光栅型少模光纤模式操控器件研究
发布时间：2022-01-09 09:25
单模光纤广泛应用于在通信、传感等领域,然而,近年来单模光纤在传输容量以及传感性能方面都显示出一定的局限性。少模光纤可以克服单模光纤的传输容量和传感性能方面的限制,因而引起了人们广泛的兴趣。采用少模光纤,利用不同的模式作为各个不同的信息传输通道,即模分复用技术,能够使光纤的通信容量成倍提升;在传感领域,少模光纤的高阶模可以参与传感,在传感机制和性能等方面均表现出与单模光纤不同的特点。本文重点研究了基于少模光纤的光栅器件及其对少模光纤中的高阶模的滤模、模式转换和单模传感机制。模式复用器/解复用器和模式转换器等模分复用器件中,模间串扰是其重要性能指标之一,降低模间串扰的方法之一就是采用滤模器。类似于波分复用系统,在模分复用系统中,也需要能够有效滤除无关模式的滤模器件。本文提出采用在纤芯的局部区域制备长周期光纤光栅的方法,实现对少模光纤中具有特定模式的选择性滤除。针对光栅的工作带宽较窄的问题,提出一种光栅交错排列组成的级联光栅结构,并验证了其可有效增大滤模器的工作带宽。模式转换器是模分复用系统以及少模光纤传感系统中的关键器件之一,如何实现宽带、高转换效率的模式转换,是模式转换技术的研究重点之一...
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光纤通信调制维度[2]
光栅型少模光纤模式操控器件研究2目前有两种实现空分复用（Space-divisionmultiplexing，SDM）的技术：光纤多芯复用技术和模分复用技术。在光纤多芯复用系统中，多芯光纤（Multicoreopticalfiber，MCF）[3-7]中的不同纤芯被用作独立通道来传输不同的信号。另一种，MDM在少模光纤[8-12]中将其可支持的几个模式作为不同的传送信息的载体。两者相较而言，少模光纤比多芯光纤的集成度更高，相同的横截面可以支持更多的传输信道。并且，在进行光放大时，少模光纤中各个模式在空间上互有重叠，从而导致这些不同的模式都可以充分有效地共享泵浦光，提高了泵浦光的效率。同时，单芯结构的少模光纤与传统的单模光纤更加兼容，可以大大降低其在光通信器件制备和光纤维护等多方面的经济成本。基于这些优势，模分复用技术可以实现实际铺设成本和能量消耗的最低化。2011年，Winzer等人[13]讨论了基于多个耦合模式的空分复用多输入多输出系统容量提高的关键在于发射器可以独立地产生SDM波导支持的所有模式，同时接收端可以有目的、有层次地检测出传播的所有模式，如图1.2,R.Ryf等人[10]通过实验证明了利用6×6MIMO算法可在10km少模光纤中实现传输6个模式。图1.2具有分布噪声的MIMO信道的系统模型Fig.1.2SystemmodelsforaMIMOchannelwithdistributednoise2012年，S.Randel等人[14]首次通过将多段符号相反的差分群时延（DGD）光纤连接起来，以实现对传输6个空间模式的少模光纤中的DGD进行消除，从而实现了DGD小于50ps而跨距达30公里长的光纤传输。这方案还表明在大于
江苏大学硕士学位论文5图1.3(a)基于FMF的12模光子灯笼的模式复用器；(b)基于各自输出强度模式的三维波导模式复用器原理图Fig.1.3(a)FMFbasedmodemultiplexerof12modesphotonlantern,and(b)principleof3-Dwaveguidebasedmodemultiplexerwithrespectiveoutputintensitypatterns2015年，DongJ等人[24]采用CO2激光器在双模光纤中直接写入长周期光栅成功制作了模式转换器。该模式转换器可以将LP01模转换为四种高阶圆柱矢量模式或LP11模式中的任意一种。这些器件的传输特性对温度变化不敏感，且模式转换效率对输入光的偏振态不敏感。在转换效率为99%的条件下，实现了LP01模与LP11模之间的转换，其工作带宽为34.0nm。