单模光纤论文范文

单模光纤论文范文（精选7篇）

单模光纤论文 第1篇

关键词：光子晶体光纤,低弯曲损耗,单模,光纤到户

0引言

FTTH(光纤到户)是一种全新的、“三网融合”的驻地网接入模式,在国际上可作为接入网的主要解决方案。在FTTH的建设中,光纤为适应安装环境不可避免地会发生弯曲,通过减小纤芯半径或在纤芯中掺锗能在一定程度上降低普通单模光纤的弯曲损耗。PCF(光子晶体光纤)通过在包层引入适当数量的空气孔,可实现良好的弯曲不敏感特性。近年来,陆续提出 了多种新 型的低弯 曲损耗PCF。2005年,Himeno等[1]提出一种由不同尺寸空气孔构成的掺锗芯抗弯曲PCF,当弯曲半径为5mm时,在波长1550nm处的弯曲损耗为0.012dB/圈,模场面积约为47.8μm2,色散系数 为28.2ps/(nm·km)。2010年,Matsui等[2]通过在PCF纤芯周围引入一圈大空气孔,使该光纤能在30mm弯曲半径下实现弯曲损耗低于8.48×10-4dB/圈的单模传输。2013年,Wang等[3]提出一种三角芯结构的弯曲不敏感PCF,当弯曲半径为5mm时,在波长1550nm处的弯曲损耗低于4.71×10-3dB/圈,模场面积约为80μm2。

本文提出一种新型抗弯曲单模PCF,其结构采用三角格子排布的两种尺寸空气孔形成的对称结构,模场面积及色散均与普通单模光纤相匹配。在波长1550nm处、弯曲半径为5 mm时,光纤的弯曲损耗仅为8.73×10-5dB/圈。

1光纤结构与弯曲特性分析

在传统三角格子PCF结构的基础上,本文设计的抗弯曲 单模PCF结构如图1所示。纤芯 由中心的基底材料SiO2构成;包层由两种尺寸的圆形空气孔组成,空气孔间距为Λ;包层第二层和第四层各有6个以纤芯为中心、呈周期性排列、直径为d2的大空气孔,包层其余空气孔直径为d1。图1中浅灰色区域代表基底材料SiO2,其折射率在波长1550nm处为1.444。

本文采用全矢量有限元法结合PML(完美匹配层)边界条件[4],对所提出的PCF的传输特性进行理论分析。理论研究表明,采用PML边界条件计算光纤损耗较采用吸收和散射边界条件精度高。光纤模式的限制损耗L可以通过下式计算[5]:

式中,λ为工作波长;Im(neff)为各阶模式有效折射率的虚部。

光纤基模的等效模场面积可以表示为[6]

式中,E为电场矢量;S为光纤横截面。

光纤发生弯曲后,折射率分布会发生改变,从而影响光纤的传输特性并产生弯曲损耗。本文利用弯曲等效折射率 模型分析PCF的弯曲特 性。Martynkien等[7]经研究发现采用此模型分析光纤特性与实际实验结果具有良好的近似性,误差小于1%。当光纤沿x轴负方向弯曲时,光纤横截面的折射率分布可以表示为[8]

式中,n0(x,y)为光纤初始折射率分布;R为光纤弯曲半径。

光纤色散包括材料色散和波导色散。本文提出的低弯曲损耗PCF材料色散可用Sellmeier公式计算。采用全矢量有限元法得到有效折射率neff的实部,进而可以求得波导色散。于是,色散可由下式计算[9,10]:

式中,c为真空中的光速;λ为工作波长;Re(neff)为模式有效折射率的实部。

2结构参数对光纤特性的影响

为了获得弯曲性能良好的单模PCF,本节研究图1所示PCF结构参数对光纤特性的影响。将光纤直径定为125μm,以保证该PCF能与普通单模光纤相匹配。通过理论分析与计算,给出初始结构参数如下:Λ = 6.75μm,d1= 1.45μm,d2=2.60μm。初步仿真研究发现,光纤在波长1550nm处,弯曲半径为5mm时的弯曲损耗随包层层数的增加而减小,但当层数超过5层时,弯曲损耗均较低且处于同一个数量级,综合考虑孔间距与制造的可行性,将光纤包层层数定为5层。在此基础上分析结构参数对PCF单模特性与弯曲特性的影响。

2.1结构参数对单模特性的影响

FTTH光网络建设中所用光纤常为单模光纤,在实际应 用中,只要保证 基模限制 损耗小于0.1dB/m,二阶模限制损耗大于1dB/m,就可以认为光纤满足单模运转条件[11]。

仿真研究得到此PCF基模的限制损耗远小于0.1dB/m,为简化分析,本节仅讨论二阶模四个简并态对应的最小限制损耗。经过初步计算发现,随着PCF小孔直径d1的增大,基模和二阶模限制损耗均减小,但是d1较大容易导致二阶模限制损耗过小,使光纤无法维持单模运转,因此本文设定d1=1.45μm,重点讨论大孔直径d2与孔间距Λ对光纤特性的影响。为了大致满足PCF的单模运转条件,选取d2=2.60~2.75μm、Λ =6.75~6.95μm。

图2给出了在1550nm波长处,d1为1.45μm时,d2和Λ变化对二阶模限制损耗的影响。由图可知,当d2和Λ减小时,二阶模限制损耗对应增大。因此,当d1为常数时,通过改变d2与Λ的值,可以获得具有单模特性的PCF。由于d2=2.75μm时,二阶模限制损耗小于1dB/m,光纤无法满足单模运转条件,因此选取d2=2.60~2.70μm。

2.2结构参数对弯曲特性的影响

研究发现,基模两偏振态随PCF结构的变化具有较好的一致性,因此下面分析光纤的弯曲特性时,只分析基模x偏振态的变化情况。图3给出了波长1550nm处,弯曲半径为5mm且d1=1.45μm时,d2 和Λ变化对PCF基模弯曲损耗和模场面积的影响。由图3(a)可知,增大d2或者减小Λ的值,基模的弯曲损耗均减小。可见纤芯周围大空气孔的引入或是孔间距的减小可以抵消光纤包层因弯曲导致的折射率增大,从而提高 纤芯对光 的束缚能 力。由图3(b)可知,基模模场面积随着Λ减小而减小,但模场面积受d2的影响不大。Λ减小导致光纤纤芯与包层之间的有效折射率差值变大,使光能量大多集中在纤芯中传播,导致了模场面积的减小。

由图3(a)可知,Λ =6.75μm且d2=2.70μm时,PCF的基模弯 曲损耗最 小值仅为8.73×10-5dB/圈,此时二阶 模限制损 耗为1.3dB/m,光纤能够保持单模运转。于是最优结构参数为Λ =6.75μm,d1=1.45μm,d2=2.70μm。

