光波导-光纤自动调芯系统研究

设计了两种适用于光波导高精度自动对接耦合的调芯方案,从原理上克服了常规调芯过程中微变信号精确测试的困难。完成了调芯系统的光机电一体化、控制程序和接口界面。单模光纤作为标准波导的端面耦合自动凋芯试验显示,平均耦合损耗分别为0．075 dB(1310nm波长)和0．062 dB(1550nm波长),相应的标准误差分别为0．0099 dB和0．0066 dB．调芯过程在2min内完成。单模光纤-单模波导-单模光纤的对接耦合实验结果表明,端面耦合损耗平均值分别为0．140 dB(1310nm波长)和0．109 dB(1550nm波长),标准误差分别为0．0082dB和0．0107dB,调芯时间累计不超过8min。     

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。     

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。     

扩芯光纤原理及其在光器件耦合中的应用

介绍了两种可以增大单模光纤模场直径并出射准直平行光束的扩芯光纤(ECF)的原理和制作方法。分析了单模光纤熔接渐变折射率多模光纤法通过改变渐变折射率多模光纤的长度和自聚焦参量实现模场扩大缩小的原理,制作的扩芯光纤模场直径扩大到16．6μm,出射光束平行效果较好,轴向耦合容限比单模光纤扩大了近6倍。加热扩芯光纤则是通过控制加热温度和加热时间直接使单模光纤掺杂物质发生扩散,从而实现扩束和光束准直,模场直径达到15．4μm,横向、轴向耦合容限都比单模光纤有很大提高。因此扩芯光纤可以简化单模光纤的耦合对准过程,用来制作新型的单模光纤或掺铒光纤连接器,也可以用于其它光器件中与单模光纤的准直。     

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.     

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.     

基于锥形七芯光纤的紧凑型超声波传感器

提出一种基于锥形七芯光纤的紧凑型光纤超声传感器,并进行了实验验证.该传感器由熔接在两根单模光纤之间的锥形七芯光纤制成,形成单模光纤—锥形七芯光纤—单模光纤的级联结构.由于单模光纤和七芯光纤的纤芯不匹配,容易激发高阶模式,被激发的多种模式的光波继续沿着七芯光纤传播,然后到达锥形区域.由于锥度直径的急剧减小,模式间发生干涉...     

偏振分集技术及其在光纤传感器中的应用

研究了偏振分集技术消除干涉型光纤传感器中偏振衰落问题的基本原理及实现方法.理论分析表明,偏振二分集可大大缓解偏振衰落.搭建光纤传感系统对偏振二分集技术进行了实验验证,实验中单路最小可视度接近0,而偏振二分集得到的最小可视度为0.4.实验结果表明系统采用的相位载波调制解调技术实现了信号的稳定检测.     

基于薄芯光纤模态干涉技术的折射率传感特性实验研究

报道了一种具有微结构缺陷的折射率传感器,并对其折射率特性进行了实验研究.将一部分薄芯光纤熔接于标准单模光纤中,由于插入的薄芯光纤和单模光纤纤芯失配,导致包层的高次模被激发并与纤芯模在单模光纤内形成干涉仪.通过减小薄芯光纤的包层直径,以增强包层中的传输模在环境中的倏逝场,从而提高对环境折射率测量的灵敏度.实验表明,该折射...     

全固双层芯色散补偿光子晶体光纤的研究与设计

为了补偿光纤色散对高速信号传输的限制,提出一种全固双层芯色散补偿光子晶体光纤.首先对该光纤模式耦合特性进行理论分析,然后利用多极法进行模拟计算,得到该光纤包层结构参数与色散值以及相位匹配波长之间的关系,并对其规律进行研究.通过优化光纤结构参数,得到在1 550nm处,色散值达到-32 620ps/(nm·km)、损耗为0.29dB/km、与标准单模光纤的熔接损耗为4.77dB的色散补偿光纤.该光纤可补偿1 910多倍长度的SMF-28单模光纤的色散,补偿能力远大于常规色散补偿光纤.与空气孔-石英结构色散补偿光子晶体光纤相比,全固色散补偿光子晶体光纤具有易制备、易与传统通信光纤熔接等优点.     

基于光纤气泡和纤芯失配的Mach-Zehnder干涉液体折射率传感器

介绍了一种基于光纤气泡和纤芯失配的Mach-Zehnder干涉液体折射率传感器. 将两根纤芯经过腐蚀的普通单模光纤熔接在一起, 在熔接点处形成一个气泡, 在距气泡20 mm处级联一段20 mm的细芯光纤, 再接入一段单模光纤, 形成单模光纤-气泡-单模光纤-细芯光纤-单模光纤结构的传感器. 气泡与光纤芯径失配处的两个节点起到光纤耦合器的作用, 从而形成光纤Mach-Zehnder干涉仪. 环境液体折射率的变化,将使得传感器透射谱能量发生变化, 通过测量干涉谱波峰峰值能量从而实现对折射率的测量. 并对所制作传感器的折射率响应特性进行了实验研究, 实验结果表明干涉谱波峰峰值能量与环境液体折射率之间存在良好的线性关系, 当环境液体折射率变化范围在1.351–1.402时, 响应灵敏度为143.537 dB/RIU, 线性度0.996. 该传感器在生物化学领域有较好的应用前景. 关键词： 光纤气泡 纤芯失配 Mach-Zehnder干涉仪 折射率传感     