2016年，FrancoisCallewaert等人[25]研究了一种基于非对称空间模式转换的超紧凑型宽带光学二极管模式转换器，仅由硅和空气组成传输结构。2017年，YunheZhao等人[26]给出了一种基于少模长周期光纤光栅（FM-LPFGs）的全光纤模式转换器，通过单个LPFG即可实现基模和不同高阶模（LP11、LP21和LP02模）之间的模式转换，转换效率为99%。另外，通过级联两个不同的长周期光栅可以实现基模和LP21模之间的转换。2019年，薛艳茹等人[27]提出了一种紧凑型宽带宽的新型的全光纤模式转换器，如图1.4所示。在一段少模光纤中写入叠栅型两个不同的长周期光纤光栅，实现了LP01模向高阶模LP11模的高效转换。实验结果显示,采用叠栅的方法可以实现的模式转换器转换效率最高达99%以上,3dB带宽约为232nm,10dB带宽约为153nm。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于高折射率液体填充的花瓣形微结构光纤可调滤模特性[J]. 戴震飞,姜文帆,王玲,陈明阳,高永锋,任乃飞. 物理学报. 2019(08)
[2]基于少模长周期光纤叠栅的模式转换器[J]. 薛艳茹,田朋飞,金娃,赵能,靳云,毕卫红. 物理学报. 2019(05)
[3]基于弱耦合少模光纤的模分复用技术进展(特邀)[J]. 李巨浩,葛大伟,高宇洋,贾骏驰,于津怡,何永琪,陈章渊. 光通信研究. 2018(06)
[4]飞秒激光制备光纤布拉格光栅高温传感器研究[J]. 廖常锐,何俊,王义平. 光学学报. 2018(03)
[5]一种基于光子晶体少模光纤模分复用系统的设计与分析[J]. 张伟,陈鹤鸣. 光电子·激光. 2017(06)
[6]基于多通道盲最小均方算法的模式解复用[J]. 关丽杨,胡贵军. 中国激光. 2016(10)
博士论文
[1]模分复用光传输系统关键技术研究[D]. 李佳熊.上海交通大学 2018
[2]新型少模光纤波导特性分析及其器件的研制[D]. 梁骁.北京交通大学 2016
[3]基于高速大容量光纤通信用大芯径光纤及多芯光纤的研制[D]. 郑斯文.北京交通大学 2014
[4]新型光子晶体光纤、光波导耦合器件的传输特性及应用研究[D]. 孙兵.江苏大学 2013
[5]长周期光纤光栅的特性及传感应用研究[D]. 宋世德.大连理工大学 2006
硕士论文
[1]基于少模光纤的模式复用通信技术研究[D]. 石健.吉林大学 2013
本文编号：3578433
【文章来源】：江苏大学江苏省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光纤通信调制维度[2]
光栅型少模光纤模式操控器件研究2目前有两种实现空分复用（Space-divisionmultiplexing，SDM）的技术：光纤多芯复用技术和模分复用技术。在光纤多芯复用系统中，多芯光纤（Multicoreopticalfiber，MCF）[3-7]中的不同纤芯被用作独立通道来传输不同的信号。另一种，MDM在少模光纤[8-12]中将其可支持的几个模式作为不同的传送信息的载体。两者相较而言，少模光纤比多芯光纤的集成度更高，相同的横截面可以支持更多的传输信道。并且，在进行光放大时，少模光纤中各个模式在空间上互有重叠，从而导致这些不同的模式都可以充分有效地共享泵浦光，提高了泵浦光的效率。同时，单芯结构的少模光纤与传统的单模光纤更加兼容，可以大大降低其在光通信器件制备和光纤维护等多方面的经济成本。基于这些优势，模分复用技术可以实现实际铺设成本和能量消耗的最低化。2011年，Winzer等人[13]讨论了基于多个耦合模式的空分复用多输入多输出系统容量提高的关键在于发射器可以独立地产生SDM波导支持的所有模式，同时接收端可以有目的、有层次地检测出传播的所有模式，如图1.2,R.Ryf等人[10]通过实验证明了利用6×6MIMO算法可在10km少模光纤中实现传输6个模式。图1.2具有分布噪声的MIMO信道的系统模型Fig.1.2SystemmodelsforaMIMOchannelwithdistributednoise2012年，S.Randel等人[14]首次通过将多段符号相反的差分群时延（DGD）光纤连接起来，以实现对传输6个空间模式的少模光纤中的DGD进行消除，从而实现了DGD小于50ps而跨距达30公里长的光纤传输。这方案还表明在大于
