光纤熔接机加热扩芯制作模场适配器的研究

为了改善不同类型光纤熔接时的模场失配,通过调整普通光纤熔接机的熔接参数,对模场直径较小的光纤进行加热扩芯,实现了10/130μm大模场面积双包层光纤和6/125μm单模光纤的低损耗熔接,光纤耦合效率可达到91%,并成功应用于自主研发的小型1064nm光纤激光器中。对利用光纤熔接机加热扩芯制作模场适配器进行了理论分析,并用1064nm光纤激光器测量其实际传输损耗。实验结果表明:采用普通光纤熔接机,适当的调整熔接参数,可以有效地提高大模场面积光纤到单模光纤的耦合效率,为制作模场适配器提供了一种简单实用的方法。     

基于光纤拉锥模场匹配技术的光子晶体光纤低损耗熔接

光子晶体光纤(PCF)与普通单模光纤(SMF)的低损耗熔接技术是光子晶体光纤走向实用化必须解决的关键技术问题。提出一种基于光纤拉锥模场匹配技术的光子晶体光纤低损耗熔接的新方法,利用熔融拉锥机对模场不匹配的两类PCF进行预处理,结合常规电弧放电熔接技术对三种不同类型的PCF与SMF的熔接损耗进行实验研究。在实验中通过精确控制熔融拉锥机各种参数,实现了不同模场直径PCF和SMF的模场匹配,该方案同时通过优化各种电弧放电参数,使熔接后的损耗降到了0.3dB以下,实现了PCF-SMF之间低损耗、高强度的熔接,满足了不同模场PCF实际应用的要求,具有很好的潜在应用价值。     

光子晶体光纤的低损耗电弧熔接方案

提出了一种利用传统电弧熔接机实现光子晶体光纤(PCF)与单模光纤(SMF)低损耗熔接的新方案.方案结合实验测量与理论计算,首先通过改变熔接时间、熔接电流等参量,考察了不同熔接功率对PCF端面气孔结构的影响.由此计算了PCF端面模场分布的相应变化,并根据两光纤端面模场的重叠积分计算了相应的熔接损耗,从而确定出对应低熔接损耗的熔接功率区间.综合考虑熔接强度等要求,反向选取了合理的熔接参量范围,实现了PCF-SMF之间低损耗、高强度的熔接.提出的熔接方案使熔接过程中PCF包层气孔的收缩变化、该变化对两光纤接合匹配度的影响等问题清晰化,克服了以往PCF-SMF熔接中难以设定合理熔接参量的问题,有效地提高了熔接效率和熔接质量.     

基于空气孔填充的光子晶体光纤与普通单模光纤低损耗耦合研究

提出一种基于空气孔填充的光子晶体光纤与普通单模光纤低损耗耦合方法,并通过光束传播法数值仿真的方式研究了填充物折射率以及填充长度等参数对耦合损耗的影响。结果表明,选择合适的填充参数可以大幅度降低光子晶体光纤与普通单模光纤间的耦合损耗,从而实现光子晶体光纤与普通单模光纤间的低损耗耦合。该方法可适用于多种光子晶体光纤与普通单模光纤之间的低损耗耦合,在光子晶体光纤与普通单模光纤的模场严重失配的情况下,该方法的优势更为明显。     

基于空气孔填充的光子晶体光纤与普通单模光纤低损耗耦合研究EI北大核心CSCD

提出一种基于空气孔填充的光子晶体光纤与普通单模光纤低损耗耦合方法,并通过光束传播法数值仿真的方式研究了填充物折射率以及填充长度等参数对耦合损耗的影响。结果表明,选择合适的填充参数可以大幅度降低光子晶体光纤与普通单模光纤间的耦合损耗,从而实现光子晶体光纤与普通单模光纤间的低损耗耦合。该方法可适用于多种光子晶体光纤与普通单模光纤之间的低损耗耦合,在光子晶体光纤与普通单模光纤的模场严重失配的情况下,该方法的优势更为明显。     

光子晶体光纤的低损耗透镜耦合技术

基于不失调透镜系统对高斯光束的变换机理,提出并分析了一种低损耗、高强度连接光子晶体光纤(PCF)的透镜耦合方法。与熔接法相比,该方法可实现各类PCF之间以及PCF与普通光纤之间的有效模式转换,并连接因热膨胀系数极其不同而无法拼接或熔接的光纤。在此基础上,搭建了相应的PCF透镜耦合连接及特性测试实验台,实现了单模PCF和常规G.652光纤之间以及保偏PCF和常规G.652光纤之间的高重复性、高强度连接,连接损耗均值分别为0.4dB和0.65dB,并对实验结果进行了误差分析,提出了存在的问题及改进设想。     

