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采用新型包层材料和基于微结构的光纤与光纤光栅的研究

2020-11-29阅读(618)

采用新型包层材料和基于微结构的光纤与光纤光栅的研究

论文摘要

光学纤维以优良的光传输特性被广泛地应用到通信系统、传感、医疗器械和各种光学器件等众多领域,研究热点逐渐从研究衰减到研究光纤的色散和非线性,并有大量的有源和无源的光器件应运而生。近年来,特殊结构的光纤和光器件由于可以实现一些特殊的传输,满足常规光纤很难满足的要求和更容易的设计,越来越受到人们的关注,尤其在光器件设计上得到了广泛的应用。本论文理论和实验研究了采用新型材料包层结构（即采用单轴晶体材料包层）和基于全内反射微结构的两种新型光纤及光栅。首先提出了单轴各向异性材料为包层、其主轴沿光纤光栅轴线（Z轴）方向的布喇格光纤光栅模型,引入了单轴晶体材料主轴折射率比参数Kcl,从波动方程推出了理想正规模的特征方程,计算了基模HE11模的有效折射率、色散和功率限制因子;应用耦合模理论研究了该类布喇格光纤光栅的反射率、布喇格波长、反射波带宽及色散,理论研究了对该类光纤的电光效应和弹光效应。本部分的研究对基于以单轴晶体材料为包层的光纤和光栅器件的研究提供了理论依据,可以根据这些结论设计新型可调谐滤波器、波长选择器和电压、应力等传感器。应用改进的有效折射率法,分别用标量和矢量计算了微结构光纤（Microstructured Fiber,MF）的传输特性和全内反射微结构光纤Bragg光栅（MFBG）的反射特性和填充比的关系,提出了增大反射率的方法;应用BMP法设计了一种具有三层不同的空气孔直径的宽带色散补偿微结构光纤;设计和加工了长周期光纤光栅压力传感装置,对普通单模光纤进行了压力传感实验,实验表明传感器性能良好,线性度和灵敏度高;在高非线性微结构光纤上用机械压力法写制了一种长周期光纤光栅,测定了透射谱深度和压力大小的关系。本论文主要研究内容和创新点如下:1、单轴晶体包层光纤及光栅（1）提出了单轴各向异性材料为包层、其主轴沿光纤轴（Z轴）方向的光纤模型,矢量分析了特征方程、基模有效折射率和色散。研究表明光纤的色散随波长的增加而由负而正的增大,但零色散波长随Kcl的增加而减小。当Kcl＜1时,零色散波长随Kcl的增大而减小的很剧烈,但当Kcl＞1,零色散波长变化不明显。（2）研究了功率限制因子和包层单轴晶体材料主轴折射率比参数Kcl的关系,模拟了电光效应和弹光效应对此类光纤内光能量分布的影响。结果表明并且外加电场越强,纤芯内的光能量越少,光能量越集中到包层中;施加应变场越强,光能量越集中到纤芯中。（3）模拟计算了包层为单轴晶体材料的布喇格光纤光栅的反射率、Bragg波长、反射波带宽及色散和Kcl的关系,得出了单轴晶体包层光纤Bragg光栅比均匀各向同性包层的Bragg光栅更容易获得高反射率;单轴晶体包层折射率的变化可以使Bragg波长产生移动;包层为各向同性材料的光纤比包层为单轴晶体材料的光纤更容易把光能量集中在纤芯中传输;对光纤Bragg光栅来说,包层中传输的能量更容易耦合到反向导模中。（4）基于上述理论,提出了分别采用铌酸锂（LiNbO3）和磷酸二氢钾（KDP）两种单轴晶体材料做包层的光电器件的设想,即分别利用铌酸锂的电光效应和磷酸二氢钾弹光效应设计可调谐滤波器、压力和电场（压）传感器方法。2、微结构光纤及光栅（5）应用改进的有效折射率方法（IEIM）分别用标量法和矢量法分析MF的有效折射率和基于全内反射MF的Bragg光栅的反射谱。计算结果表明标量法只适合填充比小于0.45的情况,对于比较大的填充比,要用矢量法来计算;包层中空气比分增大时,基空间填充模的有效折射率变小,Bragg波长移向短波长一边;随着包层中空气比分的增加,可以有效的提高微结构光纤Bragg光栅的反射率。（6）在高非线性微结构光纤上用机械压力法写制了10个周期,周期为1.2mm的长周期光纤光栅,测定了透射谱深度和压力大小的关系,表明长周期光纤光栅的透射谱透射深度随应力增加而单调增加,即能量从纤芯耦合到包层;当应力进一步增大,透射谱深度开始减小,即光开始从包层耦合回纤芯。（7）采用金属凹槽板完成了可调谐普通单模光纤的压力传感实验,结果表明在0-70N的测量范围内,透射峰衰减值随压力变化曲线的线性度达0.9915,灵敏度可达0.2dBm/N。（8）与他人合作,应用BMP法设计了一种1.55um波段宽带色散补偿微结构光纤,该光纤具有三层不同的空气孔直径,调节各结构参量得到最佳色散补偿光纤,在100nm范围内补偿普通单模光纤（G.652）,补偿倍数超过100倍,比目前已报道的都大。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 目录
  • 第一章 绪论
  • 1.1 研究背景和意义
  • 1.1.1 光通信与光纤
  • 1.1.2 微结构光纤
  • 1.1.3 光纤光栅
  • 1.2 论文的主要工作
  • 参考文献
  • 第二章 各向异性包层光纤
  • 2.1 引言
  • 2.2 理论分析
