新型特种光纤和相关制作工艺的研究

论文摘要

特种光纤已广泛应用于光纤通信、光纤传感、医学、材料加工和军事科技等领域。本论文结合国家高技术研究发展计划（863）项目“通信用特种光纤—稀土掺杂光纤（2001AA312230）”和“光纤制造新技术及新型光纤—新型特种光纤（2002AA312190）”的实施，对掺铒保偏光纤、边孔光纤、孔辅助导光光纤和保偏光子晶体光纤等进行了深入研究，获得以下创新性成果：1．首次将二阶透明边界条件（2nd TBC）应用于光纤模式分析的伽辽金平面有限元模型，可用于分析任意非均匀和各向异性折射率分布的光纤的传输模特性。与一阶透明边界条件（1st TBC）相比，二阶透明边界条件提高了求解光纤模式限制损耗的精度，与多极法（MM）计算结果的相对误差在10％以内。2．采用基于2nd TBC的伽辽金平面有限元模型对单模光子晶体光纤（PCF）的温度特性进行了数值模拟，得出PCF有效折射率neff、模式场有效半径Reff及限制损耗CL随温度变化的近似解析式。研究表明当折射率温度系数ζ在所研究的温度范围内变化缓慢时，随着温度的增加，nef线性增加，Reff和CL线性减小，色散大小不受温度变化影响，neff，R（eff）和CL在数值上改变很小，表明PCF具有较好的温度稳定性。3．采用基于2nd TBC的伽辽金平面有限元模型结合有限元平面应变模型研究了圆芯边孔光纤和K型椭圆芯边孔光纤的应力区和固有双折射。分析了两种边孔光纤横截面上应力分量σx、σy的拉、压应力区以及应力双折射Bs的分布形态并给出了清晰的物理解释，指出了几何双折射、应力双折射与模式双折射之间的关系，并给出了它们随波长和光纤结构参数的变化特点。4．扩展了现有光纤应力分析的有限元平面应变模型，可用来计算任意横向外力作用下光纤截面各点的应力状态。分析了含孔光纤（包括边孔光纤、光子晶体光纤、保偏光子晶体光纤和孔辅助导光光纤）的压力感应双折射分布形态，给出了压力感应双折射灵敏度随光纤结构参数的变化关系。研究表明含孔光纤横截面上各空气孔应力集中的扩散和相互干涉造成了光纤中心区域压力感应双折射复杂的分布形态，压力感应双折射与横向压力大小成线性关系，对压力作用方向敏感。根据独立空气孔应力集中的线性叠加定性解释了各种含孔光纤压力感应双折射的横截面分布形态。5．提出了一种制作保偏光纤的新方法—光纤预制棒侧向开槽法，并建成了一套完善的制作工艺。相比于护套打孔法，开槽法可制作更长的保偏光纤预制棒，更易保证两应力施加区中心和纤芯中心三心共线，凹槽的对称性、直线度、内表面粗糙度要求更易实现。开槽法简化了保偏光纤预制棒制作工艺，降低了制作成本。另外开槽法还可用于制作边孔光纤、双芯光纤以及孔辅助导光光纤，丰富了特种光纤制作方法。6．采用基于2nd TBC的伽辽金平面有限元模型和有限元平面应变模型，根据模场直径、截止波长、双折射等性能指标对熊猫型掺铒保偏光纤进行了结构优化，给出了双折射达到3×10-4时结构参量的取值范围。改进了MCVD法溶液掺杂技术的部分工艺和设备，在石墨电炉高温区下游安装气体冷却装置来提高沉积效率和纤芯疏松层的均匀性，设计了在MCVD车床上实现在线掺杂装置以保证溶液掺杂过程的洁净度。改进了特种光纤拉丝塔牵引系统，开发了六轮拉丝辅助牵引设备限制拉丝过程中光纤的扭转。在上述工艺改进的基础上，用开槽法结合MCVD法溶液在线掺杂工艺，试制出了高性能低成本的掺铒保偏光纤。所研制的掺Al3+、Er3+的保偏光纤在1530nm处的吸收系数为9.5dB／m，平均模式双折射和群双折射都为4.76×10-4，1550nm处拍长为3.26mm；共掺Bi3+、Ga3+和Al3+的掺铒保偏光纤在1530nm处的吸收系数为19.5dB／m，1530-1560nm范围内模式双折射和群双折射平均值都为1.93×10-4，1550nm处的拍长为8.05mm，且数值波动很小；两种光纤在波长1200nm附近的背景损耗都在30dB／km左右。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 保偏光纤技术简介
