光纤耦合器的理论、设计及进展

系统总结了光纤耦合器的发展历程,归纳提炼出各个阶段的标志性事件;详细阐述了光纤耦合器的耦合类型、制作方法、性能参数;详细评述了光纤耦合器的理论分析方法;全面分析了X型、星型、光栅型、混合型等各种典型光纤耦合器的基本结构、工作原理及耦合特性;指出并展望了光纤耦合器的发展方向和应用前景。作者率先提出并设计了超长周期光纤光栅耦合器,实验上实现了两个超长周期光纤光栅之间的有效耦合。     

长周期光纤光栅和双锥形光纤间的倏逝波耦合作用

对长周期光纤光栅和双锥形光纤之间的倏逝波耦合作用进行了研究。理论分析和实验研究表明,由于锥形光纤和长周期光纤光栅物理边界外倏逝波之间的交叠,长周期光纤光栅产生的包层模,可以耦合到锥形光纤的包层模并从锥形光纤的纤芯输出。要获得高的耦合效率,应满足模式匹配的条件,同时要尽量减小两光纤之间的距离。耦合特性还与长周期光栅和双锥形光纤的相对位置有关,为获得高的耦合效率,耦合区应位于长周期光栅区的后面。这种倏逝波耦合作用,为监测实际应用系统中长周期光纤光栅的特性提供了一种新方法;为利用锥形光纤和长周期光纤光栅开发新型光纤器件,提供了一种可能的方案。     

长周期光纤光栅和双锥形光纤问的倏逝波耦合作用

对长周期光纤光栅和双锥形光纤之间的倏逝波耦合作用进行了研究。理论分析和实验研究表明，由于锥形光纤和长周期光纤光栅物理边界外倏逝波之间的交叠，长周期光纤光栅产生的包层模，可以耦合到锥形光纤的包层模并从锥形光纤的纤芯输出。要获得高的耦合效率，应满足模式匹配的条件，同时要尽量减小两光纤之间的距离。耦合特性还与长周期光栅和双锥形光纤的相对位置有关，为获得高的耦合效率，耦合区应位于长周期光栅区的后面。这种倏逝波耦合作用，为监测实际应用系统中长周期光纤光栅的特性提供了一种新方法；为利用锥形光纤和长周期光纤光栅开发新型光纤器件，提供了一种可能的方案。     

两平行长周期光栅耦合器型上下话路滤波器的研究

以两平行长周期光栅耦合器的通用模型为依据，全面分析了两光栅完全对准和存在纵向偏离时器件性能的稳定性. 在此基础上深入研究光栅调制强度、环境折射率以及光纤包层厚度等因素的影响，确定出实现100%上下话路滤波效率的条件. 初步的实验结果表明，不需要对光纤包层进行处理，利用两平行长周期光栅耦合器完全可以实现有效的上下话路.这为进一步简化制作工艺提供了依据. 关键词： 长周期光纤光栅 光纤耦合器 上下话路滤波器     

模式耦合理论在圆周对称长周期光纤光栅建模中的应用

长周期光纤光栅是不同于光纤Bragg光栅的一种光纤光栅器件 ,根据模式耦合理论 ,长周期光纤光栅表现为前向传播的纤芯导模和同向的各阶次包层模式之间的耦合。分析研究了长周期光纤光栅轴向的模场变化。忽略轴向的模式耦合以及包层模式之间的相互耦合作用 ,并认为折射率指数的调制只存在于纤芯中 ,建立了简化的长周期光纤光栅数学模型。对圆周对称轴向均匀型长周期光纤光栅谱特性进行了仿真 ,其结果与实验结果基本吻合 ,表明了简化的数学模型的合理性     

长周期光纤光栅:原理、制备与应用

较全面介绍了长周期光纤光栅。对比Bragg光纤光栅说明了长周期光纤光栅的特点。对其耦合机理进行了分析 ,阐明了波长选择损耗特性。介绍了长周期光纤光栅的制备方法 ,大致分之为基于非形变的制备方法和基于形变的制备方法。详细阐述其在通信、传感领域的应用 ,尤其是新型应用 :带通滤波、光上下路复用、光纤光源、偏振器件、新型传感等。并针对长周期光纤光栅对温度、应力、外部折射率敏感的特性 ,探讨了调谐性以及温度稳定性的方案     

长周期光纤光栅傅里叶模式耦合理论

建立了长周期光纤光栅傅里叶模式耦合理论.在分析同向模式耦合时,发现了同向耦合模式的振幅系数间存在傅里叶变换关系.推导了长周期光纤光栅的同向耦合谱和透射谱的通用表达式.该理论是用傅里叶变换分析得出长周期光纤光栅折射率微扰的空域谱,再对该空域谱进行模式同向耦合分析,从而得到长周期光纤光栅光谱特性的通用表达式.根据该理论模拟分析了长周期光纤光栅在不同长度和微扰幅值时的光谱特性,与传统耦合模理论进行了对比分析.结果表明,该长周期光纤光栅傅里叶模式耦合理论具有简单、精确和高效的特点,与实际长周期光纤光栅的透射谱特性一致.应用该理论可分析无过耦合的任意轴向折射率微扰分布的长周期光纤光栅光谱特性.     

