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熔锥型全光纤声光器件的研究

刘国祥  
【摘要】: 熔锥型全光纤声光器件是声光学领域中近期发展起来的一个具有探索意义的研究方向,本文就全光纤声光器件的理论、工艺和实验进行了研究。 论文从理论上阐述了构成全光纤声光器件的基本物理要素,包括:光纤中声波的激励与传播、能够支持光能量相互转换的光纤熔锥及熔锥耦合器、声波与光波的相互作用机理,并探讨了设计声光频移器、开关、可变分束器、可调滤波器等器件所遵循的基本原则。 对熔锥型全光纤声光器件所需的加工工艺进行了研究,并建立了实验系统,主要工作有:(1)对用来激励光纤中声波的换能器进行了合理的结构设计,分析了构成换能器的各种成分的特性,制作出既有较高的发射效率又具有较宽带宽的超声换能器。(2)针对所研究光纤熔锥和零耦合器的制作工艺要求远远高于一般耦合器的制作特点,对原有的熔融拉锥工艺进行了重新设计,包括火焰的火头的大小、扫描宽度、温度的控制和平移器的速度控制等,结合实验室现有的条件设计出适合于多种光纤熔锥器件的拉锥工艺系统,阐述了单根光纤熔锥、超长型对称耦合器和零耦合器的制作全过程。(3)建立了实验和测试系统。 实验工作主要有包括两个方面:(一)是单根光纤熔锥、超长型对称耦合器和零耦合器的制作实验,获得的单根光纤熔锥的插入损耗可小于0.1dB,耦合腰直径可达到6(m;超长型对称耦合器和零耦合器的插入损耗均能做到0.2dB,耦合腰的直径可达到6(m,甚至更细;零耦合器的最大耦合比可达1:10000,无源串话40dB。(二)是上述器件中的声光效应实验,包括:(1)对单根光纤熔锥中的声光效应进行了实验研究,获得了可变衰减器、光开关和可调滤波的功能,并对结果进行了详细的分析和讨论。器件的插入损耗为0.2dB,当工作波长为1350nm,声波频率为1.36183MHz时,耦合效率达到了97.7%;作为光开关,消光比可达16.4dB;FWHM带宽近似为200nm,中心波长可调范围为500nm,所需的电驱动功率为13mW,实验过程中还发现,当声波频率为0.50028MHz时,在1110~1550nm波长范围内所对应光的基模均能完全耦合到次阶模,此时的消光比均大于40dB。(2)对一般光纤熔锥耦合器进行了声光调制实验,并对经声光调制后所表现各种现象进行了分析讨论。耦合器的插入损耗为0.15dB, WP=9 当工作波长为1310nm,声波驱动频率为169kHz时,获得了73%的强度调制现象,示波器上输出的信号是两倍的声波频率(338kHz),电驱动功率为10mW;同一实验中还发现,在频率(=367kHz和(=521kHz在这两个频率处分别获得64%和61%的干涉强度调制,但它们的频率等于声波的频率。(3)在零耦合器上进行了声光效应实验,器件的插入损耗为0.2dB,最大耦合比为1:10000,实现了可调分束、开关、频移和可调滤波的功能,并且对实验结果进行了详细的讨论。当工作波长为1550nm,声波频率为0.96MHz时,耦合效率可达到98%,所需电驱动功率为13.8mW;作为光开关时,消光比为17dB;滤波波谱的FWHM带宽约100nm,且有较高的旁瓣和明显的不对称性,中心波长可调范围达到了400nm。 论文对熔锥型全光纤声光器件进行了工艺和实验研究,并获得了较为理想的实验结果,并详细地分析和讨论了理论和实验中存在的问题,尤其是实验中的滤波特性不理想的原因,并提出了提高器件性能指标的改进措施,为进一步的研究工作奠定了工艺和实验基础。


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