（机械设计及理论专业论文）波导型微结构光纤与标准光纤的耦合机理研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： l i i il i ii il l l llli ii i l y 18 0 9 3 5 4 ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo fd e n g c o u p l i n gm e c h a n i s m o fw a v e g u i d e m l c r o s t r u c t u r e dt i h e ra n ds t a n c i a r dt i d e r lm l。 11 “1 c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l i t y ： d a t eo fs u b m i s s i o n ： d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： u n i v e r s i t y ： z h ux i a o l i a n g p r o f y u a nl i b o d o c t o ro fe n g i n e e r i n g m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y a p r i l ，2 0 1 0 j u n e ，2 0 1 0 h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：乐妮绝 日期：矽勿年月7 弓日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈 尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关 数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位 为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 圈往授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：农娩壳导师( 签字) ：叼巧j 矽# 二一 日期：矽局年石月仍日加矽年多月弓日 一 i 波导型微结构光纤与标准光纤的耦合机理研究 摘要 本课题对波导型微结构光纤与标准光纤的耦合机理进行了研究，提出了 一种有效的波导耦合技术，该技术通过对波导型微结构光纤与单芯单模光纤 的焊点进行熔融拉锥，使光纤加热区在温度场的作用下逐渐形成双锥结构， 单芯单模光纤输出的光通过光纤双锥区逐渐会聚到波导型微结构光纤高介电 常数的纤芯中，随着拉锥长度的增加，耦合光功率先增加后减小，当达到某 一拉锥长度时，耦合光功率最大。该耦合技术简单，能够实现波导型微结构 光纤与单芯单模光纤的高效耦合，可实现在线监测，利于波导型微结构光纤 元器件嵌入传统单芯单模光纤光路中，对波导型微结构光纤的应用具有重要 意义。 本文围绕波导型微结构光纤与单芯单模光纤的耦合问题，建立了相应的 耦合理论模型，设计了相应的实验系统，对多芯光纤，平行阵列芯光纤，毛 细管光纤进行了实验研究，实验结果与理论预测相符，验证了理论模型的有 效性。本课题的主要工作概括如下： ( 1 ) 基于几种典型的光波导结构及其导波模式，深入研究了波导之间耦 合的物理机理。不同结构光波导之间耦合时一般应考虑其数值孔径、模场匹 配面积及传播相位匹配程度等因素。 ( 2 ) 介绍了单芯单模光纤与波导型微结构光纤的耦合原理，基于直接激 发耦合模型与平行光波导耦合理论，建立了单芯单模光纤与多芯单模光纤的 耦合模型，并就熔融拉锥过程中多芯光纤各纤芯耦合光功率的动态变化进行 了详细分析，计算了双芯单模光纤、三芯单模光纤以及四芯单模光纤与单芯 单模光纤的耦合光功率特性曲线。 ( 3 ) 考虑到平行阵列芯光纤在激光器领域的应用，以5 芯平行阵列光纤 为例，对单芯单模光纤与平行阵列芯光纤的超模耦合特性进行研究，并就两 种不同激励情况( 熔接激励与熔融拉锥激励) 对5 芯平行阵列光纤的超模输 惦k ， 哈尔滨丁程大学博十学位论文 出进行了理论及实验研究。 ( 4 ) 利用柯林斯( c o l l i n s ) 公式对5 芯平行阵列光纤远场超模强度分布 进行了计算，分析了两种不同激励情况下各超模的光束质量，通过对比得出 平行阵列芯光纤用于光纤激光器时，可极大地提高输出光束质量，获得高功 率的激光输出的耦合激励方法。 ( 5 ) 基于两种耦合方法( 熔接法与熔融拉锥法) ，分别研究了单芯单模 光纤与内壁波导型毛细管光纤以及壁中波导型毛细管光纤的耦合特性，通过 模场叠加原理，建立了拉锥长度与耦合光功率之间的对应关系，给出了熔拉 过程中毛细管光纤的耦合光功率的动态变化，并通过所能获得的最大耦合光 功率，将两种耦合方法进行了对比。 