• 1.2.1 保偏光纤发展概况
• 1.2.2 应力致偏型PMF制作方法
• 1.3 稀土掺杂光纤制作工艺简介
• 1.4 光子晶体光纤拉丝工艺和传感应用
• 1.5 孔辅助导光光纤和边孔光纤的研究进展
• 1.6 研究内容和成果
• 参考文献
• 2 光纤应力分析和模式分析的有限元法
• 2.1 引言
• 2.2 光纤有限元法简介
• 2.2.1 FEM用于光纤应力分析
• 2.2.2 FEM用于光纤模式分析
• 2.3 光纤应力分析平面应变模型
• 2.3.1 点的应力状态和应力双折射
• 2.3.2 PMF应力分析有限元法
• 2.4 光纤模式分析的伽辽金平面有限元法
• nd TBC的伽辽金平面有限元法'>2.4.1 采用2^ndTBC的伽辽金平面有限元法
• 2.4.1.1 变分方程和FEM离散公式
• 2.4.1.2 二阶三角单元的单元矩阵
• 2.4.1.3 内部区域边界单元的单元矩阵
• 2.4.1.4 二阶透明边界条件和外边界单元的单元矩阵
• 2.4.1.5 有限元本征方程
• 2.4.1.6 模式场的对称性和对称边界条件
• 2.4.1.7 有限元后处理中的物理量
• 2.4.2 采用PML的伽辽金平面有限元法
• 2.4.2.1 PML吸收边界条件
• 2.4.2.2 有限元离散公式
• 2.4.2.3 单元矩阵的表示
• 2.4.2.4 本征方程和后处理
• 2.5 光纤有限元法计算模型的数值验证
• 2.5.1 平面应变模型FEM的数值验证
• nd TBC伽辽金平面有限元法的数值验证'>2.5.2 采用2^ndTBC伽辽金平面有限元法的数值验证
• 2.5.3 采用PML伽辽金平面有限元法的数值验证
• 2.6 光子晶体光纤的温度特性数值模拟
• 2.7 小结
• 参考文献
• 3 含孔光纤横向压力特性的研究
• 3.1 引言
• 3.2 光纤应力分析有限元平面应变模型的扩展
• 3.3 边孔光纤的应力特性
• 3.3.1 边孔光纤的固有双折射
• 3.3.1.1 圆芯边孔光纤
• 3.3.1.2 椭圆芯边孔光纤
• 3.3.2 边孔光纤双折射的压力响应
• 3.4 PCF的压力特性分析
• 3.4.1 PCF的压力感应双折射
• 3.4.2 PM-PCF的压力感应双折射
• 3.5 HALF的应力特性分析
• 3.6 小结
• 参考文献
• 4 掺铒保偏光纤的研制
• 4.1 引言
• 4.2 掺铒保偏光纤的结构优化
• 4.2.1 掺铒保偏光纤的结构形式
• 4.2.2 熊猫型保偏光纤的双折射分析
• 4.2.2.1 熊猫型PMF横截面的应力区和双折射的分布形态
• 4.2.2.2 纤芯中心应力双折射的解析式
• 4.2.3 熊猫型掺铒保偏光纤的结构设计
• 4.3 铒掺杂设计
• 4.3.1 基质材料性能
• 4.3.2 共掺物选择
• 4.3.3 铒掺杂半径
• 4.4 熊猫型掺铒保偏光纤的制作过程
• 4.4.1 掺铒光纤预制棒的制作
• 4.4.2 用开槽法制作保偏光纤预制棒
• 4.4.2.1 凹槽的成形加工工艺
• 4.4.2.2 开槽用砂轮的制作
• 4.4.2.3 开槽时预制棒的定位方式
• 4.4.2.4 砂轮转速、车床行进速度和冷却方式
• 4.4.2.5 开槽法的扩展应用
• 4.5 熊猫型掺铒保偏光纤性能测试
• 4.6 光纤拉丝辅助牵引设备的研制
• 4.7 小结
• 参考文献
• 5 结论
• 5.1 本论文的主要研究成果
• 5.2 下一步拟开展的研究工作
• 附录 A
• 作者简历
• 学位论文数据集