光纤扰模技术实验研究

照明的不稳定性会引起视向速度测量误差,从而严重限制仪器精度的提高。光纤扰模是提高仪器照明稳定性的有效途径之一。为了给现有高精度色散光谱仪升级及新型高精度视向速度仪器设计提供可靠的实验参考,对单根圆形光纤、单根八边形光纤、圆形-八边形-圆形光纤串接系统、双圆形光纤扰模系统、圆形-八边形混合双光纤扰模系统和双八边形光纤扰模系统的近场和远场扰模性能进行详细的实验研究。实验结果显示:单根八边形光纤较单根圆形光纤具有更好的近场扰模性能,双光纤扰模技术可以有效改善近场和远场扰模性能,双八边形光纤扰模系统能同时具有良好的近场和远场扰模性能。实验研究了球透镜和双透镜两种双光纤扰模系统,球透镜系统通光效率约为55%,双透镜系统通光效率约为80%。     

分段式光纤传输系统的扰模增益及能量变化

天文探测中,要求类地行星探测中视向速度的测量精度达到10cm/s。圆形光纤扰模引起的谱线漂移成为影响视向速度测量精度的一个主要因素。提出了圆形结合多边形光纤的分段式光纤传输系统,以改善圆形光纤的扰模特性。利用搭建的测试光纤远近场光斑质量的光学系统,评价光纤出射场的光斑质量;分别研究了圆形光纤、圆形结合正方形光纤、圆形结合八边形光纤的分段式光纤传输系统在不同耦合条件下的远近场分布;分析了系统的扰模增益及能量变化。结果表明,圆形结合多边形光纤的分段式光纤传输系统提高了系统的扰模特性和稳定性。当多边形光纤芯径小于圆形光纤时,较大的入射偏移量引起耦合能量损失;当多边形光纤芯径大于圆形光纤芯径时,能量守恒。圆形结合八边形光纤传输系统的近场质心偏移较小,扰模系数较高,可有效减小耦合误差引起的谱线漂移,从而提高视向速度的测量精度。     

多边形光纤远近场扰模特性

天文探测中类地行星的探测需要进一步提高视向速度的测量精度。但圆形光纤扰模效果不佳所引起的入射信息变化时的谱线漂移,成为限制测量精度提高的一个主要因素。采用多边形光纤改善光纤传输系统的扰模特性。利用搭建的测试光纤远场和近场光斑质量的光学系统,通过对光纤出射场光斑质量进行评价,研究了圆形、长方形、正方形和八边形光纤在不同入射条件下的远场和近场分布及远场光斑的光强变化和近场光斑的质心偏移,得出了不同光纤的扰模增益系数。实验表明,在相同入射条件下,多边形光纤具有较好的扰模特性,其中八边形光纤的远场光强变化最小,近场光斑质心偏移最少,扰模特性最好。以八边形光纤代替圆形光纤,可有效减小入射偏差引起的谱线漂移,提高视向速度的测量精度。     

天文光纤机械扰模器调制环形光场的实验研究

光纤入射光束的角度和位置的变化对光纤出射光束的远场光强分布有较大影响。通过分析光纤出射光场的光强分布,研究了斜光束的偏轴角对光纤出射光场的影响。光纤耦合理论说明光纤的宏弯曲会使光纤内部模式相互耦合,根据这一原理设计一种能使光纤宏弯曲并以此来改善光纤出射场分布的机械扰模器。在实验中,对不同偏轴角入射及处于不同扰模程度的光斑进行中值滤波、高斯拟合等处理,得到光斑的径向光强分布曲线、高斯拟合度、不同出射焦比范围的能量变化等参数,以此分析机械扰模器的扰模效果。     

