微纳纤芯/包层结构大模场单模聚合物光纤设计

提出了一种微纳纤芯/包层结构大模场单模聚合物 光纤。建立了光纤结构模型,在非 弱导近似条件下,根据波导理论,分析了微纳光纤的单模和波导特性;讨论了微纳纤芯直径 、 芯/包层折射率差以及包层直径等结构参数对微纳纤芯/包层结构聚合物光纤的模场分布、有 效 模场直径等导波特性的影响。结果表明,在传输波长λ＝650nm、微纳纤芯直径Dcore＝172μm、包层 直径Dclad＝250μm和芯/ 包层折射率差δn=0.128时,可获得有效模场直径达126.56μm和芯内能流比为10.66% 的大模场单模聚合物光纤。     

增益导引和折射率导引在大模场单模光纤设计中的应用

传统的大模场光纤是通过设计光纤结构来获得大模场面积的,可以实现的模场面积只能达到几百平方微米。增益导引和折射率导引相结合是实现大模场单模光纤的一种新方法。通过分析增益因子对折射率以及归一化频率的影响,得到了光纤中各阶模式截止条件与纤芯包层折射率差和增益因子的关系。最后以包层折射率为1.5734,纤芯折射率为1.5689,纤芯半径为50μm,10%(原子数分数)重掺杂钕离子的磷酸盐光纤作为模拟计算对象,当波长为1.064μm时,得到其模场直径大于90μm。对于普通光纤,增益导引和负折射率导引相结合的方法对实现大模场单模传输很有前景。     

基于侧边抛磨多模光纤的高灵敏度折射率传感器

提出一种可于生物传感的侧边抛磨多模光纤(SPMMF)折射率传感器。针对1.300~1.430折射率范围传感特性,研究了纤芯直径50.0、62.5和105.0μm的多模光纤(MMF)侧边抛磨不同深度时SPMMF折射率传感器的光谱特性和光功率传输特性。结果表明,在1.300~1.430折射率范围内,光纤纤芯直径和剩余半径(抛磨面到纤芯中心的距离)越小,传感器灵敏度越高;纤芯直径为50.0μm、剩余半径为0μm时,可以获得最高达42.23dB/RIU的灵敏度,最小分辨率为2.37×10-5RIU;纤芯直径为105.0μm、剩余半径30μm时,SPMMF折射率传感器仍有10-5 RIU量级的分辨率。     

大模场面积掺镱微结构光纤的制备与激光性能（英文）

针对高功率光纤激光器在实际应用过程中所面临的高效耦合及激光输出质量问题,自行设计了大模场微结构光纤的波导结构,采用集束拉丝技术制备了纤芯直径41μm、内包层数值孔径0.62、纤芯数值孔径0.05、有效模场面积约530μm2的掺镱微结构光纤。在抽运功率为35.0 W的条件下,获得的单模激光输出功率为19.1 W,斜率效率为55.2%,光束质量因子M2小于1.01。     

掺镱大模场光子晶体光纤研究进展（特邀）

掺镱大模场光子晶体光纤在高峰值功率超快激光放大器中有着重要的应用价值,其研究得到了广泛关注。首先简要介绍了国内外掺镱大模场光子晶体光纤的研究进展,阐述了掺镱大模场光子晶体光纤的基本设计思路,对比说明了保偏型掺镱光子晶体光纤的设计制备方法。重点介绍了近十年来中国科学院上海光学精密机械研究所在掺镱大模场光子晶体光纤方面的研究进展。包括掺镱大模场光子晶体光纤的纤芯折射率大小和均匀性控制、光子晶体光纤微结构控制等关键技术。采用自主研制的四种芯径为40～100μm的掺镱大模场光子晶体光纤开展了皮秒脉冲激光放大实验。利用40μm芯径的保偏掺镱光子晶体光纤实现了平均功率为100 W、光束质量因子（M2）小于1.4的稳定输出,偏振消光比为12 dB。利用100μm芯径的保偏掺镱大模场光子晶体光纤实现了M2小于1.5的高光束质量脉冲放大。上述研究为掺镱大模场光子晶体光纤的国产化应用奠定了基础。     

零模间色散三芯光子晶体光纤

为了研究纤芯掺杂低折射率材料后三芯光子晶体光纤中任意两超模之间的模间色散特性,采用全矢量有限元法进行了仿真,取得了模间色散系数、零模间色散波长随纤芯折射率和结构参量变化的数据。结果表明,通过调节纤芯折射率、纤芯直径、空气孔直径以及孔间距这4个结构参量,可以使任意两超模间的模间色散在两个常用波段1.31m和1.55m处为0。该结果对于消除基于模分复用的光纤不同模式间因为模间色散导致的脉冲失真和实现零模间色散的模分复用技术是有帮助的。     

