双芯光纤的理论研究及新型双芯光纤全接入连接器的研制

摘要

双芯光纤制作简单，结构稳定，在光纤通信、光纤传感等领域中有着广阔的应用前景，但是双芯光纤全接入连接器的缺乏阻碍了双芯光纤各种应用和研究的进一步发展。本论文结合国家自然科学基金重点项目“面向细粒度光路交换信息安全网的光纤器件”，对双芯光纤的光波导横向耦合模理论、耦合特性以及双芯光纤全接入连接器进行了深入系统的理论和实验研究，获得的主要创新成果如下:
　　1.基于光波导横向耦合模理论的基本思想，由Helmholtz方程出发，推导出了一种新型的非正交耦合模方程，与传统方程的对比证明了该方程的正确性。
　　2.基于双芯光纤耦合模理论分析了双芯光纤的耦合长度随两芯子间距的变化，利用光纤有限元方法分析了双芯光纤本征模式的双折射，以及双芯光纤耦合长度的偏振依赖特性，计算得出双芯光纤应力双折射远大于几何双折射，快轴（即x方向）的耦合系数大于慢轴（即y方向）的耦合系数，且随着双芯光纤两芯子中心间距的增大，其耦合长度的偏振敏感度将增高。
　　3.分别采用侧边加工预制棒法和侧边开槽法制作了圆形、哑铃形和跑道形截面的双芯光纤，搭建了双芯光纤耦合系数可灵活调谐的CO2激光调节系统，实验中CO2激光照射引起双芯光纤耦合角的改变在104.7(rad/m)左右，且不会随波长的变化而显著改变。
　　4.实验测试了双芯光纤在-30℃～175℃范围内的温度特性，发现随着温度升高，双芯光纤的耦合系数逐渐减小，且双芯光纤耦合角的温度敏感性随温度增加不断升高，为温度传感器的设计提供了一种新的思路。
　　5.首次提出并实验验证了一种具有低串话路和低损耗特性的新型双芯光纤全接入连接器，利用该连接器可实现芯子相距小于20μm的双芯光纤的两纤芯分别与普通光纤的连接。由有限元方法精确计算表明，通过该连接器，从双芯光纤中射出的两个光场的中心间距可由16μm增加至大于90μm，引起的串话路仅为-37 dB，引起的总功率损耗仅为0.056 dB。通过侧边开槽法光纤制造工艺和光纤熔融拉伸技术分别制作完成了一根共线四芯光纤和一段带有尾纤的双子光纤，从而部分实验验证了新型连接器方案的可行性。如果该连接器研制成功，将极大地推动双芯光纤相关应用和研究的发展。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 双芯光纤理论基础及其发展历程

1．2．1 广义耦合模理论介绍

1．2．2 光波导耦合模理论介绍

1．2．3 双芯光纤耦合模理论及其发展历程

1．3 双芯光纤研究进展

1．3．1 双芯光纤的分类

1．3．2 双芯光纤的应用

1．3．3 双芯光纤与单芯光纤连接技术的研究进展

1．4 论文的研究内容和成果

参考文献

2 双芯光纤耦合模理论研究

2．1 引言

2．2 双平行波导模型

2．3 正交耦合模方程研究及改进

2．3．1 正交耦合模方程的非自洽性证明

2．3．2 微扰极化电流正交耦合模方程改进

2．3．3 微扰电极化强度正交耦合模方程改进

2．3．4 两种正交耦合模方程间的比较

2．4 新型非正交耦合模方程研究

2．4．1 新型非正交耦合模方程证明

2．4．2 与变分法非正交耦合模方程的比较

2．5 正交与非正交耦合模方程的对比研究

2．5．1 两类耦合模方程的比较

2．5．2 正交耦合模方程的解析解及组合模式

2．5．3 非正交耦合模方程的解析解及组合模式

2．6 小结

参考文献

3 双芯光纤耦合及偏振特性分析

3．1 引言

3．2 双芯光纤耦合特，I生分析

3．2．1 独立圆波导的求解算法

3．2．2 组合模式分析

3．2．3 本征模式分析

3．2．4 耦合长度分析

3．3 双芯光纤偏振特性的有限元方法分析

3．3．1 光纤应力分析基础

3．3．2 光纤有限元应力和模式分析

3．3．3 双芯光纤应力双折射分析

3．3．4 耦合长度偏振依赖性分析

3．4 小结

参考文献

4 双芯光纤的制作与温度特性

4．1 引言

4．2 双芯光纤的制作与测试

4．2．1 侧边加工预制棒法制作

4．2．2 侧边开槽法制作

4．2．3 传输谱测试

4．3 耦合系数CO2激光调节实验

4．4 双芯光纤温度特性实验

4．5 小结

参考文献

5 新型双芯光纤全接入连接器的研制

5．1 引言

5．2 新型全接入连接器的结构

5．3 新型全接入连接器的工作原理

5．4 新型全接入连接器的参数优化

5．5 新型全接入连接器的实验制作

5．5．1 共线四芯光纤的制作

5．5．2 双子光纤段的制作

5．6 新型全接入连接器的应用

5．7 小结

参考文献

6 结论

6．1 本论文的主要研究成果

6．2 下一步拟开展的研究工作

作者简历

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