新型少模光纖波導(dǎo)特性分析及其器件的研制.pdf

1、新型大模場面積少模光纖(few-mode fiber，F(xiàn)MF)對下一代高速大容量無阻塞光通信系統(tǒng)、光纖傳感技術(shù)與光纖激光器的研究具有十分重要的價值。模分復(fù)用系統(tǒng)充分利用FMF中多個正交模式作為獨立信道和大模場面積等優(yōu)勢，大大提升光纖通信系統(tǒng)的通信容量，有效地解決光纖非線性效應(yīng)引起的通信容量瓶頸問題，為下一代光纖通信系統(tǒng)提供重要保障。本論文主要針對多芯層少模光纖(multilayer-core FMF，MC-FMF)開展理論與實驗研究工作

2、。重點研究MC-FMF的結(jié)構(gòu)設(shè)計與制作，并將MC-FMF應(yīng)用于新型光纖器件的實現(xiàn)。在理論分析與應(yīng)用研究過程中，深入認(rèn)識了光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)與其特性之間的本質(zhì)關(guān)系。大部分工作均處于該領(lǐng)域研究的前沿。
　　本文主要取得的創(chuàng)新研究成果如下:
　　1.提出并設(shè)計制作了一種新型MC-FMF，指出了光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)對波導(dǎo)特性影響的規(guī)律。通過光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，實現(xiàn)了波導(dǎo)中模式數(shù)量的控制，以及大模場面積與低彎曲損耗等良好性能的集成。建立了四芯層

3、結(jié)構(gòu)FMF的數(shù)學(xué)模型，采用數(shù)值方法計算了光纖特征參數(shù)。采用MCVD工藝實驗制作了大模場面積低彎曲損耗的雙模光纖（dual-mode fiber，DMF）樣本。該DMF的基模模場面積可達280μm2，是普通單模光纖的四倍;在4.5cm彎曲半徑條件下，光纖損耗可低至0.42dB/turn。建立了光纖準(zhǔn)直器幾何冗余度同尾纖模場面積之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。利用多芯層結(jié)構(gòu)光纖（multilayer-core fiber，MCF）的大模場面積特性，首次

4、制作了基于MCF的光纖準(zhǔn)直器。與普通單模光纖準(zhǔn)直器相比其偏角冗余值提升了20％，降低了準(zhǔn)直器用于空間光耦合的難度。
　　2.提出并設(shè)計制作了一種嚴(yán)格雙模的多橢圓芯層光纖(ellipticalmultilayer-core fiber，EMCF)，指出了EMCF結(jié)構(gòu)參數(shù)對雙折射、非線性等特征參量影響的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了EMCF具有明顯的偏振保持特性。針對彎曲狀態(tài)下的非圓對稱結(jié)構(gòu)光纖，建立了EMCF折射率分布與傳輸損耗的計算模型。模型充分考

5、慮了光纖結(jié)構(gòu)對折射率分布的影響以及與光纖彎曲損耗相關(guān)的因素，從本質(zhì)上揭示了EMCF在彎曲方向上產(chǎn)生彎曲損耗差異性的原因，表明該光纖具有各向異性的彎曲特性。實際制作出嚴(yán)格雙模的EMCF樣本，在適當(dāng)彎曲半徑與方向下，EMCF的基模中兩偏振分量的彎曲損耗曲線發(fā)生走離，實現(xiàn)了單一偏振的低損耗傳輸。
　　3.提出并研制了一種基于FMF的模式干涉器件。基于模式耦合理論，揭示了該光纖器件中的模式耦合過程。提出了兩段非圓對稱結(jié)構(gòu)EMCF的熔接方案

6、，使用EMCF實際制作了全光纖的馬赫增德爾干涉儀(Mach-Zehnder interferometer，MZI)與邁克爾遜干涉儀（Michelson interferometer，MI）。在對基于FMF干涉器件傳感原理的充分認(rèn)識和理解的基礎(chǔ)上，提出了應(yīng)力與液位兩參量傳感的仿真方法。實際搭建了基于FMF的溫度、應(yīng)力、折射率、液位等物理量的傳感系統(tǒng)，實現(xiàn)了其傳感功能。提出并搭建了基于FMF的激光傳感系統(tǒng)，顯著提升了傳感系統(tǒng)的分辨率。制作了

7、一種以FMF-MI為濾波器的環(huán)型腔激光器，并用FMF-MI作為傳感頭實現(xiàn)了液位傳感測量。液位的變化可調(diào)諧激光器輸出波長。激光傳感系統(tǒng)的輸出激光消光比達到了43dB，遠大于FMF-MI濾波器輸出光譜的消光比;3dB帶寬約為0.05nm，遠小于濾波器輸出光譜的3dB帶寬，顯著提升了液位傳感的分辨率;實驗測得該傳感系統(tǒng)的液位傳感靈敏度約為50.6 pm/mm。
　　4.提出并制作了一種少模布拉格光纖光柵(few-mode fiber B

8、ragg grating，F(xiàn)M-FBG)。該FM-FBG的光纖載體僅支持LP01與LP11兩個模式場的傳輸，因此其反射和透射光譜中同時存在模式自耦合峰和模式場間互耦合峰。利用耦合模方程建立了該光柵的解析模型，揭示了FM-FBG的模式耦合過程，為進一步研究與求解FM-FBG特征參量提供了理論基礎(chǔ)。通過仿真計算，找出了FMF中模式能量比、模式折射率差與耦合系數(shù)等參數(shù)分別對FM-FBG中諧振點強度、帶寬、波長間隔等特性影響的規(guī)律。實際制作了基