关键词：波导型微结构光纤；多芯光纤；平行阵列芯光纤；毛细管光纤；耦 合理论 _ l 波导型微结构光纤与标准光纤的耦合机理研究 a bs t r a c t an o v e lc o u p l i n gt e c h n i q u eb a s e do nw a v e g u i d em i c r o s t r u c t u r e df i b e ra n d s t a n d a r ds i n g l em o d ef i b e rw a sp r o p o s e db ys p l i c i n ga n dt a p e r i n gt h ef u s i o np o i n t b e t w e e nt h et w of i b e r s t h e r ei sad o u b l et a p e rs t r u c t u r ei nt h eh e a t i n gz o n e a s s t r e t c h i n g ，l i g h tp o w e rc o m e si n t ot h e c o r eo fm i c r o s t r u c t u r e df i b e rg r a d u a l l y w h e nt h et a p e r e dz o n er e a c h e st oac e r t a i nl e n g t h ，t h ec o u p l i n gp o w e rr e a c h e st o t h eb i g g e s tv a l u e t h ec o u p l i n gt e c h n i q u ei ss i m p l ea n de f f e c t i v e i ti sh e l p f u lt o m i c r o s t r u c t u r e df i b e rb a s e da p p a r a t u si n s e r ti n t ot r a d i t i o n a ls i n g l ec o r es i n g l e m o d ef i b e rn e ta n di sh e l p f u lt oh a s t e nt h eu t i l i z a t i o no fm i c r o s t r u c t u r e df i b e r t h ec o u p l i n gm o d e lo fm i c r o s t u r c t u r e df i b e ra n ds i n g l ec o r es i n g l em o d e f i b e rw a se s t a b l i s h e da n d e x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e d o nm u l t i c o r ef i b e r , l i n e a r - c o r e a r r a yf i b e ra n dc a p i l l a r yo p t i c a lf i b e r t h ee x p e r i m e n t a ls e t u pw a s e s t a b l i s h e da n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r ei na g r e ew i t ht h et h e o r yp r e d i c t s t h ed e t a i l sa r ep r e s e n t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) i n v e s t i g a t e dc o u p l i n gm e c h a n i s mb e t w e e nd i f f e r e n to p t i c a lw a v e g u i d e s b a s e do nt h es t r u c t u r ea n dm o d e so fs e v e r a lw a v e g u i d e s w eo f t e nc o n s i d e ra b o u t m a t c hd e g r e eo fn u m e r i c a la p e r t u r e ，m o d ef i e l d sa n dp r o p a g a t i o np h a s ew h e n c o u p l i n go c c u r s ( 2 ) i n t r o d u c e dt h ec o u p l i n gt h e o r yo fs i n g l ec o r es i n g l em o d ef i b e ra n d m i c r o s t r u c t u r e df i b e r i nd e t a i l e d b a s e do nd i r e c tc o u p l i n gm o d e la n dp a r a l l e l c o l u m nc o u p l i n gm o d e l ，t h ec o u p l i n gm o d e lo fs i n g l ec o r es i n g l em o d ef i b e ra n d m u l t i c o r es i n g l em o d ef i b e rw a se s t a b l i s h e d ，a n dt h ec o u p l i n gp o w e rw a s a n a l y z e dd u r i n gt h es p l i c i n ga n dt a p e r i n gp r o c e s s t h et h e o r e t i c a lm o d e lw a s b u i l t u pa n dt h ec h a r a c t e r i s t i cc u r v e so fc o u p l i n gp o w e rw e r es i m u l a t e df o rt w i nc o r e ， t h r e ec o r ea n df o u rc o r es i n g l em o d ef i b e r s ( 3 ) c o n s i d e r i n gt h ep r o m i s i n ga p p l i c a t i o ni nt h ef i e l do fh i g h - q u a l i t yf i b e r l a s e r t h es u p e r - m o d e sa n a l y s i sf o r5 - c o r e a r r a yf i b e rw a sp r e s e n t e d t h eo u t p u t ” 哈尔滨丁程大学博十学位论文 f i e l d so fs u p e r m o d e sw e r ea n a l y z e da n de x p e r i m e n t a lt e s t sw e r ed o n ea c c o r d i n g t ot w oe x c i t a t i o ns i t u a t i o n s ( 4 ) a c c o r d i n gt oc o l l i n se q u a t i o n ，t h ef a r f i e l ds u p e r m o d ed i s t r i b u t i o n so f 5 - l i n e a r - c o r e a r r a yf i b e rw e r ec a l c u l a t e d t h eq u a l i t yo fe a c hs u p e r m o d ew a s a n a l y z e di nd e t a i l i nc o n t r a s t ，t h et e c h n i q u ew ep r o p o s e dc a ni m p r o v et h eb e a m q u a l i t ya n do u t p u tp o w e re f f i c i e n t l yw h e nl i n e a rc o r ea r r a yf i b e ru s e di nf i b e r l a s e r ( 5 ) b a s e do nt h et w oc o u p l i n gm e t h o d s ，t h ec o u p l i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft w o k i n do fc a p i l l a r yf i b e r , w i t ha n n u l a rc o r ei nt h es u r f a c eo re m b e d d e di nt h ef i b e r w e l l ，w e r ei n v e s t i g a t e dr e s p e c t i v e l y b a s e do nt h et h e o r yo fm o d es u p e r p o s i t i o n ， t h