（电磁场与微波技术专业论文）熔锥型全光纤声光器件的研究.pdf

电子科技大学博士论文 摘要 ( 熔锥型全光纤声光器件是声光学领域中近期发展起来的一个具有探索意义 的研究方向，本文就全光纤声光器件的理论、工艺和实验进行了研究。、l 论文从理论上阐述了构成全光纤声光器件的基本物理要素，包括：光纤中声 波的激励与传播、能够支持光能量相互转换的光纤熔锥及熔锥耦合器、声波与光 波的相互作用机理，并探讨了设计声光频移器、开关、可变分束器、可调滤波器 等器件所遵循的基本原则。 对熔锥型全光纤声光器件所需的加工工艺进行了研究，并建立了实验系统， 主要工作有：( 1 ) 对用来激励光纤中声波的换能器进行了合理的结构设计，分 析了构成换能器的各种成分的特性，制作出既有较高的发射效率又具有较宽带宽 的超声换能器。( 2 ) 针对所研究光纤熔锥和零耦合器的制作工艺要求远远高于 一般耦合器的制作特点，对原有的熔融拉锥工艺进行了重新设计，包括火焰的火 头的大小、扫描宽度、温度的控制和平移器的速度控制等，结合实验室现有的条 件设计出适合于多种光纤熔锥器件的拉锥工艺系统，阐述了单根光纤熔锥、超长 型对称耦合器和零耦合器的制作全过程。( 3 ) 建立了实验和测试系统。 - 实验工作主要有包括两个方面：( 一) 是单根光纤熔锥、超长型对称耦合器 和零耦合器的制作实验，获得的单根光纤熔锥的插入损耗可小于0 1 d b ，耦合腰 直径可达到6 t a n ；超长型对称耦合器和零耦合器的插入损耗均能做到0 2 d b ，耦 合腰的直径可达到6 a n ，甚至更细；零耦合器的最大耦合比可达1 ：1 0 0 0 0 ，无源 串话4 0 d b 。( 二) 是上述器件中的声光效应实验，包括：( 1 ) 对单根光纤熔锥 中的声光效应进行了实验研究，获得了可变衰减器、光开关和可调滤波的功能， 并对结果进行了详细的分析和讨论。器件的插入损耗为o 2 d b ，当工作波长为 1 3 5 0 n m ，声波频率为1 3 6 1 8 3 m h z 时，耦合效率达到了9 7 7 ；作为光开关，消 光比可达1 6 4 d b ；f w h m 带宽近似为2 0 0 r i m ，中心波长可调范围为5 0 0 n m ，所 需的电驱动功率为1 3 m w ，实验过程中还发现，当声波频率为0 5 0 0 2 8 m h z 时， 在1 l1 0 1 5 5 0 r i m 波长范围内所对应光的基模均能完全耦合到次阶模，此时的消 光比均大于4 0 d b 。( 2 ) 对一般光纤熔锥耦合器进行了声光调制实验，并对经声 摘要 悲谲截螽黪波现务耱现象遴牙了分糖讨论。辍会嚣携捶入援耗巍1 5 d b ，警工 作波长为1 3 1 0 n m ，声波驱动频率为1 6 9 k h z 时，获得了7 3 的强度调制现象， 示波器上竣邀鲍售肇是嚣镄夔声波频率( 3 3 8 k h z ) ，电驱凌功率炎1 0 m w ；冠 一实验中还发现，在频率产3 6 7 k h z 和产5 2 1 k h z 在这两个频率处分别获得6 4 和 6 1 。款干涉强度调棠，但它们的频率等于声波鲍频搴。( 3 ) 在零藕合器上送行 了声光效应实验，器件的插入损耗为0 2 d b ，最大耦合比为1 ：1 0 0 0 0 ，实现了可 调分柬、开哭、频移和可调滤波鲍功能，并照对实验结果进行了详缎戆讨谂。姿 工作波长为1 5 5 0 r i m ，声波频率为0 9 6 m h z 时，耦含效率可达到9 8 ，所需电驱 动功率为1 3 8 m w ； 乍为光掰关融，瀵光比为1 7 d b ；滤波波谱的f w h m 带宽鲍 1 0 0 n m ，且有较高的旁瓣和明显的不对称性，中心波长可调范围达到了4 0 0 r i m 。 涂文黠熔锥受全建绎声必器嵇遴行了工笼帮实验疆究，著获褥了较为理想静 实验结果，并详细地分析和讨论了理论和实验中存在的问题，尤其怒实验中的滤 波穗犍不理想的燕麟，蒡提港了挺窝爨咎毪l 搀标熬改进接施，为逡一步懿硪究 工作奠定了正艺和实验基础4 、 ， 关键谲：声巍效瘦i 巍纤藕合嚣；滤波器j 拜多鲥调铡器 珏 电子科接大学博士论文 a b s t r a c t t h es t u d yo na l l - o p t i c a lf i b e ra e o u s t o o p t i c ( a 0 ) d e v i c e sb a s e do no p t i c a lf i b e r t a p e ra n dc o u p l e ri so n e o fa of i e l dw i t h e x p l o r a t o r ys i g n i f i c a n c e h at h i sd i s s e r t a t i o n ， w e i n v e s t i g a t et h i st y p e o f a l l f i b e r a od e v i c e s t e c h n o l o g i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y t h ep h y s i c a le l e m e