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波导型微结构光纤与标准光纤的耦合机理研究

朱晓亮  
【摘要】:本课题对波导型微结构光纤与标准光纤的耦合机理进行了研究,提出了一种有效的波导耦合技术,该技术通过对波导型微结构光纤与单芯单模光纤的焊点进行熔融拉锥,使光纤加热区在温度场的作用下逐渐形成双锥结构,单芯单模光纤输出的光通过光纤双锥区逐渐会聚到波导型微结构光纤高介电常数的纤芯中,随着拉锥长度的增加,耦合光功率先增加后减小,当达到某一拉锥长度时,耦合光功率最大。该耦合技术简单,能够实现波导型微结构光纤与单芯单模光纤的高效耦合,可实现在线监测,利于波导型微结构光纤元器件嵌入传统单芯单模光纤光路中,对波导型微结构光纤的应用具有重要、意义。 本文围绕波导型微结构光纤与单芯单模光纤的耦合问题,建立了相应的耦合理论模型,设计了相应的实验系统,对多芯光纤,平行阵列芯光纤,毛细管光纤进行了实验研究,实验结果与理论预测相符,验证了理论模型的有效性。本课题的主要工作概括如下: (1)基于几种典型的光波导结构及其导波模式,深入研究了波导之间耦合的物理机理。不同结构光波导之间耦合时一般应考虑其数值孔径、模场匹配面积及传播相位匹配程度等因素。 (2)介绍了单芯单模光纤与波导型微结构光纤的耦合原理,基于直接激发耦合模型与平行光波导耦合理论,建立了单芯单模光纤与多芯单模光纤的耦合模型,并就熔融拉锥过程中多芯光纤各纤芯耦合光功率的动态变化进行了详细分析,计算了双芯单模光纤、三芯单模光纤以及四芯单模光纤与单芯单模光纤的耦合光功率特性曲线。 (3)考虑到平行阵列芯光纤在激光器领域的应用,以5芯平行阵列光纤为例,对单芯单模光纤与平行阵列芯光纤的超模耦合特性进行研究,并就两种不同激励情况(熔接激励与熔融拉锥激励)对5芯平行阵列光纤的超模输出进行了理论及实验研究。 (4)利用柯林斯(Collins)公式对5芯平行阵列光纤远场超模强度分布进行了计算,分析了两种不同激励情况下各超模的光束质量,通过对比得出平行阵列芯光纤用于光纤激光器时,可极大地提高输出光束质量,获得高功率的激光输出的耦合激励方法。 (5)基于两种耦合方法(熔接法与熔融拉锥法),分别研究了单芯单模光纤与内壁波导型毛细管光纤以及壁中波导型毛细管光纤的耦合特性,通过模场叠加原理,建立了拉锥长度与耦合光功率之间的对应关系,给出了熔拉过程中毛细管光纤的耦合光功率的动态变化,并通过所能获得的最大耦合光功率,将两种耦合方法进行了对比。


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