3优化后PCF的弯曲特性

通过仿真分 析发现,当Λ = 6.75μm,d1=1.45μm,d2=2.70μm时,优化后的PCF在工作波长1550nm处,基模x偏振态和y偏振态的限制损耗分别为4.97×10-10和5.11×10-10dB/m;模场面积分别为61.57和61.62μm2;色散系数分别为11.127和11.134ps/(nm·km)。两偏振态的模场面积差值 仅为0.08%,色散系数 差值仅为0.063%,且光纤双折射约为4.62×10-6,色散斜率约为0.005ps/(nm2·km),因此光纤基模的两个偏振态属于良好的简并态。此外,该结构的PCF能实现超低损耗传输并与普通单模光纤相匹配。

图4所示为本 文设计的 抗弯曲单 模PCF在1550nm波长处基模弯曲损耗及模场面积随弯曲半径的变化关系。图中FM-x和FM-y分别代表基模的x偏振态和y偏振态。从图4(a)中可以看出,基模的弯曲损耗随弯曲半径增大而减小。在弯曲半径大于4.5 mm时,弯曲损耗 始终低于2.38×10-4dB/圈,且PCF在5mm弯曲半径下的损耗仅为8.73×10-5dB/圈;当弯曲半径低至4.5mm以下时,弯曲损耗随着弯曲半径的减小急剧增大,光纤无法满足单模运转条件。图4(b)表明PCF的模场面积变化趋势近似呈一条水平直线,在弯曲半径分别为9.0、5.0和4.5mm时,其相应的模场面积分别为61.4、61.3和61.2μm2,模场面积近似不变。可见,当光纤发生弯曲后,大部分光能量仍然集中在纤芯中传输,优化后的PCF具有良好的抗弯曲能力。

4结束语

本文提出了一种新型抗弯曲单模PCF,并研究了结构参数对光纤特性的影响。经过仿真优化,该光纤能满足单模运转条件,且无论光纤弯曲与否,在波长1550nm处,其模场面积约为61μm2,色散系数约为11.13ps/(nm·km),与普通单模光纤相匹配。当光纤弯曲半径为5mm时,在波长1550nm处的弯曲损耗仅为8.73×10-5dB/圈。该PCF最小弯曲半径可 达4.5 mm,此时弯曲 损耗也仅 为2.38×10-4dB/圈。该研究成果为低弯曲损耗PCF的设计奠定了良好的基础。

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单模光纤论文 第2篇

基于光纤的折射率传感器件具有体积小、重量轻和抗电磁干扰等诸多优点,已在工程中得到大量应用。近年来,一段多模光纤和两段单模光纤熔融而成的单模-多模-单模(SMS)光纤结构受到了广泛重视。这是因为SMS光纤结构具有制作简单、成本低等诸多优点,通过改变多模光纤长度还可调整其干涉透射谱[1]。为了更好地利用SMS光纤结构中的多模光纤纤芯和包层模式,研究者近期分别用氢氟酸腐蚀包层[2]和CO2激光器打点的方法[3]来增强多模光纤处的倏逝场。氢氟酸腐蚀方法将中间段多模光纤的包层腐蚀,增强了高阶模式的倏逝场,操作较危险且步骤繁琐。激光器打点方法能获得长度~675μm、直径为~30μm的陡锥,在折射率范围1.33~1.44处获得的平均灵敏度约为487nm/RIU。激光器打点方法虽然获得了高折射率范围处较灵敏的折射率传感,但在1.35~1.36折射率范围内灵敏度较低。随着微纳光纤制作工艺的成熟,拉锥而成的微纳光纤腰椎平坦区长、直径可达纳米量级,能提供更长传感作用范围且倏逝场更强,有利于实现更高灵敏度的折射率传感。

本文介绍一种基于氢气火焰熔融拉锥而成的拉锥SMS光纤结构,实现了一种光模间干涉仪。此种方法简单易行且重复性高,具有可控制性。当拉伸长度为35mm,拉锥段多模光纤腰椎平坦区达到~3.85μm时,形成了自由光谱范围(FSR)为1.3nm的模间干涉透射谱。通过折射率扩散实验发现该器件在折射率范围1.35~1.36内具有771nm/RIU的高灵敏度。

1 光纤模间干涉仪的制作

基于拉锥SMS光纤结构的模间干涉仪的制作步骤如下:1)将一段5cm长的多模光纤去除涂覆层,并将两个端面切割平整熔接于两段单模光纤中间,形成SMS光纤样品。多模光纤纤芯和包层直径直接分别为105μm、125μm。

然后,将SMS光纤样品绷直固定在由两个步进电机控制的平台上,将氢气火焰头移到多模光纤段后,氢气火焰的有效作用长度控制在6mm[4]。在氢气火焰加热熔融光纤的同时,步进电机以0.16mm/s的速度匀速向相反方向移动。氢气火焰头的上火和退火过程也由步进电机控制。

实验过程中,为了在线测量拉伸过程中的透射谱,入射光源选用波长范围为1510~1590nm的自发辐射光源(ASE),光谱仪是波长分辨率为0.02nm的Yokogawa AQ 6370C。在实验中,每拉伸3.3mm的距离退火记录拉锥SMS结构的透射谱。

在拉锥SMS光纤结构中存在谐振式干涉透射谱,起因于传输多模的模间干涉。图1(a)中给出了整个拉锥SMS结构的区域图,包括:左边的锥区,中间的腰椎平坦区和右边的锥区,图1(b)和(c)是锥形区部分的SEM图,图1(d)是腰椎平坦区的SEM图,表明腰椎平坦区直径约为3.85μm。经过对拉锥过程中的透射谱在线检测得到如图2所示的干涉峰,其自由光谱区(FSR)约为1.3nm,消光比约为10d B。

此模间干涉仪的形成机理如下:单模光纤中传输的基模LP01,经过多模光纤的传输激发出多种模式[5]。对于非绝热拉锥的光纤锥角度或是数值孔径较大的锥形光纤,基模能量更容易耦合进高阶模[6],经过极细的腰椎平坦区的传输,更多的高阶模式被滤除。在进入右边的锥形区之后,高阶模能量逐渐耦合回基模,于是在经过一段较长的腰椎平坦区的传输之后,纤芯模与包层模之间积累了一定的相位差,形成了干涉峰较窄的模间干涉现象。

