普通单模与光子晶体光纤的布里渊增益谱特性研究

论文摘要

在光纤通信领域,避免布里渊散射这种非线性效应可以使更高功率的光信号获得更远的传输距离和信噪比;而在光纤传感领域,却利用布里渊散射效应来获取分布式的温度和应变信息。因此,布里渊增益谱（Brillouin Gain Spectrum,BGS）的特性在通信和传感领域都对系统的性能起至关重要的作用。通常使用掺杂GeO2和改变半径尺寸的方法来调控光纤的折射率分布,同时也调控了光纤的声速分布,进而产生了不同的BGS特性,例如布里渊增益的大小、声模式个数和峰值强度差异等。我们利用有限元分析法,以较宽的参数变化范围和较精细的参数变化步长,对普通单模光纤和光子晶体光纤的BGS特性做了较为全面的研究。研究成果不仅可供通信领域选择布里渊散射效应弱、适宜长距离传输的通信光纤,也可供传感领域选择高布里渊增益、可提升传感精度的传感光纤。在此基础上,我们设计出了具有相近强度多峰BGS的新型光纤,可望提升基于布里渊拍频谱（Brillouin Beat Spectrum,BBS）探测的光纤传感系统信噪比。对于阶跃和渐变折射率这两种结构比较简单的普通单模光纤,我们以折射率分布为研究对象（声速分布随之改变）,考虑了折射率差和纤芯半径同时变化的若干种组合可能性,给出了光纤的BGS特性随这两个变量变化的规律。对于复杂折射率光纤,我们以大有效面积光纤（Large Effective Area Fiber,LEAF）为例,研究得到了对其BGS影响较为重要的几个结构参数,获得了BGS特性随这些重要参数变化的规律。在相近强度多峰BGS新型光纤设计方面,在普通单模光纤中得到了BGS峰值相对强度为0、-2.7和-9dB的一种新的LEAF型光纤。将其用于基于BBS探测的光纤传感系统中,可望提升信噪比3.1倍。对于光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber,PCF）,我们获得了孔径相同光纤的BGS特性随空气孔间距和直径变化的规律。此外,研究了孔径不统一结构的PCF,结果表明,当孔径由内到外逐渐变大时,可获得更多的声模式个数和峰值更接近的BGS,据此设计出了具有次峰比主峰弱8dB的双峰BGS的PCF,将其用于基于BBS探测的光纤传感系统中,可望提升信噪比2.5倍。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 注释表
• 缩略词
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景
•   1.2 光纤中的非线性散射效应
•     1.2.1 光纤中的拉曼散射
•     1.2.2 光纤中的布里渊散射
•   1.3 光纤传感技术
•     1.3.1 光纤传感技术原理
•     1.3.2 光纤传感技术分类
•     1.3.3 基于布里渊散射的光纤传感技术
•     1.3.4 基于布里渊拍频谱的光纤传感技术
•   1.4 光纤类别概述
•     1.4.1 普通光纤
•     1.4.2 光子晶体光纤
•   1.5 本文主要工作和内容安排
• 第二章 光纤的布里渊增益谱及其仿真方法
•   2.1 光纤中的声场传输方程
•   2.2 光纤中的布里渊增益谱
•   2.3 有限元分析方法
•     2.3.1 有限元分析概述
•     2.3.2 有限元分析法的步骤
•   2.4 本章小结
• 第三章 简单折射率分布光纤中的BGS特性
•   3.1 仿真方法验证
•   3.2 阶跃折射率光纤的BGS特性
•     3.2.1 纤芯半径对BGS的影响
•     3.2.2 折射率差对BGS的影响
•     3.2.3 折射率差和纤芯半径同时变化时的BGS
•   3.3 渐变折射率光纤的BGS特性
•   3.4 本章小结
• 第四章 复杂折射率分布光纤中的BGS特性
•   4.1 LEAF的光学和声学模式
•   4.2 环形层的位置对BGS的影响
•   4.3 环形层的宽度对BGS的影响
•   4.4 其他参数对BGS的影响
•   4.5 本章小结
• 第五章 光子晶体光纤中的BGS特性
•   5.1 光子晶体光纤的结构特征
•   5.2 BGS的仿真模拟验证
•     5.2.1 RB65 光纤的模拟验证
•     5.2.2 RB61 光纤的模拟验证
•     5.2.3 CF光纤的模拟验证
•   5.3 空气孔对BGS特性的影响
•     5.3.1 空气孔层数对BGS的影响
•     5.3.2 孔间距和直径对BGS的影响
•   5.4 特殊结构下的BGS特性
•   5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 潘宇航

导师: 路元刚

关键词: 布里渊增益谱,普通单模光纤,光子晶体光纤,有限元分析

来源: 南京航空航天大学

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: 南京航空航天大学

分类号: TN253

DOI: 10.27239/d.cnki.gnhhu.2019.001024

总页数: 75

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