強耦合理論熔錐型單模光纖耦合器

在弱導和弱耦合近似條件下,對光纖耦合器的幾何形狀做近似處理,并采用連續(xù)函數(shù)進行描述。根據(jù)snyderd的局部模式理論,采用三角波與高斯波的變系數(shù)疊加函數(shù)對光纖耦合器縱向各區(qū)域的光模場分布進行描述。利用局部模耦合理論和變分法計算分析光纖耦合器縱向各區(qū)域的傳播常數(shù)和耦合系數(shù),討論耦合系數(shù)與結構參數(shù)和波長的關系。計算表明:光纖耦合器熔錐區(qū)對光纖耦合器中的光功率耦合行為的影響不可忽略,光纖纖芯半徑和包層半徑對耦合區(qū)和熔錐區(qū)的耦合系數(shù)的影響成相反趨勢。因此,可以通過合理控制耦合器的結構參數(shù),制作出寬帶平坦光纖耦合器。

1x22x2單模光纖耦合器 產(chǎn)品特點主要應用 低插入損耗 高回波損耗 高消光比 高穩(wěn)定性 高可靠性 通信系統(tǒng) 測試設備 光纖傳感 科研 封裝尺寸 性能參數(shù) 參數(shù)單位指標 結構類型1x22x2 工作波長nm1310nmor1550nm 帶寬nm±40 附加損耗db≤0.10 耦合比 (%)10/9015/8520/8025/7530/7035/6540/6045/55 50/5 0 最大插入損耗db10.8/0.658.8/0.957.5/1.26.5/1.555.6/1.85/2.254.4/2.53.85/2.983.4 波長敏感損耗db0.35/0.10.35/0.150.35/0.20.35/0.250.35/0.30.35/0.30.35/0.30.30.3 偏振敏感損db0.08/0.0

850nm1x22x2單模光纖耦合器 產(chǎn)品特點主要應用 低插入損耗 高回波損耗 高消光比 高穩(wěn)定性 高可靠性 通信系統(tǒng) 測試設備 光纖傳感 科研 封裝尺寸 性能參數(shù) 參數(shù)單位指標 結構類型-1x22x2 工作波長nm850 帶寬nm±10 附加損耗db≤0.10 耦合比(%)50/5040/6030/7020/8010/905/953/972/981/99 最大插入損耗db3.54.5/2.75.8/2.07.7/1.311.0/0.714.5/0.4516.5/0.3518.5/0.321.9/0.25 波長敏感損耗db≤0.08≤0.08≤0.08≤0.080.10/0.050.10/0.050.10/0.050.10/0.050.10/0.05 偏振敏感損db0.20.20.3/0.

理論分析并研究了溫度變化對單模光纖耦合器的偏振特性的影響.推導了單模光纖耦合器輸出消光比與輸入消光比、模式耦合率的關系表達式.利用多個偏振特性不同的光源,進行了在快速溫度變化條件下單模耦合器輸出消光比隨溫度變化的測試實驗,證明了采用低偏振的光源有利于降低單模耦合器中因溫度變化引起的模式耦合效應.最后仿真計算了在光源輸出消光比不同的情況下模式耦合引起的光纖陀螺輸出誤差的大小,為不同環(huán)境應用的光纖陀螺選取合適的光源提供了參考.

在三維激光成像系統(tǒng)中,其性能表現(xiàn)絕大部分決定于器件接收背反射光能幅度的大小,以及耦合器中空間光到光纖纖芯的光耦合效率的高低。為了增加耦合器中激光能量到纖芯內(nèi)的耦合效率,提出了一種新型非球面透鏡到錐形光纖頭的耦合器的設計,得到了該耦合器中耦合效率的解析表達式。通過優(yōu)化耦合透鏡的倒相對孔徑,對應波長為1310nm和1550nm的最大耦合效率分別為81.80%and81.90%,此時的倒相對孔徑分別為0.280和0.292。與通常耦合器中的耦合效率相比較,其最大耦合效率沒有下降,而相應的倒相對孔徑增加較大。另外,還分析了透鏡-纖芯對準錯位的影響,結果表明,隨著對準錯位的增加,耦合效率急劇下降。

利用可調諧光源和光譜分析儀建立的光無源器件測試系統(tǒng),測試了熔錐型光纖耦合器的附加損耗、插入損耗、方向性和均勻性等光學性能,研究了光學特性與拉錐速度的相關規(guī)律。實驗發(fā)現(xiàn):器件的光學性能與制作工藝密切相關,如存在一個拉錐速度區(qū)間(這里為150μm/s附近的區(qū)間),使得光纖耦合器的損耗小、方向性好,離開此區(qū)間,器件的性能迅速下降。

