高功率激光光纤耦合系统设计与分析

端面抽运耦合是高功率光纤激光器的常用耦合方式之一.在不考虑像差的情况下,采用高斯光束传输的ABCD定律,参照混合模系数M2的定义,研究了类高斯光束通过双透镜后腰斑和发散角的变化规律,设计了一种将LD尾纤输出的大功率多模激光耦合进双包层光纤的透镜耦合系统,针对透镜组通光孔径、透镜加工要求、系统尺寸等影响耦合系统效率的各种因素作了简要分析.该系统已成功运用于光纤激光器实验,验证了设计方案的可行性.     

光纤端面倾斜对光纤耦合高温计标定的影响

 分析了光纤端面倾斜对光能量耦合的影响和光纤接收角的变化。结果表明,光纤端面倾斜对光能量的耦合具有较大的影响,同时使光纤的接收角也产生较大的偏移。把这些结果与标定的具体情况相结合,提出了在高温计标定中应采取的措施,以提高系统的测量精度。     

空间激光与单模光纤和光子晶体光纤的耦合效率

为了设计最优光纤耦合系统,利用高斯模场近似单模阶跃光纤的模场和大模面积光子晶体光纤的模场,推导出了理想情况下空间激光与这两种光纤的耦合效率解析表达式以及光纤端面相对于耦合系统存在横向偏移和端面倾斜时的耦合效率解析表达式。基于上述理论表达式计算了空间激光与光纤的耦合效率,并通过实验验证了此理论表达式的有效性。理论计算和实验均证实了单模阶跃光纤对于横向偏移更敏感,当横向偏移量等于单模光纤的纤芯半径时所对应的耦合效率只有20.25%,为理论最大值的1/4;而大模面积光子晶体光纤对于端面倾斜更加敏感,当端面倾斜2°时对应的耦合效率只有40.5%,为理论最大值的1/2。所提出理论表达式和实验方法完全可以为设计光纤耦合系统提供准确的参数。     

球形端面光纤与黑体光源耦合效率分析

为提高黑体光源的入纤强度,采用球形端面光纤为接收光纤,建立球形端面光纤与黑体辐射腔光能耦合模型,分析球形端面光纤参数、黑体腔参数等对光能耦合效率的影响.搭建黑体腔与球形端面光纤的光能耦合实验系统,在800～1 000℃条件下开展了光能耦合实验,结果表明:随着球形端头直径的增加,耦合光能先增大后减小;当曲率半径约为85μm时,光能耦合强度最高.相对于平端面光纤而言,耦合效率提高约60%.     

光纤端面Nd:YAG激光诱导损伤分析

采用Nd:YAG激光对全石英多模光纤进行激光诱导损伤实验.结果全部为光纤端面损伤,主要是由光纤端面的杂质缺陷引起的.通过对激光损伤形貌的分析,明确光纤端面损伤机理.采用Matlab对光纤损伤端面进行图像处理,获得光纤端面损伤点的大小、出现频率和位置分布的统计特性.通过分析发现,光纤端面损伤点位置分布服从一定的规律,光纤前端面和后端面不同;光纤端面不同大小损伤点出现频率服从高斯分布;注入激光特性参数决定光纤前端面损伤特性,光纤传能特性以及光纤端面质量决定其后端面损伤特性.     

微纳光纤端面反射特性的实验测量方法

微纳光纤的端面反射特性是影响其传输特性及实际应用的重要因素之一. 本文提出了一种基于光环形器的微纳光纤端面反射特性测量方法. 该方法克服了3 dB耦合器直接测量法的不足, 通过引入气凝胶固定和功率补偿, 可有效地消除微纳光纤尾纤飘摆、光源输出不稳定及其内部损耗等不利因素, 从而提高测量的准确度. 采用该方案实验测量了微纳光纤的端面反射率及其与 光纤直径和传输波长间的关系. 实验结果与数值模拟结果相符, 表明该方法可有效地用于微纳光纤端面反射率测量及其与各特性参数之间关系的分析, 这对于微纳光纤激光器、放大器、耦合器及滤波器等光学微型器件的设计制作具有重要意义. 关键词： 光纤光学 微纳光纤 端面反射 光环形器     

光纤端面的质量与光纤光学性能的关系

光纤的透过性能是光纤传输的重要特性之一。影响光纤透过性能的因素除了纤芯、包层玻璃的质量和几何缺陷以外,还与光纤端面的质量有关。在光纤的加工过程中,光纤端面的平整度、磨料的使用等都会影响端面的质量。讨论了影响光纤透过性能的因素;光纤端面的反射损失对透光性能的影响;增透膜对光纤端面反射的控制;加工后光纤端面的几何形状对透过性能的影响;加工后纤维端面折射率的变化情况;抛光液酸碱性的控制;抛光后光纤端面的处理。通过对光纤端面进行加工过程的控制和对光纤端面进行涂层的处理可改善光纤的透光性能。     

