基于圆对称径向双折射的径向偏振场光纤
发布时间：2021-07-03 09:16
当面向高功率径向偏振场激光的产生和传导时,在光纤内实现高的模式区分度与大的模场面积一直是核心的技术挑战。基于此,提出一种全新的径向偏振场光纤设计方案,通过在纤芯内部引入圆对称的径向分布热应力场,使得纤芯内形成径向双折射效应,有效打破常规光纤中偏振模式之间的简并,使TM01模、TE01模和HE21模的有效折射率差为10-4量级,从而将TM01径向偏振模区分出来。同时,此类径向偏振场光纤更易实现TM01模场的大模面积设计。
【文章来源】：中国激光. 2020,47(01)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
RPF光纤结构
图2是以图1的结构为基础,考察掺杂物质浓度和纤芯结构对模式退简并的影响,图中每一条曲线都是通过用控制变量法单独研究其中一个变量得到。在图2中,x、y、z三个箭头标明三个坐标轴的方向,其中x轴表示core2的直径(整个纤芯的直径,可在拉丝中改变光纤直径来控制,且core2的直径与包层直径具有固定比例1\:10),z轴表示模式间的有效折射率差Δneff,而y轴是主要考察变量。其中图2(a)考察的是core1中GeO2的摩尔分数(y轴)对模式退简并的影响,GeO2主要用于调整core1区域的折射率,从而调控模场分布;图2(b)考察的是纤芯结构对模式退简并的影响,纤芯结构被定量为core1与core2 的直径之比D′(y轴),纤芯结构的变化既可调控模场分布又可调控双折射分布。图2中方形标记曲线为HE11模与TM01模的有效折射率差,圆形标记曲线为TM01模和HE21模的有效折射率差,三角形标记曲线为HE21模与TE01模的有效折射率差。图2中点划线网格表示Δneff为1×10-4的平面,曲线在平面以上部分即为满足模式退简并的标准。预先设定core1中B2O3的摩尔分数为17.5%,用于提供较大的热应力,预先设定core2中GeO2的摩尔分数为1.18%,初步确定光纤的NA水平,RPF光纤内GeO2的摩尔分数相比于高折射率差环形纤芯光纤已是大大降低,因此其NA远低于高折射率差环形纤芯光纤。此外图2(a)预先设定D′为0.56,图2(b)预先设定core1中GeO2的摩尔分数为7%,通过图2发现,当core1中GeO2的摩尔分数被设置为7%,即图2(a)虚线所标位置,且D′为0.56时,即图2(b)虚线所标位置是最优化的取值,TM01-HE21的有效折射率差都接近极大值。此条件下,core2的直径即便在15～25 μm大范围内取值时,各模式间的有效折射率差都大于1×10-4,因此在本方案中支持实现TM01模的大模面积设计。依据上述最优化设计条件,将RPF光纤的参数选取为:core1的直径为11.2 μm,core2的直径为20 μm(即D′为0.56),包层直径为200 μm;core1中B2O3、GeO2、SiO2的摩尔分数比例为17.5\:7\:75.5,core2中掺GeO2的摩尔分数为1.18%。下面对此参数下RPF光纤进行计算以更直观地获得光纤的特性,计算结果如图3、图4和表1所示。
图3为在1030 nm处RPF光纤的折射率分布和圆对称热应力场所导致的应力双折射分布。其中,图3(a)为光纤的折射率分布,实线为径向折射率分布nr,虚线为角向折射率分布nθ,点划线为轴向折射率分布nz;图3(b)为TM01模的模场分布(虚线)与双折射分布(实线,即nr-nθ)。可见TM01模的模场分布与介质双折射分布的重叠区大,且位于大的双折射值范围之内,显然有利于TM01模与其他模式的退简并。图4(a)为光纤在1 μm波段的模式有效折射率差,各模式间的有效折射率差都满足大于1×10-4的要求。在1030 nm处的模式分布如图4(b)所示,图中箭头表示电场矢量分布,其中TM01模、HE21模和TE01模的有效模场面积分别为369,370,386 μm2。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Improving the sensitivity of fiber-optic SPR sensor via radially polarized beam excitation[J]. 阎杰,鲁拥华,王沛,顾春,郑荣升,陈勇,明海,詹其文. Chinese Optics Letters. 2009(10)