2 折射率特性

拉锥后的SMS光纤结构中的多模光纤段直径极细,倏逝场强,在空气中传播的包层模能量较多,对外界参量非常敏感。为检测该器件的折射率灵敏度,我们设计了如图3所示的折射率扩散检测系统方案。首先,将一个封闭的盒子上开小口沿盒壁放置滴定管,盒子里放固定拉锥后的SMS光纤结构样品及刚好浸没此拉伸样品的酒精。由于拉锥后的SMS结构腰椎平坦区处于折射率较大的环境中,随着外界折射率的增大,较低阶模式的折射率差逐渐减小,FSR逐渐变大。同时,由于溶液压强对本模间干涉仪的微小压力作用,当拉锥后的SMS光纤结构置于试验系统时,透射谱变为如下图4(a)所示,其FSR增大。从滴定管向酒精溶液中滴入水溶液,随着水溶液在酒精溶液中的扩散,对透射谱进行实时测量。图4(a)为扩散的第一阶段,此时随着折射率的变化传输谱漂移较大;图4(b)为第二阶段;当溶液扩散趋于稳定时的测量结果如图4(c)所示。

随着水溶液在样品周围的扩散,样品所处环境的折射率减小,透射谱中的干涉峰有红移趋势,换言之,干涉峰的FSR有逐渐增大的趋势。水溶液的不断扩散使折射率趋于稳定,透射谱的漂移也趋于稳定。扩散过程中测量到的干涉透射谱随折射率改变的具体漂移曲线如图5(a)所示。1540~1550nm范围内的峰谷处的波长值随折射率的变化曲线如图5(b)所示,经过线性拟合可得在折射率范围为1.35~1.36内折射率灵敏度为771nm/RIU。

模间干涉引起的干涉峰的峰值公式可由式表示[7]。

其中,λm为m阶干涉峰峰值对应的波长值,分别为干涉的基模和各阶包层模的有效折射率。

表1拉伸后直径30μm和3.85μm在不同外界折射率下的模式有效折射率值(参见下页)

由式(1)可知,干涉峰值的漂移与参与干涉的基模和包层模的有效折射率差相关。激发的模式较高,则随着外界折射率的增加,基模和高阶模的有效折射率差增大,此时干涉峰会红移。相反,激发的模式较低,则随着外界折射率的增加,基模和低阶模的有效折射率差减小,干涉峰会蓝移。表1给出了

基于COMSOL软件的仿真结果。分别计算了两种拉锥直径下的前7阶模式的有效折射率随着外界折射率的变化,其中纤芯折射率设为1.49,包层折射率为1.462。

从表1中的仿真结果,可得如下结论:拉锥直径达到3.85μm时,各阶模式的有效折射率受外界折射率的影响变化较大;外界折射率的增大使得基模与各模式间的有效折射率差减小。结合上述实验结果可知,由于在拉锥SMS光纤结构的腰椎平坦区,高阶模式被滤除,随着外界折射率的增加,基模和低阶模有效折射率差减小,使得干涉峰发生蓝移;拉制光纤的纤芯越细,模式有效折射率受外界的影响较大,提高了折射率传感灵敏度。

3 结论

本文提出了一种基于氢气火焰法熔融拉锥单模-多模-单模(SMS)光纤结构的模间干涉仪。当拉伸长度L=35mm时,能获得FSR为1.3nm的干涉透射谱。此时拉锥后SMS光纤结构的腰椎平坦区的半径为3.85μm,具有强的倏逝场。经过折射率扩散测试发现,此干涉仪在折射率范围为1.35~1.36内能获得771nm/RIU的高灵敏度传感。

参考文献

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单模光纤论文 第3篇

太赫兹波[1,2] (Terahertz, 简称THz) , 是指频率在0.1~10THz (1THz=1012Hz) , 对应的波长为3000~30μm范围内的电磁波。由于太赫兹波对空气中水蒸气的吸收非常强, 使其具有很大的自由空间损耗, 并且传输方向难以控制, 因此太赫兹波导就成为研究太赫兹传输的重要基础。

光子晶体光纤[3,4] (PCF) , 又被称为微结构光纤, 它是一种带有线缺陷的二维光子晶体。光子晶体光纤相比普通光纤来说, 具有结构设计的灵活性以及优异的传输性能。因此, 光子晶体光纤被广泛研究和应用。

利用全矢量有限元法[5]并结合损耗理论对全内反射型太赫兹光子晶体光纤 (THz-PCF) 的传输特性进行了深入的研究, 分析了占空比、空气孔间距、空气孔层数对其传输特性的影响。

2 光纤结构和理论基础

THz-PCF的横截面如图1所示。其中Λ为孔间距, d为空气孔直径, 空气孔层数为四层, 灰色基底填充的是环烯烃共聚物 (COC) , 在THz波段的折射率为, 空气的折射率。

由麦克斯韦方程组可以得到电场E的矢量波动方程

式中n是介质折射率, 是电场强度矢量, K0为真空中的波数。由于在光纤中可以表述为:

式中β是传播常数。将方程 (2) 代入 (1) 并进行区域离散化可以得到本征值方程

式中[K]和[M]为有限元矩阵, 为离散化的电场强度, neff为模式的有效折射率。求解方程 (3) 可以得到特征值和特征向量, 进而得到相应的模式折射率。合理地设置参数并选择边界条件可以得到具有复数形式的模式有效折射率, 利用实部可计算群速度色散和波导色散, 而利用虚部则可以获得有限包层下不同模式的限制损耗。另外利用有限元分析软件还可以准确的获得光子晶体光纤的模场分布, 进而通过有效模场面积计算公式分析有效模场面积的变化。

3 光纤的特性分析

3.1 限制损耗及单模传输特性

在PCF中, 光在其纤芯中传输时会通过空气孔的间隙泄露到包层, 从而造成光纤传输能量的损耗, 称之为限制损耗[6]。基模的限制损耗Lcon可通过下式计算

其中Im (neff) 表示基模模式有效折射率的虚部, 根据PCF的模式选择理论[7,8], 基模损耗小于0.1d B/m, 高阶模损耗大于1d B/m时该PCF可实现单模传输。为简化分析, 选取高阶模中限制损耗最低的模式作为研究对象, 通过大量的仿真模拟发现二阶模LP01的限制损耗总是除基膜之外最小的, 因此我们选取限制损耗最小的二阶模作为参考对象。

图2为固定孔间距=500μm时基模与二阶模限制损耗随占空比d/的变化曲线。由图可以看出, THz-PCF的限制损耗随着频率的增加而呈下降的趋势。在低频段基模的限制损耗迅速减小进入纤芯, 而二阶模由于在包层传输限制损耗非常大。随着频率的增加, 二阶模进入纤芯限制损耗迅速减小。在孔间距相同的情况下, 对于相同频率的THz-PCF, 基模与二阶模限制损耗都随空气孔占空比d/的增大而减小。这是由于随着占空比的增大, PCF对光的限制能力增强, 使更多的光聚集在纤芯。同时单模传输范围随空气孔占空比d/的减小而增大, 并向高频段移动。

