（材料学专业论文）光纤熔锥耦合系统理论新方法及其在光纤器件和传感中的应用.pdf

上海大学工学博士学位论文 摘要 锥形光纤是光波导理论和技术领域的一个很重要的研究课题，由锥形光纤构成的单 模光纤器件包括有光纤耦合器光纤波分复用器光纤准直器，光纤扩束器、光纤滤波 器和由锥形光纤构成的光纤传感器件包括有耦合式传感器，双锥形弯曲传感器和渐逝波 传感器及其它熔锥型光纤器件已广泛应用于光纤通信和光纤传感等领域 根据国内外有关熔融拉锥耦合理论的研究概况和现状，本论文首先从熔锥形光纤的 动态形状曲线空气层对熔锥形光纤传输特性的影响和熔锥形光纤波导耦合三个方面入 手，以解决目前不能严格而完整地表示熔锥形光纤的形状曲线函数和熔锥形光纤耦合的 分段处理等问题然后，将所获得的结果具体应用于三种光纤无源器件的研制开发上 最后，对熔锥耦合式光纤渐逝波传感器进行了理论和实验研究 本论文共分十章第一章概述了光纤熔锥型耦合理论的发展状况第二章根据熔锥 型光纤的形成机理，导出了数理微分方程，利用动态熔融区长度的概念，结合初始边 界和锥区体积守恒条件，由行波法首次获得完整而精确地描述光纤熔融拉锥动态形状曲 线解析函数，这种解析解对于任意参数的灯头，能方便，精确和完整地描述熔融光纤在 不同拉锥过程中锥体动态形状的变化，并以大量光纤熔融拉锥实验进行了验证应该指 出：只要已知初始熔融区长度，获得的解能预知任意拉伸长度下的拉锥锥形曲线从而， 完整地解决了以往在光纤熔锥耦合的理论分析计算上难以严格导出拉锥动态形状曲线函 数的困难第三章将等效阶跃光纤方法推广到任意折射率分布的多包层结构光纤多包 层结构光纤的折射率分布一旦确定，利用这一方法能精确地计算得到其等效阶跃光纤的 归一化折射率差，从而可方便地预知该多包层光纤的各传输特性参数同时，将该方法 应用于锥形光纤，以考虑空气层对锥形光纤波导光传输特性及其耦合效应的影响第四 章首先建立任意横截面介质光波导问的模耦合方程及其耦合系数的计算公式，并就相同 单模光纤的情况，与r v a n c l o o s t c r 等人的经典理论计算结果进行比较，验证了本论文的 耦合理论同时，结合第二，三章的理论结果，通过对光纤熔融拉锥时祸合输出功率随 拉伸长度变化的动态耦合过程的精确描述及其与实验结果的比对，验证本论文的系列理 论第五章至第八章分别分析研究四种光纤无源器件，也印三纤双环熔锥互耦全光纤滤 波器、单模光纤超平坦宽带熔锥型祸合器开环三纤耦合光纤光开关以及基于2 x 2 熔锥 型单模光纤耦合器和磁流体薄膜的光纤光开关第九章在分析研究光纤渐逝波及其耦合 上海犬学工学博士学位论文 传感原理的基础上，对熔锥耦合战高灵敏度光纤渐逝波漾度传感器系统进行较深入的理 论和实验研究袋后，第十章对整蔫论文避行了总结 关键词：光终器馋；光藕合；熔镶形光终；等效黔跃折射事；光纾传感器 a b s t r a c t t h e 觚e dt a p e r i n go p t i c a lf i b e r sa r et h es i g n i f i c a n tr e s e a r c hp r o j e c tb o t hi nt h et h e o r ya n d i nt h et e c h n o l o g yo f t h eo p t i c a lw a v e g u i d e m a n yo p t i c a lf i b e rd e v i c e sc a nb ed e v e l o p e df r o m t l l e 觚e dt a p e r i n go p t i c a lf i b e r ss u c h 雒c o u p l e r s ，w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x e r s ( w d m s ) ， c o a x i a lc o u p l e r s ，b e a me x p a n d e r s ，w a v e l e n g t hf i l t e r sa n ds oo n i na d d i t i o n , m a n yt y p e so f o p t i c a l f i b e rs e n s o r ss u c h a s c o u p l e rs c l l s o r s , b i c o n i e a l l y t a p e r e d b e n d s e n s o r s e v a n e s c e n t w a v es e n s o r sc a na l s ob em a d ef r o mt h ef u s e dt a p e r i n go p t i c a lf i b e r sd e v i c e s a n d i ns u c hs e n s o r st h et r a n s m i s s i o nt h r o u g ht h et a p e r e dc o u p l i n gz o n ed e p e n d so nt h ei n d e x r e f r a c t i o no ft h ee x t e r n a lm e d i u m i na l l ，t h ef u s e dt a p e r i n go p t i c a lf i b e rd e v i c e sh a v eb e e n e x t e n s i v e l yu s e di no p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o i l sa n do p t i c a l f i b e rs e n s o r s b a s e do nt h ec u r r e n ts t a t u so ft h ec o u p