er e l a t i o n s h i po ft a p e r e dl e n g t ha n dc o u p l i n ge f f i c i e n c yw a se s t a b l i s h e d t h e c o u p l i n gp o w e rw a sa n a l y z e dd u r i n gt h es p l i c i n ga n dt a p e r i n gp r o c e s s a n d c o n t r a s ta n a l y s i sw a sg i v e na c c o r d i n gt ot h et w oc o u p l i n gm e t h o d s k e yw o r d s ：w a v e g u i d em i c r o s t r u c t u r e df i b e r ；m u l t i c o r ef i b e r ；l i n e a r - c o r e - a r r a y f i b e r ；c a p i l l a r yo p t i c a lf i b e r ；c o u p l i n gt h e o r y 波导型微结构光纤与标准光纤的耦合机理研究 目录 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 波导型微结构光纤国内外研究状况及应用前景1 1 3 本文的选题意义和研究内容1 0 第2 章光波导的耦合理论1 3 2 1 波导结构及其导波场分布1 3 2 1 1 平板形光波导1 3 2 1 2 条形光波导1 6 2 1 3 带状光波导1 8 2 1 4 圆形均匀光波导2 0 2 2 波导耦合的物理机理2 6 2 3 波导耦合的数值分析方法3 2 2 4 本章小结3 7 第3 章单芯单模光纤与多芯单模光纤的耦合3 8 3 1 实验系统设计3 8 3 2 单芯单模光纤与双芯光纤耦合特性4 1 3 2 1 实验研究4 1 3 2 2 理论研究4 3 3 3 单芯单模光纤与三芯光纤耦合特性5 1 3 3 1 实验研究51 3 3 2 理论研究5 3 3 4 单芯单模光纤与四芯光纤耦合特性5 7 3 4 1 实验研究5 7 3 4 2 理论研究6 0 3 5 本章小结6 3 哈尔滨- t 程大学博十学位论文 第4 章单芯单模光纤与平行阵列芯光纤的耦合“ 4 1 平行阵列芯微结构光纤“ 4 2 平行阵列芯光纤的超模耦合特性6 5 4 2 1 熔接激励6 6 4 2 2 熔融拉锥激励7 2 4 - 3 超模质量对比7 7 4 4 本章小结8 2 第5 章单芯单模光纤与毛细管光纤的耦合8 4 5 1 毛细管光纤波导结构8 4 5 2 毛细管光纤制作8 5 5 3 毛细管光纤的模式8 8 5 4 单芯单模光纤与毛细管光纤的耦合研究9 4 5 4 1 单芯单模光纤与内壁型毛细管光纤的连接耦合9 4 5 4 2 单芯单模光纤与壁中波导型毛细管光纤的连接耦合9 8 5 5 本章小结10 3 结论10 5 参考文献10 7 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果1 1 7 致访 118 个人简历1 1 9 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 1 8 8 0 年，契卡洛夫在俄国电杂志上发表了世界上第一个用管道输送 光的光导管照明系统的论文【1 】，为光导纤维拉开了帷幕。1 9 6 6 年，华裔科学 家高锟发表了一篇题为光频率介质纤维表面波导的论文，描述了长程及 高信息量光通信所需绝缘性纤维的结构及材料特性，提出只要解决好玻璃纯 度和成分问题就可利用玻璃制作光学纤维，从而高效传输信息的开创性预见。 1 9 7 0 年美国康宁公司使用石英玻璃拉制成世界上第一根光导纤维。1 9 7 6 年， 世界上第一条光纤通信系统成功问世。1 9 世纪8 0 年代光纤通信技术得到了 发达国家的高度重视并进行广泛推广，我国也在8 0 年代初开始了光纤通信的 实用化进程。 一百年来，光纤由最初的雏形得到了蓬勃发展，各种各样的新型光纤层 出不穷，例如近年来按照光纤波导的结构不同出现的包括双芯光纤，三芯光 纤，四芯光纤在内的多芯光纤，纤芯呈线性阵列分布的线性阵列芯光纤以及 内部为中空结构，纤芯呈环形波导分布的毛细管光纤等波导型微结构光纤。 这些波导型微结构光纤不仅增加了光纤的种类，而且在光纤传感领域也彰显 出其独特的优越性。其中的毛细管光纤更是由于所特有的中空结构在生物， 医学，原子导引，智能修复等领域显现出了标准光纤所无法替代的优越性。 本章我们将首先介绍这几种波导型微结构光纤的发展历程，性能特点及 应用领域，最后介绍本课题的选题意义及研究内容。 