n t so ft h ea l l f i b e ra od e v i c e sa r ef o m a u l a t e di nt h e o r y , i n c l u d i n gt h ee x c i t a t i o na n dp r o p a g a t i o no fa na c o u s t i cw a v ei no p t i c a l 蛀b e r t h e o p t i c a lf i b e rt a p e r so rc o u p l e r st h a tc a ns u p p o r tt w o o re v e nm o r eo p t i c a lm o d e s ，t h e m e c h a n i s mo fi n t e r a c t i o na m o n gt h eo p t i c a lm o d e sa n da na c o u s t i cw a v ei no p t i c a l f i b e r t a p - e r o rn u l l c o u p l e r s t h i sn e wc l a s s o fa 1 1 - f i b e rd e v i c e sc a nf u n c t i o na s m o d u l a t o r , f e q u e n c ys h i f t e r , t u n a b l es p l i t t e r , t u n a b l ea t t e n u a t o r , s w i t c h ，a n dt u n a b l e f i l t e r , a n dt h ed e s i g n r u l e so f t h e s ed e v i c e sa r ed e p i c t e d e m p h a s i si sp u to nt h ek e yt e c h n i q u e so ff a b r i c a t i o n o ft h eo p t i c a lf i b e rt a p e r , c o u p l e r s 。e s p e c i a l l yo nt h en u l lc o u p l e r a n da c o u s t i ct r a n s d u c e r s ，w h i c hd e t e r m i n et h e f i n a lp e r f o r m a n c eo f 盎ed e v i c e s 。f i r s t l y , t h ep r o p e rd e s i g no f u l t r a s o n i ct r a n s d u c e f si s d e m o n s t r a t e d ，t h ec o n s t i t u e n t so ft h e ma r ea n a l y z e di nd e t a i l ，a n dl o w - l o s s ，h i g h e f f i c l e a ta n dw i d e b a n dt r a n s d u c e r sa r ef a b r i c a t e df o rt h ee x p e r i m e n t s 。s e c o n d l y , t 鞋e e q u i p m e n t f o ro p t i c a lf i b e rt a p e ra n dc o u p l e ri si m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y , i n c l u d i n gt h e s i z eo f b r u s hf l a m e ，t h ec o n t r o lo f t h et r a v e l i n ga n dt e m p e r a t u r e ，a n dt h ec o n t r o lo f t h e v e l o c i t yo f t h e t r a n s l a t o r t h i sy i e l d sag e n e r a lr e c i p ef o rt h ef a b r i c a t i o no f a n y s h a p e d t a p e ro rc o u p l e r , a n dt h ec o n d i t i o n sr e q u i r e df o r t h ef a b r i c a t i o no fa no p t i m a la d i a b a t i c c o u p l e r ( i n c l u d i n g n u l lc o u p l e r ) i nas t a n d a r ds i n g l e - m o d eo p t i c a lf i b e ra r ed e s c r i b e