大气湍流对空间光耦合至单模光纤的影响

 根据弱湍理论,考虑湍流强度闪烁、孔径平均效应、湍流波前畸变及耦合系统跟踪误差的影响,导出了空间光到单模光纤的平均耦合效率及耦合功率起伏方差模型。根据Hufnagel-Valley 5/7折射率结构模型,对下行连接及上行连接的平均耦合效率及耦合功率起伏进行了研究。仿真结果表明,对于下行连接,随着地面接收天线孔径的增大,相对功率起伏先是由于孔径平均效应而减小,而后由于湍流波前畸变的影响而逐渐增大;对于上行连接,可忽略湍流波前畸变及孔径平均效应的影响。     

基于SPGD算法的少模光纤耦合解复用系统动态湍流补偿仿真

在空间光通信系统中,激光在大气中传输时容易受湍流效应影响,且接收端往往使用模场半径极小的单模光纤进行空间光耦合,导致光纤耦合效率降低,影响通信系统性能.为了提高接收端光纤耦合效率,结合随机并行梯度下降(SPGD)算法和少模光纤耦合解复用系统对动态湍流所引起的波前相位畸变进行补偿校正,并实现了传输距离为5 km的空间光通信数值仿真.仿真结果表明:在不同的湍流强度和风速条件下,未经SPGD算法校正时,两模光纤的耦合效率比单模光纤提高了0.5 dB～1.5 dB,相对标准差降低了0.03～0.4;经过SPGD算法校正后,两模光纤的耦合效率比单模光纤提高了0.4 dB～2.2 dB,中强湍流下,相对标准差降低了0.1～0.2.因此在空间光通信中,采用少模光纤进行耦合接收比单模光纤具有更好的耦合效果,有利于提高通信系统稳定性.     

大气湍流中空间光至单模光纤耦合的跟踪算法

 通过模拟湍流波前的振幅起伏及相位起伏,研究了采用CCD探测器的湍流波前倾斜校正系统的空间光到单模光纤耦合功率的衰落特性,对CCD图像的跟踪算法进行了研究。仿真结果表明,在接收孔径直径与Fried 参数的比值较大时,采用质心跟踪算法的倾斜校正系统的性能很差,耦合光功率会产生严重衰落。提出了一种高斯模板匹配的倾斜校正跟踪算法,在湍流较强时,可以有效地降低耦合光功率的衰落深度,并且可以避免采用质心算法可能出现的大孔径接收性能低于小孔径的不利情况。     

光电探测噪声对单模光纤自适应耦合装置的闭环性能影响研究

单模光纤自适应耦合装置能够将空间激光高效、稳定的耦合至单模光纤中,在自由空间光通信领域具有重要的研究意义.然而,在长距离、强大气湍流环境下的空间光通信系统中,装置闭环性能会受到光电探测噪声的严重干扰.本文针对该问题开展了深入研究,分析了光电探测噪声的作用机理,建立了噪声干扰程度评价指标,同时结合实际的单模光纤自适应耦合装置开展了相应的数值仿真研究.仿真结果表明,光电探测噪声会对光纤耦合过程中的闭环平均耦合效率、闭环精度、以及闭环带宽产生严重影响.根据仿真结果,本文给出了相应的经验公式,能够用以计算强噪声干扰环境下光纤耦合过程应满足的光学及电学参数.本文的理论及仿真结果能够为长距离、强大气湍流环境下的单模光纤自适应耦合装置的设计提供相应的理论依据.     

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%。     

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.     

光耦合理论及其在通信元器件中的应用

运用矩阵光学中变换矩阵的理论,并以重叠面积积分的方法为基础,推导出了普遍适用于计算光在光通信元器件中光耦合效率的理论公式,可通过设置边界条件计算单模光纤、扩束光纤、半导体激光二极管以及光波导等不同光学元器件之间的耦合效率。导出了计算单模光纤之间和单模光纤与扩束光纤之间存在横向偏移、轴向偏移时的耦合效率理论通用公式。阐述了扩束光纤的制作方法及光在扩束光纤中的传播,并根据所推导耦合效率理论公式计算结果与单模光纤间和单模光纤与扩束光纤间的耦合实验数据进行了比较。     

