光学模式转换器与光纤多参量传感器的研究

【摘要】：模分复用技术是大幅增加单纤光通信容量最有前景的方法之一,与当前密集波分复用传输系统和多波长全光交换系统匹配形成高容量、多业务和高保密性的全光通信网络。模式转换器是模分复用和轨道角动量等模式复用通信系统中的关键。模分复用光纤通信系统中模式转换器应用于模式复用前端和模式解复用后端,光纤轨道角动量通信系统中模式控制器应用于激励出互不干扰且可作为独立信道的相互正交模式。支持波分模分混合复用的通信结构是实现大容量全光传输网的关键,而现有的模式转换器工作于单一波段,在模式控制领域支持多波长与宽带波长可调谐模式的模式转换器、模式滤波器和模式筛选器是研制难点。本论文主要从模分复用通信系统中的模式转换器入手,为了增强模分复用系统与当前波分复用系统的结合性,弥补空间模式转换器对全光纤传输网的高插损和不稳定性,弥补模式控制领域的多波长、宽带波长和波长可调谐模式转换器、模式滤波器和模式筛选器的研制难点。利用实验室自有的MCVD(Modified Chemical Vapor Deposition)设备研制基于少模光纤的全光纤模式转换器。对光纤声光可调谐器件进行了分析与实验研究,对声光器件的封装工艺进行优化,制造出基于少模光纤的声光波长可调谐模式转换器。从倾斜长周期光纤光栅的宽带模式耦合与模式滤波特性入手,设计出结构简单的多波长模式滤波器和宽带模式转换器。设计并研制了基于模式转换器的光纤多参量传感器,并提出了专门针对光纤模场的自积增强模式检测算法,用以解决高效率处理高速图像数据中光学模场变化的识别精度研究难点。本文的创新结果如下:1.深入分析了长周期双模光纤光栅中由倾斜角度带来的不同方位角模式之间耦合产生的光功率损耗现象。对倾斜长周期少模光纤光栅的结构参数进行优化,探究并寻找到使基模与二阶模式对包层高阶模式耦合效率最高的最佳倾斜角度范围86°-87°。以长周期倾斜双模光纤光栅的模式转换器的工作模型。设计了C波段和L波段不同功能的全光纤模式转换器,包括宽带模式转换器、多波长带阻模式转换器和99.9%高模式纯度单波长转换器。2.优化了基于压电陶瓷的声波发生器的元件选型和组装工艺。优化并分析了采用MCVD法制备无源和有源少模光纤的新工艺。发现采用新型包层掺杂工艺可以在普通浓度掺铒的状态下制备出更高吸收率的掺铒光纤。对声波发生器中压电陶瓷片的选型进行讨论。分析了锥形声波传导器的材料选型和与光纤声阻抗失配造成的输出模式耦合效率的影响。首次发现并实验验证影响声波传输损耗的主要因素并不是宏观看到的锥尖角度而是锥尖面积。实验中用自制的双包层少模光纤和自制声波发生器组成少模可调谐模式转换器,覆盖了 C波段和L波段,并且其单个模式转换工作波长区域也超过20 nm。3.分析了 IMI(Insulator-Metal-Insulator)和 MIM(Metal-Insulator-Metal)型复合材料波导的模式激励过程。得到MIM型中同时激发出非对称等离子体模式和非对称光子模式。对较难简并的方程进行图像分析并得出解的特征。首次提出利用代数级数求解法对MIM型中同时激发出非对称等离子体模式和非对称光子模式进行求解,得到更适用于计算机程序的近似解析解。分析了在不同介电常数下的前后向模式激发情况和归一化能流密度分布,设计并仿真出基于二氧化硅-石墨烯MIM型复合结构的前后向模式转换器。4.首次提出了基于二氧化硅-石墨烯IMI型渐变梯形复合结构的超宽带模式束缚器。分析了渐变梯形复合波导在不同化学势能与不同工作波长下的各向异性有效介电常数的分布。分析了其中负折射率导致的前后向模式简并引发的模式束缚现象,并仿真出在模式束缚时的能流密度分布。单一电压下模式束缚波段达到400 nm宽。首次提出了基于聚酰亚胺-石墨烯IMI型渐变梯形复合结构的超宽带吸收器。分析了渐变梯形复合波导中前向模式吸收与反射模式吸收的过程。分析了其中模式束缚现象引发的吸收现象,并仿真出在模式束缚时的能流密度分布。单一电压下模式吸收波段达到350 nm宽。5.首次提出了基于模场分布变化识别的平面双轴位移与正负旋转检测的传感器。利用被模式转换器激发出的非对称LP11模式的模场变化,来对环境的位移与旋转进行检测。对实验平台对x、y轴各50 μm,正负0°-180°进行了多次测量,图像处理器速度能达到动态绘制位移形态能力,角度传感精度最大为15 pixel/°,位移传感精度为5 pixel/μm。采用三阶自积增强算法能使角度最大测量误差范围小于11%。最后实验分析了检测平台对轴向应力不敏感的现象,施加平行于光传输方向上100με到1500με之间应力误差小于测量误差。6.首次提出了基于模场自积增强的平面双轴位移与正负旋转检测图像识别算法。专门依据光纤模场分布给予图像处理器特征学习过程来增强对非对称性模式分布的处理效率,解决高效率处理高速图像数据中光学模场变化的识别精度研究难点。在同时测量4种传感量(x轴位移,y轴位移,旋转角度,旋转方向)的后向模场图像测试中图像处理速度速率达到60帧/秒在激光图像测试中图像处理速率达到12帧/秒。首次提出自校准归零算法将角度最大测量误差范围从11%减小到3%。