图3为固定占空比时基模与二级模限制损耗随孔间距的变化曲线。有图可以看出, THzPCF的限制损耗随着频率的增加依然具有呈下降的趋势。在占空比相同的情况下, 对于相同频率的THz-PCF, 基模与二阶模限制损耗都随孔间距的增大而减小, 同时单模传输范围随孔间距的减小而增大, 并向高频段移动。

图4为固定孔间距, 占空比时基模与二级模限制损耗随包层空气孔层数的变化曲线。有图可以看出, 在孔间距和占空比相同的情况下, 对于相同频率的THz-PCF, 基模与二阶模限制损耗都随包层空气孔层数的增大而减小。同时单模传输范围随包层空气孔层数的减小而增大, 并向高频段移动。

图5为孔间距, 占空比, 空气孔层数为4层时基模与二级模限制损耗的变化曲线。图6为文献8中利用归一化频率得到的单模传输曲线。有两图比较容易发现, 本文利用损耗理论得到的结果与文献比较吻合。

3.2 模式有效折射率

各阶模式的有效折射率值只有满足在纤芯和包层折射率之间才能被激发在纤芯传输, 因此研究基模的模式有效折射率具有非常重要的意义。而且有基模的模式有效折射率值可以计算出光纤波导色散随频率的变化曲线。该PCF不同结构参数下的模式有效折射率值如图7所示。

由图7可知, 基模模式折射率随着频率的增加而增加, 且趋于一定值。孔间距一定时, d/越大, 基模折射率越小;当占空比d/一定时, 越小, 模式折射率越小。同时随着层数的增加, 基模模式折射率有所增加。

4 结论

本文利用有限元分析法并结合损耗理论对全内反射型太赫兹光子晶体光纤的单模传输范围进行了深入的研究, 分析了占空比、空气孔间距、空气孔层数对该光子晶体光纤传输特性的影响。结果表明, 单模传输范围随占空比、孔间距、空气孔层数的减小而增大;限制损耗随占空比、空气孔间距、空气孔层数的增大而减小;模式有效折射率随占空比的增大而减小, 随孔间距、空气孔层数的增大而增大。

摘要：利用全矢量有限元法并结合损耗理论对全内反射型太赫兹光子晶体光纤的单模传输带宽进行了深入的研究。结果表明, 光纤的限制损耗以及单模传输带宽可以通过改变光子晶体光纤的占空比、空气孔间距、空气孔层数等结构参数进行灵活的调节, 并与其他文献利用归一化频率法得到的结果相吻合。

关键词：太赫兹波,光子晶体光纤,单模传输,限制损耗

参考文献

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四通道单模光纤旋转连接器的研制 第4篇

光纤旋转连接器可实现设备旋转端与固定端之间的光信号连续传输,又称为光滑环或光铰链,是一种特殊的光无源器件。随着光纤通信系统的迅速发展,光纤旋转连接器在雷达系统、舰艇系统、飞机、火控系统等军事领域和医疗CT、石油平台、声纳探测等民用领域都得到了广泛应用[1]。光纤旋转连接器按通道数有单通道、双通道和多通道之分,单通道的实现原理简单,双通道和多通道的实现原理虽然多样,但要求结构复杂,装调难度大;按光纤传输模式有单模和多模之分,单模光纤旋转连接器相比多模光纤旋转连接器,其要求对准精度更高,实现更困难。

1 设计原理

此四通道单模光纤旋转连接器是基于道威棱镜[2,3]的光传输特性实现的,当道威棱镜以角速度旋转时,经由道威棱镜所成的像以角速度2旋转,所以,如保证物体和道威棱镜的转速比为2:1,便可实现物体所成的像静止不动。图1为结构原理简图,光信号通过一端的准直机构耦合进入可转动的道威棱镜(转子),经过棱镜折射-反射-折射传输耦合到另一端固定的准直机构(定子),实现光信号的旋转固定连接。

2 研制过程中的关键技术

2.1 旋转端与固定端的光信号耦合

输入输出端的光信号耦合装置是此单模光纤旋转连接器的关键技术之一。本方案采用C-lens单模光纤准直器[4]作为光信号的准直器件,在耦合时准直器之间的距离、轴向偏移和角度偏差都会带来耦合的附加损耗[5]。此单模光纤准直器输出平行光的光轴与准直器的机械轴存在偏角(一般在±0.5º以内),也称点精度,具有空间随机、方向不可控的特点,这样就导致准直器之间耦合无法通过机械定位来实现,而是需要一个多维的微调装置,通过装调来实现。0.1º角度偏差会产生5 d B左右的损耗,0.06 mm的位置偏差带来大概1 d B的损耗;另外,本设计中准直器之间的距离(小于80 mm)带来的耦合损耗小于0.5 d B。

本方案采用五维调整架对光纤准直器进行耦合调整,如图2所示,1、2、3、4、5为微调螺钉,1、2、5用于三维位置调节,3、4用于方位和俯仰角的调节。光纤准直器耦合调整时,可将一端固定,另一端固定在五维调整架上,调节五维调整架上的微调螺钉,监测耦合指标,直到指标符合要求为止。

图3为此连接器输入输出端准直器耦合调整机构的原理图,输入端光纤准直器固定在光纤汇流环旋转端,输出端准直器固定在五维调整架上,调节五维调整架直至耦合指标足够小,然后旋转入射端,观察输出功率变化情况,如动态变化较大,微调五维调整架,进行综合指标平衡调节,既要保证最大插入损耗小,又要保证旋转过程中动态变化比较小,调节结束后,将准直器固定在旋转连接器上,拆除五维调整架。

2.2 道威棱镜的装调

道威棱镜的光轴与旋转轴不重合时,旋转过程中固定端输出的平行光束会出现角度及位置偏差,如图4所示,入射平行光束直径0.4 mm,当两轴存在0.5º夹角时,入射光旋转360º、道威棱镜旋转180º后的输出光束与旋转前的输出光束已经完全分离,此角度偏差为两轴夹角的2倍。此时,将无法实现光信号的动态传输,所以道威棱镜的安装精度是光纤旋转连接器实现的关键。根据单模光纤准直器的参数计算,角度偏差小于0.05º时,准直器耦合损耗小于2 d B,所以要实现光信号的低损耗传输,需保证道威棱镜的安装精度,此设计要求两轴夹角小于0.05º。由于道威棱镜的光轴位置靠机械加工和机械定位很难控制,需要有合理的道威棱镜调整机构和光学调整方案。

2.3 传动机构

2:1的传动机构是此旋转连接器实现的前提,设计考虑了两种方案,一种直齿轮传动方案、一种锥齿轮传动方案。

图5为直齿轮行星轮结构简图,其传动形式需要四种规格的齿轮,大小齿轮共8个;这种传动结构,直齿轮的加工难度小、精度高,但装配比较复杂;另外,齿轮的布局会占据道威棱镜的通光孔径,导致径向尺寸增大。

