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雙芯光纖同一包層內含有兩根纖芯,每個芯子都是一條光波導,即一根雙芯光纖中集成了兩根單芯光纖。雙芯光纖有各種各樣的結構,

雙芯光纖模場特性研究

包層折射率,纖芯折射率,纖芯半徑以及傳輸光波長等參數決定了單模光纖的傳輸特性。對于雙芯光纖而言,光纖的傳輸特性還與兩個纖芯之間的距離有關。改變雙芯光纖兩個芯子之間的距離會影響兩個芯子之間的能量分布。在仿真過程中,始終保證一個芯子處于包層中心軸位置不變,通過改變旁芯的位置來改變兩纖芯之間的距離d。

雙芯光纖的雙折射

一般的軸對稱單模光纖,可以同時傳輸兩個線偏振正交模式或兩個圓偏振正交模式。在理想情況下,如果光纖具有完全的圓對稱性,那么這兩個正交的模式在光纖中有相同的傳播常數,彼此間并,在傳播的過程中偏振態(tài)不會發(fā)生變化。但實際上,由于光纖內部應力,外部壓力,以及自身的圓度等都會造成這兩種偏振模式下折射率的偏差,使得傳播常數也不同。由于兩個正交偏振的模式傳播速度不同,兩正交模式在傳輸過程中會發(fā)生稱合,其合成的偏振態(tài)在傳輸過程中發(fā)生變化,這就是光纖的雙折射效應。雙芯光纖的波導結構不具有圓對稱性,所以要分析它的雙折射。雙芯光纖的雙折射可用APSS軟件來仿真計算,按照實測數據設置仿真參數為:包層的直徑為125μm,纖芯直徑為9μm,纖芯間距為43μm,包層和纖芯折射率分別為二氧化掛和相對包層折射率摻雜0.36%的材料。

雙芯光纖是一種具有特殊折射率分布的特種光纖,它突破了常規(guī)光纖的折射率分布結構,在同一根光纖中排布了兩根相互平行的纖芯,既可以作為光傳輸介質,又可構造新的光器件。20 世紀60 年代初期,就有學者研究光在兩個平行波導間的能量耦合。1980 年,雙芯光纖的實驗驗證使耦合模理論得到重大突破。1981 年,研究人員利用雙芯光纖對彎曲波導耦合特性的測量以及耦合系數與彎曲半徑間的關系,設計出光纖型光方向耦合開關。80 年代末,研究人員利用雙芯光纖對波長和偏振態(tài)的選擇性以及光譜特性,把雙芯光纖初步應用于光傳感器件,包括溫度、應力和位移的測量。隨后雙芯光纖的非線性效應也被研究,用于實現被動鎖模器件和超快速全光開關�；�于雙芯光纖制作的光纖器件,具有器件尺寸易精確控制、耦合區(qū)機械應力小、更加緊湊穩(wěn)定和不易受外界影響等優(yōu)點,在光傳感和光通信等多個領域得到了廣泛的應用,主要體現在光纖濾波器、光干涉儀、光連接器、光纖放大器、光分插復用器、光纖開關、光學鑷子和光纖傳感器等方面。因此研究雙芯光纖具有重要的理論和實際意義,隨著研究的深入必將會給光纖通信和光纖傳感帶來新的突破。

雙芯光纖在包層中存在兩個纖芯,屬于特種光纖。從光波導的物理結構出發(fā),雙芯光纖主要分為同軸雙芯光纖和非同軸雙芯光纖。近年來也出現了光子晶體雙芯光纖、帶狀雙芯光纖和雙子芯光纖。

同軸雙芯光纖

同軸雙芯光纖,也稱作雙包層光纖或雙環(huán)芯光纖,即包層中的兩個芯子在以包層圓心為軸線的同一軸線上,表現為內外兩個芯子的結構。同軸雙芯光纖常用于制作大功率的光纖激光器。

