熔融拉锥型光纤模式选择耦合器的理论和实验研究

发布时间：2020-07-17 21:30

【摘要】：光纤模式转换器可以实现光纤中不同横向模式之间的转换,在模式复用光纤通信系统、高阶横模光场产生等方面有着重要而广泛的应用,其常见的实现方案包括基于长周期光纤光栅、机械压力光纤光栅、光子灯笼、光纤模式选择耦合器等。其中光纤模式选择耦合器具有结构简单、插入损耗小、工作带宽大等优势,引起了人们的广泛关注。本文主要研究熔融拉锥型光纤模式选择耦合器,对其进行了较为深入的理论和实验研究,取得的主要研究成果如下(1)介绍了光纤中的模式的概念、分类和性质等。结合仿真分析讨论了LP01模、LP11模、LP21模和LP02模等线偏振模的光场功率密度分布。利用微扰法推导了耦合模方程,为后续模式选择耦合器的分析和设计奠定了基础(2)推导了计算不同波导之间耦合系数的积分公式,并结合超模理论讨论了基于耦合模理论的模场积分法的准确度。仿真分析了不同类型光纤之间的模式转换,包括单模-双模、单模-四模,讨论了工作波长、纤芯间距等对模式耦合特性的影响。(3)利用RSoft对光纤模式选择耦合器进行建模仿真,分析了光纤中的模式耦合过程中能量的流动。通过合理设计光纤的参数,使单模光纤中的LP01模和少模光纤中的不同高阶模式发生耦合,仿真了基模转换成高阶模式的能量流动过程。(4)分别使用普通单模光纤-自制双模光纤、普通单模光纤-商用四模光纤制作了模式选择耦合器。通过合理的设计,实现了LP01模到LP11模的转换。并测试了其性能参数:在1530nm到1560nm的波长范围内,两种模式选择耦合器均实现了 LP01模向LP11模的有效转换;单模-双模光纤模式选择耦合器的附加损耗从1.9dB降到1.4dB,模式转换效率从为1.2%增加到3.2%;单模-四模光纤模式选择耦合器的附加损耗从2.23dB降到1.68dB,模式转换效率从0.58%增加到2%。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN253
【图文】：

结构图,传输系统,复用,结构图

Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｐａｔｔｅｒｎ邋ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ邋ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑将模分复用技术应用到模式复用传输系统可以将现有的光纤通信系统容量增逡逑加数倍甚至数十倍，是目前提高光纤通信系统传输容量的有效手段。如图１－２所示逡逑是一个基于少模光纤的ＭＤＭ传输系统的结构图，整个系统主要由发送端、传输逡逑系统和接收端组成。发送端将产生的电信号转化成光信号送入各个模式转换器，逡逑２逡逑

光子,熔锥,拉锥,单模光纤

Ｆｉｇ．邋１－５邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｍｏｄｅ邋ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ邋ｃｏｕｐｌｅｒ逡逑基于光纤楩合器的模式转换器又称为模式选择楩合器（Ｍｏｄｅ邋Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ邋Ｃｏｕｐｌｅｒ，逡逑ＭＳＣ），它的基本结构如图１－５所不。ＭＳＣ—般由一根单模光纤和一根少模光纤q4逡逑融拉锥制成，Ｉ区是耦合区，光纤中的模式在这个区域发生耦合，ＩＩ区是熔锥区，逡逑该区的纤芯半径被均匀拉细。光从单模光纤的一段输入，在光纤中传输一段距离逡逑后到达熔锥区。在这个区域光纤的纤芯由于拉锥会越来越细，使得光纤的归一化逡逑５逡逑

等值线图,线偏振模,功率密度分布,等值线图

ＬＰ０２逦１．４４５逡逑如图２－２所示是四种线偏振模式的功率密度分布和功率等值线图。其中图（ａ）逡逑（ｃ）逦（ｅ）和（ｇ）分别为ＬＰＱＩ、ＬＰｕ、ＬＰ２ｊｎＬＰＱ２模式的功率密度分布图，图（ｂ）逡逑（ｄ）逦（ｆ）和（ｈ）分别为ＬＰｍ、ＬＰｕ、ＬＰ２１和ＬＰ0２模式的功率等值线图。从图中逡逑可以看出ＬＰｍ模式的功率密度是呈圆环分布的，能量主要集中在纤芯中心区域。逡逑ＬＰＵ模式的功率密度是呈两瓣分布的，能量主要集中在这两个瓣上，而且两瓣的逡逑偏振方向是相反。ＬＰ２１模式的功率密度是呈四瓣分布的，能量主要集中在这四个逡逑瓣上。ＬＰＧ２模式的功率密度是呈圆环分布的，能量主要集中在靠近纤芯中心的圆逡逑环区域。逡逑ＬＰ0ｌ邋Ｐｏｗｅｒ邋ｄｅｎｓｉｔｙ逦ＬＰ0１邋Ｐｏｗｅｒ邋ｃｏｎｔｏｕｒ逦ＬＰ１１邋Ｐｏｗｅｒ邋ｄｅｎｓｉｔｙ逦１５邋ＬＰ”邋Ｐｏｗｅｒ邋ｃｏｎｔｏｕｒ逡逑＾邋ｊ：？逦ｉ；８：逡逑－１0１０￣￣￣＾－１５－邋邋邋邋逦逦逡逑．１０逦Ｒａｄｉｕ？（邋ｍ）逦＊１０逦．１0逦．５逦０逦５逦１０逡逑Ｒ？ｄｉｕ＞（／＜ｍ）逦Ｒａｄｉｕ＊（；／ｍ）逦；，逦Ｒｓｄｉｕｓ｛／＃ｍ）逦Ｒ？ｄｉｕｓ｛＞＜

【参考文献】