大气湍流像差对单模光纤耦合效率的影响分析及实验研究

空间激光到单模光纤(SMF)耦合技术是自由空间激光通信中的关键技术之一。在Matlab环境下仿真分析了单项波前像差和大气湍流像差对空间光到SMF耦合效率的影响,研究了随机并行梯度下降(SPGD)算法校正大气湍流中整体倾斜像差的迭代过程及对耦合效率的影响。仿真结果表明,SMF耦合效率随单项波前像差均方根(RMS)增加而降低,校正大气湍流中整体倾斜像差后,SMF耦合效率都有提高;当D/r0较小时,大气湍流像差中影响SMF耦合效率的主要像差为倾斜像差。搭建了基于SPGD算法的闭环控制系统,利用自适应光纤耦合器(AFC)校正模拟湍流倾斜像差后,SMF平均耦合效率从30.07%提升到了61.72%;耦合效率的均方误差(MSE)从7.28%降低到2.16%。     

熔融侧面泵浦耦合器光纤夹角对耦合效率的影响

泵浦耦合器是高功率光纤激光器的关键无源光器件,其制作工艺是采用泵浦光纤和主光纤侧面熔融的方法,该方法可以保持主光纤中信号光的低插入损耗,但泵浦光纤和主光纤之间的夹角对耦合效率影响较大。为解决这一问题,根据熔融侧面泵浦耦合器的结构特点,建立了物理模型,推导出各光纤中光功率与夹角关系的方程组,进行了数值仿真和实验论证,结果是随着泵浦光纤和主光纤之间夹角的减小,耦合效率会逐渐增大,但存在临界值,NA值小的泵浦光纤耦合效率高且临界角大,NA为0.22的泵浦光纤,夹角小于9.7时耦合效率最大值为96.9%,NA为0.15的泵浦光纤,夹角小于11.5时耦合效率最大值为97.8%。     

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。     

侧面抽运的掺Yb双包层光纤激光器

利用光纤角度磨抛侧面耦合新技术研究了侧面抽运的掺Yb双包层光纤激光器。实验上采取新的加工工艺获得了端面具有小锐角磨抛斜角的多模光纤,专门设计的高精密机械调整结构有效地将多模光纤的斜面和双包层光纤的侧面精确对准,通过不同的折射率匹配材料进行的研究,发现折射率匹配材料对于注入功率和抽运效率都有较大影响。实验中通过光纤角度侧面耦合器能够注入1．12W抽运光进入双包层光纤,侧面耦合效率最高可达80％。将该侧面耦合技术用于侧面抽运的掺Yb双包层光纤激光器,在单个尾纤输出的半导体激光器侧面抽运下得到光纤激光器的最大连续激光输出功率282mW,斜率效率为55．5％。实验结果表明,光纤角度磨抛耦合技术是掺Yb双包层光纤激光器的一种简单有效的侧面抽运方式。     

空间光到少模光纤的耦合效率及影响因素

建立了不同影响因素下空间光-少模光纤耦合效率的理论模型.以两模光纤为例分析了相对孔径对耦合效率的影响,当相对孔径为0.17时,耦合效率最高为82.96%.研究了倾斜、离焦、随机角抖动等因素对少模光纤耦合效率的影响.实验测得当横向偏移量为4μm时,两模光纤的耦合效率比单模光纤高10.23%;当轴向偏移量为125μm时,两模光纤的耦合效率比单模光纤高11.24%;当随机抖动幅度标准差为5μm时,两模光纤的耦合效率比单模光纤高12.1%.结果表明少模光纤对信号光接收过程中的干扰因素如倾斜、离焦和随机角抖动都有很好的抑制作用.     

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。     

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%.     

采用光纤消光法检测脉冲激光测距仪消光比的研究

阐述了光纤消光法检测脉冲激光测距仪消光比的测试原理,采用光纤消光法分析了光纤对大功率脉冲激光的耦合与传输等关键技术问题,提出了0．22NA、400μm大功率传能光纤方案,并设计了耦合器和光学系统,分析了聚焦透镜的损耗、光纤端面的损耗、光纤耦合器与光纤的对准误差等影响耦合效率的因素,计算了光学系统弥散斑数据,接收光学系统和发射光学系统在1ω视场的弥散斑分别为9．03μm和10．6μm。设计分析结果对光纤消光法的工程应用具有一定的研究价值。     