图6为锥齿轮行星轮结构简图,其传动形式只需两种规格的齿轮,2个大齿轮,3个小齿轮。相比直齿轮传动结构,该结构齿轮布局可更有效的利用道威棱镜的通光孔径,在外形尺寸不变的情况下,可实现更多通道的光信号传输;另外,此结构装配简单,齿轮的种类和数量较少。

此光纤旋转连接器采用了锥齿轮行星轮系的传动方案,从传动精度及加工难度两方面考虑,锥齿轮的模数设计为0.5,并在圆周方向均布三个小齿轮,提高了传动平稳性、减小了回差。

3 技术指标

此四通道单模旋转连接器的外形尺寸为Φ88 mm176 mm,重量2.4 kg,如图7所示。其技术指标见表1,各个通道的插入损耗指标包括道威棱镜的装调精度和行星轮传动精度带来的耦合损耗、零件加工精度带来的固有损耗和准直器耦合时的附加损耗,这三部分损耗是相互影响、综合作用的。根据通道2指标(1.60~2.40 d B)可以确定,此旋转连接器装调及加工精度带来的损耗小于2.4 d B,其它通道相比通道2损耗偏大,来自于准直器耦合带来的附加损耗,准直器采用五维调整架来调整,其调节维度多,随机性大,调节过程耗时耗力,且准直器固定及调整架拆除过程中会影响装调指标,所以很难保证各个通道的技术指标完全一致,只能综合考虑,将损耗控制在一定范围之内,经多次装调和实验插入损耗可控制在5 d B以下,且随着装调工艺的不断完善和装调人员装调技术的不断提高,技术指标还可有所提高。此四通道单模光纤旋转连接器最大插入损耗3.81 d B,平均损耗2.54 d B,最大旋转变化量1.34 d B,技术指标达到了国外同类产品水平[6,7](一般要求插入损耗<5 d B,旋转变化量<2 d B),并已通过相关环境试验。

4 结论

多通道单模光纤旋转连接器的应用已经越来越广泛,但国内还没有能够提供该产品的厂家。目前,国内所应用的多通道单模光纤旋转连接器主要来自进口产品。本文介绍的四通道单模光纤旋转连接器,其技术指标达到了国外同类产品水平,具有外形尺寸小、重量轻、道威棱镜通光孔径大等特点,可在不改变结构尺寸的情况下直接扩展为八通道。此四通道单模光纤旋转连接器的研制成功,标志着此类产品已可实现国产化。

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单模光纤论文 第5篇

光纤的接续损耗主要包括:光纤本征因素造成的固有损耗和非本征因素造成的熔接损耗二种。本文只针对光纤本征因素模场直径方面及熔接损耗方面对异型光纤对接的影响进行分析研究。

所谓模场直径就是单模光纤中光斑的大小, 接续损耗可以使用以下公式进行计算:

其中:x、y表示对接异型光纤的模长直径, 单位为nm

在实际操作中, 某一次的熔接值可能会与原来的平均损耗值相差较大。任何光纤通信系统在设计时都已经将光缆富余度考虑在内, 这其中就包括了由于接头所引起的损耗开销, 另一方面接头损耗与工作光纤的总衰耗相比所占的比重相对较小。这样即使熔接损耗达到了0.6dB, 整个链路的衰耗总开销也会在允许的范围之内。况且我们最关心的并不是光功率究竟损失在哪里, 而是在接收端得到的光功率是否可以达到设备的要求。

2 色散对异型光纤对接的影响

色散是由于不同成分的光信号在光纤中传输时因为群速度不同产生不同的时间延迟引起的一种物理效应, 对于单模光纤, 不存在模式色散, 只有色度色散和偏振模色散。

2.1 色度色散

色度色散中, 材料色散是主要的, 波导色散相对较小。从对色散的定义和色散对系统的影响来看, 对于两段异型光纤的对接至少需要考虑以下两个方面的因素:1) 在特定波长下对, 光纤色散的大小对系统应用的影响;2) 从色散的定义上看, 在可变波长范围内, 色散本身大小是随着波长的变化而变化的, 必须考虑在波分系统应用时的限制。

在特定波长下, 光纤的色散大小决定了光纤上所承载系统的传输速率和传输距离。由于不同类型的光纤具有不同的色散系数, 因此在在使用异型光纤对接后, 必须对混合光纤的色散进行重新计算, , 在综合色散发生明显变化时必须考虑使用色散补偿模块, 而合适的色散补偿模块取决于中继段色散总量的大小。在高速率的DWDM系统, 除要求光纤需具有低的衰减之外, 还要求光纤具有小的色度色散、小的偏振模色散和工作波长区的色度色散不能为零。当G.652的光纤和G.655的光纤以及不同类型的G.655光纤进行对接的时候, 色散对一个固定速率传输系统会有影响, 但在波分中色散对系统的影响比起单速率的传输系统的影响要复杂得多, 这主要是由于光纤在不同波长下的色散系数是不一样的, 光纤的色散总是随着波长的变化而变化, 当不同斜率的异型光纤进行对接时, 得到的色散斜率可能发生了很大的变化, 这会导致系统中原有的色散补偿模块在不同波长下对系统的色散补偿不能达到DWDM系统的要求, 不进行色散补偿模式的调整, 可能导致色散对不同波上承载的系统造成不良的影响。

2.2 偏振模 (PMD) 色散

偏振模色散 (PMD) 又称光的双折射:单模光纤只能传输一种基模的光。基模实际上是由两个偏振方向相互正交的模场HE11x和HE11y所组成。若单模光纤存在着不圆度、微弯力、应力等, HE11x和HE11y存在相位差, 则合成光场是一个方向和瞬时幅度随时间变化的非线性偏振, 就会产生双折射现象, 即x和y方向的折射率不同。因传播速度不等, 模场的偏振方向将沿光纤的传播方向随机变化, 从而会在光纤的输出端产生偏振色散。

3 折射率分布的不同对异型光纤对接的影响

光纤折射率分布描述的是从光纤纤芯到包层的折射率随半径的变化情况。归一化频率V是描述光纤特性的一个重要参数, 理论上讲他只与光纤的折射率分布有关, 因此在折射率分布固定的情况下, 光纤的截止波长也是固定的, 而截止波长是单模光纤所特有的参数, 是单模光纤的本征参量, 也是单模光纤最基本的参数。在异型光纤进行对接的系统中, 由于折射率的分布的不同, 不但会导致在接头处产生额外的衰减, 而且会对系统的截止波长产生重要的影响。相比之下, 由于折射率分布的不同导致接头产生的附加衰减比由于模场直径的差异导致的衰减要微弱得多, 折射率分布的不同对异型光纤对接的影响主要表现在对截止波长的限制上。截止波长描述的是光纤从多模转变为单模的那一临界波长点。在ITU中建议色散非位移光纤 (G.652) 光缆的截止波长应不大于1 260nm, 非零色散位移光纤 (G.655) 光缆的截止波长应不大于1480nm。因此, G.652光纤可以使用传统的1 310nm波段传输设备, 但是一些G.655光纤却没有这个能力。所以, 在不同类型的G.655光纤进行对接的时候, 需要对光纤的截止波长进行确认

