抗弯曲大模场面积少模光纤及少模光纤激光器的研究

论文摘要

随着光纤激光器功率的不断提高,非线性效应已经成为限制光纤激光器功率提升的最主要因素,模式不稳定现象也损害了激光器输出的光束质量。大模场面积光纤具有低非线性、低损耗以及抗弯曲等优点,可有效提高激光器的功率和光束质量。本论文以降低光纤的非线性为目标,提出了多种高抗弯损、并具有单模传输特性的大模场面积光纤,对大模场面积少模光纤开展了深入的结构设计和理论研究。本文的主要工作和创新成果如下:1.基于单端偏接模式干涉型滤波器的高消光比特性,实验制作了多波长掺银光纤激光器,在室温下获得稳定的可切换三波长、四波长以及五波长输出。对基于大模场面积光纤的模式干涉型梳状滤波器进行理论和实验研究。结果表明,少模光纤纤芯半径越大,滤波器输出消光比越大。偏芯熔接能够进一步提高滤波器的消光比,但同时会导致器件损耗的增加。2.提出了一种泄漏通道多层沟壑光纤结构（Multi-Trench Fiber,MTF）。研究发现弯曲使MTF的LP11v模与LP11h模分离,增加LP11v模的损耗能有效提高光纤的单模特性。该设计通过在低折射率沟槽上打孔,使MTF最小高阶模损耗与基模损耗的比值（高-基损耗比）提高170%。弯曲半径为20cm时,光纤基模模场面积可达869μm2,高-基损耗比为2600,在弯曲方向角+-10°的范围内可维持单模运转。光纤还具有弯曲半径越小,单模运转能力越强的优点。3.提出了一种8瓣多层沟壑光纤。传统MTF在保证单模输出的条件下,弯曲半径为20cm时,模场面积只能达到790μm2。将传统MTF最外层低折射率沟槽分成8瓣,通过谐振和泄漏的共同作用,能够有效提高光纤的单模特性以及模场面积。当弯曲半径为20cm时,8瓣多层沟壑光纤的模场面积可达920μm2,高-基损耗比大于190,并且光纤性能不随弯曲方向变化。4.研究了大模场瓣状光纤（Segmented Cladding Fiber,SCF）的弯曲特性,证明SCF在弯曲条件下,依然能够实现大模场面积以及保持单模运转。并提出了一种扇形瓣状光纤,具有良好的高阶模抑制能力,弯曲半径为15cm时,模场面积可达715μm2。在此基础上提出了两种单沟槽瓣状光纤。一种单沟槽接触型瓣状光纤,在平直状态下高阶模抑制比相比传统SCF提高76%;—种单沟槽非接触型瓣状光纤,在弯曲半径为15cm时,模场面积可达797μm2,高-基损耗比大于100,光纤性能不随弯曲方向变化。5.提出了一种带有抛物型折射率分布纤芯的瓣状光纤。该光纤将抛物型折射率分布纤芯与瓣状包层结合,弥补了瓣状光纤弯曲特性差的特点,同时使高阶模得到有效泄漏,获得良好的大模场面积单模运转特性。该光纤在弯曲半径为15cm时,基模模场面积可达980μm2,高-基损耗比大于10,且模场面积不随弯曲半径以及弯曲方向变化。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 大模场面积光纤研究进展及限制因素
•     1.2.1 大模场面积光纤的研究进展
•     1.2.2 大模场面积光纤的限制因素
•   1.3 光纤滤波器及多波长光纤激光器
•     1.3.1 光纤滤波器的研究现状
•     1.3.2 多波长光纤激光器的研究进展
•   1.4 本论文主要工作
• 2 有限元法分析大模场面积光纤
•   2.1 引言
•   2.2 有限元法
•     2.2.1 有限元法的基本原理
•     2.2.2 有限元法求解光波导的具体过程
•   2.3 大模场光纤性能的理论计算
•     2.3.1 弯曲等效折射率模型
•     2.3.2 光纤性能参数计算公式
•   2.4 有限元法分析光纤特性
•     2.4.1 多层沟壑光纤
•     2.4.2 瓣状光纤
•   2.5 本章小结
• 3 基于大模场少模光纤滤波器的多波长光纤激光器
•   3.1 引言
•   3.2 光波导模式耦合理论
•     3.2.1 光波导的电场分布理论
•     3.2.2 突变光波导耦合理论
•   3.3 大模场少模光纤滤波器性能分析
•     3.3.1 大模场少模光纤特性对滤波器性能影响
•     3.3.2 偏芯熔接对滤波器性能影响
•   3.4 基于少模光纤滤波器的多波长激光器
•   3.5 本章小结
• 4 大模场多层沟壑结构光纤
•   4.1 引言
•   4.2 泄漏通道多层沟壑光纤
•     4.2.1 传统多层沟壑光纤的弯曲性能分析
•     4.2.2 泄漏通道多层沟壑光纤弯曲特性分析
•   4.3 八瓣多层沟壑光纤
•     4.3.1 传统多层沟壑光纤模场面积分析
•     4.3.2 改进型八瓣多层沟壑光纤
•   4.4 本章小结
• 5 抗弯曲瓣状结构光纤
•   5.1 引言
•   5.2 瓣状光纤弯曲特性分析
•     5.2.1 传统瓣状光纤弯曲特性
•     5.2.2 扇形瓣状光纤性能分析
•   5.3 沟槽辅助瓣状光纤
•     5.3.1 单沟槽接触型瓣状光纤
•     5.3.2 单沟槽非接触型瓣状光纤
•   5.4 纤芯抛物线分布的瓣状光纤
•     5.4.1 四瓣瓣状光纤
•     5.4.2 纤芯抛物线分布光纤
•     5.4.3 纤芯抛物线包层瓣状的光纤
•   5.5 本章小结
• 6 总结与展望
•   6.1 本论文研究成果
•   6.2 下一步工作计划
• 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: 马绍朔

导师: 宁提纲

关键词: 大模场面积,少模光纤,单端偏接,多波长,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

单位: 北京交通大学

分类号: TN248

总页数: 143

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