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(duì)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(jià)值。模分復(fù)用系統(tǒng)充分利用FMF中多個(gè)正交模式作為獨(dú)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(duì)多芯層少模光纖(multilayer-core FMF，MC-FMF)開展理論與實(shí)驗(yàn)研究工作

2、。重點(diǎn)研究MC-FMF的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作，并將MC-FMF應(yīng)用于新型光纖器件的實(shí)現(xiàn)。在理論分析與應(yīng)用研究過程中，深入認(rèn)識(shí)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(jì)制作了一種新型MC-FMF，指出了光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)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(shí)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(jì)算了光纖特征參數(shù)。采用MCVD工藝實(shí)驗(yàn)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(dá)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(jì)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(duì)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(duì)彎曲狀態(tài)下的非圓對(duì)稱結(jié)構(gòu)光纖，建立了EMCF折射率分布與傳輸損耗的計(jì)算模型。模型充分考

5、慮了光纖結(jié)構(gòu)對(duì)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(shí)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(shí)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(duì)稱結(jié)構(gòu)EMCF的熔接方案

6、，使用EMCF實(shí)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(duì)基于FMF干涉器件傳感原理的充分認(rèn)識(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(dá)到了43dB，遠(yuǎn)大于FMF-MI濾波器輸出光譜的消光比;3dB帶寬約為0.05nm，遠(yuǎn)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(shí)驗(yàn)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(gè)模式場的傳輸，因此其反射和透射光譜中同時(shí)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(jìn)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(jì)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(duì)FM-FBG中諧振點(diǎn)強(qiáng)度、帶寬、波長間隔等特性影響的規(guī)律。實(shí)際制作了基