1 2 波导型微结构光纤国内外研究状况及应用前景 典型的光纤是由外包层内包层环绕着一个纤芯所构成的一条光波导纤 维，而多芯光纤则是在同一包层中包含多个平行纤芯的一种新型光纤。上世 哈尔溟工程大学博十学位论文 i i_ 纪7 0 年代术国外首次提出了多芯光纤的设想口 ，当时的主要目的是希望通过 将这种具有集成特性的新型光纤用于光纤光缆，可以降低光纤光缆的制造成 本并增加光纤光缆的密集度。然而由于当时光纤制造技术还不完善，该设想 并未实现。进入9 0 年代后，由于对光纤光缆大传输容量，。高密集度，低成本 的要求日益迫切，1 9 9 4 年法国电信公司提出了多芯单模光纤的概念【3 】，设计 制作了四芯单模光纤，如图1 1 所示。并于同年7 月制造了1 0 0 多公里，利 用这些光纤进行了各种结构不同芯数的成缆实验。实验结果表明使用四芯单 模光纤构造的光缆比普通单芯光纤光缆密集度提高了许多倍，极大地降低了 光纤光缆的制造成本【4 】。 图1 1 法国电信公司设计制作的第一根四芯单模光纤 f i g 1 1f i r s tf o u r - c o r es i n g l em o d ef i b e rm a n u f a c t u r e db yf r a n c et e l e c o m 此后，法国电信公司和阿尔卡特公司都进行了四芯单模光纤的研究开发， 在预制棒的制作方面采用了不同的制造工艺。法国电信公司制造各个芯棒采 用的是9 0 年代初与阿尔卡特公司联合开发的f c v d 新工艺，即利用石墨高 频感应炉加热、以精密研磨的大直径厚壁合成石英管为衬底的m c v d 工艺【5 】。 然后把各芯棒侧面磨成两个相互垂直的平面，按照图1 2 所示进行组合，最 后用石墨高频炉加热制成四芯光纤预制棒，将预制棒的两端分别焊上尾棒， 即可进行拉丝【o j 。 2 、 l j 第1 章绪论 i i i m n l f 1 i i i i i i i i i i i i i i i 置 芯间隔 图1 2 法国电信公司四芯光纤预制棒组合原理 f i g 1 2p r e p a r a t i o no ff o u r - c o r ep e r f o r mb yf r a n c et e l e c o m 阿尔卡特公司制造芯棒最初采用的是标准的m c v d 工艺r 刁，为了保证芯 棒具有合格的几何形状及尺寸，采用这种工艺在熔缩成棒时须格夕l - d , 心。随 后该公司开发了a p v d 工艺来制造芯棒，a p v d 工艺是在m c v d p l u s 工艺【8 】 基础上改进的混合工艺，利用薄壁合成石英管为衬底，以m c v d 法制作原始 预制棒，然后以原始预制棒为靶棒，通过高频等离子炬将高纯石英粉熔制到 原始预制棒上形成外包层，构成光纤芯棒。用套管法将做好的光纤芯棒制造 成四芯光纤预制棒。 套管 由 图1 3 阿尔卡特公司4 芯光纤预制棒的组合结构 f i g 1 3s n l l c t u r eo ff o u r - c o r ep e r f o r m 如图1 3 所示，四芯光纤预制棒是使用4 根芯棒和一根起填隙作用的石 英玻璃棒( 作为中心棒) 固定好之后插入石英玻璃套管。为避免在预制棒中 产生气泡，套管及各芯棒和中心棒需进行清洗，套管需进行热抛光。最后用 3 哈尔滨丁程大学博十学位论文 套管玻璃车床将该种管一棒组合体熔缩成四芯光纤预制棒，并在熔缩过程中 对套管内部抽真空，以保证不遗留任何间隙及气泡，使各玻璃原件良好熔合。 熔缩后的预制棒即可进行拉丝。 得益于上世纪9 0 年代光纤制造技术的不断发展和完善，多芯光纤在制造 过程中，内部残余应力不断降低，机械强度和可靠性不断提高，逐渐发展到 实用化，商品化的阶段。目前每米每芯的成本约为o 0 3 美元，普通单模光纤 每米成本约为0 0 5 5 美元，多芯单模光纤光缆的安装费用与铜对绞线情况相 刚9 1 。可以说，多芯单模光纤的成功制作证实了当初的设想，这种光纤光缆 能够同时解决降低光纤光缆的制造成本以及开发高密集度大芯数光缆这两大 难题。 多芯光纤除用作光传输介质外，在光纤通信领域及光纤传感领域还有其 它多种用途。根据纤芯的相互接近程度，多芯光纤的应用可分为两种：一种 是是纤芯间隔大，各纤芯间不发生光耦合的结构。这种光纤能够提高传输线 路单位面积的集成密度，因此除了在光通信领域做成具有多个纤芯的带状光 缆之外【2 】，在非通信领域还可做成光纤传像束。 1 9 9 5 年，o l i v i e rc o q u o z 等人使用多芯光纤进行了内窥镜的全息成像技 术研究【1 0 1 。实验中使用多芯光纤作为媒介将采集到的全息图像传送至c c d 进行图像采集，最后进行数值重建。实验结果表明利用多芯光纤制作的内窥 镜可以观察4 m m 距离内5 朋大小的物体，且这种内窥镜较典型的单模光纤 内窥镜体积小，直径细【l l 】，极大地减小了介入空间。该项研究为数字微型全 息成像技术开拓了先河，为小器官，小腔室甚至细胞级组织结构的观察研究 带来了全新的前景。 