对称结构光纤光栅耦合器及其应用

光纤光栅耦合器(FGC)具有光纤光栅良好的波长选择特性和光纤耦合器的多端口特点，易于实现全光纤的光波分插复用。光纤光栅耦合器主要有4种结构：基于M Z干涉仪的分离型、基于100％耦合器的非对称型、基于0耦合器的非对称型和基于100％耦合器的对称型。着重介绍对称结构光纤光栅耦合器的结构、工作原理和研究现状。提出了测试方案，并探讨了这种器件在大规模波分复用光纤传感器阵列中的应用。     

长周期光纤光栅温主稳定性分析及其改善

利用模式耦合理率推导出长周期光纤光栅（ＬＰＧ）温度特性的一般关系式;通过测试周期为４００￣６００μｍ的长周期光纤光栅的温度特性,确定了芯内导模与被耦合的不同包层模间的热光系数差,并结合长周期光栅温度特性关系式总结出长周期光栅温度灵繁度与光栅周期和耦合包层模阶次的对应关系;在理论与实验的基础上,提出了改善长周期光栅温度稳定性的方法。     

一种新型的专用于光学相干层析系统的宽带光纤光源

报道了一种新型的专用于光学相干层析系统的输出光谱为准高斯型的宽带超荧光光纤光源.该光源采用掺饵光纤作为增益介质.其关键技术是在抽运源的输出端增加了光耦合器，并在光源输出端插入多级长周期光纤光栅对铒离子的自发光谱进行调制和整形；同时采用光控器和温控器来控制抽运源的输出以提高光源输出功率的稳定性.该光源的中心波长为1.57μm，输出光谱的3dB带宽大于75nm，输出功率为27mW.实验结果表明，该光源输出光谱的自相关函数的旁瓣峰被大大削弱，可以满足光学相干层析系统的应用. 关键词： 光学相干层析术 超荧光光纤光源 长周期光纤光栅 光耦合器     

用于光纤光栅解调的波长敏感光纤耦合器

为了拓宽光纤耦合器的使用范围,开发光纤耦合器的新功能,采用熔锥技术制作波长敏感耦合器,该耦合器在分光的同时对波长敏感。通过耦合理论验证实验结果,实验数据与理论值相符合。实验中得到波长灵敏度最大值为17.86%/nm的耦合器。采用拉锥工艺制作波长敏感耦合器工艺简单,耦合比峰值对应波长控制易于实现。该耦合器可用于光纤光栅布拉格波长漂移解调。令待解调光纤光栅布拉格波长与耦合器波长灵敏度最大值对应的波长一致,当波长发生漂移时,耦合器输出耦合比发生变化。自制的波长敏感耦合器实现了对布拉格波长为1566.71 nm光纤光栅波长漂移的解调,波长漂移1.80 nm,耦合比变化20.34%。此种解调方式具有光路简单,易于与光纤匹配的优点,可以应用在大型建筑中光纤光栅的健康监测。     

Optical irradiation method for fiber coupler fabrications

An optical irradiation method for high-speed fiber coupler fabrications without contamination is proposed. In optical fiber taper fabrications we found an interesting effect that fiber elongation is self-arrested although laser irradiation is continued. This is a typical effect in the optical irradiation method, but is not seen in the flame method or the thermal heating method. The “self-controlled fiber taper shape effect” is theoretically explained by considering thermal energy flows, and optical fiber couplers are fabricated using this effect. From our experiments, we show that optical fiber coupler fabrications at high-speed without contamination are possible using the optical irradiation method.     

Characteristics of Fused Optical Fiber Grating Couplers with Tapered Shapes

Fused optical fiber grating couplers (FGCs), in which Bragg gratings are written in the coupling regions of fused optical fiber couplers with tapered shapes along them are theoretically and experimentally investigated. By coupled mode analysis considering these tapered shapes, the drop efficiencies of the FGCs, which are inherently zero for the normal fiber couplers without grating, are calculated. The grating offset, which is the difference between the centers of grating and the coupler taper, is found to be effective to increase the drop efficiency of the FGC. It is determined that the tapered shapes influence the wavelength dependence of the drop efficiency and tolerate the grating offset precision. Apodizations for the grating of FGC are found to be effective in suppressing side lobes of the drop efficiency. Measurement of the wavelength characteristics of drop efficiency and the temperature characteristics of drop wavelength of the fabricated fused FGC confirm that the lightwave with specific wavelength can be dropped by the FGC and that the temperature dependence of the drop wavelength is similar to that of Bragg wavelength changes of usual fiber Bragg gratings.     