无线光通信系统中的光接收机设计

介绍了无线光通信的特点，比较了光电检测器、光纤接收模块、自聚焦透镜和多模光纤接收机耦合三种设计方案，提出了自聚焦透镜和多模光纤之间的耦合设计是最优方案。详细讨论了自聚焦透镜和多模光纤之间的耦合设计和电信号处理过程。试验证明，采用该方案后系统输出信号的信噪比显著提高，完全可以满足通信系统的要求。     

复合抛物面型集光器与多模光纤的耦合

分析讨论了复合抛物面型集光器与多模光纤的耦合效率和集光器设计之间的关系，提出了采用截底法和截顶法提高集光器与多模光纤耦合效率的方案。     

用于波导阵列——光纤阵列自动对接的多目标演化算法的研究

开发设计了一种新的列阵自动对接方法,该方法将多目标演化法导入光纤—光波导列阵—光纤列阵的自动对接,并行操作次数较常规遗传法大幅减少.数值仿真表明,对于模场非对称因子为0.4%的单模波导列阵与光纤列阵的双芯对接,能实现0.04 dB的平均端面耦合损耗.用于1×8波导分支耦合器与通道间距误差在0.35 μm以内的光纤列阵对接,自动耦合仿真达到了小于0.1 dB的平均端面耦合损耗,最大值与最小值的差小于0.06 dB.     

倒锥透镜型塑料光纤连接器光学特性研究

提出一种基于倒锥透镜光纤端的新型塑料光纤连接器.为了增大光纤的数值孔径，降低光纤端面对于对准准确度的要求，连接器的光纤连接端面制成倒锥透镜形状.利用截断法对该类型连接器的光学特性进行了测试.1 m长光纤跳线总损耗有75.7％集中在5.4 dB～6.0 dB之间，连接损耗70.7%集中在2.1 dB~2.7 dB之间，同一组跳线插拔200次连接损耗有95％集中分布在2.2 dB～2.58 dB.实验结果表明：倒锥透镜型塑料光纤连接器可以满足“光纤入户”对连接器性能的要求.     

Low-Loss Many-to-One Fiber Couplers with Few or Single-Moded Inputs and a Multi-Mode Output

The coupling of light from a number of few or single-moded fibers into a single multi-mode fiber is analyzed using geometric optics, and simple results demonstrating mode conservation are derived. Coupling from multiple single-mode fibers into a multi-mode fiber is investigated in detail using the overlap integral to determine coupling into each mode of the output fiber as a function of the light phase in the inputs. As well as results with practical relevance to fiber tapped delay-line filters and optical CDMA, the analysis provides pedagogic insight into light propagation and the light-gathering properties of fiber.     

Low-Loss Many-to-One Fiber Couplers with Few or Single-Moded Inputs and a Multi-Mode Output

The coupling of light from a number of few or single-moded fibers into a single multi-mode fiber is analyzed using geometric optics, and simple results demonstrating mode conservation are derived. Coupling from multiple single-mode fibers into a multi-mode fiber is investigated in detail using the overlap integral to determine coupling into each mode of the output fiber as a function of the light phase in the inputs. As well as results with practical relevance to fiber tapped delay-line filters and optical CDMA, the analysis provides pedagogic insight into light propagation and the light-gathering properties of fiber.     

单端面透射模式长周期光栅的设计和测试

本文设计了一种单端面长周期光栅透射模式折射率传感器。首先,将2×2单模光纤耦合器输入端的一个光纤接头与光源相连接、输出端的两个光纤接头分别与光谱分析仪和长周期光栅的一个光纤接头相连接。然后,在包含长周期光栅的光纤另一个端面溅射反射银膜。最后,以一系列不同折射率的甘油水溶液为待测液体介质研究了直接透射模式与单端面镀银膜模式下长周期光栅的响应光谱的异同。实验结果表明:单端面镀银膜的长周期光栅的响应光谱仍然以透射谱的形式出现。对于同一种液体,单端面镀银膜的长周期光栅与直接透射模式的长周期光栅的响应光谱有着近乎相同的谐振波长值,但它们的光损耗存在一定的差异。在0~80%的甘油溶液中,直接透射模式下的光损耗从-12.92 dB变为-16.28 dB,再逐渐变到-13.22 dB;单端面镀银膜模式下的光损耗从-13.13 dB变为-13.74 dB,再逐渐变到-11.45dB。与直接透射模式相比,单端面镀银膜的长周期光栅的相对光损耗与甘油浓度的线性关系更加良好。本研究设计的长周期光栅测量系统采用单端面探头的方式检测环境介质,因而在测量中操作更加灵活方便,非常适合于远距离、恶劣环境或深层液体环境中的折射率测量。     