非同軸雙芯光纖

非同軸雙芯光纖在一個在包層中存在兩個獨立芯子的光纖。根據兩個芯子的位置分布,非同軸雙芯光纖可分為軸對稱( 相對于光纖包層的圓心) 的非同軸雙芯光纖和軸偏移的非同軸雙芯光纖。軸對稱的非同軸對稱雙芯光纖,兩個芯子對稱于波導中心。軸偏移的非同軸雙芯光纖的兩個芯子仍是平行芯,但是兩個芯子的對稱軸向光纖一側偏移。典型的例如可以使其中一個芯子正好位于整個雙芯光纖的中軸上。另外,如果雙芯光纖的兩個芯子折射率及形狀相同,可稱為匹配雙芯光纖。如果兩個芯子的折射率及形狀不相同,則可稱為失配雙芯光纖。

雙芯光子晶體光纖

光子晶體光纖是由一種單一介質( 通常為石英玻璃) 構成,在二維方向上呈現周期性緊密排列( 如周期性六角形等) ,而在光纖軸向基本保持不變的波長量級空氣孔所構成的微結構包層的新型光纖。

雙芯光子晶體光纖也是光子晶體光纖的研究熱點之一,主要體現在其耦合特性與其在色散和色散斜率補償的應用。一般雙芯光子晶體光纖的光纖的雙芯由除去中心孔兩側的空氣柱形成,屬于非同軸雙芯光纖。環(huán)雙芯光子晶體光纖用于制作新型的模式干涉儀,也是研究的熱點之一,屬于同軸雙芯光纖的一種。

帶狀雙芯光纖

帶狀雙芯光纖是一種新型特種光纖。帶狀雙芯光纖的兩根纖芯分布在內部,而包層較薄,整體的光纖截面近似矩形。帶狀雙芯光纖可以直接當作雙芯光纖使用,制作成多種光纖傳感器和光纖器件。在纖芯中摻雜增益物質和包層由高分子聚合物制作的帶狀雙芯光纖,則可類似為雙包層光纖。

雙子芯光纖

雙子芯光纖由兩個鄰近的分支波導通過一個共同的薄邊緣相粘綁定在一起;每個分支波導的形狀和尺寸與標準的單模光纖相同。雙子芯光纖能夠使每個分支波導的獨立尾纖的輸入輸出實現低插入損耗,通過熔融拉錐的方法,可以制作成熱平衡和機械耦合穩(wěn)定的干涉儀。

大多數用途的雙芯光纖都是基于雙芯光纖兩個纖芯間的模式耦合效應。通過單模光纖和雙芯光纖的連接,可制作出高性能的緊湊的全光纖耦合型濾波器,緊湊的全光纖Mach-Zehnder 干涉儀,緊湊的全光纖Michelson 干涉儀。下面重點介紹基于非同軸雙芯光纖的耦合型濾波器和Mach-Zehnder 干涉儀的原理及其應用設計,同時介紹雙芯光纖在光連接器、光纖放大器、光分插復用器、光開關、光學鑷子、光纖傳感方面的應用。

基于軸對稱雙芯光纖的耦合型濾波器

研究者們提出基于軸對稱雙芯光纖的耦合型濾波器,該濾波器將兩根普通單模光纖的芯子分別和一段長度為L 的兩個纖芯相同的軸對稱的非同軸雙芯光纖的中心熔接在一起,再將兩根單模光纖分別與寬帶光源和光譜分析儀相接,通過光譜分析儀則可觀察濾波器的梳狀譜�；�于雙芯光纖耦合型的濾波器結構簡單,制作容易,但是由于軸對稱雙芯光纖與單模光纖的模場不匹配,會影響濾波器的耦合效率以及插入損耗。

改進的基于軸對稱雙芯光纖的耦合型濾波器

為減小插入損耗,研究者們提出了一種改進的基于軸對稱雙芯光纖的耦合型濾波器。該濾波器通過在線監(jiān)測濾波器輸出功率的方法,將兩根普通單模光纖的芯子通過錯位方式分別和一段長度為L 的兩個纖芯相同的軸對稱的非同軸雙芯光纖的其中一個纖芯熔接在一起。這種濾波器插入損耗較小,但是需要分別精密對準單模光纖與雙芯光纖的其中一個芯子,花費較長時間,仍然存在一定的難度。