另一种多芯光纤纤芯间距离充分靠近，光的倏逝场在各纤芯之间产生耦 合从而可实现对光功率、波长或极化态等多种选择功能，可制成如耦合器， 滤波器，光纤开关与逻辑门，锁模孤子激光器，均衡放大器等功能型元器件。 1 9 8 0 年，gs c h i f f i a e r 等人对双芯单模光纤用作定向耦合器进行了理论及 4 一， i 锚 第1 章绪论 实验研究【】2 1 。该小组制作了双芯单模光纤预制棒，拉制出的双芯光纤纤芯直 径为5 o n ，芯间距为1 3 a n 。通过对这种双芯光纤耦合性能进行测试发现在 8 7 6 n m 的工作波长下，纤芯间最大耦合效率为1 3 。与其它类型的定向耦合 器相比【l3 。1 5 】，这种双芯单模光纤定向耦合器的尺寸可精确控制，不需要外界 的机械压力或应变将光波导结合在一起，避免了双折射的产生。 1 9 8 1 年，ym u r a k a m i 等人研究了双芯光纤纤芯间耦合特性与光纤弯曲 曲率半径之间的关系【16 1 ，使得多芯光纤有望用作弯曲光纤传感器。 1 9 9 3 年，d d r o l e t 等人证明了通过将双芯光纤绕环的方式可以控制双芯 光纤纤芯间的耦合效率【m 。一年之后，该研究小组在前期工作的基础上，对 这种控制耦合效率方法及原理进行了详细分析，并给出了可调谐双芯光纤定 向耦合器的实用装置【1 8 】。 随着时间的推移，双芯光纤的耦合理论日益完善，各种实用型的多芯光 纤耦合装置也不断被报道出来【1 9 。2 。多芯光纤除用作功能型光纤元器件外， 还可构成多芯光纤传感器，用于弯曲、应变、温度等物理量的测量。 由于单芯光纤具有尺寸小，造价低，可多路复用，不受电磁场干扰，易 于埋入复合结构等优点，因此在上世纪九十年代，广泛应用于智能结构及健 康检n t 2 2 之6 】，然而在进行监测时需要在监测材料中埋入或粘附大量的单芯光 纤传感器，这无论是对使用成本还是后期的信号处理都带来了困难。在多芯 光纤制造技术日益成熟之后，人们开始关注于多芯光纤在实际工程中的应用。 1 9 8 7 年，j r d u n p h y 等人使用宽带光源对双芯光纤输出信号进行 f o u r i e r 变换，得到了加载于悬臂梁上的分布式应变【2 7 】。 1 9 9 7 年，m j g a n d e r 等人对四芯光纤用于弯曲传感进行了理论及实验研 究，他们通过对四芯光纤二维远场干涉图进行f o u r i e r 分析之后，得到不同纤 芯内模式传输相位差，建立了相位差与光纤弯曲角度的线性关系，并通过实 验对理论预测进行了验证【2 8 1 。2 0 0 0 年，该小组在之前工作的基础上首次使用 一根四芯光纤同时对两个正交轴弯曲度进行测量，测量精度大于 s ， 一 r l 协 哈尔滨t 程大学博十学何论文 1 2 0 f l r a d 。 2 0 0 0 年，英国h e r i o t w a t t 大学的研究小组为了发展一种在工程结构中使 用的准分布式光纤弯曲传感器，首次实现在四芯光纤的两个分立芯中写入光 纤光栅【3 0 1 ，所获得的弯曲灵敏度为4 8 9p m m ，为多芯光纤光栅的制作与研 究奠定了基础。 将多芯光纤弯曲应变传感器应用于建筑工程，不但降低了制造及施工成 本而且增加了光纤传感器的实用性，此外由于多芯光纤各纤芯间距固定不变， 因此测量精度比分离式单芯光纤传感器更大。同时，人们进行了大量关于多 芯光纤传感性能的研究。 1 9 8 3 年，m m i y a m o t o 等人观察到双芯光纤两纤芯间相位差随外界温度 变化而变化，从而引起双芯光纤远场干涉条纹发生移动，提出利用双芯光纤 可以进行温度传感【3 l 】。同年，gm e l t z 等人系统深入地研究了双芯光纤芯间 耦合与温度的关系，结果表明，双芯光纤各纤芯输出光功率会随着外界温度 变化发生周期性变化，证实了通过恰当选择光纤材料，设计双芯光纤几何尺 寸，选择适当的工作波长可将双芯光纤用于温度传尉3 2 1 。 1 9 8 4 年j r d u n p h y 等人使用双芯光纤在两个工作波长下同时实现了温 度和应变的测量【3 3 1 。此外还可利用多芯光纤进行能量泵浦以制作更大功率的 光纤激光裂3 4 。6 】，利用含稀土元素的多芯光纤改善光纤放大器增益均衡特性 【3 8 】，利用双光束干涉效应构成光纤滤波器a 3 8 , 3 9 】，光开关【4 0 4 2 】等等。目前，以 多芯光纤为基础的光学装置的潜力已经得到了人们的广泛认同，多芯光纤正 以各种各样的方式应用于各个领域中。 近来有新的技术要求需要开发具有空气孔的特种光纤，以提供传统实心 光纤不具备的性能，因此提出了多孔光纤( h o l eo p t i c a lf i b e r ，包括光子晶体 光纤) 【4 3 删，全波导光纤( o m n i g u i d ef i b e r s ) 4 5 , 4 6 】，空心红外传能光纤( h o l l o w i rt r a n s m i t t i n gf i b e r s ) 【4 7 5 0 1 ，以及毛细管光纤( c a p i l l a r yo p t i c a lf i b e r ，简称 c o f ) 等非寻常导引结构。