新型大模场直径弯曲不敏感单模及少模光纤的研究

摘要

大模场抗弯损单模和少模光纤是实现下一代超高速大容量光网络、光模分复用系统、光空分复用系统和高功率小型紧凑化光纤器件的基础条件和关键组成部分，在光纤传感、医疗、材料加工以及国防等领域也有广阔的应用前景。本论文结合国家重点基础研究发展规划(973)项目“面向光路交换网络的光纤器件理论与关键技术研究”、国家高技术研究发展计划(863)项目“160 Gbit/s一泵多纤光传输技术的研究”、国家自然科学基金项目“高效提升拉曼散射反Stokes效率的新型光纤及大面积有源光纤的研制”的实施，针对新型大模场直径弯曲不敏感单模和少模光纤，开展了深入的理论和实验研究工作，取得的主要创新成果如下:
　　1.提出了一种大模场直径弯曲不敏感单模光纤(DIC-LMFD-BIF)，利用简单的结构实现单模传输、大模场面积和弯曲不敏感的性能集成。提出了一种新的半解析方法来计算DIC-LMFD-BIF的截止波长——受抑全反射法，仿真结果与实验结果相符，比其它计算方法的结果准确，证明了受抑全反射法的准确性和优越性。
　　2.制作了铒镱共掺DIC-LMFD-BIF。提出了一种简便且适用于弯曲不敏感光纤的横向连接损耗法来测试样本光纤的截止波长，并与其它测试方法比较优劣性。提出了一种能准确测量弯曲损耗的测试方法，适用于弯曲不敏感光纤及普通光纤。制作出的样本光纤保证了C波段的单模特性，模场面积相比市售商用铒镱共掺光纤提高将近四倍，弯曲半径5mm时弯曲损耗相比标准单模光纤降低了近65倍，且具有较好的稀土离子吸收效果以及C波段增益平坦度和增益性能。
　　3.提出了一种矢量模式少模光纤(FVMF)，实现简并模式群分裂，有效分离矢量模式，模式有效折射率差可达6x10-4量级，支持矢量模式单独激励和传输，并兼顾大模场面积，包含的稳定涡旋光束具备生成和承载轨道角动量模式的能力。实际制作了FVMF样本，实验验证了矢量模式分离特性，测试样本的HE21和TE01模式间有效折射率差达到10-4量级。在FVMF中仿真生成了轨道角动量模式。
　　4.提出了一种孔辅助强耦合型多芯光纤(HA-SC-MCF)，明确证实强耦合型多芯结构能够实现单模传输。提出的准七芯及准十九芯HA-SC-MCF，具有独特的能实现单模传输、严格双模传输（仅传输HE11模和HE21模）以及少模传输的灵活设计模式特性。以超模形态实现了大模场面积，解决了普通多芯结构无法改善的弯曲损耗和模场面积之间相互制约问题，弯曲性能大大改善。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 大模场直径抗弯曲损耗单模光纤的发展与研究现状

1．2．1 大模场直径单模光纤的发展与研究现状

1．2．2 抗弯曲损耗单模光纤的发展与研究现状

1．3 少模光纤的应用、发展与研究现状

1．3．1 传统少模光纤应用于模分复用

1．3．2 多芯结构单模光纤应用于空分复用及少模光纤应用于模分复用

1．3．3 轨道角动量及承载轨道角动量模式的少模光纤应用于新型复用

1．4 本论文的结构安排

2 大模场直径弯曲不敏感单模光纤的研究

2．1 引言

2．2 现有方法计算多层结构光纤截止波长的局限性

2．3 多层结构光纤特征参数的理论计算

2．3．1 截止波长的计算

2．3．2 模场直径的计算

2．3．3 弯曲损耗的计算

2．4 大模场直径弯曲不敏感单模光纤的特性分析

2．4．1 结构参数对截止波长的影响

2．4．2 结构参数对模场面积的影响

2．4．3 结构参数对弯曲损耗的影响

2．5 小结

3 大模场直径弯曲不敏感单模光纤的制作与性能测试

3．1 引言

3．2 大模场直径弯曲不敏感单模光纤的制作

3．2．1 预制棒的制作

3．2．2 拉丝和涂覆

3．2．3 实验结果

3．3 大模场直径弯曲不敏感单模光纤的性能测试

3．3．1 截止性能测试

3．3．2 模场性能的测试

3．3．3 吸收性能的测试

3．3．4 增益性能的测试

3．3．5 弯曲性能的测试

3．4 小结

4 矢量模式少模光纤的研究

4．1 引言

4．2 矢量模式少模光纤的结构设计和模式特性

4．3 矢量模式少模光纤结构参数对光纤特性的影响

4．3．1 纤芯层半径和折射率差的影响

4．3．2 下陷内包层厚度和折射率差的影响

4．3．3 高折射率层厚度和折射率差的影响

4．3．4 低折射率层厚度和折射率差的影响

4．4 矢量模式少模光纤模式特性的实验验证

4．5 矢量模式少模光纤仿真生成轨道角动量模式

4．6 小结

5 强耦合型多芯光纤的研究

5．1 引言

5．2 全矢量有限元法分析多芯光纤

5．2．1 有限元方法的基本原理

5．2．2 基于有限元方法分析多芯光纤

5．3 准七芯孔辅助强耦合型多芯光纤

5．3．1 准七芯孔辅助强耦合型多芯光纤的结构和模式特性

5．3．2 结构参数对准七芯孔辅助强耦合型多芯光纤特性的影响

5．3．3 准七芯强孔辅助耦合型多芯光纤的弯曲特性

5．4 准十九芯孔辅助强耦合型多芯光纤

5．4．1 准十九芯孔辅助强耦合型多芯光纤的结构和模式特性

5．4．2 结构参数对准十九芯孔辅助强耦合型多芯光纤特性的影响

5．4．3 准十九芯孔辅助强耦合型多芯光纤的弯曲特性

5．5 小结

6 总结与展望

6．1 本论文的主要工作和研究成果

6．2 下一步拟进行的研究工作

参考文献

作者简历和攻读博士学位期间发表的成果

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