光纤纤芯及包层模有效折射率计算及仿真

光纤结构设计、模间色散求解、光纤光栅模式耦合等问题的研究, 都需要对光纤纤芯及包层模的有效折射率进行精确计算. 本文以光纤三层结构模型为基础, 结合该模型下的模式本征方程, 使用截弦法求解了纤芯模有效折射率, 并将计算结果与COMSOL软件模拟的对应纤芯模的传输光场进行对比, 验证了计算结果正确.使用区间遍历算法对包层模有效折射率进行了求解, 与已有的传统方法相比, 该方法可以有效防止求解过程中根的遗漏、避免特征方程产生的奇点, 并能保证模式的正规性.本文采用Mathematica软件对求解过程进行仿真, 获得了纤芯模和包层模有效折射率与波长关系曲线. 关键词： 光纤传输模式 有效折射率 截弦法 区间遍历算法     

基于对称双环嵌套管的低损耗弱耦合六模空芯负曲率光纤

本文设计了一种具有对称双环嵌套管结构的新型低损耗少模空芯负曲率光纤,该光纤支持LP₀₁, LP₁₁,LP₂₁, LP₀₂, LP_31a, LP_31b共6种纤芯模式.所设计的光纤以SiO₂作为基底材料,采用特殊的对称双环嵌套结构将包层区域进行划分,能够有效地减小纤芯模式与包层模式的耦合.使用有限元法对该少模空芯负曲率光纤的结构参数进行优化,并分析了纤芯各个模式的限制损耗和弯曲损耗.仿真结果表明,所提出的少模空芯负曲率光纤能够同时支持弱耦合的6种纤芯模式独立传输(相邻模式间的有效折射率差均大于10^–4,有效地避免了纤芯内模式间的耦合).在400 nm带宽(1.23—1.63μm,覆盖O, E, S, C, L波段)范围内,纤芯中的6个模式均保持低损耗稳定传输.各模式限制损耗在1.4μm处达到最低,其中基模LP₀₁模式的限制损耗最低,为4.3×10^–7 d B/m.此外,当弯...     

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.     

利用超格子模型对布拉格光纤的研究

为了研究布拉格光纤的模式特征和传输特性,提出了超格子模型,利用傅里叶级数表示光纤横向折射率分布,利用平面波展开法分析布拉格光纤的能带结构,基于厄米-主斯函数的局域正交函数展开法,从全矢量耦合波动方程出发,得到关于模式传播常量和电场展开系数的本征方程,从而分析布拉格光纤的模式特征。以高折射率芯布拉格光纤为例,实现了该算法,得到基模与二次模的横向电场分布、基模色散曲线和模式双折射。基模的模式双折射可用于衡量算法的精度,结果表明该算法精度较高。超格子模型不仅可以用于研究高折射率芯布拉格光纤,而且同样可以研究低折射率区域导光的布拉格光纤。     

石墨烯包层结构光子晶体光纤的高双折射特性

将PG玻璃材料制作成的椭圆纤芯引入光子晶体光纤中心,设计了一种石墨烯包层结构的高双折射光子晶体光纤.基于有限元法对该光纤的双折射特性进行了数值模拟,研究了光纤孔径比、孔间距和纤芯椭圆对双折射特性的影响,并以该光子晶体光纤的模场面积和限制性损耗为依据进行了优化.研究结果表明:在波长1 550nm处,光纤双折射率高达0.13,满足高双折射要求;两偏振方向模场面积小于0.7μm2,限制性损耗低于10-6 dB/km.该光纤可有效保持光在传输系统中的偏振状态,为高稳定性超连续谱的产生提供依据.     

多叶应力区扭转光纤的耦合模理论

从线性极化模的耦合模理论出发,分析了双叶应力区扭转光纤,即扭转保偏光纤,和四叶应力区扭转光纤.推导应力引起的在光纤芯区各向异性的介质张量表达式;利用该表达式得到线性极化模在有转角时的多叶应力区光纤中传输的耦合模方程;从而推得多叶应力区扭转光纤中的超本地模,由超本地模的相位常数来确定该光纤的双折射.在双叶、四叶应力区理想对称的条件下,前者可以得到较高的椭圆双折射,而后者则无任何双折射.同样的结论可推广到8叶或16叶的扭转光纤,都无任何双折射.     