l i n gt h e o r yo ft h ef u s e dt a p e r i n go p t i c a lf i b e r s a t f i r s t , t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yd e a l sw i t ht h r e ea s p e c t si n c l u d i n g ：( 1 ) t h ed y n a m i c - s h a p e - c u r v e f u n c t i o nf o rt h ef u s e dt a p e r i n go p t i c a lf i b e r s ；( 2 ) t h ea i r - l a y e ri n f l u e n c ef o rt h et r a n s m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i c so ft h ef u s e dt a p e r i n go p t i m a lf i b e r s ；( 3 ) t h ew a v e g u i d e - c o u p l i n go ft h ef u s e d t a p e r i n go p t i c a lf i b e r s , i no r d e rt oo b t a i nt h ea c c u r a t e a n di n t e g r a t i v ee x p r e s s i o no ft h e s h a p e - c u r v ea n dt os o l v et h ep r o b l e mo ft h es e c t i o n a lt r e a t m e n to f t h ec o u p l i n gf o rt h ef u s e d t a p e r i n go p t i c a lf i b e r s 。t h e ni tm a k e si n t r o d u c t i o no ft h r e en o v e lo p t i c a ld e v i c e sw h i c hh a v e b e e nd e v e l o p e dw i t ht h eo b t a i n e dt h e o r e t i c a lr e s u l t s a tl a s t ，i nt h i sd i s s e r t a t i o nf u s e dt a p e r i n g f i b e rc o u p l e re v a n e s c e n t - w a v es e n s o r sa l ei n v e s t i g a t e db o t hi nt h e o r ya n di ne x p e r i m e n t t h ed i s s e r t a t i o ni sa r r a n g e di nt e nc h a p t e r s i nc h a p t e r1 ，t h e r ea l eb r i e fi n t r o d u c t i o n so f b a s i cc o n f i g u r a t i o n sa n dc h a r a c t e r i s t i c s ，d e v e l o p m e n tt r e n d s ，a n da p p l i c a t i o nf i e l d so ft h e t a p e r e df i b e r s i nc h a p t e r2 ，ap h y s i c s - m a t h e m a t i c se q u a t i o no fd y n a m i c - s h a p ec u r v e sj u s tf o r t h ef u s e dt a p e r i n go p t i c a lf i b e r si sd e d u c e & t h ec l o s e d - f o r ms o l u t i o no ft h ee q u a t i o nc a r lb e a c q u i r e db yu s eo fi t si n i t i a l ，b o u n d a r y , v o l u m e c o n s e r v e dc o n d i t i o n sa n dt h et r a v e l i n g - w a v e m e t h o d 。t h es h a p ec u r v e si nd i f f e r e n tt a p e r i n gp r o c e s s e sc a nb ed e s c r i b e db yt h es o l u t i o n c o n v e n i e n t l y , a c c u r a t e l ya n di n t e g r a t i v e l y al a r g eq u a n t i t yo fe x p e r i m e n t a ld a t ah a sb e e n p r o v i d e da n ds h o w nl oh a v eac o i n c i d e n c ew i t ht h et h e o r e t i c a lr e s u l t sp r o p e r l y e s p e c i a l l y , w h e nt h ei n i t i a ll e n g t ho ft h ef u s e dz o n ei sk n o w