利用幾何光學理論對光纖耦合器的損耗進行分析;當環(huán)境介質折射率發(fā)生變化時光纖耦合器的損耗隨之變化,理論推導損耗與環(huán)境介質折射率的關系公式,實驗中利用otdr檢測反射光實現(xiàn)環(huán)境介質折射率變化的監(jiān)測,利用拉錐機監(jiān)視損耗的變化,得到的實驗值與公式計算值基本吻合,證實了耦合器錐區(qū)環(huán)境介質折射率恒定是高質量耦合器的保證

根據(jù)單模光纖耦合器的輸出功率的比值對耦合區(qū)長度變化敏感的特點,仔細分析了熔融拉錐型光纖耦合器的應變特性。選用螺旋測微儀對光纖耦合器的應變特性進行研究,避免了懸臂梁結構自重、梁的振動等不可控因素對測量結果的影響,有效提高了測量精度。和電阻應變片的對比實驗證明,熔融拉錐式單模光纖耦合器不但具有應力敏感性,而且隨應變呈線性單調變化,同時具有較好的溫度穩(wěn)定性和橫向抗干擾性。

通過旋轉裝置對未封裝的熔錐型光纖耦合器耦合區(qū)施加扭轉作用,發(fā)現(xiàn)耦合比可以隨扭轉角度的變化而連續(xù)改變。實驗表明:耦合器的耦合比不但對扭轉作用敏感,而且變化呈單調性;同時扭轉作用不影響耦合器的附加損耗和工作波長。

對耦合波方程推導的熔錐型光纖耦合器兩輸出端功率變換關系進行了補充,更為準確描述實驗結果;對影響拉錐結果的參數(shù)進行實驗,確定了各個參數(shù)的作用,成功制作了3db耦舍器,插入損耗低于0.1db。

本文利用熔融拉錐系統(tǒng),只熔融不拉錐,獲得了新型光纖耦合器的制作方法,并對其進行了性能測試和理論分析。通過大量的實驗表明,該種新型光纖耦合器的性能均達到了熔融拉錐型光纖耦合器的性能指標,由于前者耦合區(qū)的直徑相對于后者明顯增粗,故其可靠性得到了大大的改善。此種方法還可用于其他各種光無源器件的制作,是一種值得探究和發(fā)展的新方法。

給出了光波導式小波濾波器的設計方案,該方案采用單模光纖耦合器作為系數(shù)實現(xiàn)載體,通過控制特性參數(shù)實現(xiàn)了具有不同分光比的耦合器基本單元,然后組合和級聯(lián)基本單元實現(xiàn)特定的小波濾波器系數(shù),具有精確度高,集成度好,穩(wěn)定性強的優(yōu)勢。分析了與系數(shù)實現(xiàn)相關的熔錐型單模光纖耦合器的形狀特性,橫截面沿縱向變化的錐形區(qū)和橫截面近似不變的耦合區(qū)內(nèi)的耦合特性,根據(jù)理論推導,用仿真手段設計3db單模光纖耦合器,實現(xiàn)了haar小波的濾波器系數(shù),誤差在3%以內(nèi),證明了光波導式小波濾波器設計方案的正確性和有效性。

耦合系數(shù)會直接影響到偏振光經(jīng)過耦合器熔錐區(qū)后的光能量分布,從而影響保偏光纖耦合器的耦合性能。基于光波導模式耦合理論,建立了熔錐型保偏光纖耦合器的耦合模型,推導出了適應于纖芯為圓型、偏振主軸非平行時保偏光纖耦合器的耦合系數(shù)計算公式,形式簡單、應用方便。為耦合模方程的求解以及耦合器的性能分析提供了前提條件,從而為熔錐型保偏光纖耦合器的高性能制造提供了理論指導。

探討了熔融拉錐過程中工藝參數(shù)的優(yōu)化設計,提出了一種在拉伸到一個較小預定分光比之后只進行加熱熔融的耦合器制造的新方法,通過理論分析了其可行性,并通過vc++程序實現(xiàn)了該工藝的控制過程。通過大量的實驗表明,該種方法制造的2×2單模光纖耦合器的性能有顯著提高,而且可靠性明顯優(yōu)于普通熔錐型光纖耦合器。因此這種方法是一種耦合器的改進型制造方法。