d i ad e t a i l t h ea p p l i c a b i l i t yo ft h e s et e c h n i q u e sf o rt h es h a p eo fc o u p l e r sm a d ei nr e a l f a b r i c a t i o n s y s t e m s i sc o n s i d e r e d a n da p r a c t i c a l f a b r i c a t i o n p r o c e d u r e i 8a l s o c o n s i d e r e d f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m sa r e b u i l tf o rt h es t u d yo f a od e v i c e s 。 as e to ft a p e r s ，c o m m o nc o u p l e r sa n dn u l lc o u p l e r sa r ef a b r i c a t e d ，a n da o e x p e r i m e n t so nt h e ma r ec o n d u c t e d f i r s t l y , as i n g l e - m o d ef i b e r w a s , h e a t e da n d s t r e t c h e dt of o r i t lat a p l e rw i t hau n i f o r l nw a i s to f1 6 i n l e t l e n g t h , a n d1 4 a n i n d i a m e t e r , w i t hs h o r tt a p e rt r a n s i t i o no f1 0i r d l ll o n g t h ei r i s e r t i o nl o s si s0 2d b t h e a oe x p e r i m e n to nt h et a p e ri sp e r f o r m e dw i t ha l la c o u s t i ct r a n s d u c e r f o ro p e r a t i o n w a v e l e n g t ho f1 3 1 0n m a or e s o n a n c ei s c e n t e r e da t1 3 3 2 4 2m h zw i t hc o u p l e d e f f i c i e n c yo f 9 5 6 。a n df o rw a v e l e n g t ho f1 3 5 0n n l ，a c o u s t i cf r e q u e n c yo fl ；3 6 1 8 3 m l z ，c o u p l e de f f i c i e n c yi s9 7 7 ，a n dt h e e x t i n c t i o nr a t i oi s1 6 4d bw h e ni ta c t sa s s w i t c ha n dt h ee l e c t r i c a ld r i v ep o w e r i sa b o u t13m w f w h mb a n d w i d t hi sa b o u t2 0 0 腻a n dt h ec e n t e rw a v e l e n g t hc a l lb et u n e da tt h er a n g eo f5 0 0n m a l s o ，a tt h e a c o u s t i cf r e q u e n c yo f0 5 0 0 2 8m h z t h et h r o u g h p u t1 i g h to fa n yw a v e l e n g t h i sn e a r l y i i i a b s t r a c t z e r o 。a n dt h ee x t i n c t i o nr a t i oc a l lb em o r e 也a l l4 0 d b 。w h i c hd o e sn o ta g r e e sw i t ht h e t h e o r yo fa o i nc o n t e x t a n dt h ep o s s i b l er e a s o nh a sb e e ng i v e n t h ee x p e r i m e n t s s h o wt h a tt h ed e v i c ec a l lf u n c t i o na st u n a b l ea t t e n u a t o r , s w i t c ha n dt u n a b l ef i l t e r , a n d t h ed e v i c ei sp o l a r i z a t i o nd e p e n d e n t ，s e c o n d i y , a