一种双模大模场面积多芯光纤的设计和特性分析

提出了一种具有双模大模场面积的多芯光纤,建立了该多芯光纤的电磁场模型并采用有限元方法对其进行求解。基于该模型研究了光纤的模式特性和弯曲特性,系统分析了纤芯间距、纤芯半径和芯包折射率差对光纤模式特性和基模有效模场面积的影响。结果表明:通过引入空气孔并适当减少纤芯间距、纤芯半径和芯包折射率差,该光纤能实现严格的双模传输。保持双模传输时,通过增大纤芯间距,减小纤芯半径和芯包折射率差均有助于增大基模的模场面积。通过调整结构参数,在近似满足双模传输的条件下,光纤的基模模场面积在平直状态下可达到3155μm²。     

掺锗微结构光纤的非线性特性研究

由于二氧化锗材料的非线性折射率高于石英,因此可以通过在纤芯中掺杂二氧化锗来进一步提高纯硅微结构光纤的非线性系数.采用全矢量有限单元方法,本文理论计算和分析了纤芯掺杂微结构光纤的非线性系数、模场分布、色散等特性.结果表明,在几乎不影响模场分布和色散的情况下,光纤非线性系数得到了大幅提高.此外,还讨论了掺杂浓度和掺杂半径对光纤非线性系数的影响.     

基于侧面抛磨锗芯光纤的折射率传感器

通过抛磨单模-多模-单模(Single mode-Multimode-Single mode,SMS)光纤结构,设计制作一种光纤折射率传感器。多模光纤选用的是纤芯直径为16μm的锗芯光纤,纤芯直径较小,使制作的传感器尺寸较小,从而在传感应用中具有较高的样品利用率。单模光纤纤芯直径为8.4μm,可确保抛磨至多模光纤纤芯附近时单模光纤的纤芯不被破坏。SMS被AB胶固定在玻璃槽内,使得侧面抛磨光纤具有很好的鲁棒性,可重复使用性。制备并侧面抛磨了锗芯光纤长度分别为0μm、23μm、70μm、690μm、2 mm的SMS光纤结构。对产生的传输光谱进行测量,发现前4个样品随着周围环境折射率的增加,谐振波长向长波长处偏移;而前3个样品的折射率测量灵敏度随着锗芯光纤长度的增加而提高。当锗芯光纤长度为70μm时,在1.333~1.367折射率区间内,灵敏度可以达到623.5 nm/RIU。然而,过长的锗芯光纤导致折射率测量灵敏度降低。当锗芯光纤长度为2 mm时,抛磨过程中激发产生了包层模,导致传输光谱复杂、不稳定,而且长波处产生了较大的插入损耗。     

用于高功率放大的光子晶体光纤特性研究

稀土掺杂光子晶体光纤是制作高功率光纤激光器、光纤放大器的理想材料,对稀土掺杂光子晶体光纤的研究尤为重要。提出了一种新型的空气孔八边形双排排列的光子晶体光纤,并对其部分特性进行分析。研究了该种光纤的掺杂纤芯直径、掺杂折射率和波长的变化对有效模场面积和有效折射率的影响,并计算了该稀土掺杂光纤作为光纤放大器时的重叠因子的特性。为以后更好的制作光纤放大器等光器件产生了一定的理论基础。     

大模面积双包层增益光纤优化设计

增益光纤的折射率和离子掺杂分布是决定光纤激光器输出功率和光束质量的重要因素,针对大模场光纤弯曲效应对模场面积和模场畸变的影响进行了数值分析,采用有限元方法计算了不同折射率和掺杂离子分布光纤的模场面积和增益系数。提出了高斯复合型折射率和掺杂离子分布的大模场增益光纤结构,该结构可有效提高增益光纤的增益系数和高阶模抑制系数,并具有较强的抗弯曲特性,较好的平衡了模场面积与抗弯曲特性的矛盾。根据计算结果设计了直径为65 m 的高斯复合型折射率和掺杂分布的增益光纤,在波长为1.064 m 的条件下,基模有效模面积达到1.17103 m2,基模相对增益系数和高阶模相对抑制系数分别达到0.58 和0.208 8,有效地提高了光纤激光器和放大器的输出光束质量。     

大模场抗弯曲全固态光纤的结构设计

提出了一种具有对称结构的大模场面积和低弯曲损耗的新型结构光纤,运用全矢量有限元法结合完美匹配层边界条件分析了光纤特性。该光纤由纤芯中的梯形折射率环和包层中的多层下陷层组成,仿真结果显示该光纤具有低弯曲损耗大模场单模传输的特性。对比分析了梯形谐振环、矩形谐振环、三角形谐振环结构光纤的弯曲损耗以及电场模式分布,实验结果显示梯形折射率环更具优越性。多层下陷层结构将模场限制在纤芯中,下陷层的数量大于2时模场面积基本上保持不变。研究结果表明,在波长为1 550 nm、弯曲半径为20 cm时,基模(FM)弯曲损耗只有0.056 868 dB/m,而高阶模(HOMs)损耗为3.58 dB/m,有效模场面积可达2 313.67μm²。该光纤对弯曲方向不敏感,在高功率光纤激光器放大器等光通信器件领域具有广阔的发展前景。     