基于多芯光纤的三模复用/解复用器的设计

根据模式耦合理论,设计了一种基于三芯光纤并支持LP_(01)、LP_(11a)、LP_(11b)三种空间模式传输的三模复用/解复用器。该三芯光纤由一个位于中央的三模纤芯和两个外部的单模纤芯构成。选择三模纤芯的结构参数,根据模式有效折射率匹配原理分别设计两个外部单模纤芯的参数。通过仿真分析了LP_(11a)模与LP_(01)模、LP_(11b)模与LP_(01)模的功率转换过程,确定最优的光纤长度为5.2mm。在C+L波段中所设计的三模复用/解复用器能提供50nm的工作带宽,其模式转换效率达到90%。该基于三芯光纤的三模复用/解复用器具有结构简单、模式转换效率高、插入损耗小、带宽宽等优点。     

包层模谐振特种光纤及传感特性研究

研究了一种具有双包层结构的包层模谐振特种光纤,该特种光纤具有一个低折射率内包层,基于耦合模原理,纤芯模与包层模之间发生谐振耦合,从而获得具有带阻特性的传输光谱.系统介绍了包层模谐振光纤的制备、传输原理及其弯曲、溶液折射率、折射率/温度双参量等传感特性.实验和理论研究结果表明,包层模谐振特种光纤对于弯曲、溶液折射率参量具...     

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.     

隔行分层填充的太赫兹超高双折射多孔光纤

本文提出了一种对普通三角晶格多孔光纤隔行分层填充匹配材料, 实现超高模式双折射的方法. 首先, 采用全矢量有限元法对多孔度为43.08%的三角晶格多孔光纤的传输特性进行了详细研究. 随后, 为增强结构非对称性对纤芯空气孔隔行填充折射率为1.4的液体, 发现光纤的模式双折射显著提高, 在峰值处(1.1 THz)由填充前的1.05×10^-3增大到1.36×10^-2; x, y两偏振模式基模的吸收损耗系数分别由0.16 dB/cm增大到0.25 dB/cm和0.28 dB/cm; 光纤的工作带宽由1.1 THz增大到1.9 THz. 研究发现通过增大填充材料的折射率能够显著提高光纤的模式双折射; 当n=2, f=2.2 THz时, 光纤能够达到8.03×10^-2的超高模式双折射. 进一步, 采用隔行分层填充的方式, 在不同层填充不同折射率的液体, 实现折射率的梯度分布, 从而增强光纤对导模的限制能力. 结果显示, 采用该填充方法, 光纤的模式双折射在工作频段内没有峰值, 呈现单调递增的趋势. 当f=2.2 THz时, 模式双折射达到7.19×10^-2. 该设计不仅实现了超高的模式双折射, 同时还具备可调谐的特性, 对实际应用具有重要意义.     

Permanent refractive-index modification in germanium-doped optical fibers by use of red light

We observed photoinduced birefringence in elliptical-core optical fibers by using a continuous-wave krypton-ion laser. We induced the birefringence by injecting 20 mW of 647-nm or 50 mW of 676-nm light into the fiber at 45 degrees to the slow axis. The rate of change of the refractive index was found to be proportional to the square of the average power. Polarization mode couplers written into the fibers have been stable for more than 2 years and can be erased by use of light polarized perpendicularly to the original writing beam.     

矩形晶格高偏振、低损耗铋锗镓光子晶体光纤的结构设计及性能分析

非对称结构光子晶体光纤应用广泛。其良好的偏振特性、灵活的色散调控能力以及低限制损耗品质,对于优化与改善偏振光纤器件、非线性光学光纤、光通信光纤、光纤传感器等性能发挥着关键的作用。选用高折射率铋锗镓激光玻璃为材料,设计了八边形阵列、矩形晶格排列的光子晶体光纤,纤芯缺陷区包层及外包层均为圆形空气孔。模拟实验数据显示,结构参数为M=0.5,0.6时,在波长为1.55 μm处的双折射系数分别为1.16×10?2和1.33×10?2;在近红外波段短波区,矩形晶格结构光子晶体光纤的色散范围分别在±30 ps·nm?1·km?1之间及?18～32 ps·nm?1·km?1之间。色散斜率较低,曲线具有零色散点,展现了良好的连续谱调控能力;在1.00～1.90 μm波段内,当M=0.5,0.6时,光纤限制损耗稳定在10?7～10?9 dB·km?1之间;在1.55 μm处,限制损耗测量值分别为2.32×10?7和1.62×10?8 dB·km?1。     

锗在吸收边附近的压力—折射率系数

目前半导体锗在吸收边附近(1550 nm)的压力-折射率系数在实验和理论上并未研究清楚.本文通过测量在不同压力下镀在光纤端面的高结晶度锗薄膜的反射率,来计算得到锗在吸收边附近的压力-折射率系数.本文的实验结果显示,锗在吸收边附近出现反常色散现象,即折射率随能量变化呈正相关,并且其压力-折射率系数出现反常,为正值,这是由于多晶结构中的激子吸收所引起.通过引入描述激子色散的临界点模型,得到锗在吸收边附近的反常色散范围和压力-折射率系数呈正值的范围.本文的结果将有助于基于锗薄膜的通信C波段光学器件的研究.     

