特种光纤及光纤中涡旋光的研究

发布时间：2020-08-11 20:06

【摘要】：近年来,为满足社会发展的需要,数据流量急剧增长。但与此同时,光纤作为一种非常关键的传输介质,其传输速率的提升却越来越显得困难。一方面交换节点的交换能力受到限制,另一方面光纤本身传输速率的提升变得越来越难,因此全光交换技术以及新型大容量传输技术的研究,有助于解决这些问题。涡旋光是指拥有螺旋形相位波前的一种结构光,其能够携带轨道角动量(orbital angular momentum,OAM),可以广泛应用于光镊、微粒操控、显微镜、传感、通信等领域。近年来,基于光纤的涡旋光的生成、控制、测量、应用等相关研究,成为研究人员追逐的热点,尤其是大容量光纤通信方面。将光纤和涡旋光结合,既可以提升光纤的性能,也可以拓展光纤的应用,具有广阔的前景。本论文在相关科研项目的支持下,针对上述内容在特种光纤和涡旋光这两个方面做了些研究,并取得如下成果:(1)研制了可用于光纤放大器的大模场面积低掺杂浓度的掺铒光纤,研制了可用于光纤激光器的高掺杂浓度的单模掺铒光纤以及少模掺铒光纤,研制了可用于光纤到户等方面的大模场面积抗弯损光纤,研制了多种结构的少模光纤,这些光纤的研制为后续的研究奠定基础。(2)分析研究了三种涡旋光纤的实现方案,分别制造了三种类型的多根涡旋光纤并进行了相关测试。提出了利用S2技术测量光纤中矢量模式成分的方案,并用该方案测量了涡旋光纤中的矢量模式成分,完成对涡旋光纤的特征描述。(3)介绍了两种经典的基于光纤的OAM的生成理论,并且分析了这两种OAM模式之间的关系。提出了基于同一模式群内不同矢量模式的奇偶模式叠加产生连续可调OAM以及实现线偏振OAM模式与标量模式间切换的新理论。提出了基于同一模式群内两个偏振方向互相垂直的标量模式叠加产生连续可调OAM以及实现线偏振OAM模式与标量模式间切换的新理论。分析研究了标量模式在涡旋光纤中的演化,然后利用该演化过程可实现二维的连续可调的OAM及线偏振OAM模式与标量模式间的切换。分析研究了矢量模式在保偏少模光纤中的演化,然后利用该演化过程可实现二维的连续可调的OAM及线偏振OAM模式与标量模式间的切换。丰富完善了基于光纤的OAM生成的理论体系。(4)受矢量强度分析法(Ring Method)的启发提出一种测量线偏振OAM模式纯度的方法,称为标量强度分析法。分析了该方法的可行性、精确度、灵敏度和误差,对该方法的适用条件以及适用场合进行了详细的说明,并将该方法在实验中应用。(5)研究了基于机械长周期少模光纤光栅的模式转换器和基于短周期少模光纤光栅的模式转换器。基于将长周期和短周期光栅级联的装置,搭建了环形腔光纤激光器,并且实现了三波长单模可切换输出,以及双波长六横模可切换输出,为涡旋光纤激光器的研制打下基础。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN253
【图文】：

矢量模式,模式群,简并,有效折射率

ｐｏｌａｒｉｚｅｄｍｏｄｅ，ＬＰＭ）。而祸旋光纤，为了减小模式的楩合，要增大同一模式群内不逡逑同矢量模式间的有效折射率差，以打破这些矢量模式的简并。为实现矢量模式的有逡逑效分离，要求不同矢量模式间的有效折射率差要达到１ＣＴ４量级［５４］。如图１．２所示，逡逑（ａ）为普通阶跃光纤，其ＬＰＷ模式群内的矢量模式的有效折射率差非常小，这几个逡逑矢量模式是简并的，（ｂ）为涡旋光纤，其ＬＰ１Ａ模式群内矢量模式间的有效折射率差逡逑相比于普通阶跃光纤来说非常大。因此，涡旋光纤是指能够打破同一模式群内的矢逡逑量模式简并的一种特殊的少模光纤或多模光纤。逡逑但是，需要指出的是基于光纤的涡旋光的生成可以不限于使用涡旋光纤，在普逡逑通的少模光纤或多模光纤中也可以生成涡旋光［５５，邋５６］。逡逑ｙＴＭ0１逦逦逡逑椰邋＿＿＿＿ｗｗ＾＿ｙｙ懰丨聊邋＿＿腿邋１１逡逑｜逦Ｉ邋逦逡逑ＴＥｍ逦＂逦＾ＴＥ０１逡逑Ａｉｉｒｆｒ逡逑Ｊ逦ｎｅ＂邋Ａ逦逡逑（ｉｉ）邋Ｓｔｅｐ－ｉｎｄｅｘ邋ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ邋ｆｉｂｅｒ逦（ｂ）邋Ｖｏｒｔｅｘ邋ｆｉｂｅｒ逡逑图１．２．邋ＬＰ１４模式群内矢量模式分离的概念；（ａ）在阶跃型多模光纤中，二阶矢量模式是简并逡逑的；（ｂ）在涡旋光纤中二阶矢量模式间的有效折射率差足够大

