【摘要】：光纖激光器由于具備穩(wěn)定性好、柔韌性強(qiáng)、光束質(zhì)量好、能量集中、損耗低等特點(diǎn),因此吸引了各國(guó)研究者們的關(guān)注。而由于需求的日益增長(zhǎng),使得光纖激光器逐漸朝高功率輸出的方向而發(fā)展。然而高功率信號(hào)在光纖里面?zhèn)鞑r(shí)會(huì)導(dǎo)致非線性效應(yīng),而大模場(chǎng)面積光纖則被認(rèn)為是克服該難點(diǎn)非常有用的手段之一。因此,本文的研究?jī)?nèi)容是對(duì)同時(shí)具備大模場(chǎng)面積與低彎曲損耗的單模光纖的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能分析。本文的主要工作如下:(1)介紹了大模場(chǎng)面積光纖的研究現(xiàn)狀,并說(shuō)明了相關(guān)的仿真分析方法及邊界條件的設(shè)置。而本文主要是從有限元仿真方法出發(fā),并通過(guò)結(jié)合完美匹配層來(lái)展開(kāi)研究。同時(shí),針對(duì)彎曲會(huì)使光纖的折射率出現(xiàn)失真這一現(xiàn)象,提出了彎曲光纖的等效折射率模型。(2)對(duì)本文所關(guān)注的主要性能指標(biāo)展開(kāi)說(shuō)明與分析,主要包括:大模場(chǎng)面積特性、低彎曲損耗特性與單模運(yùn)作特性。主要性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)原理如下:對(duì)于大模場(chǎng)面積特性,主要通過(guò)耦合作用來(lái)實(shí)現(xiàn);對(duì)于低彎曲損耗特性,則通過(guò)增大數(shù)值孔徑來(lái)實(shí)現(xiàn);對(duì)于單模運(yùn)作特性,利用高階模的抑制作用來(lái)完成。(3)設(shè)計(jì)了一種基于漸變型耦合環(huán)與多溝槽的雙層纖芯光纖結(jié)構(gòu),并就其性能展開(kāi)分析。主要的設(shè)計(jì)原理為:利用雙層纖芯結(jié)構(gòu)與漸變型耦合環(huán)結(jié)構(gòu),有助于光纖獲得較大的模場(chǎng)面積;而漸變型耦合環(huán)除了可以發(fā)揮上述作用外,還能夠提高抗彎曲性能;利用多溝槽結(jié)構(gòu),可以增大數(shù)值孔徑,從而降低彎曲損耗并提高傳輸效率。仿真結(jié)果表明,在1550nm的工作波長(zhǎng)條件下,可以實(shí)現(xiàn)大約2207μm2的模場(chǎng)面積,彎曲損耗則降至約0.048dB/m,通過(guò)對(duì)高階模的抑制作用,該光纖可以實(shí)現(xiàn)單模運(yùn)作。與此同時(shí),通過(guò)誤差分析與波長(zhǎng)依賴性分析,說(shuō)明了光纖的穩(wěn)定性。(4)設(shè)計(jì)了一種基于漸變型多層纖芯與多溝槽的光纖結(jié)構(gòu),并就其性能展開(kāi)分析。就低彎曲損耗特性而言,通過(guò)引入多溝槽結(jié)構(gòu)可以有效降低彎曲損耗,從而實(shí)現(xiàn)較高的傳輸效率。就大模場(chǎng)面積特性而言,則是利用漸變型多層纖芯的耦合作用,使模場(chǎng)向外耦合過(guò)渡,從而增大模場(chǎng)面積。仿真工作是基于1550nm的波長(zhǎng)而展開(kāi)的。結(jié)果表明,模場(chǎng)面積大約可以實(shí)現(xiàn)2180μm2,彎曲損耗則降至約0.054dB/m,而對(duì)于其單模運(yùn)作特性,依然通過(guò)對(duì)高階模的抑制作用得以實(shí)現(xiàn)。同時(shí),對(duì)光纖進(jìn)行了誤差分析與波長(zhǎng)依賴性分析。
【圖文】：