c o u p l e r i sm a d ew i t hal o n gw a i 瓣o f 2 0m m ，1 6 胛i nd i a m e t e r , t w ot r a n s a c t i o n so f1 8m m l e n g t h ，a n di n s e r t i o n1 0 s si s a b o u t0 15d b m o d u l a t i o ne x p e r i m e n to ni ts h o w nt h a tf o ro p t i c a lw a v e l e n g t ho f 1 3 1 0n m ，a n da c o u s t i cf r e q u e n c yo f1 6 9 k h z ，n e a r l y7 3 i n t e n s i t ym o d u l a t i o n c a nb e o b t a i n e d ，t h eo u t p u ts i g n a l s 、v i t hd o u b l ea c o u s t i c 能q u e n c y ( 3 3 8k h z ) ，a n dt h er f d r i v ep o w e ri sa b o u t1 0m w ：越s oi nt h es a n l ee x p e r i m e n t , 6 4 a n d6 1 o f m o d u l a t i o n sa r ea c h i e v e da tt h ef r e q u e n c yo f3 6 7k h za n d5 2l k h z r e s p e c t i v e l y ，b u t t h eo u t p u ts i g n a lf r e q u e n c yi se q u a lt ot h ea c o u s t i cf r e q u e n c yd u et op a r t i a lr e s o n a n c e a n d p o l a r i z a t i o nd e p e n d e n c e 镌ea n a l y s i sa b o u t t h ea 0m o d u l a t i o nr e s u i t si s 区y e n f i n a l l y , t h et e c h n i q u eo f f a b r i c a t i o no f n u l lc o u p l e ri sd e m o n s t r a t e di nd e t a i l a n dn u l l c o u p l e rc a nb ef o r m e ds u c c e s s f u l l ya 拽e rl o t so fe x p e r i m e n t s ，t h em a x i m u mc o u p l i n g r a t i o sa ss m a l la s1 ：i 0 0 0 0a n dt h ei n s c r t i o ni o s sl e s st h a n0 2d bc a nb eo b t a i n e d o n e w i t hw a i s to f1 1m m ，d i a m e t e ro f13 加n ，t w ot r a n s a c t i o n so f2 0m i l l ，m a x i m u n a c o u p l i n gr a t i oo fl ：1 0 0 0 0 a n di n s e r t i o nl o s so f 0 。2d bi su s e df o ra o e x p e r i m e n t s f o ro p e r a t i o no p t i c a lw a v e l e n g t ho f1 5 5 0n n la n da c o u s t i cf r e q u e n c yo f0 9 6m h z t h ec o u p l e de 檬c i e n c yr e a c h e s9 8 a n dr fd r i v ep o w e rr e q u i r e di s1 3 8 m w ：t h e e x t i n c t i o nr a t i oi s1 7d bw h e ni ta c t sa sas w i t c h ，a n dt h es p e c t r as h o w sf w 鼢 b a n d w i d t hi sa b o u t1 0 01 1 1 1 1w i t hh i 烈ls i d e l o b el e v e la n da s y m m e t r y 1 1 1 ec e n t e r w a v e l e n g t ho f t h er e s o n a n c ec o u l db et u n e dt h o u g har a n g eo f4 0 0n n lb yc h a n