基于少模光纤长周期叠栅的模式转换器研究

发布时间：2020-03-20 02:36

【摘要】：模分复用系统可解决单模光纤传输容量极限与日益增长的网络容量需求之间的矛盾,受到国内外研究者的广泛关注。少模光纤模分复用系统主要是利用其中有限的模式作为独立传输信道传输信号,从而成倍提高信道的传输容量。模式转换器是模分复用系统中的关键部件,主要实现纤芯基模与高阶纤芯模的相互转换。光纤重叠光栅是一种新型的无源光学器件,长周期叠栅能实现光斑整形、模式转换,有利于模式转换器的小型化。因此对基于少模光纤长周期叠栅的模式转换器的研究具有重要的理论价值和现实意义。本文在总结国内外模式转换器研究现状的基础上,提出一种全光纤、宽带宽的基于少模光纤长周期叠栅的模式转换器,对其展开理论与实验的研究。论文的主要内容有:首先,从麦克斯韦方程出发,研究阶跃型少模光纤的传输模式及传输模式的本征方程;基于耦合模理论,推导出少模长周期光纤叠栅的两种耦合模方程;建立基于少模长周期光纤叠栅的宽带宽的模式转换器数学模型,为模式转换器的数值分析及实验研究提供了主要依据。其次,基于有限元法分析两模光纤中的传输模式,得出LP_(01)模和LP_(11)模的色散曲线;基于重叠光栅的模式转换器的数学模型,对两模光纤中LP_(01)模向LP_(11)模转换的模式转换器进行数值分析,研究叠栅中光栅的周期间隔、光栅的长度、耦合系数对模式转换器性能的影响;对单栅、重叠光栅实现的模转换器进行优化设计,分析相应的模式转换器的主要性能。然后,基于有限元法分析四模光纤中的传输模式,得出LP_(01)、LP_(11)、LP_(21)和LP_(02)模的色散曲线;基于重叠光栅的模式转换器的数学模型,对四模光纤中LP_(01)模向其它高阶纤芯模LP_(11)、LP_(21)和LP_(02)转换的模式转换器进行数值分析,研究叠栅中光栅的周期间隔、光栅的长度、耦合系数对模式转换器性能的影响;对单栅、重叠光栅实现的模转换器进行优化设计,分析相应的模式转换器的性能。最后,采用CO_2激光器刻制单栅、叠栅实现全光纤模式转换器。实验研究光栅参数对模式转换器性能的影响;分析对比单栅、叠栅实现的模式转换器的转换器效率及带宽;研究模式转换器温度特性响应。本文对基于长周期重叠光栅的模式转换器进行深入的理论和实验研究,对实现小型化、宽带化的模式转换器具有一定的参考价值。
【图文】：

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第 1 章绪论第 1 章绪论题的目的与意义世纪 70 年代，“光纤之父”——英籍华裔学者高锟首次提出了光纤，随后制造了低损耗光纤，从此开启了现代通信的新时代——光历经几代的技术革新，因其带宽宽、传输容量大、传输速率高、点已逐渐取代电通信成为通信网络的骨干力量。如今，随着全媒如“互联网+”、“云网络”、“4k 高清视频”的新型业务开始兴起和 5G 时代的到来，数据业务犹如暴涨的洪水一样猛量增长，网络容 10 倍的速度增长，，如图 1-1 所示[1]，从而对光纤网络的传输能力提寻求新型高速大容量的光传输机理已成为未来光通信所面临的重大

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提升的空间有限，抑制了现代通信速率的提高。作为一种解决单模光纤(Single ModeFiber，SMF)传输极限与所面临高带宽高容量需求的严峻挑战的潜在技术——空分复用技术(Space-Division Multiplexing，SDM)应运而生[10]，将空分复用技术与偏振分复用、密集波分复用、时分复用、频分复用等技术相结合，形成全新的多维复用体系，已经成为未来光通信的发展方向。在光纤通信系统中，空分复用技术是同时利用多个纤芯中的不同纤芯或多个模式作为多条并行传输路径的光纤来传输同一波长的独立数据信号，从而提高传输容量，主要包括多芯复用(Multi-Core Multiplexing，MCM)方式[11-13]、少模复用(Few-ModeMultiplexing，FMM)方式[14-16]和正交复用的轨道角动量(OrbitalAngular Momentum，OAM)方式[17-19]。其中 FMM 是指在少模光纤(Few Mode Fiber，FMF)中传输的几个正交模式上以相同波长传输多个信号，使系统的传输容量成倍增加。FMF 具有模场面积大、非线性容限高、模式数量少、模间串扰小、易于控制等优点，所以基于 FMF的模分复用系统成为解决单模光纤“带宽耗尽”问题的有效方法而成为研究者们的“宠儿”。其原理框图如图 1-2 所示[20]。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN792;TN253

【参考文献】