本文主要关注其中的c o f ，为便于区分，图1 4 6 - 么 第1 章绪论 给出了c o f 以及部分光子晶体光纤的照片。 ( c ) 图1 4 含孔光纤( a ) 空气孔径为3 0 0 微米的大孔径c o f ： ( b ) 空气孔为5l a n 的单模c o f ；( c ) 光子晶体光纤 f i g 1 4h o l eo p t i c a lf i b e r ( a ) c o fw i t h3 0 0 a nh o l e ；c o ) s i n g l em o d ec o f w i t h5 l a nh o l e ； ( c ) d i a g r a m so fp h o t o n i cc r y s t a lf i b e r s ( p c f ) 在多芯光纤设想提出之前即上世纪七十年代光纤发展的早期阶段，就出 现了类似于c o f 的结构，如液芯毛细管光纤【5 l 】或染料填充毛细管光纤【5 2 5 3 1 。 然而，这些早期使用高折射率材料填充中央空气孔的毛细管光学导引结构在 本质上与传统实心光纤非常相似，且由于早期的毛细管结构没有实现绝热模 式转换，因此使得无论是熔接还是连接都会有严重的损耗。且这种毛细管直 径至少数百微米，难于弯曲，传感器长度只能做到厘米量级，因此其倏逝场 面积有限，而用于气象色谱或电泳分离的带聚合物包层的毛细管，由于其包 层对光波强烈吸收，也很难用于传感研究。以上原因尽管限制了石英毛细管 作为光学导引结构的进一步发展，却推动了c o f 的研发。 由中央空气孔，o e 0 2 s i 0 2 环形芯以及s i 0 2 包层构成的c o f ，由于绝热模 哈尔滨t 程大学博十学位论文 式能沿着s i 0 2 环形纤芯实现光传导，因而这些环形模能有效地绝热转换为传 统线性偏振模，损耗很小。毛细管波导损耗的理论是由e a j m a r c a t i l i 和r a s c h m e l t z e r 在1 9 6 4 年首次提出的酬，在m i y a g i 和k a r a s a w a 提出的计算弯曲损耗 理论【5 5 】的基础上发展而来。 由文献 5 4 】 5 5 】提出的有关毛细管波导损耗口的两个重要关系式： 伽牙a 3( 1 1 ) 伽1 尺3( 1 - 2 ) 式中，口为c o f 空气孔孔径，尺为c o f 弯曲半径。 公式( 1 1 ) ( 1 - 2 ) 表明损耗与c o f 空气孔孔径以及弯曲半径的三次方 成反比。此外，毛细管介质模波导的散射损耗与c o f 内表面的粗糙程度成正 i ：i - 1 5 6 1 。 = u u u 3 图1 5 ( a ) 多模c o f ( b ) 单模c o f 折射率分布截面图 f i g 1 5c r o s ss e c t i o na n dr e f r a c t i v ei n d e xp r o f i l eo fo p t i c a lf i b e rc a p i l l a r y ( a ) m u l t i m o d ea n d ( b ) s i n g l em o d e c o f 与普通毛细管相比，具有更小的直径，柔韧度显著增强等特点。与 传统光纤相比，c o f 无论是在结构上还是在光传输机理上都有很大不同，它 具有特殊的色散和非线性效应，可实现大模场传输、空心导光、空心传能和 超低损耗、长距离传输等特性。c o f 的传输模式，包括单模或多模，导引或 弱辐射模式，这取决于c o f f l , 勺结构，空气孔的尺寸，相对折射率分布等参数 的设计。最常见f l 勺c o f 标准尺寸为1 2 5 a n 和1 5 0 a n ，这是由标准尺寸通讯光 r - _ 第1 章绪论 纤测量系统所决定的。最常用的单模c o f 空气孔内径为几微米，多模c o f 空 气孔内径为几十微米。典型的单模c o f 与多模c o f 结构示意图如图1 5 所示。 目前对c o f 的研究主要集中于： 原子光学 上世纪末，日本、美国、南韩等国家的研究小组相继做出了使用c o f 实 现原子导引的报道【5 7 西1 1 。自此，c o f 作为原子导引在原子物理学方面引起了 国内外学者的广泛关注【6 2 击5 1 。其导引原理是：当光在光纤环形芯中传输时， 会有一部分光进入光纤内部的空心区域，这种光是一种迅衰场，运动原子在 迅衰场中主要受偶极力的作用使其运动状态发生变化，从而对原子产生较强 的控制作用。c o f 用作原子导引时，最大的优点是其空气孔为封闭环境，外 界的空气流或小区域扰动对内部原子运动没有任何影响。