新型1×4塑料光纤功率耦合器的研制

提出了一种新型的塑料光纤功率耦合器 ,该耦合器与传统的拉锥型和混合棒塑料光纤耦合器不同。理论分析了它的损耗特性。该耦合器基于塑料光纤本身的热特性 ,分别将塑料光纤进行拉锥和热缩构成耦合器的两端 ,结构简单 ,制作容易 ,实验结果表明其性能也可满足塑料光纤短距离通信网的要求     

300 W侧面分布式抽运掺Yb全光纤放大器

采用角度磨抛的方式, 在纤芯/包层为20/400 μm双包层掺Yb光纤上制作了侧面抽运耦合器. 该耦合器对975 nm的半导体二极管抽运光的耦合效率最高可达97%, 对1080 nm信号光的泄漏比小于2%. 分析了侧面抽运耦合器的性能以及多个侧面抽运耦合器的级联分布对抽运耦合效率的影响; 同时, 在前向抽运和双向抽运方式下, 分析了级联耦合器的分布及信号光泄漏比对激光器整体效率的影响, 并进行了数值模拟. 采用自行研制的侧面抽运耦合器, 搭建了侧面耦合分布式抽运、掺Yb双包层全光纤主振荡功率放大器, 获得了波长为1080 nm、功率为303 W 的基模激光输出. 进一步增加抽运点个数, 提高抽运功率, 可获得更高的输出功率.     

4 × 4 Plastic Optical Fiber Star Coupler Incorporated with a Common Polymer Waveguide Optical Power Distribution Region

Abstract

Two types of 4 × 4 plastic optical fiber star couplers incorporated with a polymer waveguide as the optical power distributor are proposed, and their high performances are demonstrated. The characteristics of the proposed star coupler are investigated based on ray optics, and its power distribution performance is evaluated in terms of the flatness of the coupling ratio and the amount of the excess loss. Under the best conditions, the flatness of the coupling ratio and the excess loss of the fabricated device have been obtained as 2.0 dB and 2.5 dB, respectively.     

2×2熔锥型单模光纤耦合器的模型

选择适当的连续函数描述了熔锥型耦合器熔锥形状的渐变特性及其相互位置关系,然后分别应用局部模式理论和变分法分析了横截面沿纵向变化的锥形区域和横截面近似不变的耦合区域内的耦合行为,得出了耦合器中任一横截面处的耦合系数和耦合功率表达式计算表明,熔锥型耦合器的总功率耦合主要发生在耦合区域,在两锥形区域,对于纤芯归一化频率小于1.08的部分,也发生了相当程度的耦合为了使耦合器的理论模型更接近于实际物理情况,锥形区域的耦合作用也是不容忽略的,从而得到了一个更精细的熔锥型光纤耦合器的模型.     

宽频带熔锥型耦合器的变化分析

利用变分法对腐蚀熔锥型非对称单模光纤耦合器的耦合特性进行了分析.文中根据耦合器的光纤参数及截面尺寸,用有效平行波导模型,对自制的弱融型熔锥耦合器的转换功率随波长变化曲线进行了计算.结果表明,不仅宽频带特性的理论曲线与实验符合得较好,而且耦合器的耦合特性对二光纤的芯径比及熔锥长度的变化十分灵敏,这也与实验相符.     

3-D Electromagnetic Modeling of Polarization-Dependent Coupling Characteristics of 1×3 Linear Array Weakly Fused Fiber Couplers

Based on the full-wave surface integral equations method and the steplike approximation technique, a three-dimensional (3-D) electromagnetic model for simulating polarization-dependent power-coupling behavior of 1×3 linear array weakly fused fiber couplers is proposed. The accuracy of the proposed numerical model is confirmed to be good by comparing with the measured power transfer behavior at the fusing and elongating process of the couplers. In the 3-D modeling view, the polarization-dependent coupling behavior of two practical couplers, 1/3 power splitter and wavelength-flattened coupler, are numerically studied. It is seen that as the coupler is designed in a very weakly fused condition the polarization-dependent loss (PDL) is significantly increased. For designing the 1×3 coupler with low PDL, it is suggested that the aspect ratio has to be controlled in stronger fused range between 0.8 and 0.9.