[2]熔锥型熊猫光纤耦合器的传输特性分析[J]. 吴宇列,郑煜,李圣怡,王金娥. 光学学报. 2007(06)
博士论文
[1]熊猫保偏光纤结构设计、制备工艺及性能研究[D]. 童维军.华中科技大学 2006
本文编号：3262299
【文章来源】：中国激光. 2020,47(01)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
RPF光纤结构
图2是以图1的结构为基础,考察掺杂物质浓度和纤芯结构对模式退简并的影响,图中每一条曲线都是通过用控制变量法单独研究其中一个变量得到。在图2中,x、y、z三个箭头标明三个坐标轴的方向,其中x轴表示core2的直径(整个纤芯的直径,可在拉丝中改变光纤直径来控制,且core2的直径与包层直径具有固定比例1\:10),z轴表示模式间的有效折射率差Δneff,而y轴是主要考察变量。其中图2(a)考察的是core1中GeO2的摩尔分数(y轴)对模式退简并的影响,GeO2主要用于调整core1区域的折射率,从而调控模场分布;图2(b)考察的是纤芯结构对模式退简并的影响,纤芯结构被定量为core1与core2 的直径之比D′(y轴),纤芯结构的变化既可调控模场分布又可调控双折射分布。图2中方形标记曲线为HE11模与TM01模的有效折射率差,圆形标记曲线为TM01模和HE21模的有效折射率差,三角形标记曲线为HE21模与TE01模的有效折射率差。图2中点划线网格表示Δneff为1×10-4的平面,曲线在平面以上部分即为满足模式退简并的标准。预先设定core1中B2O3的摩尔分数为17.5%,用于提供较大的热应力,预先设定core2中GeO2的摩尔分数为1.18%,初步确定光纤的NA水平,RPF光纤内GeO2的摩尔分数相比于高折射率差环形纤芯光纤已是大大降低,因此其NA远低于高折射率差环形纤芯光纤。此外图2(a)预先设定D′为0.56,图2(b)预先设定core1中GeO2的摩尔分数为7%,通过图2发现,当core1中GeO2的摩尔分数被设置为7%,即图2(a)虚线所标位置,且D′为0.56时,即图2(b)虚线所标位置是最优化的取值,TM01-HE21的有效折射率差都接近极大值。此条件下,core2的直径即便在15～25 μm大范围内取值时,各模式间的有效折射率差都大于1×10-4,因此在本方案中支持实现TM01模的大模面积设计。依据上述最优化设计条件,将RPF光纤的参数选取为:core1的直径为11.2 μm,core2的直径为20 μm(即D′为0.56),包层直径为200 μm;core1中B2O3、GeO2、SiO2的摩尔分数比例为17.5\:7\:75.5,core2中掺GeO2的摩尔分数为1.18%。下面对此参数下RPF光纤进行计算以更直观地获得光纤的特性,计算结果如图3、图4和表1所示。
图3为在1030 nm处RPF光纤的折射率分布和圆对称热应力场所导致的应力双折射分布。其中,图3(a)为光纤的折射率分布,实线为径向折射率分布nr,虚线为角向折射率分布nθ,点划线为轴向折射率分布nz;图3(b)为TM01模的模场分布(虚线)与双折射分布(实线,即nr-nθ)。可见TM01模的模场分布与介质双折射分布的重叠区大,且位于大的双折射值范围之内,显然有利于TM01模与其他模式的退简并。图4(a)为光纤在1 μm波段的模式有效折射率差,各模式间的有效折射率差都满足大于1×10-4的要求。在1030 nm处的模式分布如图4(b)所示,图中箭头表示电场矢量分布,其中TM01模、HE21模和TE01模的有效模场面积分别为369,370,386 μm2。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Improving the sensitivity of fiber-optic SPR sensor via radially polarized beam excitation[J]. 阎杰,鲁拥华,王沛,顾春,郑荣升,陈勇,明海,詹其文. Chinese Optics Letters. 2009(10)
[2]熔锥型熊猫光纤耦合器的传输特性分析[J]. 吴宇列,郑煜,李圣怡,王金娥. 光学学报. 2007(06)
博士论文
[1]熊猫保偏光纤结构设计、制备工艺及性能研究[D]. 童维军.华中科技大学 2006
本文编号：3262299
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