低串扰大模场面积多芯光纤的设计与优化

当前光通信网络正朝着大规模、大容量的方向迅速发展,传输带宽所面临的巨大增长压力对通信光纤提出了更高的要求。在此背景下,基于空分复用的多芯光纤充分利用了空间维度,可以有效解决传统单模光纤的理论传输容量极限导致的容量紧缩问题,而大容量传输系统要求多芯光纤具有低串扰大模场面积的光学特性。通过采用光束传输法和有限元法模拟仿真了多芯光纤中各结构参量对芯间串扰和有效模场面积的影响,并利用两种不同参数的多芯光纤进行了实验验证,对芯间距、纤芯/沟道的尺寸和折射率进行了优化,在理论上完成了串扰小于-45dB、模场面积大于130μm2多芯光纤的设计。     

低串扰低弯曲损耗环形芯少模多芯光纤的设计

针对少模多芯光纤中存在的纤芯内模式间的耦合及芯间模式耦合等问题,提出一种阶跃型环形芯组成的7芯结构光纤,每个纤芯可支持5个模式.各纤芯具有一个中心低折射率区域和一个高折射率环,保证纤芯内模式间均具有较大的折射率差,从而减小模式间耦合问题.运用有限元法模拟分析了中心纤芯和外纤芯的弯曲损耗、模式间的串扰特性及纤芯参数对串扰性能的影响.数据模拟结果表明,当波长为1.55μm,这种多芯光纤在弯曲半径为50 mm时,弯曲损耗远低于光纤衰减损耗,且纤芯中5个模式的相邻纤芯之间串扰均小于-20 dB/100 km,因而这种多芯光纤在小弯曲半径下仍可实现纤芯间独立的长距离信息传输.     

一种沟槽辅助气孔隔离的低串扰高密度异质多芯少模光纤

以单模光纤为基础的传统光通信系统的容量已趋近其理论极限,多芯少模光纤是突破现有传输容量瓶颈的一种有效方式.本文设计了一种低串扰5-LP模的弱耦合异质芯7芯光纤,采用沟槽辅助和气孔隔离相结合的方法,在标准125μm外径的情况下实现了芯间和模间的低串扰.利用有限元法计算了纤芯之间的串扰、有效模面积等.经过设计优化,光纤在光通信C+L波段可以稳定传输5个LP模式,其中LP₂₁与LP₀₂模之间的有效折射率差最小,且大于1.1×10^–3;光纤中LP₃₁模式的芯间串扰最大且低于–50 dB/km,因此该光纤可以同时实现模间和芯间的低串扰传输. 7个纤芯中5个LP模的有效模面积均大于86μm~2,在波长1550 nm处相对纤芯复用因子为57.63,该光纤可用于大容量高速光纤传输系统.     

低串扰大模场面积多沟槽辅助六芯光纤的研究

为提高光纤的传输容量,并获得更佳的传输性能,设计了一种三层沟槽辅助的低串扰大模场面积的同质六芯光纤,该结构将多芯光纤的每个纤芯用三层低折射率的沟槽包裹,并在包层中添加隔板结构.通过COMSOL、Rsoft软件进行仿真,就纤芯半径、包层折射率、沟槽深度、沟槽宽度对芯间串扰和模场面积的影响进行了研究.结果表明,在波长为15...     

八边形结构的双折射光子晶体光纤

提出一种新型的双折射光子晶体光纤,在正八边形的基础上改变纤芯附近的几个空气孔的直径产生双折射.利用多极法对该光纤基模的模场分布、色散、限制损耗及双折射特性进行数值分析,并且分析了一些参数对双折射的影响.计算了具有相同参数的六边形结构光子晶体光纤的色散系数、限制损耗及双折射率.研究表明,具有相同参数的八边形结构光子晶体光纤比六边形结构光子晶体光纤的双折射率明显提高,限制损耗大幅度减小,零色散波长也向短波方向移动. 关键词： 光子晶体光纤 双折射 色散 限制损耗     

相位匹配下锥形光纤激发出的回廊模谐振

分别计算不同直径下锥形光纤基模和玻璃微球谐振腔内最低阶径向回廊模的传播常量,利用相位匹配条件,作出了锥形光纤与石英玻璃微球腔的直径对应关系曲线.在此基础上,选择锥腰直径2.8 μm左右的低损耗锥形光纤与直径143.1 μm球形度很好的玻璃微球腔进行近场耦合以激发球内的最低阶径向回廊模谐振,在锥形光纤的两端进行通光测试,在输出端获得了等间距分布的窄线宽滤波谱线,其吸收峰位置与利用Mie理论计算的球内最低阶径向回廊模谐振峰位置相一致.     