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針對市場上最急需的,生產(chǎn)中最常用的熔融拉錐型全光纖耦合器,介紹了它的工作原理、制作方法以及參數(shù)測量等內(nèi)容,從實驗上測量了所生產(chǎn)光纖耦合器的插入損耗、工作波長、方向性以及工作溫度等,通過實驗測試表明我們所生產(chǎn)的光耦合器器從各項指標上都達到了實用要求。

熔融拉錐型寬帶保偏光纖耦合器的制造工藝及其工藝參數(shù)的設置,對器件的性能有直接的影響。根據(jù)熔融拉錐型寬帶保偏光纖耦合器的原理和光纖電磁理論,結合試驗事實,對熔融拉錐的工藝進行了總結;實現(xiàn)了常規(guī)熔融拉錐型寬帶保偏光纖耦合器的制作,并對產(chǎn)品進行了測試,完成了預期研究目標。

在三維激光成像系統(tǒng)中，其性能表現(xiàn)絕大部分決定于器件接收背反射光能幅度的大小，以及耦合器中空間光到光纖纖芯的光耦合效率的高低。為了增加耦合器中激光能量到纖芯內(nèi)的耦合效率，提出了一種新型非球面透鏡到錐形光纖頭的耦合器的設計，得到了該耦合器中耦合效率的解析表達式。通過優(yōu)化耦合透鏡的倒相對孔徑，對應波長為1310nm和1550nm的最大耦舍效率分別為81．80％and81．90％，此時的倒相對孔徑分別為0．280和0．292。與通常耦合器中的耦合效率相比較，其最大耦合效率沒有下降，而相應的倒相對孔徑增加較大。另外，還分析了透鏡一纖芯對準錯位的影響，結果表明，隨著對準錯位的增加，耦合效率急劇下降。

熔錐型保偏耦合器的傳輸特性決定了其光學原理與功能的實現(xiàn)。為了從理論上分析各參量對保偏耦合器傳輸特性的影響,基于熱-結構-電磁多物理場耦合理論,建立了熔錐型熊貓光纖耦合器雙錐模型,應用有限元法,分析了各參量對熊貓光纖耦合器傳輸特性的影響。結果表明應力區(qū)與包層折射率差影響耦合區(qū)縱向電磁場的分布,折射率差越大,縱向電磁場分布的變形也越大;he1x1模和hey11模的傳播常量對偏振主軸角度差不敏感,偏振主軸角度差是通過耦合系數(shù)進而影響保偏光纖耦合器的消光比的;he1x1模的傳播常量對熔錐的熔錐區(qū)橫截面橢圓率比較敏感,橫截面橢圓率變化6.67%時δβx11變化0.14%,計算結果表明當熔錐區(qū)橫截面橢圓率為0.56時可獲得較高性能的耦合器。

根據(jù)光纖的消逝場耦合模理論,論述了熔融拉錐型光纖耦合器的工作原理;以六軸型熔融拉錐機為實驗平臺,研究了熔融拉錐法制作3db單模光纖耦合器的過程;分析了拉伸速度與附加損耗及損耗偏差的關系,發(fā)現(xiàn)拉伸速度為150μm/s時,耦合器的性能達到最優(yōu);此外,利用光學測試系統(tǒng)測試了光纖耦合器的插入損耗、附加損耗、方向性與均勻性等光譜特性參數(shù)。研究結果表明,所得實驗結果與耦合理論分析結果吻合,說明該方法具有制作過程簡單、附加損耗低、環(huán)境穩(wěn)定以及成本低廉等優(yōu)點。

論述了熔錐型光纖耦合器的功率耦合理論,利用熔融拉錐法制得了3db單模光纖耦合器。利用可調諧光源和光譜分析儀組成的光學測試系統(tǒng),測試了熔錐型光纖耦合器的附加損耗、方向性與均勻性等光學性能。實驗表明,該方法具有制作簡單、較低的附加損耗和良好的方向性等優(yōu)點。利用掃描電子顯微鏡觀察了光纖耦合器的表面,發(fā)現(xiàn)在光纖耦合器的錐區(qū)存在微裂紋,并且拉伸速度越快,微裂紋越明顯;在光纖耦合器的耦合區(qū),光纖表面存在微小晶粒,且拉伸速度越慢,晶粒越粗大。

從熊貓光纖在火焰中熔融拉伸的實際變形過程出發(fā),通過數(shù)值計算和實驗分析了應力區(qū)、偏振主軸間存在角度誤差及熔融拉錐工藝參數(shù)等因素對附加損耗的影響機理,并指明應力區(qū)是影響熔錐型熊貓光纖耦合器附加損耗的主要原因。數(shù)值計算和實驗結論對熔錐型熊貓光纖耦合器的工藝改進具有一定的指導意義。