基于少模光纤的模式转换器和光纤激光器的研究

论文摘要

模分复用技术是大幅提升通信系统传输容量的有效手段之一。模式转换器是线偏振模式、轨道角动量模式和矢量模式复用系统中的关键器件,基于少模光纤的模式转换器具有结构简单、体积小、转换效率高、与光纤系统兼容性好等优点,是模分复用系统的良好选择。多波长光纤激光器是密集波分复用系统的理想光源,相比于半导体激光器阵列能有效降低系统的复杂性和成本;而单纵模窄线宽光纤激光器因其光束质量好、线宽窄的优点同样可应用于密集波分复用系统,同时在长距离光纤传感、激光雷达、相干光通信领域有广阔的应用前景。少模光纤激光器可输出高阶线偏振模式、矢量模式,应用于模分复用系统可降低系统复杂性,提高模式复用灵活性。将少模光纤激光器与多波长或窄线宽光纤激光器相结合,可制作应用于波分-模分混合复用系统的光纤激光器。本论文在中央高校基本科研业务费专题项目、“973”项目和国家自然科学基金等项目的支持下,取得如下研究成果:（1）从耦合模理论出发研究了模式选择耦合器的原理和特性,分析了耦合器结构参数对模式耦合的影响。利用本实验室的MCVD（Modified Chemical Vapor Deposition）设备制作了双模光纤,并利用熔融拉锥法制作了基于单模光纤和双模光纤的宽带模式选择耦合器,在线性偏振片的作用下实现了可调轨道角动量模式和线偏振模式的可切换输出。（2）采用耦合模理论分析了少模光纤布拉格光栅的模式耦合特性,制作了少模光纤并写入布拉格光栅,提出并制作了基于少模光纤布拉格光栅和模式选择耦合器的多波长少模光纤激光器,少模光纤布拉格光栅作为波长选择器,利用错位熔接和偏振控制技术实现了三波长、双波长、单波长的可切换输出,在单波长运行状态下分别实现了可调轨道角动量模式的输出。（3）利用单模光纤耦合器制作了复合环腔结构,搭建了基于错位熔接和少模光纤布拉格光栅的柱矢量光窄线宽光纤激光器,实现了径向偏振光和角向偏振光输出。输出激光中心波长位于少模光纤布拉格光栅基模谐振波长处,采用洛伦兹拟合得到激光20dB线宽为7.1kHz,对应3dB线宽为355Hz。（4）利用机械长周期光栅作为模式转换器,提出并搭建了基于少模光纤布拉格光栅和复合腔结构的可切换波长柱矢量光窄线宽光纤激光器,实现了两个波长的可切换输出,且均可实现柱矢量光的输出,采用洛伦兹拟合得到激光20dB线宽分别为5.7kHz和6.8kHz,对应3dB线宽分别为285Hz和340Hz。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 基于少模光纤的模式转换器的发展与应用
•     1.2.1 少模光纤的发展与应用
•     1.2.2 模式转换器的发展与应用
•       1.2.2.1 模式转换器的分类
•       1.2.2.2 在模分复用通信系统中的应用
•   1.3 全光纤少模光纤激光器
•     1.3.1 光纤激光器简介
•     1.3.2 少模光纤激光器的研究现状
•       1.3.2.1 基模震荡高阶模输出激光器
•       1.3.2.2 高阶模震荡高阶模输出激光器
•   1.4 本论文的主要研究工作
• 2 模式理论及耦合模理论
•   2.1 引言
•   2.2 光纤模式理论
•     2.2.1 波动方程
•     2.2.2 光纤中波动方程的解
•     2.2.3 光纤中的模式特性
•   2.3 柱矢量光和涡旋光束
•     2.3.1 在自由空间内的数学描述
•     2.3.2 在光纤中的描述
•   2.4 耦合模理论
•   2.5 本章小结
• 3 模式选择耦合器的制作和应用
•   3.1 引言
•   3.2 光纤耦合器的制作方法和理论模型
•     3.2.1 光纤耦合器的制作方法简介
•     3.2.2 光纤耦合器中的耦合模理论
•     3.2.3 光纤耦合器中的耦合系数
•   3.3 模式选择耦合器的制作
•     3.3.1 结构模型
•     3.3.3 实验制作
•   3.4 模式选择耦合器在生成OAM模式方面的应用
•     3.4.1 光纤中OAM模式的生成
•     3.4.2 可调OAM模式的生成
•     3.4.3 实验验证
•   3.5 本章小结
• 4 输出高阶模的多波长光纤激光器
•   4.1 引言
•   4.2 多波长光纤激光器
•     4.2.1 发展简介
•     4.2.2 多波长掺铒光纤激光器常用结构
•   4.3 少模光纤光栅的分析与制作
•     4.3.1 光纤光栅耦合模理论
•     4.3.2 少模光纤光栅
•     4.3.3 光纤光栅的制作
•   4.4 输出高阶模的多波长光纤激光器
•     4.4.1 激光器结构
•     4.4.2 实验结果及分析
•   4.5 本章小结
• 5 输出柱矢量光的窄线宽光纤激光器
•   5.1 引言
•   5.2 窄线宽光纤激光器
•     5.2.1 窄线宽光纤激光器简介
•     5.2.2 窄线宽光纤激光器的关键技术
•   5.3 柱矢量光窄线宽光纤激光器
•     5.3.1 激光器结构
•     5.3.2 实验结果及分析
•   5.4 波长可切换柱矢量光窄线宽光纤激光器
•     5.4.1 激光器结构
•     5.4.2 实验结果及分析
•   5.5 本章小结
• 6 结论
•   6.1 论文主要研究成果
•   6.2 下一步要展开的工作
• 参考文献
• 作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果
• 学位论文数据集

文章来源

类型: 博士论文

作者: 姚树智

导师: 简水生

关键词: 少模光纤,模式转换器,轨道角动量,柱矢量光,光纤激光器

来源: 北京交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,电信技术

单位: 北京交通大学

基金: 中央高校基本科研业务费专题项目,“973”项目,国家自然科学基金等项目

分类号: TN248;TN914

总页数: 136

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