g i n g t h ef r e q u e n c yo f 艇s i g n a l 确ed e v i c ea tp r e s e n td o e sn o tf u n c t i o na sa ni d e a lt u n a b l e f i l t e r , b u ti t sp e r f o r m a n c ei sd e g r a d e db yi t sb r o a do p t i c a lb a n d w i d t h t h i si sd u et o t h es m a l ln o n u n i f o r m i t yi nt h et a p e rw a i s td i a m e t e r , t h ee l i m i n a t i o no fw h i c hi sa d r o b l e mi nt h ed e s i g no f t h e t a p e rf a b r i c a t i o nr i g h o w e v e r , t h eb r o a db a n d w i d t h i sa n a d v a n t a g ei ft h ed e v i c ef u n c t i o n sa saf r e q u e n c ys h i r e r ，s w i t c ho rm o d u l a t o r , a n di t c a l lb eb r o a d e n e db yd e l i b e r a t e l ym a k i n gat a p e rw i t han o n - u n i f o r ms h a p e 。a n dt h e p o l a r i z a t i o nd e p e n d e n c eo fa o i n t e r a c t i o ni sa n a l y z e di nd e t a i l t h ea or e s u l t sa r e d i s c u s s e di nd e t a i l t h ei n v e s t i g a t i o no nt h ea oi n o p t i c a lf i b e rc o u p l e ra n dt a p e ri si m p l e m e n t e d t h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y , a n ds o m e i d e a lr e s u l t sa r eo b t a i n e d 弧et h e o r e t i c a l l i m i t sa n dt h ed i f f i c u l t i e si ne x p e r i m e n t sa r ed i s c u s s e d ，a n dt h em e a s u r e st oi m p r o v e t h ed e v i c e sh a v eb e e na d v i s e d t h ew o r k sh e r ea r ee s s e n t i a lf o rf i 1 r t h e rr e s e a r c ho nt h e 越l f i b e ra 0d e v i c e s k e y w o r d s ：a e o u s t o o p t i ce f f e c t , o p t i c a lf i b e re o u p l e lf i l t e r s w i t c h ，m o d u l a t o r i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得 电子科技大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明 并表示谢意。 签名 日期：孙湃l o 月矿日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采取影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：圭1 虹导师签名必 e l 期。