fiber，FMF)对下一代高速大容量无阻塞光通信系统、光纤传感技术与光纤激光器的研究具有十分重要的价值。模分复用系统充分利用FMF中多个正交模式作为独立信道和大模场面积等优势，大大提升光纤通信系统的通信容量，有效地解决光纤非线性效应引起的通信容量瓶颈问题，为下一代光纤通信系统提供重要保障。本论文主要针对多芯层少模光纤(multilayer-core FMF，MC-FMF)开展理论与实验研究工作。重点研究MC-FMF的结构设计与制作，并将MC-FMF应用于新型光纤器件的实现。在理论分析与应用研究过程中，深入认识了光纤结构参数与其特性之间的本质关系。大部分工作均处于该领域研究的前沿。
　　本文主要取得的创新研究成果如下:
　　1.提出并设计制作了一种新型MC-FMF，指出了光纤结构参数对波导特性影响的规律。通过光纤结构参数的优化调整，实现了波导中模式数量的控制，以及大模场面积与低弯曲损耗等良好性能的集成。建立了四芯层结构FMF的数学模型，采用数值方法计算了光纤特征参数。采用MCVD工艺实验制作了大模场面积低弯曲损耗的双模光纤（dual-mode fiber，DMF）样本。该DMF的基模模场面积可达280μm2，是普通单模光纤的四倍;在4.5cm弯曲半径条件下，光纤损耗可低至0.42dB/turn。建立了光纤准直器几何冗余度同尾纤模场面积之间关系的数学模型。利用多芯层结构光纤（multilayer-core fiber，MCF）的大模场面积特性，首次制作了基于MCF的光纤准直器。与普通单模光纤准直器相比其偏角冗余值提升了20％，降低了准直器用于空间光耦合的难度。
　　2.提出并设计制作了一种严格双模的多椭圆芯层光纤(ellipticalmultilayer-core fiber，EMCF)，指出了EMCF结构参数对双折射、非线性等特征参量影响的规律，发现了EMCF具有明显的偏振保持特性。针对弯曲状态下的非圆对称结构光纤，建立了EMCF折射率分布与传输损耗的计算模型。模型充分考虑了光纤结构对折射率分布的影响以及与光纤弯曲损耗相关的因素，从本质上揭示了EMCF在弯曲方向上产生弯曲损耗差异性的原因，表明该光纤具有各向异性的弯曲特性。实际制作出严格双模的EMCF样本，在适当弯曲半径与方向下，EMCF的基模中两偏振分量的弯曲损耗曲线发生走离，实现了单一偏振的低损耗传输。
　　3.提出并研制了一种基于FMF的模式干涉器件。基于模式耦合理论，揭示了该光纤器件中的模式耦合过程。提出了两段非圆对称结构EMCF的熔接方案，使用EMCF实际制作了全光纤的马赫增德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer，MZI)与迈克尔逊干涉仪（Michelson interferometer，MI）。在对基于FMF干涉器件传感原理的充分认识和理解的基础上，提出了应力与液位两参量传感的仿真方法。实际搭建了基于FMF的温度、应力、折射率、液位等物理量的传感系统，实现了其传感功能。提出并搭建了基于FMF的激光传感系统，显著提升了传感系统的分辨率。制作了一种以FMF-MI为滤波器的环型腔激光器，并用FMF-MI作为传感头实现了液位传感测量。液位的变化可调谐激光器输出波长。激光传感系统的输出激光消光比达到了43dB，远大于FMF-MI滤波器输出光谱的消光比;3dB带宽约为0.05nm，远小于滤波器输出光谱的3dB带宽，显著提升了液位传感的分辨率;实验测得该传感系统的液位传感灵敏度约为50.6 pm/mm。
　　4.提出并制作了一种少模布拉格光纤光栅(few-mode fiber Bragg grating，FM-FBG)。该FM-FBG的光纤载体仅支持LP01与LP11两个模式场的传输，因此其反射和透射光谱中同时存在模式自耦合峰和模式场间互耦合峰。利用耦合模方程建立了该光栅的解析模型，揭示了FM-FBG的模式耦合过程，为进一步研究与求解FM-FBG特征参量提供了理论基础。通过仿真计算，找出了FMF中模式能量比、模式折射率差与耦合系数等参数分别对FM-FBG中谐振点强度、带宽、波长间隔等特性影响的规律。实际制作了基于FM-FBG的双波长可调谐激光器，利用EDF的光谱烧孔(SHB)效应，方便地实现了激光器单波长与双波长状态的转换。利用FM-FBG中LP01自耦合透射峰和LP01与LP11互耦合透射峰的滤波特性，在线型腔结构中实现了稳定的单横模输出（基模LP01）和LP01与LP11混合的多横模激光输出。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 少模光纤的研究进展

1．2．1 少模光纤的发展与研究现状

1．2．2 少模光纤在高速光通信中的应用现状

1．3 基于少模光纤的新型光器件的研究进展

1．3．1 少模光纤在光器件应用上的优势

1．3．2 少模光纤在新型光器件研制中的发展与研究现状

1．4 本论文的研究内容及成果

2 新型少模光纤设计与理论分析

2．1 引言

2．2 多芯层少模光纤的波导结构设计

2．3 多芯层少模光纤模式分析数学模型

2．4 多芯层少模光纤特性参数分析

2．4．1 多芯层少模光纤大模场面积与弯曲损耗特征参数的计算

2．4．2 多芯层少模光纤结构参数对波导特性的影响

2．4．3 多芯层少模光纤抗弯特性分析与样本光纤特性测量

2．5 严格双模大模场多椭圆芯层光纤波导

2．5．1 严格双模多椭圆芯层光纤波导结构的设计与模式特性分析

2．5．2 多椭圆芯层光纤严格双模特性的验证

2．6 多芯层光纤准直器的耦合特性研究

2．6．1 光纤准直器耦合损耗分析

2．6．2 大模场光纤准直器偏差冗余度分析与实验

2．6 小结

3 多椭圆芯层光纤的偏振特性研究

3．1 引言

3．2 多椭圆芯层光纤偏振特性分析

3．2．1 多椭圆芯层光纤的偏振特性

3．2．2 多椭圆芯层光纤结构参数对偏振特性的影响

3．3 多椭圆芯层光纤单偏振特性的实现

3．3．1 光纤偏振态的测量方法

3．3．2 多椭圆芯层光纤弯曲特性分析

3．3．3 多椭圆芯层光纤单偏振的实现

3．4 小结

4 少模光纤传感器的应用研究

4．1 引言

4．2 少模光纤传感原理分析

4．2．1 模式耦合理论

4．2．2 温度、应力、折射率与液位的传感原理

4．3 传感实验测量

4．3．1 ESE与SDSf结构传感头制作

4．3．2 各参量传感实验

4．3．3 激光传感器对液位传感实验

4．4 小结

5 少模光纤光栅特性分析及应用研究

5．1 引言

5．2 少模光纤光栅的耦合模理论

5．2．1 FBG的耦合模方程

5．2．2 少模光纤光栅的光传输谱

5．3 少模光纤光栅的参数分析与制作

5．3．1 少模光纤光栅的特性分析

5．3．2 少模光纤光栅的制作

5．4 少模光纤光栅在多波长激光器与横模激光器中的应用

5．4．1 少模光纤光栅多波长激光器

5．4．2 少模光纤光栅横模-波长相关调谐激光器

5．5 小结

6 总结与展望

6．1 本论文的主要工作与研究成果

6．2 下一步拟进行的研究重点

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间发表论文

学位论文数据集