4 非线性效应对异型光纤对接的影响

光纤的非线性效应可分为两类:受激散射和折射率扰动, 受激散射有两种形式:受激布里渊散射和受激拉曼两种, 而折射率扰动又分为了自相位调制、交叉相位调制和四波混频效应。由于这些非线性效应和光纤的有效面积、折射率分布和色度色散、偏振模色散等多种参数密切相关, 具体评价混合光纤对系统的影响是很难的, 因此, 在应用混合光纤进行传输组网时, 应通过传输设备供应商提供的比较保守的设计原则来决定。

虽然非线性效应无法在理论上进行比较准确的推论, 但是, 在现网的应用上异型光纤的对接时非线性效应对系统的应用造成的影响还是比较有限的。总而言之, 混合光纤的非线性效应会限制系统的容量和传输距离, 而对于非线性效应的控制重点应放在光纤的有效面积、光输入功率和色散等方面。

5 异型光纤对接对熔接机的要求

在诸多影响熔接质量的因素中, 熔接设备的影响很值得我们重视。异型光纤进行熔接时, 其程序或是设备的设置会有相应的不同。特别是真波光纤的几何特性与G.652光纤稍有不同, 熔接机厂商在熔接机内预先设置类程序来优化色散位移光纤的熔接性能。在接续真波光纤之前, 应与熔接机厂家联系一确定熔接此种光纤的最优程序, 必要时应升级熔接机的软件, 以获得最佳的熔接效果。在熔接前, 千万不要想当然就认为你所用的熔接机可以处理特殊光纤的熔接, 最好在熔接前与光纤生产商和熔接机供应商取得联系。选择成熟优质的熔接工具获得工具供应商的技术支持和培训, 这些都将使你获得更好的熔接质量。

6 异型光纤对接造成OTDR测量时单向异常

光纤接续完, 人们目前最常用OTDR仪表对接续效果进行测量。光时域反射仪又称背向散射仪, 由于光纤的模场直径影响它的后向散射, 因此在一根光纤中反射回来的能量多少依赖于该光纤的MFD, 因此当MFD不同的光纤连接在一起时, OTDR可能会产生异常的读数。由此引起误差, 如果被连接的光纤 (光纤2) 的MFD (MFD2) 比连接光纤 (光纤1) 的MFD (MFD1) 大, 则产生的OTDR误差为正。这个正的误差加上实际的连接损耗就会在OTDR上显示为一个较大的虚假读数。反之, 当被连接光纤 (光纤2) 的MFD比连接光纤 (光纤1) 的MFD小时, OTDR误差为负。负的误差加上实际的连接损耗在OTDR上被显示为一个较小的虚假读数, 甚至在某些情况下, 还可能出现增益而非衰减, 这就是人们常说的OTDR单向异常现象。

通过以上的分析, 我们认为在进行异型光纤对接的时候, 应主要考虑的以下几方面的因素:

1) 接续损耗;

2) 链路色散、PMD和链路色散斜率;

3) 截止波长限制问题;

4) 非线性效应:主要在系统测试中反映;

5) 选择合适的熔接工具和测试工具;

6) 采用OTDR双向测量法, 获得真实的连接损耗。

通过本文的分析和在实际的应用中, 我们认为在异型光纤对接中, G652异型光纤的对接对系统基本没有影响, G655异型光纤的对接在衰耗方面也不存在太大问题, 色散和PMD也基本不会受到影响, 应特别值得注意的是截止波长和非线性效应, 对接后截止波长应只满足到两者的交集部分, 若要开通超出部分的波长将会对系统产生较大影响。而非线性效应就比较复杂了, 由于各影响因素互相作用, 很难在实际中进行量化, 因此对于非线性效应应根据现场实际情况, 在系统调测过程特别注意并进行分析。另外从以上的分析也很容易看到G652和G655光纤的对接问题是比较多的, 无论在连接损耗、色散、PMD、截止波长、非线性效应等方面对系统的影响都是比较大的, 因此在实际应用中我们不建议这种方式的对接。

摘要：在我国光纤通信因其速度快、传输质量好以及带宽宽等优点恰好适应了各运营商业务量的增长, 从而得到了迅猛发展, 新技术、新产品、新材料更是层出不穷。目前, 在我国各运营商常用的光纤就有G.652光纤和G.655光纤两大类, 在同一个网络中或同一个链路中出现不同种类的单模光纤混用的情况已经就不足为奇了。在本文将从连接损耗、色散、折射率分布不同对异型光纤对接的限制、以及非线性效应、异型光纤对接对熔接机的要求、正确采取OTDR测量方法获得真实数据六方面就不同光纤之间相互连接以及不同光纤在同一网络 (链路) 中的混用进行分析研究, 找出异型光纤对接对系统指标产生的影响, 本文的结论仅适用于单模光纤之间的对接, 文中的异型光纤对接均指单模光纤之间的对接。

关键词：光纤通信,异型光纤对接,色散,折射率,非线性效应

参考文献

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单模光纤论文 第6篇

SPSM-PCF (单偏振单模光子晶体光纤)只能传输一个偏振模,且无偏振模串扰和偏振模色散,在相干光通信和光纤传感领域受到广泛的关注,己成为PCF的研究热点。

2003年Kunimasa Saitoh和Masanori Koshiba设计了一种限制损耗为10-3 dB/m的SPSM-PCF[1];2005年燕山大学Ming-Yang Chen等对矩形晶格PCF偏振损耗特性进行了研究,并提出了一种高双折射低泄漏损耗复合结构SPSM-PCF,基模两个偏振态的限制损耗差达到520 dB/km[2];2007年Daru Chen 等采用椭圆空气孔设计了一种高双折射SPSM-PCF,在1.48～1.73 μm间计算获得单个偏振模的限制损耗达到0.1 dB/m[3];2009年Lin An等设计了一种高非线性低色散SPSM-PCF,计算得到800 nm处限制损耗为310-6 dB/m [4];2011年Yovanny A等人设计了一种用于传感的聚合物SPSM-PCF,计算表明其在波长为588 nm处基模y偏振态的限制损耗可达10-6 dB/m[5]。

本文在Kunimasa Saitoh设计的一种简单模型的基础上进行了改进,通过压缩空气孔阵列引入包层双折射将单偏振运转范围由180 nm展宽为442 nm,同时慢轴模限制损耗由10-3降低到9.59710-6 dB/m。