觑年o 月广e l 窀子科技大学博士论文 a o a o n 篙臻字表 a c o u s t o o p t i ce f f e c t a l lo p t i c a ln e t w o r k 声光效应 全光网络 a o t f a c o u s t o - 0 两e t u n a b l ef i l t e r声先可调滤波器 a w g a r r a yw a v e g u i d eg r a t i n g 箨列波警壤 d w d md e n s e w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 穰集波分复耀 e d f ae r b i u m d o p e df i b e r a m p l i f i e r 掺铒光纤放大器 f b g f p f i b e rb r a g g g r a t i n g f a b r y - p e r o t 光纤布拉格栅 法布理一泊罗 f w h mf u uw i d t hh a l f m a x i m u m 半高全宽带宽 l p o l l p h l i n e a rp o l a r i z a t i o nf u n d a m e n t a lm o d e 线性镶掇基模 l i n e a rp o l a r i z a t i o ns e c o n dm o d e线性偏振次阶模 m e m sm i c r o - e l e c t r o m e c h a n i c a l s y s t e m微电子机械系统 m z n f c o a m a c h z e h n d e r n u l lf i b e r c o u p l e r o p t i c a la m p l i f i e r 岛赫一曾德尔 零藕合器 必放丈器 o a d m o p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x i n g 光分播笈用 v 滴略字袭 o x c o p t i c a lc r o s sc o n n e c t竞交叉连接器 p m dp o l a r i z a t i o nm o d e d i s p e r s i o n馕捉摸色教 p z t p b ( z r ，t i l 0 0 3 锆钛酸铅 r a w r o u t i n ga n d a s s i g n m e n to f w a v e l e n g t h波长路由与分配 r f s a 翠铲 w f e r a d i o f r e q u e n c y 射频 s u r f a c ea c o u s t i cw a v e声表面波 w i d e b a n df i b e r c o u p l e r 宽赘光终藕合器 v i 电子科技大学博士论文 第一章绪论 1 1 光纤通信的发展与光器件 光纤通信正朝着密集波分复用d w d m ( d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 结合光放大器o a ( o p t i c a l a m p l i f i e r ) 的高性能、大容量、灵活的 全光网络a o n ( a l lo p t i c a ln e t w o r k ) 方向发展【l 2 】。a o n 是以光纤为基本传播 媒质，采用w d m 技术提高网络的传输容量，在光节点采用光分插复用( o a d m ， o p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x i n g ) 和光交叉连接( o x c ，o p t i c a lc r o s s c o n n e c t ) 技 术，依靠光层面上的波长连接来提高吞吐量。在点对点d w d m 的基础上，以波 长路由分配( r a w ，r o u t i n ga n da s s i g n m e n to fw a v e l e n g t h ) 为基础，引入光交 叉连接和分插复用节点，建立具有高度灵活性和生存性的全光网络【2 ，3 1 。未来的 太比特率通信网只有使用光子交换技术才能满足网络容量的要求1 4 ，光互联网技 术具有满足不断增长的带宽需求的能力，它归于w d m 的技术的发展，尤其是合 理成本下的可重构联网技术以及结构简单可用于复用和交换的光器件不断走向 实用m 】。 a o n 的实现有赖于光器件和系统的发展，尤其是以d w d m 为基础的全光 网络引入交叉连接和分插复用等一些全新的技术，这些功能的实现很大程度上 取决于新型关键器件的开发和研制【5 ，9 j 。因此许多公司或科研单位都投入较大的 力量开发a o n 和w d m 中的新技术和新型的光器件，如微机电光( m e m s ， m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a l s y s t e m ) 开关、阵列波导栅( a w g ，a r r a yw a v e g u i d e g r a t i n g ) 复用器及布拉格光纤光栅( f b g ，f i b e rb r a g gg r a t i n g ) 等器件。以光网 络构建未来高速、大容量的信息网络系统需要集成开关矩阵、滤波器、波长变换 器、新型光纤、o a d m 和o x c 等关键器件【5 4 1 ，还要重点解决高速光传输、 复用器、高性能的探测器和可调激光器阵列以及集成阵列波导器件等关键器件， 这些光器件与光纤一起构成了光网络的物质基础。 另外，光纤传感技术 1 5 , t 6 】的进一步发展也与光器件的发展密不可分的。光纤 传感和信号处理的基础就是光纤本身及由光纤制作而成的各种全光纤器件 1 7 , 1 8 1 。 