n ，t h es o l u t i o nc a np r e d i c tt h ew h o l et a p e r i n g s h a p ec u r v ew i t ha na r b i t r a r ye l o n g a t i n gl e n g t h t h e r e b y , 雠s o l v e dt h el o n gb e f o r et r o u b l i n g p r o b l e mi nt h a th o w t od e d u c et h ef u n c t i o no ft h ed y n a m i ct a p e r i n g s h a p e - c u r v es t r i c t l ya n d 圳 上海大学工学 毒士学位论文 i n t e g r a t i v e l yi nt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no ft h ec o u p l i n gf o rt h ef u s e dt a p e r i n go p t i c a lf i b e r s i n c h a p t e r3 ，巍ne q u i v a l e n ts t e p - i n d e x - f i b e rm e t h o d ( e s f m ) h a sb e e n e x t e n d e dt o m u l t i c l a d d i n gf i b e r sf o ra n yr e f r a c t i v ei n d e xp r o f i l e u p o nd e f i n i n gt h er e f r a c t i v ei n d e xp r o f i l e f o rt h em u l t i e l a d d i n gf i b e r , t h ee q u i v a l e n tn o r m a l i z e di n d e xd i f f e r e n c ef o rt h ee q u i v a l e n t s t e p i n d e x f i b e r c a l lb ee x a c t l yd e r i v e db yt h em e t h o ds ot h a tv a r i e t i e so ft r a n s m i s s i o n p a r a m e t e r sf o r t h ef i b e rw o u l db ep r e d i c t e dc o n v e n i e n t l y t h e nt h ee x t e n d e dm e t h o dh a sb e e n u s e dt oa n a l y z et h et r a n s m i s s i o na n dc o u p l i n gc h a r a c t e r i s t i c so f t h ef u s e dt a p e r i n go p t i c a lf i b e r i nc h a p t e r4 ，f i r s t l y , c o u p l i n g - m o d ee q u a t i o n sf o rt h em e d i u mo p t i c a lw a v e g u i d e 埘斑t h ea n y c r o s s - s e c t i o n s h a p ea r ee s t a b l i s h e da n dt h ec o u p l i n gc o e f f i c i e n t sa r ed e r i v e d + t h e n ，u n d e rt h e c o n d i t i o no ft h es a m es i n g l e - m o d eo p t i c a lf i b e r s ，t h ec o u p l i n gt h e o r yh a sb e e nc o n f i r m e db y c o m p a r i n gw i 也t h er e s u l t so fr v a n c l o o s t e r sc l a s s i cc o u p l i n gt h e o r y m e a n w h i l e c o m b i n i n g w i 斑t h et h e o r e t i c a lr e s u l t si nc h a p t e r2a n d3 as e r i e so f t h et h e o r i e si nt h i sd i s s e r t a t i o nc a l lb e c o n f i r m e db yd e s c r i b i n ga c c u r a t e l yt h ed y n a m i cc o u p l i n gp r o c e s s e sf o rt h eo u t r u tc o u p l i n g p o w e r s 、璃氇t h ee l o n g a t i n gl e n g t ha n dc o m p a r i n gw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s i nc h a p t e r5 。 6 。7a n d8 。