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。     

基于非球面透镜的空间光场光纤耦合系统研究

针对全光纤激光雷达中空间光场与单模光纤的耦合问题,设计了基于非球面透镜的望远镜光纤耦合系统.利用ZEMAX软件以单模光纤耦合效率为优化目标对其结构参量进行优化设计,然后分别用LED和激光器作为光源进行初步实验,比较直接耦合和非球面透镜耦合效果.实验结果表明,采用非球面透镜耦合可使多模光源的耦合效率比直接耦合增加约47％,与仿真结果45％非常接近,且不同芯径耦合光功率之比大略等于芯径比平方;而该耦合方式可使单模光源的耦合效率增加约20％,且耦合进不同小芯径光纤的耦合效率之比约为其芯径比平方的2.4倍,这对构建全光纤转动喇曼激光雷达系统具有重要意义.     

基于非球面透镜的空间光场光纤耦合系统研究

针对全光纤激光雷达中空间光场与单模光纤的耦合问题,设计了基于非球面透镜的望远镜光纤耦合系统.利用ZEMAX软件以单模光纤耦合效率为优化目标对其结构参量进行优化设计,然后分别用LED和激光器作为光源进行初步实验,比较直接耦合和非球面透镜耦合效果.实验结果表明,采用非球面透镜耦合可使多模光源的耦合效率比直接耦合增加约47%,与仿真结果45%非常接近,且不同芯径耦合光功率之比大略等于芯径比平方;而该耦合方式可使单模光源的耦合效率增加约20%,且耦合进不同小芯径光纤的耦合效率之比约为其芯径比平方的2.4倍,这对构建全光纤转动喇曼激光雷达系统具有重要意义.     

高功率单模Er~(3+)∶Yb~(3+)共掺双包层光纤激光器

给出了单模输出的铒镱共掺双包层光纤激光器(EYDCFL)的数值分析及最新实验结果.基于速率方程及功率传输方程,对单模EYDCFL进行数值分析,从理论上对其性能进行优化.然后,在相同条件下进行了EYDCFL的实验研究.描述了输出激光功率随入纤泵浦功率和光纤长度的变化以及输出激光波长随光纤长度的变化.在光纤长度为6.3m时,获得了波长为1566nm、最大功率为2.2W的单模激光输出,整体光-光转换效率22%,这是目前国内用该类光纤获得的最高单模输出功率.     

大功率激光单模光纤远距离传输的注入光纤光功率限值分析

对于大功率激光单模光纤远距离传输, 采用传统的受激拉曼散射(SRS)阈值作为注入光纤激光功率值取值过大。本文对单模光纤远距离传输过程中泵浦光和拉曼斯托克斯光(Stokes)光功率随注入光纤激光功率的变化进行仿真与理论分析。根据光纤中SRS产生的机理, 提出以拉曼Stokes光在单模光纤中传输的光功率变化曲线曲率极大值点对应的注入激光功率为限值, 对注入单模光纤光功率限值随着光纤长度变化进行仿真, 通过曲线拟合得出注入单模光纤激光功率限值公式, 并搭建实验系统进行验证。结果表明, 提出的注入单模光纤激光功率限值适用于大功率激光远距离单模光纤传输。     

像差及湍流对90°空间光混频器性能的影响研究

光信号在大气湍流中发生畸变,畸变光信号经过有缺陷的光学天线和空间光混频器后,存在混频效率低及抖动的问题.针对空间输出型和单模输出型的90°空间光混频器,推导了带初级像差的90°空间光混频器模型,并研究了湍流对混频效率的影响.仿真结果表明,对于探测器靶面半径为50μm的空间输出型混频器,像差量为0.2λ的倾斜、球差、离焦...     