如光纤熔锥耦合器、光线延迟线、光纤马赫一曾德尔( m z ， m a c h - z e h n d e r ) 第章绪论 光纤干涉仪、迈克尔逊( m i c h l s o n ) 干涉仪、光纤法布里一珀罗( f p ，f a b r y p e r o t ) 干涉腔、萨格奈克干涉仪和光纤陀螺仪等。光纤传感也正在向时分复用、波分复 用网络化方向发展。 光器件的制作工艺复杂，涉及许多不同的工艺技术。每一种光器件的制作工 艺又各不相同，自成体系。这些工艺技术涉及到机械加工、成型工艺、精密光学 加工、激光加工、以及材料加工和半导体工艺等高、精、尖工艺技术。器件的优 劣，性能指标的好坏都与工艺技术密切相关【13 1 。寻求更新更先进的工艺技术是发 展光器件的重要课题，也是推动光纤通信事业向前发展的关键之一。光器件的发 展过程表明其始终贯穿的是以下几条主线：( 1 ) 纤维光学和集成光学共同发展， 互为补充；( 2 ) 分离元件和集成化器件将长期共存，但发展趋势是集成化；( 3 ) 光波导理论和电磁波理论是构成光无源器件的理论基础；( 4 ) 高、精、尖的加工 技术是光器件的基本保证；要发展光器件，必须加强工艺技术的提高( 5 ) 寻找 新的光器件所需的新型光学材料。 在各种光器件中，全光纤器件已经取得了长足的进步，并形成了规模产业。 人们对相当多的功能全光纤器件进行了深入的研究，其中包括定向耦合器、偏振 器、调制器、光纤抽头、星型耦合器、波长滤波器、频移器、开关、波分复用器、 激光器、放大器和干涉仪等重要通信和传感用器件 5 , 1 2 , 1 6 , 2 0 】。在开发光纤器件的 过程中，有许多考虑是基于想用全光纾器件来取代块料光学组合器件的需要。其 主要原因就在于对机械稳定性和热稳定性要求的不断提高，所以人们希望利用全 光纤器件来组成光路。因为这时信号被限制在纤芯范围内传输，从而提高了稳定 性。另一个原因则是单模光纤具有非常低的散射和本征损耗。上述因素在全光纤 器件的设计和开发过程中扮演了决定性的角色。正因为这些因素，目前几种主要 的全光纤器件的性能已远远超过了块料光学组件和集成光学器件。 1 2 全光纤器件与光纤熔锥器件 熔锥型光纤器件是光纤器件最具代表性的也是构成其它器件的一种基础器 件。自1 9 8 5 年起，许多专家利用熔锥拉锥法对两根单模光纤进行处理，使一根 光纤内的一部分光耦合到另一根光纤中来实现特定分光比，成为光纤烙锥耦合器 1 9 , 2 1 。熔锥型耦合器是先将两根光纤稍微扭绞，然后加热，最后拉细成型【2 2 2 4 】。 2 电子科技大学博士论文 在实际的操作过程中，要对耦合比进行监控，并通过控制拉锥过程来进行调节。 由于熔融区的纤芯的面积已经小到了无法维持各自导模的程度，因而熔融区( 耦 合腰) 就成为一个新的复合波导，其中的模式就会发生功率耦合【2 s , 2 6 3 。耦合腰周 围外部介质的折射率会影响相互作用模的相对相速度，因而也就影响耦合比 2 6 , 2 7 。此外，熔锥型耦合器的光学特性对耦合腰的横截面的形状是高度敏感的 2 7 , 2 9 。大量的实验证明，当采用哑铃形的熔合区的横截面时，就可以显著减小对 折射率的依赖，而对于相同面积的矩形或椭圆截面则正好相反【2 6 , 2 7 。在加工过程 中，通过调整光纤的熔合程度就可以控制截面的形状，从而也就控制了器件的偏 振和温度灵敏度。 熔融型光纤器件也不断地向前发展，主要集中在，( 1 ) 在器件的插入损耗平 坦方面，目前对器件的插入损耗的平坦度的要求越来越高，最终希望具有波长无 关的光混合器分路器，这对设计一般的光模块和掺铒光纤放大器具有重要意义， 同时可以在波长极度平坦( 零耦合器上) 做更进一步的工作开发新的器件；( 2 ) 在器件的偏振灵敏度方面，目前对器件的偏振灵敏度的要求也越来越高。尽管目 前的标准产品的偏振灵敏度在0 1d b 左右，但很多用户需要小于0 0 5d b 或0 0 3 d b 甚至更低的偏振灵敏度的器件。( 3 ) 在工作带宽方面，目前对工作带宽要求 越来越宽，从最初的窄带工作，到单窗口宽带，再到双窗口宽带工作。随着光城 域网，局域网，无源光网的不断发展，需要全波段工作的器件是必然趋势，也就 是说对合路器分路器而言，工作波长从1 2 6 0n m 到1 6 5 0i l i 1 1 ，这就是所谓的全 波混合器分路器( a l lw a v em i x t u r e s p l i t t e r ) 。特别是在1 9 9 8 年，朗讯技术m i k e p e a r s a l l 等四位专家成功地开发出全波光纤( a l lw a v ef i b e r ) 以来【2 9 】，研发全波混 合器分路器也已成为当务之急。因为有全波光纤，没有全波器件，还是不可能 最终实现全波系统。( 4 ) 在工作功率方面，从最初地3 0 0m w 已经过渡到5 0 0m w ， 目前在一些特殊的应用场合需要1 0 0 0m w ，甚至更高。相信这种器件在拉曼光 放大系统和超高可靠性的掺铒光纤放大器模块中具有重要的应用价值。为实现高 功率工作要求，首先要进一步降低器件的附加损耗，其次必须提高光纤的横向熔 融程度。