一种具有低串扰低非线性的双沟槽环绕型十三芯五模光纤

信息化对高速大容量光纤网络的需求日益强烈,空分/模分复用是继波分复用之后可使通信容量翻倍的新一代光纤通信技术.本文提出了一种双沟槽环绕型十三芯五模光纤,以满足未来对高速大容量信息传输的需求.针对空分-模分复用中降低串扰的目标设计优化光纤,采用双沟槽环绕结构,将光能量更好地限制在纤芯内,从而减小芯间和模间串扰.利用全矢量有限元法与功率耦合理论相结合计算并分析多芯光纤的串扰和传输特性.经过优化结构参数,可使光纤在1.3—1.7μm波段内稳定传输LP01, LP11, LP21, LP02,和LP31 5个模式;信号在1.55μm波长处传输60 km时,对应于以上5个模式相邻纤芯的芯间串扰分别为–122.37,–114.76,–106.28,–100.68,–92.81 d B,相邻模式之间的有效折射率差大于1.026×10–3,芯间和模间串扰可以被有效抑制; 5个模式对应的非线性系数分别为0.74, 0.82, 0.88, 1.26, 0.93 W–1·km–1,均可保持低非线性传输.该光纤结构简单紧凑,可利用气相沉积法和堆叠法制备预制棒,进一步拉制成具有低串扰低非线性的十三芯五模光纤,可应用于长距离高速大容量光纤传输系统.     

大模场掺镱双包层光子晶体光纤内包层新型结构研究

制备了掺镱多组分硅酸盐光子晶体光纤纤芯材料。其折射率为1.586,有效荧光半高宽为85.3 nm,荧光寿命为1.30 ms。分析了光纤结构参数对光子晶体光纤的归一化频率（单模截止条件）、数值孔径、有效模面积、非线性效应和限制损耗等参数的影响。设计了以该材料为纤芯,内包层为八边形、五层空气孔的新型结构光子晶体光纤。用有限元法对该光子晶体光纤性能进行了数值模拟。结果表明,该光纤有效模场面积为1 150 μm²;当空气孔直径为21.6 μm、孔间距为60 μm时,内包层数值孔径达到0.45。     

环形腔被动锁模掺饵光纤激光器

通过在非线性偏振旋转环形腔内引入一种可旋转的在线起偏器,在保证装置的全光纤化结构的前提下,简化了被动锁模光纤激光器的结构.通过联合调节可旋转的在线起偏器、1/2波片和1/4波片的角度实现了掺饵光纤锁模脉冲20 nm间隔的双波长调谐输出,调谐过程中观察到了锁模脉冲双波长状态.另外,从装置中去掉1/2波片后,仅调谐可旋转的在线起偏器和1/4波片也能够实现锁模脉冲的单波长稳定输出.     

环形腔被动锁模掺饵光纤激光器

通过在非线性偏振旋转环形腔内引入一种可旋转的在线起偏器,在保证装置的全光纤化结构的前提下,简化了被动锁模光纤激光器的结构.通过联合调节可旋转的在线起偏器、1/2波片和1/4波片的角度实现了掺饵光纤锁模脉冲20nm间隔的双波长调谐输出,调谐过程中观察到了锁模脉冲双波长状态.另外,从装置中去掉1/2波片后,仅调谐可旋转的在线起偏器和1/4波片也能够实现锁模脉冲的单波长稳定输出.     