偏振模耦合分布式光纤传感器空间分辨率研究

分析了偏振模耦合原理的分布式光纤传感器的自相干与互相干光；实验测量的干涉光证明了理论分析是正确的；利用偏振模耦合原理传感与白光干涉检测的分布式光纤传感器的空间分辨率是由光纤偏振色散系数与光源的谱宽决定的；由实验测量的偏振模耦合分布式光纤传感器的空间分辨率为6cm. 关键词： 光纤传感器 保偏光纤 空间分辨率 偏振模耦合     

保偏光纤的连接损耗和消光比分析

采用模式分析法处理两保偏光纤在连接中各种几何不对准误差引起的损耗和消光比的计算问题，给出了数值求解的结果，该结论对保偏光纤的连接，熔接和耦合等具有一定的指导意义。     

线圈型全光纤偏振器的研究

本文采用等效电流法对线圈型全光纤偏振器进行了分析计算.对应于保偏光纤中两正交传输基模的消光比,提出了一种分析保偏光纤弯曲损耗的新方法,这种方法基于将保偏光纤两个不同偏振模式分别等效为两个普通圆光纤的基模,等效参数通过测量不同偏振模式的模场半径来确定.实验证明这种理论计算方法与实验结果一致.最终,我们研制出的线圈型光纤偏振器在1.31μm工作波长下,实测消光比达30dB以上,工作偏振模式插入损耗≤3dB.     

基于光纤温度和应变传感器的物理创新实验

为了实现温度和应变同时测量,本文设计了一种基于多模干涉的光纤温度和应变传感器.该传感器利用光纤熔接机将一段细保偏光纤和一段细芯光纤错位熔接后引入萨格纳克环中而制成.由于光纤错位和模场失配,传感器内存在偏振模干涉和纤芯模-包层模干涉.对不同温度和应变作用下采集到的传感器透射谱进行滤波处理,可提取两种干涉对应的透射谱.基于透射谱中两个不同波谷的温度和应变灵敏度建立同时测量矩阵,即可实现温度和应变的同时测量.实验数据显示该传感器的温度和应变分辨率分别为0.30℃和13.50με.本实验可以作为物理和光电相关专业本科生物理创新实验,帮助大学生掌握光纤传感原理、实验技能和数据处理与分析方法.     

单芯光纤与双芯光纤的对接和熔接耦合效率分析

单芯光纤和双芯光纤的耦合问题是限制双芯光纤研究和应用深度的关键问题之一。利用突变光波导的分析方法,在高斯近似的模场分布下,推导了单芯单模光纤和双芯单模光纤对接和熔接的耦合能量、总体耦合效率和两纤芯耦合能量比的数学表达式。利用这组关系定量地详细分析了单芯光纤和双芯光纤耦合中的模场匹配、双芯光纤的纤芯距和纤芯位置对耦合效果的影响。利用其中一个纤芯位于光纤中心的双芯光纤,通过保偏熔接机进行辅助定位,实测了单芯单模光纤与双芯单模光纤对接耦合的输出能量与纤芯位置的关系,测量结果能够很好地与理论结果相符合。     

熔锥型熊猫光纤耦合器的传输特性分析

熔锥型保偏耦合器的传输特性决定了其光学原理与功能的实现。为了从理论上分析各参量对保偏耦合器传输特性的影响,基于热-结构-电磁多物理场耦合理论,建立了熔锥型熊猫光纤耦合器双锥模型,应用有限元法,分析了各参量对熊猫光纤耦合器传输特性的影响。结果表明应力区与包层折射率差影响耦合区纵向电磁场的分布,折射率差越大,纵向电磁场分布的变形也越大;HE1x1模和HEy11模的传播常量对偏振主轴角度差不敏感,偏振主轴角度差是通过耦合系数进而影响保偏光纤耦合器的消光比的;HE1x1模的传播常量对熔锥的熔锥区横截面椭圆率比较敏感,横截面椭圆率变化6.67%时Δβx11变化0.14%,计算结果表明当熔锥区横截面椭圆率为0.56时可获得较高性能的耦合器。     