Frozen-in viscoelasticity for novel beam expanders and high-power connectors

Frozen-in viscoelasticity has a significant, yet previously overlooked, impact on the refractive index profile of optical fibers and can serve as the basis for novel fiber devices. Viscoelastic strains can be frozen into an optical fiber during draw, or by cooling down a drawn fiber from high temperature while under tension. The resulting refractive index perturbation can exceed 0.003, exhibits minimal birefringence, and is concentrated in the highest viscosity region of the fiber. We have developed a quantitative theory for the refractive index perturbation, which is in excellent agreement with measured data. We have harnessed frozen-in viscoelasticity to create novel high-performance all-fiber beam expanders achieving mode field diameters in excess of 40 /spl mu/m. These beam expanders are suitable for low-cost high-volume manufacturing and can serve as the basis for high-power single-mode fiber (SMF) connectors, since their lower power density improves reliability during high-power operation. Because of the significant reduction in free-space diffraction associated with the enlarged mode field diameter, these beam expanders may be suitable for MEMS applications, or for coupling between optical fiber terminations and optical fiber sources or detectors.     

低重复频率脉冲掺镱光纤放大器

为了研究低重复频率两级脉冲掺Yb3+光纤放大器,采用脉冲信号驱动的半导体激光器作为种子光源,产生重频100Hz、半峰全宽100ns、能量30nJ的矩形光脉冲。第1级放大采用单模掺Yb3+光纤放大器,双程放大方案有效地抑制了放大自发辐射,放大后的脉冲能量达到了8.2μJ。第2级放大采用纤芯直径15μm的双包层掺Yb3+光纤放大器,大功率多模半导体激光器连续抽运。结果在抽运功率为7.3W时,放大输出脉冲能量达到了242μJ,放大输出半峰全宽压缩为29ns。输出的光束质量较好,为准单模输出。结果表明,该光纤放大器输出脉冲能量高,具有全光纤化、结构简单的特点。     

掺镱多模双包层光纤激光器弯曲选模研究

为了使大芯径多模双包层光纤激光器实现基模输出以抑制高功率双层光纤激光器中的非线性效应,采用将大芯径的多模双包层光纤适当弯曲进行选模使双包层光纤激光器获得单模激光输出的方法,进行了理论分析和实验验证,取得了大芯径多模双包层光纤内包层折射率、纤芯半径、光纤内传输信号光波长、光纤弯曲半径等因素对弯曲损耗及激光器输出光场模式影响的数据,并采用国产掺镱多模双包层光纤进行了弯曲选模实验,实现了多模光纤激光器的单模输出.结果表明,激光器最大输出功率达9W,斜率效率达17.3%,输出为基模.这一结果对大芯径多模双包层光纤激光器的选模是有帮助的.     

有限元法求解任意折射率分布光纤波导截止波长

本文应用有限元方法,求解了任意径向非均匀折射率分布圆柱对称介质波导中纵向场耦合波动方程定解问题所对应的变分问题,计算了任意径向非均匀折射率分布介质波导的截止波长。阶跃光纤与幂指数折射率分布光纤计算结果与文献结果的比较表明,该方法计算结果精度高且不需要弱导或高斯模场分布等限制要求。然后本文研究了带阶跃环的三角型分段折射率分布光纤归一化截止频率随结构参数变化的规律。     

光纤传感器在液体参量测量中的应用

介绍了一种利用锥形光纤探头测量液体参量的新方法,并且对不同探测条件下的灵敏度作出了比较。在标准的纤芯-包层-涂敷层传感光纤的光线泄漏区,液体通过压力管口被喷射到光纤上作为涂敷层。液滴由压力管口自动喷射出来,通过改变气体压力以及液体密度、黏度、表面张力等物理参量,就可以控制液滴的直径、折射率等参量。在光线泄漏区,传感光纤包层模式功率随着液体参量的改变而改变,从而锥形光纤探头探测到的输出功率也随之改变。实验以橄榄油、甘油、松节油为测量对象,解决了油类液体参量测量难度大的问题,测量灵敏度可以达到折射率每变化0.01,功率改变2~4 dB。该方法与以往所做的对沿光纤传播的包层模式功率的损失特性的简单分析对比,测量结果与理论曲线十分相符。     

大模场双包层光纤熔接的功率对准技术研究

为了提高高功率光纤激光器中大模场双包层光纤的熔接质量,采用NUFERN 20/400μm双包层光纤搭建了光功率对准系统,对大模场双包层光纤中存在包层光以及纤芯中只有基模和存在高阶模时光纤径向偏移与耦合效率的关系进行了理论分析和实验验证。结果表明,大模场双包层光纤中包层光和纤芯中高阶模的存在使耦合效率对径向偏移变化的敏感度降低,滤除包层光和高阶模后耦合效率随光纤径向偏移量呈高斯型变化; 使用光功率对准系统搭建千瓦级双端抽运激光系统,最大输出功率约1170W,光光转换效率约73%,光束质量约1.22,实现了千瓦级准单模输出。光功率对准技术能够实现待熔光纤的精确对准,对高功率光纤激光器输出性能的提升有重要意义。