熔锥型保偏光纤耦合器制造理论与关键技术研究

【摘要】： 目前军事和民用领域对高性能、低成本保偏光纤耦合器的需求越来越多,针对其制作中存在的速度慢、产量低、成品率低、器件性能一致性差和产品成本高的特点,对保偏光纤耦合器的熔融拉锥制造理论和关键技术进行研究。论文以自动化保偏光纤精密对轴技术、保偏光纤耦合器耦合机理、高性能保偏光纤耦合器制造设备、熔融拉锥工艺参数与耦合器性能相关规律等四个方面作为主要研究内容。论文主要工作如下: 1.基于透镜效应法侧视对轴技术,提出了一种利用与光纤方位角关系更敏感的特征量—五点特征值来实现匹配型保偏光纤自动定轴的方法。经过理论分析和仿真研究,并在自动对轴平台上进行实验验证,结果表明新的五点特征法具有更高的测量精度及分辨率,更易于实现偏振主轴的自动定位。 2.基于热-结构-电磁多物理场耦合有限元方法,分析了保偏光纤耦合器的传输特性和耦合系数在熔锥区的变化规律,从而求解耦合模方程,得到偏振光经过耦合器后的光功率分布,继而对保偏光纤耦合器的性能参数分光比、消光比及附加损耗进行理论分析。重点进行了以下三点研究:一是仿真分析了耦合器截面形状、双锥体锥度以及偏振主轴角度差对耦合器传输特性的影响;二是基于光波导模式耦合理论,推导出了适应于纤芯为圆形、偏振主轴非平行时保偏光纤耦合器的耦合系数计算公式;三是从保偏光纤在火焰中熔融拉伸的实际变形过程出发,通过数值计算分析了应力区形状、应力区折射率与包层折射率差以及偏振主轴角度差等因素对附加损耗的影响机理。 3.基于单模光纤耦合器熔融拉锥设备,建立了保偏光纤耦合器熔融拉锥平台。该平台利用自动对轴机构解决了保偏光纤耦合器制作的关键技术—自动对轴技术;利用中间靠近机构,使得光纤在对轴完成后能够紧紧靠在一起,使光纤的耦合和分光成为可能;利用主控计算机和步进电机对熔融拉锥机构进行精确控制,从而改善耦合器的锥形,减少了附加损耗;拉锥设备整体结构紧凑、使用方便、成本低,能够实现自动化的保偏光纤耦合器制作。 4.以保偏光纤耦合器的光学性能与制造过程工艺参数的相关规律为研究核心,以提升耦合器的高性能熔融拉锥制造技术为目的,进行大量的熔融拉锥实验,从而研究熔锥工艺参数对耦合器的性能影响规律,找到最佳工艺参数,实现耦合器的高性能制作。