  • 2.2.1 模型建立和场分布
  • 2.2.2 光纤的特征方程和色散
  • 2.2.3 光纤的功率限制因子
  • 2.2.4 光纤包层的电光效应
  • 2.2.5 光纤包层的弹光效应
  • 2.3 计算结果及分析
  • cl对HE11模有效折射率的影响'>2.3.1 Kcl对HE11模有效折射率的影响
  • cl对HE11模色散的影响'>2.3.2 Kcl对HE11模色散的影响
  • cl对HE11功率限制因子的影响'>2.3.3 Kcl对HE11功率限制因子的影响
  • 11功率分布的影响'>2.3.4 外加电场对HE11功率分布的影响
  • 11功率分布的影响'>2.3.5 应变对HE11功率分布的影响
  • 2.4 本章小结
  • 参考文献
  • 第三章 各向异性包层光纤光栅
  • 3.1 引言
  • 3.2 光纤光栅简介
  • 3.2.1 光敏性和光纤光栅
  • 3.2.2 光纤光栅的分类
  • 3.2.3 光纤光栅的制作方法
  • 3.2.4 光纤光栅的优点及应用
  • 3.3 布喇格光纤光栅模式耦合理论
  • 3.3.1 麦克斯韦方程的分量形式
  • 3.3.2 理想的规则波导模式
  • 3.3.3 模式耦合振幅方程
  • 3.3.4 模式耦合方程中的振幅系数
  • 3.3.5 耦合系数的计算
  • 3.4 布喇格光纤光栅特性分析
  • 3.4.1 数学模型
  • 3.4.2 布喇格光纤光栅基模反射率
  • 3.4.3 布喇格光纤光栅基模反射波带宽
  • 3.4.4 布喇格光纤光栅基模色散
  • 3.5 计算结果和分析
  • 3.5.1 布喇格光纤光栅反射率和Bragg波长
  • 3.5.2 布喇格光纤光栅反射率的物理解释
  • 3.5.3 布喇格光纤光栅的带宽
  • 3.5.4 布喇格光纤光栅的色散
  • 3.6 长周期光纤光栅的频谱特性
  • 3.6.1 长周期光纤光栅中的模式
  • 3.6.2 模式耦合的研究
  • 3.6.3 长周期光纤光栅频谱特性计算
  • 3.6.4 长周期光纤光栅结构的透射谱分析
  • 3.7 单轴晶体包层光纤的实现可能性
  • 3.8 本章小结
  • 参考文献
  • 第四章 微结构光纤的基本分析方法
  • 4.1 引言
  • 4.2 有效折射率法
  • 4.3 标量有效折射率方法
  • 4.4 矢量有效折射率方法
  • 4.4.1 包层等效折射率的求解
  • 4.4.2 等效的阶跃折射率光纤的特征方程
  • 4.5 改进的有效折射率方法
  • 4.5.1 模型的建立
  • 4.5.2 标量计算有效折射率
  • 4.5.3 矢量计算有效折射率
  • 4.6 本章小结
  • 参考文献
  • 第五章 微结构光纤Bragg光栅的理论分析
  • 5.1 引言
  • 5.1.1 微结构光纤光栅的制作方法
  • 5.1.2 微结构光纤光栅的特性
  • 5.2 等效折射率法分析微结构光纤Bragg光栅的特性
  • 5.2.1 标量分析微结构光纤Bragg光栅的反射特性
  • 5.2.2 矢量分析微结构光纤Bragg光栅的反射特性
  • 5.3 本章小结
  • 参考文献
  • 第六章 微结构光纤光栅的实验研究
  • 6.1 引言
  • 6.2 宽谱光源的实现
  • 6.3 压力器件的设计
  • 6.4 实验及结果分析
  • 6.4.1 普通单模光纤的压力传感
  • 6.4.2 微结构光纤光栅的透射谱
  • 6.5 本章小结
  • 参考文献
  • 第七章 色散补偿微结构光纤的设计
  • 7.1 引言
  • 7.2 三种典型色散补偿微结构光纤概述
  • 7.2.1 普通色散补偿微结构光纤
  • 7.2.2 双芯色散补偿微结构光纤
  • 7.2.3 空气孔直径变化的色散补偿微结构光纤
  • 7.3 矢量波束传播法（BPM）计算光纤色散与非线性系数
  • 7.3.1 矢量波束传播法（BPM）建模
  • 7.3.2 色散系数的计算
  • 7.3.3 有效纤芯面积与模场直径
  • 7.3.4 计算结果准确度验证
  • 7.4 空气孔直径变化的宽带色散补偿微结构光纤设计
  • 7.4.1 宽带色散补偿的理论基础
  • 7.4.2 空气孔直径不同的微结构光纤建模
  • 7.5 数值模拟与结果分析
  • 7.5.1 d1变化对色散、RDS、非线性的影响
  • 7.5.2 d2变化对色散、RDS、非线性的影响
  • 7.5.3 d3变化对色散、RDS、非线性的影响
  • 7.5.4 Λ变化对色散、RDS、非线性的影响
  • 7.6 最优光纤色散补偿率与制作误差分析
  • 7.6.1 色散补偿率分析
  • 7.6.2 制作过程中的误差引起的色散非线性偏离
  • 7.7 本章小结
  • 参考文献
  • 致谢
  • 攻读博士学位期间发表的论文

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