谐振式光纤陀螺保偏光纤谐振腔90°对接误差控制研究

保偏光纤谐振腔交叉偏振耦合引起的偏振波动是谐振式光纤陀螺的主要噪声源之一,保偏光纤偏振主轴旋转90°对接是克服偏振波动的有效方法,其对接角度误差大小对陀螺噪声抑制效果有重要影响。为此利用迈克耳孙(Michelson)白光光纤干涉仪偏振耦合测试方法,从理论上对双耦合器保偏光纤谐振腔的90°对接误差进行了分析,得到迈克耳孙光纤干涉仪输出的干涉交流项公式和干涉波形,进而计算得到双耦合器保偏光纤谐振腔的90°对接误差角度。对双耦合器的保偏光纤谐振腔90°对接角度误差控制进行了实验研究,实现了0.37°的角度对接误差。     

变温环境下谐振式光纤陀螺偏振误差研究

偏振噪声是谐振式光纤陀螺谐振腔中较为严重的光学噪声之一。基于琼斯矩阵的方法建立完整的光路传输模型,对谐振腔顺时针和逆时针两路光传输进行分析,得到环境温度在-40℃～80℃范围内变化时偏振噪声导致的陀螺误差。结果表明,在线起偏器消光比为30 dB时,耦合器直通端对准角度误差小于2.78°,耦合系数为0.05,双90°熔接点两侧光纤长度差容错值在0.207 m以内,使得陀螺输出误差小于0.01 （°）/h。基于此,当陀螺系统工作导致内部温度分布非均匀时,谐振腔上每相邻两段光纤间温度分布差需小于3.122℃。各影响因素的参数选择可为变温环境下由于偏振噪声导致的误差分配设计提供理论指导。     

掺铒光纤非线性耦合器的实验研究

提出一种耦合参量可用光调控的掺铒光纤非线性耦合器.用熔融拉锥法熔合两根掺铒光纤，拉制成工作波长为155nm的3dB掺铒光纤耦合器.通过调变输入耦合器一臂的980nm泵浦光功率，可以改变两臂的传播常量差，从而改变耦合器两臂信号光的相对输出功率.通过测量输入泵浦光功率和两臂信号光输出功率，得到直通臂耦合比依赖于泵浦光功率的实验曲线.实验研究表明，当泵浦光功率从0 mW变化至20 mW时，耦合比的变化可达到40％.与理论模拟的结果一致.     

光锥导光装置耦合效率分析与测试

介绍了光锥导光装置的优势,分析了影响光锥导光装置耦合效率的主要因素,得出了影响光锥导光装置耦合效率的理论模型误差曲线。以光锥端面反射损耗及光纤辐射损耗为主要误差源,测试了光锥导光装置的耦合效率及误差对耦合效率的影响;采用分光比标定的方法测量导光装置的耦合效率,消除了由于激光器输出能量变化给试验中脉冲能量测量环节带来的影响;根据试验测量数据,拟合出误差对耦合效率的影响曲线,通过与理论误差曲线进行对比,验证了理论模型的正确性,同时测得该耦合装置的耦合效率为70．26％。在激光束的入射角度误差〈5°,且在光纤耐受弯折允许范围内甩动光纤的情况下,总误差对耦合效率的影响〈10％,满足实际工程误差的允许范围。该耦合装置已经应用到实际工程中。     

分布式抽运连续光纤激光器研究

为了避免高功率光纤激光器中光纤端面出现热效应问题,依据多点级联结构的耦合器,对分布式抽运的光纤激光器进行了研究。首先,介绍了实验室自主研制的级联耦合器。然后,分析了耦合器插入对光纤激光器的影响。最后,选用自制的耦合器搭建了分布式抽运的光纤激光器。实验结果表明:对耦合器插入损耗的研究,能够促进高功率级联耦合器的实现。在光纤激光器结构中,975 nm泵浦功率注入1.1 k W时,1 080nm激光功率输出为770 W,光-光转换效率为77%。在主控振荡功率放大结构中,激光功率输出为635 W,放大级的光-光转换效率为78%。分布式抽运方式可以使泵浦光多点注入,避免了热量的集中,能够获得千瓦级的激光功率输出。     

埋入光纤挠性基板的光电耦合模块设计

为了提高埋入光纤挠性基板光电互联系统中激光束与光纤之间的耦合效率,设计了一种可分离式的高效光电耦合模块。对耦合模块的结构尺寸进行了设计,并运用Matlab软件分析了激光束经过45°全反射镜时的能流变化情况;针对芯径为62.5μm、数值孔径为0.25的多模光纤,利用Zemax软件仿真模拟光纤耦合系统,并用正交下降法优化耦合系统结构,将单路波长为1 310 nm、输出功率为1 W的垂直腔面激光束耦合进光纤。分析结果表明,耦合效率与轴向偏差、角向偏差成中心对称分布,当制造误差最大时,耦合效率达到79.37%,耦合损耗为1. 00 d B。该光电耦合模块具有较高的定位误差,最高耦合效率可达85.35%,最低耦合损耗为0.69 d B。     

