基于耦合作用的大模场面积单模多沟槽光纤的仿真设计与研究

发布时间：2020-04-19 02:41

【摘要】：光纤激光器由于具备稳定性好、柔韧性强、光束质量好、能量集中、损耗低等特点,因此吸引了各国研究者们的关注。而由于需求的日益增长,使得光纤激光器逐渐朝高功率输出的方向而发展。然而高功率信号在光纤里面传播时会导致非线性效应,而大模场面积光纤则被认为是克服该难点非常有用的手段之一。因此,本文的研究内容是对同时具备大模场面积与低弯曲损耗的单模光纤的结构设计与性能分析。本文的主要工作如下:(1)介绍了大模场面积光纤的研究现状,并说明了相关的仿真分析方法及边界条件的设置。而本文主要是从有限元仿真方法出发,并通过结合完美匹配层来展开研究。同时,针对弯曲会使光纤的折射率出现失真这一现象,提出了弯曲光纤的等效折射率模型。(2)对本文所关注的主要性能指标展开说明与分析,主要包括:大模场面积特性、低弯曲损耗特性与单模运作特性。主要性能指标的实现原理如下:对于大模场面积特性,主要通过耦合作用来实现;对于低弯曲损耗特性,则通过增大数值孔径来实现;对于单模运作特性,利用高阶模的抑制作用来完成。(3)设计了一种基于渐变型耦合环与多沟槽的双层纤芯光纤结构,并就其性能展开分析。主要的设计原理为:利用双层纤芯结构与渐变型耦合环结构,有助于光纤获得较大的模场面积;而渐变型耦合环除了可以发挥上述作用外,还能够提高抗弯曲性能;利用多沟槽结构,可以增大数值孔径,从而降低弯曲损耗并提高传输效率。仿真结果表明,在1550nm的工作波长条件下,可以实现大约2207μm2的模场面积,弯曲损耗则降至约0.048dB/m,通过对高阶模的抑制作用,该光纤可以实现单模运作。与此同时,通过误差分析与波长依赖性分析,说明了光纤的稳定性。(4)设计了一种基于渐变型多层纤芯与多沟槽的光纤结构,并就其性能展开分析。就低弯曲损耗特性而言,通过引入多沟槽结构可以有效降低弯曲损耗,从而实现较高的传输效率。就大模场面积特性而言,则是利用渐变型多层纤芯的耦合作用,使模场向外耦合过渡,从而增大模场面积。仿真工作是基于1550nm的波长而展开的。结果表明,模场面积大约可以实现2180μm2,弯曲损耗则降至约0.054dB/m,而对于其单模运作特性,依然通过对高阶模的抑制作用得以实现。同时,对光纤进行了误差分析与波长依赖性分析。
【图文】：

图丨－２具有双晶格分布、可实现等效单模传输的泄漏通道光纤的截面图〖２５】逡逑２０１１年，Ｍ．Ｙ．邋Ｃｈｅｎ与其他几位作者共同完成了一款对于弯曲不敏感的大模逡逑场面积光纤的设计［２６ｉ，其截面分布展示于图１－３中。该光纤通过在包层的一小块逡逑区域中引入具有小周期和大归一化直径的低折射率棒来实现低弯曲损耗特性，通逡逑过在包层的另一小块区域中引入具有大周期和小归一化直径的低折射率棒来实逡逑现单模特性，当弯曲半径在３０ｃｍ的状态下，可以实现超过２０００｜ｉｍ２的模场而积。逡逑２０１３年，Ｍ．邋Ｙ．邋Ｃｈｅｎ与其他几位作者又共同完成了一种同时具备较低弯曲损耗和逡逑较大模场面积的非对称光纤的设计［２７］，其截面分布展示于图１－４中。通过引入小逡逑直径孔实现光纤的单模特性，而通过在双环孔中引入三个大孔来实现光纤的低弯逡逑曲损耗。同时，作者还在光纤纤芯中引入了低折射率棒，可以有效地补偿光纤弯逡逑曲对模场面积产生的负面影响。然而

图１－６邋（ａ）多沟槽结构光纤与（ｂ）改进的多沟槽结构光纤的折射率分布情况示意图Ｐ８！逡逑２０１６年，Ｘ．邋Ｗａｎｇ与其他几位作者共同探究并发表了一款抗弯曲大模场面积逡逑单模光纤结构［３９］，如图１－７所示为该光纤的折射率分布情况。作者通过往其纤芯逡逑里面加入四层高折射率沟槽的这种设计方法，以此对其模场分布情况进行适当地逡逑调整，在弯曲半径１５ｃｍ的情况下，模场面积可以达到ｌｌＯＯｆｉｍ２。与此同时，通逡逑过高阶模的抑制作用，增大了光纤弯曲时高阶模的损耗，以保证光纤的有效单模逡逑传输。逡逑Ｃｏｒｅ逦＼逦Ｉ逦Ｏｕｔｅｒ邋ｃｌａｄｄｉｎｇ邋｛邋Ｐｕｒｅ邋ｓｉｌｉｃａ邋ｌａｙｅｒ邋１逡逑＜逦邋逦Ｎ逦Ｎ逦Ｎ逦Ｎ逡逑ｍ逦？：丨逦丨逦雄逡逑ｓｉｈ逦—邋ｎｎｎ逦１逦，逦｛逦？逡逑0逦１逦ｔ２逦＊逦＊逦１逡逑＞逦Ｉ逦Ｑ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逡逑——｜邋朴ｊ逦邋！逡逑２逦＊邋Ｍ邋Ｉ逡逑ｍｍ逡逑Ｗ邋一！ＴＴ「逡逑！邋１邋！邋＊邋丨邋；逡逑＿＿ｒａ逦ｙｃ逦＾逡逑图１－７在纤芯中d{入多层沟槽的对弯曲不敏感的光纤折射率分布情况示意图【３９１逡逑２０１８年，Ｌ．邋Ｈｕａｎｇ与其他几位作者共同探究并发表了一种改进的单沟槽单逡逑模光纤设计［４Ｇ】，，其折射率分布展示于图１－８中。从中可以发现，在其纤芯周围是逡逑被一圈折射率较低的沟槽结构和另外一圈折射率较高的环结构所围绕，并且能够逡逑发现的是沟槽结构的折射率值要小于包层部分
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN253;TN248

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本文编号：2632833