Tunable highly birefringent photonic bandgap fibers

A novel tunable highly birefringent photonic bandgap fiber (PBGF) is designed theoretically by filling its air holes with high-index material. The transmission band can be continuously tuned by changing the refractive index of the filling material. Accordingly, the tunable modal birefringence and polarization mode dispersion of the PBGFs are investigated by adjusting the refractive index of the filling material. Furthermore, we have also analyzed the effect of surface modes in the photonic bandgap on the characteristics of the tunable PBGFs. The simulation results show the feasibility of constructing birefringence-tunable photonic crystal fibers and related fiber devices in practical applications.     

微纳光纤镀铂金膜锁模光纤激光器

采用有限元法仿真了微纳光纤中模式在镀膜前后的能量、电场及有效折射率变化,分析了HE11、TE01、HE21和TM01模式在微纳光纤中的传输特性以及与铂金膜的相互作用原理。采用缓冲氧化物刻蚀液制作了微纳光纤并用离子喷溅法镀铂金膜,得到直径为13.2μm、铂金膜厚度为40 nm的微纳光纤器件,测试了其可饱和吸收特性,调制深度和饱和强度分别为0.57%和0.8 MW/cm²。制作了全光纤锁模激光器,锁模阈值为180 mW。锁模脉冲重复频率为17.93 MHz,脉冲宽度为103 ps,中心波长为1 031.6 nm,半高宽约为3.5 nm。     

基于无芯光纤的多参数测量传感器

设计并制作了一种基于单模-无芯-单模-无芯-单模光纤结构的马赫-曾德尔传感器,可用来同时测量折射率和温度.该传感器中,两处无芯光纤充当输入、输出耦合器,中间单模光纤作为传感臂.利用有限元仿真和理论分析,确定耦合器和传感臂的最优长度为15 mm.在无芯光纤中激发出的高阶模进入单模光纤的包层传输,由于倏逝场的作用,受到环境折射率和温度的影响.选取透射谱不同干涉级次的波谷作为研究对象,实现了折射率和温度的同步测量.实验结果表明:1545 nm附近干涉谷的折射率和温度灵敏度分别为–153.89 nm/RIU(refractive index unit)和0.166 nm/℃;1570 nm附近干涉谷的折射率和温度灵敏度分别为–202.74 nm/RIU和0.183 nm/℃.该传感器在实现折射率和温度同步测量的同时,仍能保持较高灵敏度,在生物医疗等方面有着较好的应用前景.     

聚二甲基硅氧烷微流道中光流控荧光共振能量转移激光

将单一折射率的石英裸光纤植入由聚二甲基硅氧烷构成的基片微流道中,以低折射率的罗丹明B(RhB)和吡啶821(LDS821)乙醇溶液构成的供体和受体对作为激光增益介质.采用沿光纤轴向消逝波抽运方式,首先以波长为532nm的连续波激光器作为激励光,对荧光共振能量转移特性参数进行了研究.然后以波长为532nm的脉冲激光器作为抽运光,通过直接激励供体分子RhB,并将其能量转移给临近的受体分子LDS821,在不改变抽运光波长的条件下,实现了较低阈值(1.26μJ/mm~2)的受体LDS821激光辐射.     

Pump induced birefringence in dual-polarization fiber grating lasers

Birefringence is critical in dual-polarization fiber-laser-based fiber-optic sensing systems, as it directly determines the beat frequency between the two polarizations. A study of pump induced birefringence in dualpolarization fiber lasers is presented here, which shows that the pump induced birefringence is a result of the interplay among pump induced refractive index change, laser dynamics, and anisotropy inside fiber lasers.For erbium-doped fiber lasers, pumping at 1480 nm is better than pumping at 980 nm in lower pump induced birefringence. Moreover, injection at 532 nm for an adequately long enough time can permanently reduce anisotropy and, hence, reduce pump induced birefringence.     

基于包层模的光纤布拉格光栅折射率传感特性

提出了基于光纤布拉格光栅(FBG)包层模式的折射率传感方案。实验中,利用不同浓度的丙三醇水溶液作为外界折射率传感溶液,采用氢氟酸溶液化学腐蚀的方法来减小光纤包层的直径以增大包层模式对外界折射率的敏感度,研究了腐蚀后光纤布拉格光栅包层模式的耦合波长对外部折射率的变化关系。实验结果表明在1.3300~1.4584的折射率范围内,包层模式耦合波长随外界折射率增大而增大,在接近光纤包层折射率处具有很高的折射率灵敏度,最大达到了172 nm/riu(refractive index unit)。而且,包层模谐振的光谱半峰全宽(约0.07 nm)仅为布拉格纤芯模谐振光谱半峰全宽的1/4,能够获得更好的传感精度。