全固态八边形大模场光子晶体光纤的设计

提出一种新型的全固态八边形大模场低损耗的掺镱石英光子晶体光纤,利用多极法对光纤的结构和特性进行了模拟.这种结构的光子晶体光纤空气孔由掺有少量氧化硼的石英棒代替,简化了制备过程,提高了光纤的热损伤阈值.在波长为1064 μm处,光纤的模场面积可达2000 μm²,还可实现单模传输,而且其弯曲损耗很小,当弯曲半径为5 cm时弯曲损耗小于05 dB/m.这种光纤对光纤激光器和光纤放大器的发展有重要意义. 关键词： 光子晶体光纤 模场面积 弯曲损耗 限制损耗     

抗弯曲大模场面积少模光子晶体光纤

为更好地解决少模光纤在传输中由于模式耦合过强而导致的信号串扰问题,对弱耦合光子晶体光纤中的线偏振(LP)模式以及矢量模的传输特性进行了研究,设计了一种可传输20种矢量模的双包层光子晶体光纤。通过有限元法模拟光纤参数对相邻LP模式间最小有效折射率差的影响,优化结构参数,使光纤支持稳定传输6种LP模式并满足弱耦合要求。最后分析了不同模式的有效模场面积、弯曲损耗。结果表明:各模式之间的最小有效折射率差达到1.12×10^-4,表明模式间的串扰可忽略。基模有效模场面积达到了1 040μm²,且其相应的非线性系数低至1.07×10^-10。此外,在弯曲半径为38 mm时,各模式弯曲损耗最大仅为5.65×10^-8dB/km。与主流的单模光纤及少模单包层相比,该结构具有大模场面积,低模间串扰及更强的抗弯曲能力,丰富了空分复用技术的开发思路。在大数据、虚拟现实、网络传输容量等新兴业务以及光纤传感方面提供了有益的参考方案。     

光纤耦合模理论及其在光纤布拉格光栅上的应用

将正确的光纤中的正交关系应用于微扰耦合模理论得到了光纤中的微扰耦合模方程；并将其应用于光纤布拉格光栅，得到了一种新耦合模方程。该方程中作为标志性特性的耦合系数与其它理论中的耦合系数都不相同。讨论了方程的解，得到了峰值反射率与布拉格波长、光栅长度之间的简单关系式。用光纤布拉格光栅进行了实验，理论和实验结果符合得很好。     

光纤Mach-Zehnder干涉仪中的高阶模干涉现象

利用Hermite-Gauss函数、模式干涉理论以及电场矢量线性叠加方法,分析了高阶模经光纤Mach-Zehnder干涉仪后的输出光场的空间干涉现象,得出了两个高阶模之间干涉光场的公式,计算出了双模光纤中各模式之间空间干涉的光场.数值仿真结果表明二阶模之间的干涉光场是两个相同的圆形光斑,而基模和二阶模之间的干涉光场是两个不等大的圆形光斑.     

螺旋光纤的导模

从波动方程出发，直接在本地坐标系（Ｓｅｒｒｅｔ－Ｆｒｅｎｅｔ框架）中研究了任何各向同性折射率分布的圆形芯弱导螺旋光纤导模的特性，得到两个重要的结论：（１）螺旋光纤的导模只能是右旋或左旋圆偏振模；（２）螺旋光纤不能传输ＴＥ模和ＴＭ模。这两个理论结果和已知的实验结果很好地一致。     

微扰模型分析长周期光纤光栅薄膜传感器

提出了一种新的基于三层阶跃折射率光纤的微扰模型,分析长周期光纤光栅（Long Period Fiber Grating,LPFG）薄膜传感器,并从β2稳定性定理出发推导出适用于薄膜传感器的微扰公式.该模型不仅能够清晰反映薄膜参量与包层模传播常量变化量之间的关系,而且在计算量和计算难度远低于四层波导模型情况下获得与严格求解结果相当的计算准确度.考虑数值计算本身引入的计算误差,该模型能够满足定性和半定量理论分析需要.最后通过长周期光纤光栅液态水膜的挥发实验对该模型进行了初步验证.