圖丨－２具有雙晶格分布、可實(shí)現(xiàn)等效單模傳輸?shù)男孤┩ǖ拦饫w的截面圖〖２５】逡逑２０１１年，Ｍ．Ｙ．邋Ｃｈｅｎ與其他幾位作者共同完成了一款對(duì)于彎曲不敏感的大模逡逑場(chǎng)面積光纖的設(shè)計(jì)［２６ｉ，其截面分布展示于圖１－３中。該光纖通過(guò)在包層的一小塊逡逑區(qū)域中引入具有小周期和大歸一化直徑的低折射率棒來(lái)實(shí)現(xiàn)低彎曲損耗特性，通逡逑過(guò)在包層的另一小塊區(qū)域中引入具有大周期和小歸一化直徑的低折射率棒來(lái)實(shí)逡逑現(xiàn)單模特性，當(dāng)彎曲半徑在３０ｃｍ的狀態(tài)下，可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)２０００｜ｉｍ２的模場(chǎng)而積。逡逑２０１３年，Ｍ．邋Ｙ．邋Ｃｈｅｎ與其他幾位作者又共同完成了一種同時(shí)具備較低彎曲損耗和逡逑較大模場(chǎng)面積的非對(duì)稱光纖的設(shè)計(jì)［２７］，其截面分布展示于圖１－４中。通過(guò)引入小逡逑直徑孔實(shí)現(xiàn)光纖的單模特性，而通過(guò)在雙環(huán)孔中引入三個(gè)大孔來(lái)實(shí)現(xiàn)光纖的低彎逡逑曲損耗。同時(shí)，作者還在光纖纖芯中引入了低折射率棒，可以有效地補(bǔ)償光纖彎逡逑曲對(duì)模場(chǎng)面積產(chǎn)生的負(fù)面影響。然而

圖１－６邋（ａ）多溝槽結(jié)構(gòu)光纖與（ｂ）改進(jìn)的多溝槽結(jié)構(gòu)光纖的折射率分布情況示意圖Ｐ８！逡逑２０１６年，Ｘ．邋Ｗａｎｇ與其他幾位作者共同探究并發(fā)表了一款抗彎曲大模場(chǎng)面積逡逑單模光纖結(jié)構(gòu)［３９］，如圖１－７所示為該光纖的折射率分布情況。作者通過(guò)往其纖芯逡逑里面加入四層高折射率溝槽的這種設(shè)計(jì)方法，以此對(duì)其模場(chǎng)分布情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)劐义险{(diào)整，在彎曲半徑１５ｃｍ的情況下，模場(chǎng)面積可以達(dá)到ｌｌＯＯｆｉｍ２。與此同時(shí)，通逡逑過(guò)高階模的抑制作用，增大了光纖彎曲時(shí)高階模的損耗，以保證光纖的有效單模逡逑傳輸。逡逑Ｃｏｒｅ邐＼邐Ｉ邐Ｏｕｔｅｒ邋ｃｌａｄｄｉｎｇ邋｛邋Ｐｕｒｅ邋ｓｉｌｉｃａ邋ｌａｙｅｒ邋１逡逑＜邐邋邐Ｎ邐Ｎ邐Ｎ邐Ｎ逡逑ｍ邐？：丨邐丨邐雄逡逑ｓｉｈ邐—邋ｎｎｎ邐１邐，邐｛邐？逡逑0邐１邐ｔ２邐＊邐＊邐１逡逑＞邐Ｉ邐Ｑ邐Ｉ邐Ｉ邐Ｉ逡逑——｜邋樸ｊ邐邋！逡逑２邐＊邋Ｍ邋Ｉ逡逑ｍｍ逡逑Ｗ邋一�。裕浴稿义�！邋１邋！邋＊邋丨邋；逡逑＿＿ｒａ邐ｙｃ邐＾逡逑圖１－７在纖芯中d{入多層溝槽的對(duì)彎曲不敏感的光纖折射率分布情況示意圖【３９１逡逑２０１８年，Ｌ．邋Ｈｕａｎｇ與其他幾位作者共同探究并發(fā)表了一種改進(jìn)的單溝槽單逡逑模光纖設(shè)計(jì)［４Ｇ】，，其折射率分布展示于圖１－８中。從中可以發(fā)現(xiàn)，在其纖芯周圍是逡逑被一圈折射率較低的溝槽結(jié)構(gòu)和另外一圈折射率較高的環(huán)結(jié)構(gòu)所圍繞，并且能夠逡逑發(fā)現(xiàn)的是溝槽結(jié)構(gòu)的折射率值要小于包層部分
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN253;TN248

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本文編號(hào)：2632833