基于軸偏移雙芯光纖的耦合型濾波器

為解決以上問題,這里提出基于軸偏移雙芯光纖的耦合型濾波器。該濾波器將兩根單模光纖的芯子分別和一段長度為L 的兩個纖芯相同的軸偏移雙芯光纖的中心纖芯熔接在一起。由于單模光纖和軸偏移雙芯光纖的中心纖芯的波導對稱性,這種濾波器有利于雙芯光纖與單模光纖纖芯接續(xù)點的對準進行模場匹配,制作時間較短,能夠減小單模光纖和雙芯光纖之間的插入損耗,從而提高整個濾波器的性能。

基于軸對稱雙芯光纖的Mach-Zehnder 干涉儀

該干涉儀將兩根普通單模光纖的芯子分別和一段長度為L 的兩個纖芯折射率不相同( 即失配雙芯光纖) 的軸對稱的非同軸雙芯光纖的中心熔接在一起。雙芯光纖的兩個纖芯因存在差異而產生有效折射率差使光信號在兩個纖芯傳輸時產生相位差,在兩路光信號耦合到單模光纖時發(fā)生干涉。這種干涉儀結構簡單,制作容易,但是單模光纖與雙芯光纖熔接處由于模場不匹配而插入損耗較大。

為了解決上述干涉儀中插入損耗的問題,研究者們提出了一種改進的基于軸對稱雙芯光纖Mach-Zehnder 干涉儀。該干涉儀在兩處單模光纖與雙芯光纖熔接的位置分別進行熔融拉錐使單模光纖和雙芯光纖的模場實現較好的匹配,但是利用這種方法進行熔融拉錐的精確位置不容易確定。

改進的基于軸偏移雙芯光纖的Mach-Zehnder干涉儀

由于實際操作中不能確保拉制雙錐區(qū)域光纖具有良好的形狀對稱性的問題,在此提出一種改進的基于軸偏移雙芯光纖的Mach-Zehnder 干涉儀。該干涉儀將兩根普通單模光纖的芯子分別和軸偏移的非同軸雙芯光纖的中心纖芯熔接在一起,并在雙芯光纖上選擇兩處合適的位置進行熔融拉錐。這種濾波器有利于雙芯光纖與單模光纖纖芯接續(xù)點的對準,制作時間較短,能夠減小單模光纖和雙芯光纖之間的插入損耗; 同時能夠很好地控制兩個芯子間的能量耦合,從而提高整個濾波器的性能。

光連接器

光連接器的主要用途是用以實現光纖的接續(xù)。研究者們提出一種新型的基于雙芯光纖的連接器。將軸對稱的非同軸雙芯光纖( TCF) 連接到兩對芯子的相速度不一致的非對稱的雙對芯光纖( DPCF) ,經過遠端的DPCF 和雙子芯光纖最終分別與兩個單模光纖連接。此光連接器因低損耗和低信號串擾的特征,有良好的應用前景。

光纖放大器

基于雙芯光纖制作的摻鉺光纖放大器,可自動提供信道功率均衡,忽略放大器之間的損耗變化和信號的瞬態(tài)交叉飽和。該器件主要利用了信道的空間分離作用和鉺離子與功率相關的飽和特性。在雙芯摻鉺光纖均衡放大器中,兩纖芯均為Er3 + 摻雜。研究者們提出一種增益平坦的雙芯摻鉺光纖放大器。此放大器能在一定程度實現輸出功率均衡,適合未來通信發(fā)展中多信道多級放大波分復用光纖系統(tǒng)和網絡的要求。

光分插復用器

光分插復用器的作用是上傳和下載信號的節(jié)點,是長途干線網和城域網的重要組成部分。研究者們提出一種基于雙芯光纖的分插復用器。在兩根纖芯中寫入等長的光纖光柵后,從A1端輸入不同波長的信號光,光在非光柵區(qū)域相互耦合后進入光柵段,利用布拉格光柵將特定波長的光信號反射從B1端輸出,而其余信號則繼續(xù)向前傳輸,從而達到下載信號的作用。同理反方向輸入可實現了信號的上傳功能。

全光開關

光開關是對集成光路或者傳輸線路中的光信號進行相互邏輯操作或轉換的光學器件。研究者們提出了基于雙芯光纖的全光開關,其原理是利用雙芯光纖的耦合特性。