锥形脊结构半导体光放大器的有限元分析

为提高半导体光放大器与单模光纤耦合效率，建立了半导体放大器的锥形脊结构模型。在该模型下利用有限元数值模拟方法分析，计算了波导区折射率、锥尖宽度、条形波导尺寸、渐变折射率波导层对锥形脊结构模式扩展的影响。通过完善锥形脊结构参量的设计，获得了锥形脊结构半导体光放大器与单模光纤95％的耦合效率。     

多维耦合器校正空间光-单模光纤耦合对准误差

根据高斯光束传输理论，分析了径向偏差、端面倾斜偏差和轴向偏差等对准误差对空间光-单模光纤(SMF)耦合效率的影响。数值计算和实验结果表明，当端面与径向之间的夹角Ω为90°和270°时，3种对准误差对耦合效率的影响相互独立，当夹角Ω=180°时，耦合效率有最大值。为更好地补偿对准误差对SMF耦合效率的影响，基于压电陶瓷设计了具有5自由度耦合装置的光纤耦合器，并结合变增益型随机并行梯度下降算法寻找空间光-SMF的最佳对准姿态。实验结果表明，5自由度光纤耦合器可以很好地实现不同对准误差的校正，系统闭环后SMF耦合效率达到53.2%。     

应用耦合模理论研究光在圆对称双包层光纤中的传输

为了深入理解双包层光纤的光场传输特性,应用耦合模理论将双包层光纤等效为相互耦合的单模光纤和环形芯光纤,研究了圆对称的双包层光纤的光场传输.通过计算单模光纤LP01模和环形芯光纤导模的耦合系数发现了环形芯光纤LP0n模的耦合系数远大于其它导模的耦合系数,且LP0n模中的高阶模比低阶模的耦合系数大.据此,应用耦合模理论计算得到了该双包层光纤的光传输特性,计算结果发现光场沿光纤轴向呈近似周期分布,且纤芯中光功率变化的平均周期随波长递增,但平均归一化功率与光纤参数紧的选择有关.     

应用耦合模理论研究光在圆对称双包层光纤中的传输(英文)

为了深入理解双包层光纤的光场传输特性,应用耦合模理论将双包层光纤等效为相互耦合的单模光纤和环形芯光纤,研究了圆对称的双包层光纤的光场传输.通过计算单模光纤LP01模和环形芯光纤导模的耦合系数发现了环形芯光纤LP0n模的耦合系数远大于其它导模的耦合系数,且LP0n模中的高阶模比低阶模的耦合系数大.据此,应用耦合模理论计算得到了该双包层光纤的光传输特性,计算结果发现光场沿光纤轴向呈近似周期分布,且纤芯中光功率变化的平均周期随波长递增,但平均归一化功率与光纤参数紧的选择有关.     

双包层光纤折射率研究及纤芯结构优化设计

采用Matlab和Comsol建立单模光纤内激光传输模型,对双包层内光纤折射率和纤芯结构对光能量分布的影响进行了理论研究。系统分析了光纤芯径与数值孔径、归一化频率和功率填充因子的关系,依据得到的结果进一步采用多模物理耦合仿真方法对不同类型的单模双包层光纤纤芯的能量分布进行仿真,探索了不同折射率分布情况对纤芯能量分布的影响。计算和仿真结果表明:凹面折射率分布光纤的光斑模场面积最大,单位面积的功率分布最低。针对大功率光纤激光器的应用需求设计了工作波长为1.064 m、纤芯直径为10 m、凹面直径为8 m、数值孔径为0.12的单模凹面折射率双包层光纤,为提高光纤泵浦效率、降低纤芯的能量密度提供了思路。     

高功率单模Er3+∶Yb3+共掺双包层光纤激光器

给出了单模输出的铒镱共掺双包层光纤激光器（EY-DCFL）的数值分析及最新实验结果.基于速率方程及功率传输方程，对单模EY-DCFL进行数值分析，从理论上对其性能进行优化.然后，在相同条件下进行了EY-DCFL的实验研究.描述了输出激光功率随入纤泵浦功率和光纤长度的变化以及输出激光波长随光纤长度的变化.在光纤长度为6.3 m时，获得了波长为1566 nm、最大功率为2.2 W 的单模激光输出，整体光－光转换效率22％，这是目前国内用该类光纤获得的最高单模输出功率.     

单模光纤与Ti:LiNbO3单模平面光波导端面激励耦合的研究

本文报导一个单模光纤与单模Ti扩散LiNbO3光波导的端面耦合及固定连接实验研究.利用电弧烧熔法在单模光纤端面上制成了微透镜,改善了模场匹配程度,采用二维硅V形糟,提高了光纤与波导的对准精度。