基于ABCD矩阵的楔形柱面光纤微透镜的耦合技术分析

运用激光模式耦合理论分析了半导体激光器与楔形柱面光纤微透镜的连接损耗,设计并制作了楔形柱面光纤微透镜用来实现两者的模斑匹配。运用ABCD矩阵方法,对该组件的耦合效率进行了仿真计算和分析,得到了高耦合效率下楔形柱面光纤微透镜的结构参数。该方法可有效地用于楔形柱面光纤微透镜的优化设计。     

基于单透镜的空间光-单模光纤耦合方法

将自由空间光耦合进单模光纤产生超连续谱的实验中,空间光与单模光纤的耦合效率是其中的一个关键问题。常采用的单透镜或显微物镜进行耦合存在耦合效率低、调整难度大、端面易损伤等问题。提出了先将自由空间的光耦合进纤芯尺寸较大的单模光纤,然后将纤芯较大的单模光纤和纤芯较小的单模光纤进行熔接。实验结果表明,改进的耦合系统耦合效率大大提高,达到60%以上,且调整难度降低,光纤端面的损伤概率降低,大大提高了超连续谱产生的效率。     

单端面长周期光栅透射模式测量技术

为了实现长周期光栅透射谱测量模式的远距离监测,设计了单端面镀反射膜的测量装置系统,对单端面镀银膜长周期光栅的传感原理做了分析,并从实验的角度分别对单端面镀银膜模式系统和直接透射模式系统的长周期光栅在不同折射率的环境介质中的响应进行了研究,比较了它们的异同。首先,采用2×2单模光纤耦合器分别连接光谱分析仪、光源、长周期光栅。然后,在包含长周期光栅的光纤的另一个端面制备反射银膜。最后,通过测量一系列不同折射率的环境介质,比较了直接透射模式与单端面镀银膜模式下的长周期光栅的响应光谱。实验结果表明:采用波长解调表达时,对于同一种环境介质,两种模式下长周期光栅的响应光谱的谐振波长基本相同;采用功率/峰值解调表达时,随着甘油浓度从水变为80%的甘油溶液,直接透射模式下的光损耗从-6.05 d B变为-9.22 d B,单端面镀银膜模式下的光损耗从-8.03 d B变为-11.33d B。与直接透射模式相比,单端面镀银膜的长周期光栅光谱中的相对光损耗明显增加,谐振峰更尖锐,更有利于谐振波长和谐振峰光损耗值的识别。本研究设计的单端面镀银膜的长周期光栅测量系统不仅保留了长周期光栅透射谱的感应模式,而且使长周期光栅在对环境介质的测量中操作更加灵活方便,尤其是在远距离、恶劣环境或深层液体的折射率测量中具有独特的优势。     

电光聚合物波导中的锥形结构

提出并设计了一种基于电光聚合物的锥形波导,可用于单模光纤与电光聚合物波导器件之间的连接.锥形波导中采用了宽度锥形和折射率锥形结构.宽度锥形采用劈形形状,通过宽度和折射率的缓慢变化实现模场转换.劈形形状的宽度锥形具有较小的损耗且易于制作,折射率锥形可采用灰度掩膜光刻技术制作.研究了锥形波导的传输损耗与锥形波导的长度、波导宽度和厚度、材料吸收损耗等参数的关系及其优化,分析了锥形波导中的功率传输、模场分布与模式转换效率.结果显示锥形波导的传输损耗小于0.37 dB,光纤-波导-光纤的连接损耗优于1.62 dB,对插入损耗的改善达到8.78 dB,模场转换效率达到了83.7%.     

快速耦合光纤过程与半导体激光器电光特性实验的研究

详细地介绍了怎样快速耦合半导体激光器所发射激光与普通光纤输入端端面的方法,使耦合效率尽可能达到最大,并使用简单的方法测量了光纤的剩余长度或者测量光速,最后给出据测量半导体激光器电光特性曲线可准确方便地获得阈值电流的方法。     

高精度星模拟器目标标准源设计

为满足高精度光学导航敏感器地面标定要求,针对传统标定用目标标准源技术特点,给出了一种基于有机电致发光器件(OLED)光源与光纤光导技术相结合的高精度目标标准源设计方法。分析设计方案并给出了目标标准源的整体结构;同时为提高OLED与光纤耦合效率,详细设计了标准目标源的光纤光源耦合机构以及光纤入/出射板的结构;为满足5～10等星的精确控制,对光耦合机构的自聚焦透镜和星等输出模拟系统中的滤光片进行了详细设计,并对自聚焦透镜进行了参数优化。对目标标准源的主要参数星等和星点间距精度进行的理论分析和实际测试表明所设计目标标准源达到了高精度星敏感器标定需要。