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。     

单偏振单模聚合物光子晶体光纤设计

 设计了一种聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基的单偏振单模(SPSM)微结构聚合物光纤(MPOF)。利用全矢量有限元法和光束传播法相结合分析了这种光纤的偏振特性和约束损耗。通过优化光纤结构参数,发现在0.51 μm～0.62 μm的可见光波长范围,由于基模两个正交偏振模的截止波长不同,这种微结构聚合物光纤只能传输基模中的一个偏振模,从而实现单偏振单模运转。该11圈圆空气孔六角排列光纤结构的传导偏振模在0.57 μm波长处约束损耗仅为1.13 dB/m,这种低损耗的单偏振单模微结构聚合物光纤可有效消除传统保偏光纤固有的偏振串扰和偏振模色散。     

白光干涉偏振模耦合分布式光纤传感器分析

分布式光纤传感器能够测量沿光纤长度上连续分布的外界量。用保偏光纤作为传感光纤的分布式光纤传感器,被测外界量引起保偏光纤中传播的两正交偏振模的相互耦合。用迈克尔逊干涉仪两臂光程差来补偿两个偏振模的光程差的方法探测传感信号。为了设计白光干涉偏振模耦合分布式传感器,根据统计光学原理分析了传感器的互相干特性。在此基础上分析了传感器的空间分辨力、光纤耦合点分辨力、最大传感光纤长度。波长1310nm、谱宽36nm的超辐射发光二极管(SLD)作光源．用色散参量为600ps／km,拍长3mm的保偏光纤的分布传感器空间分辨力和光纤耦合点分辨力分别为6cm和3mm。     

基于渐变折射率透镜的低损耗1×N微结构光纤耦合方法

提出了一种新型的、基于单个径向渐变折射率(GRIN)透镜的1×N光纤耦合方法,并基于水平入射以及垂直斜面入射光线的传播方程建立了用于求解点光源发出的光束在GRIN透镜斜面入射后的成像点的计算方法。通过将透镜前端面加工成多斜面棱镜,将输入光分为多束,光束聚焦位置可以通过系统参数来调整;被分割开的光束经会聚、优化像差后,实现1×N低损耗耦合,并进行了仿真研究;通过优化斜面倾角、物距等关键参数实现了光纤低损耗耦合。该设计方案结构简单,易于装配,为各类光子晶体光纤、多芯光纤、光纤组束和光纤合光提供了实用的耦合方法。     

70 W全光纤超连续谱光源

 超连续谱光源在很多领域具有广泛而重要的应用,过去40多年一直是国际研究热点之一。但一方面由于普通双包层光纤与光子晶体光纤模场不匹配会导致较高的熔接损耗和耦合损耗;另一方面受高质量超快光纤脉冲激光器输出平均功率的限制,目前超连续谱光源的最高输出平均功率只有50 W。报道了一种全光纤结构的超连续谱光源,输出平均功率为 70 W。由于整个装置采用一种新的超连续谱形成机制,较好解决了普通双包层光纤与光子晶体光纤由于模场不匹配导致的较高熔接损耗和耦合损耗;降低了对脉冲泵浦源光谱质量的要求。     

高功率光纤端帽实现6kW激光输出

高功率光纤端帽是kW级光纤激光器必不可少的器件,而实现光纤端帽的低损耗高强度熔接是其关键技术。由于光纤和大尺寸光纤端帽在直径上的巨大差异,二者的熔接不能通过传统熔接机实现。设计并搭建了光纤端帽熔接系统,掌握了多种尺寸的光纤端帽的熔接工艺,成功用于光纤激光器及光纤合束器的高功率输出。实验上利用单模光端帽实现了3.01kW的激光输出,在未进行主动制冷的情况下温升为7℃/kW。利用多模光纤端帽实现了6.08kW的激光输出,在未进行主动制冷的情况下温升为6℃/kW。     

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。     

一种高双折射光子晶体光纤模场和偏振特性的研究

采用平面波展开法分析一种填入了聚甲基丙稀酸甲酯并引入大空气孔的高双折射光子晶体光纤的模场和偏振特性,并研究其结构参数变化对偏振特性的影响。研究表明这种高双折射光纤的基模模场具有较强的线偏振特性,模式双折射比普通光子晶体保偏光纤有较大提高。研究结果为光子晶体保偏光纤的开发制作提供了理论基础。