江苏大学硕士学位论文5图1.3(a)基于FMF的12模光子灯笼的模式复用器；(b)基于各自输出强度模式的三维波导模式复用器原理图Fig.1.3(a)FMFbasedmodemultiplexerof12modesphotonlantern,and(b)principleof3-Dwaveguidebasedmodemultiplexerwithrespectiveoutputintensitypatterns2015年，DongJ等人[24]采用CO2激光器在双模光纤中直接写入长周期光栅成功制作了模式转换器。该模式转换器可以将LP01模转换为四种高阶圆柱矢量模式或LP11模式中的任意一种。这些器件的传输特性对温度变化不敏感，且模式转换效率对输入光的偏振态不敏感。在转换效率为99%的条件下，实现了LP01模与LP11模之间的转换，其工作带宽为34.0nm。2016年，FrancoisCallewaert等人[25]研究了一种基于非对称空间模式转换的超紧凑型宽带光学二极管模式转换器，仅由硅和空气组成传输结构。2017年，YunheZhao等人[26]给出了一种基于少模长周期光纤光栅（FM-LPFGs）的全光纤模式转换器，通过单个LPFG即可实现基模和不同高阶模（LP11、LP21和LP02模）之间的模式转换，转换效率为99%。另外，通过级联两个不同的长周期光栅可以实现基模和LP21模之间的转换。2019年，薛艳茹等人[27]提出了一种紧凑型宽带宽的新型的全光纤模式转换器，如图1.4所示。在一段少模光纤中写入叠栅型两个不同的长周期光纤光栅，实现了LP01模向高阶模LP11模的高效转换。实验结果显示,采用叠栅的方法可以实现的模式转换器转换效率最高达99%以上,3dB带宽约为232nm,10dB带宽约为153nm。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于高折射率液体填充的花瓣形微结构光纤可调滤模特性[J]. 戴震飞,姜文帆,王玲,陈明阳,高永锋,任乃飞. 物理学报. 2019(08)
[2]基于少模长周期光纤叠栅的模式转换器[J]. 薛艳茹,田朋飞,金娃,赵能,靳云,毕卫红. 物理学报. 2019(05)
[3]基于弱耦合少模光纤的模分复用技术进展(特邀)[J]. 李巨浩,葛大伟,高宇洋,贾骏驰,于津怡,何永琪,陈章渊. 光通信研究. 2018(06)
[4]飞秒激光制备光纤布拉格光栅高温传感器研究[J]. 廖常锐,何俊,王义平. 光学学报. 2018(03)
[5]一种基于光子晶体少模光纤模分复用系统的设计与分析[J]. 张伟,陈鹤鸣. 光电子·激光. 2017(06)
[6]基于多通道盲最小均方算法的模式解复用[J]. 关丽杨,胡贵军. 中国激光. 2016(10)
博士论文
[1]模分复用光传输系统关键技术研究[D]. 李佳熊.上海交通大学 2018
[2]新型少模光纤波导特性分析及其器件的研制[D]. 梁骁.北京交通大学 2016
[3]基于高速大容量光纤通信用大芯径光纤及多芯光纤的研制[D]. 郑斯文.北京交通大学 2014
[4]新型光子晶体光纤、光波导耦合器件的传输特性及应用研究[D]. 孙兵.江苏大学 2013
[5]长周期光纤光栅的特性及传感应用研究[D]. 宋世德.大连理工大学 2006
硕士论文
[1]基于少模光纤的模式复用通信技术研究[D]. 石健.吉林大学 2013
本文编号：3578433
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