( 5 ) 在器件的可靠性方面，目前的要求也是越来越高。 熔锥型混合光纤器件是指由两种或两种以上不同的光纤熔融而成的器件， 它们具有鲜明的特点，能满足一些特殊的要求。譬如，用两种不同的光纤开发新 第一章绪论 型的9 8 0 1 5 5 0n n 波分复用器【，可以降低s m f 2 8 和p u r e m o d ch 1 9 8 0 光纤间的 熔接损耗，从而降低e d f a 的信噪比。这种器件的生产工艺有待于进一步的研究。 另外，利用保偏光纤和常规单模光纤的熔融拉锥，可以避免利用两根保偏光纤所 需的严格角向定位所带来的工艺上的复杂性，可研制成用于监视偏振光光功率的 抽头( t a p ) 器件。利用无芯光纤和各种常规光纤熔融技术，也是个很好的研 究方向，它可以改变原常规光纤的导波特性，开发新型的宽带混合器分路器， 新型长周期光纤光栅，衰减器等。 熔融拉锥工艺经过了二十多年的不断提高和发展，已经成为- - f 对光器件 的开发具有举足轻重的技术熔融型全光纤器件技术。到目前为止，它可以生 产各类混合器分路器，衰减器，宽带窄带甚至密集波分复用器，全光纤 i n t e r l e a v e r ，另外还有基于熔融光纤技术的光调衰减器，光开关，光纤光栅， o a d m ，全光纤滤波器和频移器等。今后发展趋势主要是需要提高器件的集成度， 器件可靠性，抗高功率能力，减小器件体积以及工艺稳定性等方面做进一步的深 入研究。 1 3 全光纤声光器件的研究历程与最新动态 1 3 1 声光效应与声光器件 声光效应( a o ) 是弹性声波与光波的相互作用所表现出来的一种物理效应。 基于这种效应的声光器件在光纤通信和光信号处理中有着重要的应用，如在陀螺 仪、激光调q ，声光信号处理等 3 l ，。尤其是声光可调滤波器、声光开关在w d m 光网中的o x c 【3 3 】和o a d m 设备 3 4 , 3 s 中的应用更加令人瞩目。有关声光效应、声 光材料及其相应的声光器件的研究已经有很长历史，并已经在近代激光技术、光 纤通信和光纤传感技术中得到了广泛的应用。按媒质的结构形式来说，声光器件 可大致分为块状体声波效应器件p “、集成光波导声表面波器件【9 】、和最近发展起 来的全光纤声光器件 36 1 。它们可以实现调制、开关、频移和可调滤波等功能。 块状体声波器件使用空间光束通过块状晶体弹性媒质，可以获得几十m h z 甚至几百m h z 的频率响应。但块状晶体本身体积较大，晶体前后还需设置棱镜透 镜系统以对空间光集柬、准直或起偏，因此体积大( 数十c m 3 ) 、插入损耗大( 5 4 电子科技大学博士论文 1 0 d b ) 、声波驱动功率高( 数w 砒) 、结构松散，难于与光纤组成的通信和传感系 统兼容。集成光波导声光器件是利用导播光与声表面波( s a w ) 的相互作用制 作各种器件，集成工艺极大地提高了声光作用效率，可获得低功率( 数m w ) 、 高频响( 上百m h z ) ，器件性能可调且易于与其它的光器件集成等优点，是近来 声光器件的研究热点之一【9 1 。但用于光纤系统时，由于材料的吸收和光波导模场 与光纤模场的不匹配，仍存在较大的插入损耗( 5 1 0 d b ) 和结构不紧凑等问题。 无论是声光体器件还是平面波导器件，存在的主要问题是光的插入损耗很 大( 几个d b ) ，同时这些器件的设计需要相对较高的驱动功率( 几个瓦特) 、复杂 的结构、并需要特种光纤、模式滤波器或模式转换器 5 , 9 , 1 0 】。基于对以上所提到的 类型的器件的优点和不足，减小由于波导与光纤间的插入损耗，随着单模光纤 w d m 系统的发展，如何制造价格低、经久耐用、便于波长选择和转换、高操作 性的声光器件显得尤为重要。许多学者考虑能否研制一种全光纤的声光器件，事 实上证明无论从理论上还是从实践上都有可行的，国外已经报道了这方面的研 究。 132 全光纤声光器件 全光纤声光效应一开始起源于光纤声学传感和光纤周期性形变的研究。 b u c a r i o 和c o l e 等人首次于1 9 7 7 年制作了这种新型的光纤传感器【3 7 】。从此人们 对光纤中的声光作用理论和实验进行了大量的研究，并制作出适合实际应用的传 感器。尽管形成了各种形式的光纤声光器件，但总的来说，它们不外乎声波( 场) 对光学的三个基本参数，即相位、强度和偏振进行调制【3 8 删。对全光纤声光效 应的持续研究的最具代表性的有美国的斯坦福大学、英国的南安普敦大学、韩 国现代科学技术研究院、挪威技术研究院等，这几所大学在这方面的研究已经取 得了令人瞩目的成果。 构成全光纤声光器件的基本物理要素有两个，一是需要激励起沿光纤传播 的弹性波，二是光纤波导应能够支持光能量相互转换的两个导波模式。如果两个 导模之间的拍长与声波波长满足谐振条件( 布拉格条件) ，则有可能利用光纤波 导中的声光效应实现两导模之间的功率耦合，构成所需的声光器件。在迄今为止 的研究中，光纤中激励弹性波的主要方式是以射频( r f ) 电压驱动压电换能器 5 第一章绪论 ( p z t ) ，再通过轻质的锥形喇叭将弹性波耦合到光纤中去 4 1 , 4 2 ，具体的结构是 “t ”型连结 4 1 , 4 2 。 美国的斯坦福大学最早于1 9 8