全光纤光外差检测技术的研究

本文介绍了由普通单模光纤构成的全光纤光外差检测系统的基本原理和实验研究结果。在该系统中采用了自行研制设计的实现全光纤化的两个关键光纤元件：普通单模光纤频率偏移器和普通单模光纤偏振控制器，介绍了此两光纤元件的基本工作原理和设计方法。文章还给出了实际的全光纤外差检测系统，元器件的选用及实现光外差检测空间条件的光路调节方法。     

干涉型光纤传感系统偏振分集接收实验研究

针对干涉型光纤传感器中存在的偏振诱导信号衰落现象,对偏振分集器(PDR)抗衰落原理进行了理论推导与软件仿真。设计并搭建了基于相位产生载波(PGC)调制解调、全光纤偏振分集器接收的光纤迈克耳孙型干涉传感实验系统,系统得出的信号与压电陶瓷光纤相位调制器产生的模拟信号基本相符。通过静态扭动干涉臂光纤改变干涉仪偏振状态,测量了PDR三通道可视度,得出信号稳定性、系统本底噪声与可视度的关系。结果表明,选择可视度大于0.5的偏振分集器通道输出可抑制信号衰落并实现信号稳定输出。     

普通单模全光纤化水听器及其驱动电路设计

提出了一种普通单模全光纤化水听器及其驱动电路的设计方法。选择了传输波长为1550nm的单模光纤,采用多量子经阱分布反馈(multi-quantum well distributed feed back, MQW-DFB)半导体激光器作为系统光源,选用MAX3263和MAX038分别设计激光驱动器和高性能正弦波信号发生器,用InGaAs PIN作为光电探测器。实验测试表明：设计的光纤水听器的灵敏度比标准水听器（压电型）高50dB～60dB（在1kHz～30kHz范围）。     

基于环形芯光纤的超低差分模式增益涡旋光纤放大器

提出了一种基于环形芯铒离子部分掺杂光纤的涡旋光纤放大器。针对该掺铒光纤的放大特性,研究了光纤长度、掺铒浓度与抽运功率对信号模式增益特性的影响。研究结果表明,该光纤放大器能够支持22个轨道角动量模式稳定传输,且C波段(1530~1565 nm)所有信号模式增益大于23 dB,信噪比高于27 dB,差分模式增益小于0.015 dB。所提出的基于环形芯光纤的涡旋光纤放大器具有支持轨道角动量模式数量多、差分模式增益低、信噪比高的优势,对于OAM复用长距离传输系统中的在线放大具有重要参考价值。     

基于超透镜的多芯泵浦耦合器

多芯传输系统有望解决未来大容量数据传输的问题。然而在整个通信系统中多芯信号的中继目前面临着许多困难,例如信道增益的不均衡、多芯泵浦光的分束耦合等。其中泵浦光和增益多芯光纤纤芯间的均匀耦合由于决定着多芯光纤增益的效率和对应纤芯增益的均衡和系统能效的利用率,成为多芯系统放大的关键问题之一。基于此,设计了一种基于光纤端面的超透镜耦合装置,通过适当优化超透镜子结构的分布,最终可以使得泵浦光可以多点聚焦到耦合多芯光纤的焦平面。相比于空间光耦合光纤系统,减少泵浦光的浪费。理论设计和数值仿真结果表明光纤包层中的光可以在光纤端面分点聚焦,从而使得泵浦光的分流和纤芯聚焦,总的光强利用率达90%以上,为后续有源光纤实现芯泵提供解决思路。     

基于薄芯光纤模态干涉技术的折射率 传感特性实验研究

报道了一种具有微结构缺陷的折射率传感器,并对其折射率特性进行了实验研究.将一部分薄芯光纤熔接于标准单模光纤中,由于插入的薄芯光纤和单模光纤纤芯失配,导致包层的高次模被激发并与纤芯模在单模光纤内形成干涉仪.通过减小薄芯光纤的包层直径,以增强包层中的传输模在环境中的倏逝场,从而提高对环境折射率测量的灵敏度.实验表明,该折射率传感器具有损耗低、成本低、灵敏度高和线性度好等特点.     

用于液压传感的双芯光子晶体光纤

采用全矢量有限元方法进行光纤设计优化,得到横截面上失去两层空气洞的双芯光子晶体光纤,可用于液压传感.优化的双芯光子晶体光纤的模场半径和数值孔径与单模光纤基本一致,在优化的双芯光子晶体光纤和单模光纤之间有一个相对较低的熔接损耗.计算结果表明由模场半径和数值孔径导致的不匹配造成的总共损耗可低至0.026 dB,低于传统光子晶体光纤和单模光纤0.1 dB的直接熔接损耗.对基于20 cm双芯光子晶体光纤的液压传感器的性能进行研究,结果表明在0～500 MPa量程内的灵敏度为-1.6 pm/MPa.     

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。