SOI基纳米光栅耦合器的结构改进与仿真验证

针对硅基光波导与单模光纤在光耦合过程中存在耦合效率低,对准难度大的问题,提出了一种新型基于绝缘体上硅(SOI)结构的纳米光栅耦合器。运用有限时域差分法探究了纳米光栅耦合器的结构特性,结合光纤准直器的准直原理,系统分析了纳米光栅耦合器的结构模型。研究了入射光波长、入射角度、光栅占空比等因素对光栅耦合效率的影响,得出了基本纳米光栅耦合器的最佳结构参数;在基本耦合光栅结构的基础上进行了改进,增加了后反射器、增透膜和底层介质膜,并运用Optiwave OptiFDTD 8.0软件优化了各部分结构的设计参数,得到了优化的耦合光栅结构。纳米光栅耦合器的耦合效率提高至59.37%,3dB带宽达到65nm。     

激光点火系统用高功率光纤光开关

 仿真和实验研究了一种控制Nd:YAG脉冲激光能量通断的光纤直接连接型光开关。建立光纤耦合模型,分析了光纤对准误差中对耦合效率的影响,其中横向偏移的影响最显著。采用微机电系统V型槽固定光纤,微小型凸轮作为制动器,步进电机驱动凸轮旋转,微小型凸轮与移动光纤相切,带动光纤移动,实现两光纤的错开和对准。制造了这种高功率直接连接型光纤光开关原理样机,并进行了主要性能测试。测试结果表明,这种光开关能够满足激光点火系统的大容量、高隔离度的要求。     

球形光纤端面效应及其应用

本文介绍了球形光纤端面的制作方法,采用射线理论和等效透镜法分析了圆球形端面多模光纤的端面效应,并给出了两个不同端面多模光纤之间耦合的实验结果。结果表明：圆球形端面光纤具有聚光特性,与平端面相比,使用圆球形端面光纤不仅可以提高光器件之间的耦合效率,而且增大了它们之间的耦合距离,利于光路调试;可广泛应用于光源与光纤、光纤与光纤、光纤与探测器之间的耦合。     

星形光波导耦合器的耦合特性分析

根据TE0模光波导的本征场分布、瑞利索末菲标量衍射积分公式和激励源与光波导耦合的匹配效率公式,给出光波导端面衍射和耦合的归一化发射系数和接收系数计算公式,推导出光波导端面非接触耦合的耦合效率计算公式。光波导模场分布采用高斯函数近似表达,给出简洁的计算光波导端面非接触耦合的耦合效率函数表达式。最后,基于星形光波导耦合器结构参量的特点,将累加运算采用积分运算近似表达,给出星形光波导耦合器接收光波导总的接收效率与耦合器基本参量的关系,阐明了星形光波导耦合器的耦合特性。     

固体激光器与光纤激光器对光子晶体光纤棒耦合的分析与对比

耦合效率的高低与耦合后光斑的好坏直接影响着光子晶体光纤棒的放大效果,因此需要对种子光的耦合效果进行研究,选择合适的激光器作为种子源。本文对光子晶体光纤棒在固体激光器与光纤激光器两种情况下的耦合效率进行了理论分析;模拟计算了两种激光器情况下耦合效率的变化规律以及对准误差对耦合效率的影响;选择合适的透镜或透镜组,使用两种激光器对光子晶体光纤棒进行了耦合实验;对比两种激光器的耦合效果可知:固体激光器的耦合效率最高只能达到62.4%,而光纤激光器的耦合效率可以达到80%以上;在光纤激光器耦合情况下,对不同功率注入时耦合效率,以及耦合后光斑进行了实验分析。得到的实验结果对后续光纤棒的放大实验具有指导作用。     

量子点单光子源的光纤耦合

半导体量子点在低温下产生谱线细锐的激子发光可制备单光子源.光纤耦合可避免低温共聚焦装置扫描定位和振动影响,是实现单光子源即插即用和组件化的关键技术.在耦合工艺上,基于微区定位标记发展出拉锥光纤与光子晶体腔或波导侧向耦合、大数值孔径锥形端面光纤与量子点样片垂直耦合等技术;然而,上述工艺需要多维度精密调节以避免柔软光纤的畸形弯曲实现对准和高效耦合.陶瓷插针或石英V槽封装的光纤无弯曲且具有大平滑端面,只要与单量子点样片对准贴合就可保证垂直收光, V槽封装的排式光纤还可通过盲对粘合避免扫描对准,耦合简单.本文在前期排式光纤粘合少对数分布Bragg反射镜(distributed Bragg reflector, DBR)微柱样片实现单光子输出基础上,经理论模拟采用多对数DBR腔提升样片垂直出光和光纤收光效率,使光纤输出单光子计数率大大提升.