芯子,高折射率,低折射率,涡旋

现在最常见的涡旋光纤的结构是芯－环结构，或者在环外再加一层下陷层。在逡逑芯－环结构下，环部分是高折射率，而芯子按照折射率的高低可分为三种情况，高逡逑折射率芯子，低折射率芯子或空气芯子，如图１．３（ａ－ｃ）所示。在介绍之前先定义若逡逑干名词，高折射率芯子（ｈｉｇｈ邋ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ邋ｉｎｄｅｘ邋ｃｏｒｅ，邋ＨＣ），低折射率芯子，（ｌｏｗ邋ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ逡逑ｉｎｄｅｘ邋ｃｏｒｅ，邋ＬＣ），空气芯子（ａｉｒ邋ｃｏｒｅ，邋ＡＣ），高折射率环（ｈｉｇｈ邋ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ邋ｉｎｄｅｘ邋ｒｉｎｇ，ＨＲ）。逡逑ｉ邋Ｏ邋ｉ逦？逡逑－－－Ｊｌｊｖｙｉ逦＾ｒｉ－邋．邋－ｉ｜邋：邋Ｈ－－逡逑（ａ）逦（ｂ）逦（ｃ）逡逑图１．３．涡旋光纤的常见结构：（ａ）高折射率芯子；（ｂ）低折射率芯子；（ｃ）空气芯子。逡逑Ｆｉｇ．邋１．３．邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｖｏｒｔｅｘ邋ｆｉｂｅｒ：邋（ａ）ｗｉｔｈ邋ｈｉｇｈ邋ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ邋ｉｎｄｅｘ邋ｃｏｒｅ；邋（ｂ）ｗｉｔｈ邋ｌｏｗ邋ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ邋ｉｎｄｅｘ逡逑ｃｏｒｅ；邋（ｃ）ｗｉｔｈ邋ａｉｒ邋ｃｏｒｅ．逡逑（１）邋Ｓ折射率芯子－尚折射率环（ＨＣ－ＨＲ）逡逑５逡逑

环形腔光纤激光器,结构示意图,光纤激光器

１．５全光纤少模光纤激光器逡逑光纤激光器自问世以来，其形式，种类五花八门，千变万化，但是最基本最常逡逑见的两种结构就是环形腔光纤激光器和线形腔光纤激光器，如图１．５和图１．６所示。逡逑Ｐｕｍｐｋ９８０ｎｎｉ逦（ＴＴＳ逡逑ＷＤＭ逦ＥＤＦ逦ｐｃ逡逑Ｃｉｒ．火逡逑Ｏｕｔ－２邋—逡逑ＦＢＧ邋］３逡逑＾逦＇逡逑Ｏｕｔ．邋１逦Ｉｓｏ．逡逑１０％邋Ｃｏｕ．逡逑图１．５．环形腔光纤激光器的结构示意图。Ｐｕｍｐ，泵浦源；ＷＤＭ，波分复用器；ＥＤＦ，掺Ｅｒ逡逑光纤；ＰＣ，偏振控制器；Ｃｉｒ．，环形器；ＦＢＧ，光纤布拉格光栅；Ｉｓｏ．，隔离器；Ｃｏｕ．，ｆ禹合逡逑器；Ｏｕｔ．，输出。逡逑Ｆｉｇ．邋１．５．邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｒｉｎｇ邋ｃａｖｉｔｙ邋ｆｉｂｅｒ邋ｌａｓｅｒ．邋ＷＤＭ，邋ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ邋ｄｉｖｉｓｉｏｎ邋ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ；邋ＥＤＦ，邋ｅｒｂｉｕｍ逡逑ｄｒｏｐｅｄ邋ｆｉｂｅｒ；邋ＰＣ，邋ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ邋ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；邋Ｃｉｒ．，邋ｃｉｒｃｕｌａｔｏｒ；邋ＦＢＧ，邋ｆｉｂｅｒ邋Ｂｒａｇｇ邋ｇｒａｔｉｎｇ；邋Ｉｓｏ．，邋Ｉｓｏｌａｔｏｒ；逡逑Ｃｏｕ．，邋ｃｏｕｐｌｅｒ；邋Ｏｕｔ．，邋ｏｕｔｐｕｔ．逡逑１３逡逑

【参考文献】