另一个优点是使用 c o f 可将探测器与原子源相分离嘲。 c o f 可实现微流装置的结构设计，有利于进行原位在线自动化检测。由 于c o f 空气孔的内径为微米量级，可以最大限度地减小样品采集量，因此可 用于微型化学毛细管技术，包括混合化学反应物，衍生和标记，微升容量和 纳升容量化学反应、微流体技术、超小容量气泡序列流动图案的确定，毛细 管在线实验系统等等【6 7 , 6 8 】，测定气体或液体折射率【6 9 , 7 0 】。 高精度传感器【7 1 - 7 5 】 c o f 内含微孔道结构，对气体、固体物质具有空间约束性，具有高比表 面积，这些特性可用于气体传感，生物传感，医药、化学传感等【7 6 3 7 】。以气 体传感器为例，c o f 气体探测的原理是使探测气体溶解于贴附在c o f 内壁 的传感层中，传感层中掺杂有指示剂，所掺杂的指示剂取决于要探测的气体， 对于c 0 2 指示剂可为h p t s 、p t s 、t o a 或t o a o h 。当c o f 通入气体后， 指示剂的p h 值或荧光强度发生相应改变。c o f 气体传感器传感腔容量小， 反应时间短，一般为数十秒。c o f 气体传感器的测量范围由探测的具体气体 所确定。对于甲烷或二氧化碳为1 2 0h p a ，后者的测量精度要高于1h p a 。 9 哈尔滨一r = 程大学博士学位论文 基于c o f 的多种新型器件可用做模式转换器。 2 0 0 2 年，s c h o i 研究小组提出了在高速多模光纤局域网中使用单模光纤 毛细管光纤多模光纤构成的模式转换器【7 8 】。使用空气孔直径为7 8 p m ，光纤 外径为1 2 5 b u n ，长度为1 0 0 1 5 0 m m 的c o f n 作该种模式转换器，在1 3 1l o n 工 作波长下，插入损耗少于0 6d b 。该种方法可以减少多模光纤中不同模式的 延迟，与原来的激励方法f 7 9 - 8 1 】相比，这种模式转换技术具有结构坚固，转换 器可与光纤系统直接熔接等特点。 用于智能结构自诊断，自修复； c o f 作为传感元件埋入复合材料中可根据受载时输出光强变化及断裂时 反射光强变化测出复合材料结构所受载荷大小及损伤程度，从而对结构的完 整性以及材料内部力学性能进行监测，c o f 还同时充当结构损坏时的修复元 件，通过输送修复胶液实现对结构断裂损伤的自修复【8 2 】。我国的南京航空航 天大学在该方面取得了一定得研究成果，2 0 0 0 年以来，梁大开及其所在的课 题组对该方向进行了一系列的研究【8 3 培6 1 ，研究表n f l j c o f 埋入复合材料中产生 的影响与普通光纤基本一致，且c o f 对材料的机械性能具有良好的感知能力。 实验所用试件按照国家标准g b l 4 4 6 8 3 带1 j 作，将美国乐泰公司生产的瞬干胶 4 0 6 ( 改进的氰基丙烯酸乙酯胶粘剂) 与复合材料修复常用胶液e 4 4 双组份环 氧树脂胶进行比对发现：4 0 6 胶对拉伸和压缩试件的修复性能明显优于e 4 4 胶。将4 0 6 胶应用于工程常用的复合材料一玻璃钢与纸蜂窝，进行修复性能测 试时发现，纸蜂窝复合材料修复后的力学性能达到或超过原来的指标，玻璃 刚复合材料修复后拉伸试件达到原来的1 3 ，压缩试件达到原来的2 3 。 此外，c o f 可还用于集成c o f 微元件，可调波长选择裂8 7 1 ，空心光纤激 光器【8 8 等多种功能型元器件器件，可见c o f 应用广泛，发展前景广阔。 1 3 本文的选题意义和研究内容 近年来，波导型微结构光纤受到了各国科研工作者的关注，在各个研究 1 0 第l 章绪论 领域掀起了热潮。然而，目d 玎大多数的研究仍处于试验阶段，主要集中在科 研所或大学实验室内，关于波导型微结构光纤的许多问题还有待解决，离实 用化、商业化还有很长的距离。 波导型微结构光纤的出现为光纤家族注入了新的血液，带来了更为广阔 的应用空间，然而其特殊的波导结构使其不利于嵌入单模单芯光纤系统，实 现高效率的耦合连接，也不利于光信号的激励与光探测，能否将波导型微结 构光纤元器件直接高效嵌入单芯单模光纤光路中，是利用波导型微结构光纤 构造各种光学装置，制作各种传感元件并广泛应用的关键所在。 本课题以多芯光纤、线性阵列芯光纤、毛细管光纤为例，对波导型微结 构光纤与单模单芯光纤的连接耦合方法及耦合原理进行了系统的研究。提出 了将单芯单模光纤与波导型微结构光纤直接熔接后，通过对两光纤熔接点熔 融拉锥可实现将不同光纤高效率连接耦合的方法，论文针对这几种不同结构 的波导型微结构光纤耦合方法、耦合原理、耦合光功率进行了分析讨论，并 通过实验进行了可行性验证。该研究对其他新型光纤如何高效嵌入单芯单模 光纤系统中具有借鉴作用。本论文研究工作可概括如下： 1 基于几种典型光波导的结构及其导波模式，深入研究了波导之间耦合的物 理机理，以及波导耦合的数值分析方法，为后面章节理论模型的建立及数值