1 理论方法

由Maxwell方程可得到光波电场的Helmholtz方程:

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式中,∇代表梯度算符,E表示电场矢量,κ0=2π/λ为自由空间波矢量值;[εr]、[μr]分别为介质的相对介电常数张量和相对磁导率张量。以圆形PML(完美匹配层)为吸收边界条件将计算区域划分为三角形网格单元,应用标准有限元过程求解方程(1),得到关于传播常数β的本征方程:

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式中,A和B为有限元系数矩阵,e为电场矢量矩阵。

数值求解矩阵方程,由传播常数的实部、虚部可以得到导波模的有效折射率neff=Re(β/κ0)和限制损耗L=-(20/ln10)Imβ (单位为dB/m)。

2 模拟结果及分析

2.1 SPSM-PCF电场分布图

图1所示为本文提出的新型SPSM-PCF的结构。图中,白色部分为空气孔,灰色部分为石英材料,

d为包层小空气孔直径,D为纤芯大空气孔直径,Λx、Λy分别为x方向和y方向上相邻空气孔的间距。图2是入射波长为1.550 μm时的慢轴模(x方向偏振模)电场分布图,图中箭头表示电场方向。计算时采用的结构参数如下:Λx=3.0 μm,

Λy=0.75Λx,d/Λx=0.5,D/Λx=0.95。由图可以看出,慢轴模电磁场主要分布在纤芯区域。

图3和图4分别为SPSM-PCF在入射波长为1.550 μm时的快轴模(y方向偏振模)偶模式、奇模式对应的电场分布图,图中箭头表示电场方向。由图可以看出,快轴模与包层基空间填充模满足折射率匹配条件时强烈耦合,使得限制损耗达到17.28 dB/m,随着光纤传播快速衰减,可实现单模单偏振运转。

2.2 有效折射率和限制损耗随波长的变化

将图1中心的大空气孔区域视作缺陷,应用全矢量有限元法可以求得基空间填充模的有效折射率,可以发现,由于压缩正六边形空气孔阵列消除了六重旋转对称性,基空间填充模不再简并,而是分裂为x偏振模和y偏振模,展宽了单模单偏振工作区域,如图5所示。

由图5可以看出,当波长为λ1、λ2时,基模与包层基空间填充模的有效折射率最为接近,可以看到明显的“避免相交效应”,在这之间为单模单偏振工作区域,相应的限制损耗如图6所示。由图6可以看出,限制损耗的变化依赖于芯区模式与包层基空间填充模式之间的耦合。与图5对应在波长为λ1、λ2时,基模与基空间填充模有效折射率差异最小,满足折射率匹配条件,这时限制损耗分别达到极值;随着波长的增大,折射率差异增大,使得损耗降低;继续增大波长,基模与包层低阶模有效折射率差异减小,满足折射率匹配条件,限制损耗再次达到极值。

2.3 结构参数对光纤限制损耗特性的影响

在实际制造PCF时,包层中的空气孔层数Nr有限,由此造成的泄露损耗不可避免。Nr与限制损耗之间的关系如图7所示。

在1.550 μm波段,传导模的限制损耗随着包层层数Nr的增加而显著减小,因此,对于传导模这个问题可以通过增加空气孔层数而得到有效解决。

PCF在拉丝过程中,空气孔间距误差会对单模单偏振工作区域有影响,图8给出了x方向孔间距Λx变化±5%时对限制损耗的影响。

由图8可见,空气孔间距增大5%时,快轴模的截止波长由1.426 μm向右移动到1.503 μm;当空气孔间距减小5%时,快轴模式的截止波长由1.426 μm向左移动到1.361 μm,但是,1.550 μm波段均正常工作在低损耗单模单偏振状态。

从图5可以看出PCF单模单偏振区域依赖于中心大空气孔产生的高双折射,其直径D变化对快轴截止波长、光纤限制损耗的影响如图9所示。

可以看出,大空气孔直径D/Λx从0.950变到0.940时,快轴模截止波长从1.426 μm变到1.548 μm,光纤仍处于低损耗单模单偏振区域。

3 结束语

本文提出了一种压缩六边形空气孔阵列的SPSM-PCF,以PML为边界条件运用全矢量有限元方法对该光纤的传导模模场分布、结构参数偏差对光纤损耗特性的影响进行了研究。研究结果表明,该光纤能够在入射波长为1.550 μm处实现仅有慢轴模且限制损耗低于0.1 dB/km的高可靠性单模单偏振运转。

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单模光纤论文 第7篇

目前, 实现单偏振运转的方法主要是使用保偏光纤和偏振片, 但是这种方法不能完全消除偏振模分量, 偏振模耦合不能够完全被消除[5]。跟保偏光纤不同, 单模单偏振光纤中只能传输一种偏振方向的基模, 所以它不仅能够消除偏振模耦合, 还能消除偏振模色散[6]。为了实现单偏振, 需要引入足够大的双折射用以分离基膜中两个简并的偏振模式[7], 然后使不需要的偏振模式截止[8,9]。单偏振性质能够提高光学器件和传输系统的稳定性[10,11]。

文中提出了一种具有平顶基模的单模单偏振光纤。在光纤的包层中引入两个带有椭圆空气孔的无源纤芯, 使其对称地置于有源纤芯的两侧, 以此来获得足够大的双折射。文中第一部分, 主要采用有限元法对单模单偏振平顶基模光纤的特性进行研究;第二部分, 主要研究基于速率方程的激光器中的横模竞争。仿真结果显示, 采用上述结构的有源光纤作为平顶基模光纤激光器的增益介质能够实现单模单偏振输出。

1 平顶基模单模单偏振光纤

平顶基模单模单偏振光纤的结构如图1所示, 中间部分是掺杂稀土元素的的硅芯, 半径为r1, 折射率为ncore, 硅芯上灰色的部分是厚度为r2-r1硅层, 折射率为nopt。包层的折射率nclad, 这里ncore、nclad、r2、r1和nopt的关系由式 (1) 决定[2]

式中, k0代表自由空间的波数。如图1, 包层中引入两个带有椭圆空气孔的无源纤芯, 该纤芯的半径为b, 折射率为npc, 空气孔的长轴和短轴分别为dL和dS, d代表无源纤芯中心与有源纤芯中心的距离。

平顶基模单模单偏振光纤相关参数见表1。

采用有限元法得到平顶基模单模单偏振光纤中的横模模式见图2。其中, 模式1、2、4和5均为y方向偏振模, 它们的能量主要分布在带空气孔的纤芯内;模式3、6、7和8能量主要集中在有源纤芯中, 其中模式3和7均为x方向偏振模, 模式6和8是相互正交的两个偏振模。由于无源纤芯中椭圆空气孔的存在而引入的双折射使得x偏振基模 (模式3) 与y偏振基模 (模式1) 不再简并。比较发现, 模式3中将更多的能量分布在有源纤芯的部分, 这说明在平顶基模单模单偏振光纤作为增益介质的光纤激光器中, x方向偏振基模能够吸收最多的泵浦光能量。因此, x方向偏振基模能够在模式竞争中占主导地位, 并且作为光纤激光器的主要输出。

2 平顶基模单模单偏振光纤激光器

平顶基模单模单偏振光纤激光器的结构见图3。图3中, 波长976 nm的泵浦光经过高透过率的腔镜的左侧进入激光器, 到达激光器输出端反射率为85%的腔镜, 输出光波长为1 080 nm, 反馈回输入端的激光到达反射率为100%的左腔镜的右侧被完全反射回来, 不断地在激光器中振荡。

根据文献[12], 假设激光器为单纵模、振荡, 且泵浦光在光纤截面上分布均匀, 多模光纤激光器中的速率方程可以写为

式中, h是普朗克常数;τ是激光上能级的弛豫时间;vp和vs分别是泵浦光和信号光的频率;a是纤芯半径;N2 (r, φ, z) 和N1 (r, φ, z) 分别为 (r, φ, z) 处激光下能级和激光上能级的反转粒子数密度N (r, φ, z) =N1 (r, φ, z) +N2 (r, φ, z) (代表掺杂浓度分布, 在光纤轴向上为常数和在径向上是对称的) ;pp+ (z) 和pp- (z) 分别为正向和反向泵浦功率;p+si (z) 和psi (z) 分别为第i阶横模的正向和反向功率;σap (σep) 和σep (σes) 分别为泵浦激光吸收 (发射) 截面和信号激光吸收 (发射) 截面;αp和αsi分别代表泵浦光和信号光第i阶横模的损耗因子;dij是第i阶横模和第j阶横模之间的功率耦合系数;Γp (r, φ) 和Γsi (r, φ) 分别是泵浦光和信号光第i阶横模的功率填充分布, 如下式

其中, ψi (r, φ) 表示第i阶横模的强度分布函数;Acore和Aclad分别是纤芯和内包层的面积。式 (2) 表示的是基态和激发态的反转粒子数密度N1 (r, φ, z) 和N2 (r, φ, z) 随着第i阶横模的正向和反向的信号光功率p±si (z) 和同一位置处的泵浦光功率pp± (z) 的变化。式 (3) 和式 (4) 分别描述的是泵浦光和信号光 (每个单个横模) 功率沿光纤长度的变化。

由于方程 (3) 和方程 (4) 中的耦合项使得这些复杂的方程式非常难解, 文献[12]中提出了一个近似替代方法, 即将纤芯截面划分成一个个足够薄的数量有限的层 (如图4) , 此时每层内的掺杂浓度和反转粒子数可视为一个常数。于是多模光纤激光器的速率方程改写为

其中, Ak=π (rk2-r2k-1) (k=1, 2, M;r0=0) 代表第k层的面积, Γpk和Γsik分别代表第k层的泵浦光和信号光的填充因子。

为了解耦合方程 (7) ~方程 (10) , 需要初始条件和边界条件。对于光纤激光器, 边界条件可以表示为

这里的L代表光纤的长度, R1和R2分别代表z=0和z=L处的反射镜的反射率。方程 (7) ~方程 (10) 在输出功率psiout= (1-R2) p+si (L) 时收敛。将泵浦光和信号光功率的初始值设在z=0处, 设R1=100%, R2=15%, 信号光功率的计算采用四阶龙格库塔法。

上述的多模光纤激光器中横模竞争模型同样适用于研究平顶基模单模单偏振光纤激光器中的横模竞争。在数值模拟中采用的参数见表2。其中, λp和λs分别为泵浦光和信号光的波长;αp是泵浦光损失因子;αs是信号光损失因子;N是掺杂浓度分布;σap (σep) 和σas (σes) 分别是泵浦吸收 (发射) 截面和信号吸收 (发射) 截面;L是光纤的长度;rclad是包层的半径;τ是激光上能级的弛豫时间。其他的参数跟表1参数一样。为了研究每个模式的输出功率与输出总功率的关系, 将Qi定义为第i个模式的输出光功率与总输出功率的比例。

如图5所示, 当泵浦功率为50~1 000 W时, 模式3在模式竞争中一直保持主导地位, Q3几乎等于100%, 说明该平顶基模单模单偏振光纤作为光纤激光器的增益介质的情况下能够实现单模单偏振运转。

图6所示为当泵浦功率为500 W时, 平顶基模单模单偏振光纤激光器中模式1, 3, 4的Q因子随着无源纤芯的折射率npc的变化。因为其他模式的Q值几乎为0, 所以可以忽略。从图6中可以看出, 对于平顶基模单模单偏振光纤激光器, 当npc从1.472 3变化到1.473 9时, Q3均在99%之上, 此时激光器只输出x方向偏振基模。

当npc<1.472 3时, Q3随着Q1的增大而减小。如图6左插图, 当npc=1.47时, 模式1和模式3的强度分布基本一致。此时, Q1和Q3约为50%。为了研究各个模式对泵浦光的吸收效率, 引入填充因子Γi, 定义为第i个模式分布在有源芯区的功率与该模式总功率的比值。计算得出Γ1=0.869 0, Γ3=0.871 4, 这说明模式1和模式3此时对泵浦光的吸收效率相当。表明此时的双折射不够大, 无法支持单模运转。

当npc>1.473 9时, Q3随着Q4的快速增加而急剧减小。如图6右插图, 当npc=1.475时, 模式3中分布在无源芯区的能量比模式4分布在无源芯区的能量多, 此时Γ3=0.840 2, Γ4=0.874 2。也就是说, 模式4相比较模式3而言分布在有源芯区的能量更多。所以, 模式4在输出中占优势。上述分析可以得出, 在合适的参数设计下, 平顶基模单模单偏振光纤激光器能够在不使用其他模式选择机制的情况下只输出x方向偏振基模。

3 结论

文中提出了一种平顶基模光纤激光器实现单模单偏振运转的方法。在光纤的包层中引入两个带有椭圆空气孔的无源纤芯, 以此来获得足够大的双折射。因为无源纤芯与有源纤芯之间的耦合, x方向和y方向的偏振基模不再简并, 两个正交偏振模式的强度分布不再相同。当npc在特定的范围内, x偏振基模的模式功率比其他模式更多地集中在掺杂纤芯区域, 即x偏振基模能够吸收更多的泵浦光能量。因此, x偏振基模能够在横模竞争中占主导地位。研究表明, 有源芯区直径为20μm的平顶基模光纤激光器可以在不采用其他模式选择机制下只输出x偏振基模光。这个特性对于平顶基模光纤激光器实现单模单偏振运转具有重要的意义。

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