f o u rn o v e lo p t i c a lf i b e rd e v i c e sa r ep r e s e n t e da n da n a l y z e dt h e o r e t i c a l l ya n d e x p e r i m e n t a l l yu s i n gt h ea b o v et h e o r yo ft h ef u s e dt a p e r i n gf i b e r s ，w h i c hi n c l u d ea l l - f i b e rf i l t e r w i t ht h r e ef i b e r - t w or i n gm u t u a l l yf u s e db i c o n i c a lc o u p l i n g s ，s u p e r - f l a t - w i d e b a n ds i n g l e - m o d e o p t i c a lf i b e rc o u p l e r sr a n g e df r o m1 2 5 0 h mt o1 6 5 0 h m ，f i b e r - o p t i cs w i t c hu s i n gat h r e e f i b e r - o n eo p e nl o o pc o u p l e r , a n daf i b e r - o p t i cs w i t c hu s i n g2 x 2f i b e rf u s e dc o u p l e ra n d m a g n e t i cf l u i df i l m i nc h a p t e r9 ，b a s e do na n a l y s i so fe v a n e s c e n tw a v et r a n s m i s s i o na n d c o u p l i n gs e n s o ro ns i n g l e - m o d eo p t i c a lf i b e r s ，a no p t i c a lf i b e re v a n e s c e n tw a v et e m p e r a t u r e s e n s o rh a sb e e ni n v e s t i g a t e dc o m p r e h e n s i v e l yi nt h e o r ya n de x p e r i m e n t a tl a s t ，i nc h a p t e r10 ， t h ec o n c l u s i o nf o r t h ew h o l ed i s s e r t a t i o ni sm a d e k e y w o r d s ：o p t i c a lf i b e rd e v i c e s ；o p t i c a lc o u p l i n g ；f u s e dt a p e r i n go p t i c a l f i b e r s ； e q u i v a l e n t - s t e p - i n d e x ；o p t i c a lf i b e rs e n s o r s 上海大学工学博士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作除了文 中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰写过的研 究成果参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意 签名： 静修峨攀 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部或部分内容 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 上海大学工学博士学位论文 第一章绪论 近十来年，光纤通信嗣络的研究和开发得到了迅猛发展发达国家继开发应 用鼹壤网岱a n ) 争城城圈( m 越0 后，又搀佘壤逶售戆重心转巍卫赛岛光纾惩络戆 紧密结合目前，嘲内正处于大力开发局域网的发展阶段为了提高局域网性能 孝洚馁其成本，鑫雩子磺裁舞发各类羯毪姥笼纤无嚣器俘及英糖关的光撬毫气一露 智能化多功能光纤熔融拉镶无源器件制造设备则最得至关筻要照然，按圆情来 看，致力并发先纤茏嚣器件局域( p o n ) 失荛一释上佳选择 靛光终逶售翡发展态势寒巍，要是避一步曩嵩透信容壁孝速搴，必然簧发曩 金光通信网络，这兢需要大量的有源无源，在线非在线常规和特种等光纤器件 产茹。宠绎溶镶墨器箨获英鬣蓣巍鬣或零，高毪缝，意胃靠经占裾英孛戆缀太 份额，特种器件的开发生产是全光网络能顺刺实现之关键然而，所有的熔锥型 竞纤器停义盛须由高侄藐、高稳定校，多功能怪的特种制造设备束生产，就此意 义上说，本论文的研究课题将砖光纡熔锥型无深器传及其相关的制造设务的研 制、开发和难产带来新的思路和动力给势在必行的全光通信网络的快速发展注 入垒规。嚣毙，裁缎涛建设磐挂会发聂鳃舞求寒巍，是不害瑟嗡毂。 在参与开展了：十多年光纤无源器件的研究和测量工作后，并经过犬爨文献 调研后发瑰：光纤熔锥型无源器件的理论分祈和产品的研制开发具有明显的失衡 和脱节现象理列举以下a 点，以供佐证： 钆目前普遍使用的光纤耦合理论，如r v a n c l o o s t c r ，a w s n y d 艘、d ， m a r c u s e ，i - i u a n gh u n g - c h i a 等久舞场分新缀典理论4 和冀它用毫报方程蛹耦合 解网络方法解，光矢量传播法等也类似【1 4 3 7 1 ，在成用到光纤的熔融拉锥祸合场 合对会产生二个方筒的明显豳难首先，r v a n c l o o s t e r 的理论只适用纤芯芯径不 变的馈况，傻我们黎慝本地模的概念芳裂月数僮计算方法，套歪鬻芯经蔻霹蠹， 就光纤弯曲的情况，如抛光裂光纤耦合器件f ”1 等进行应用其次，r v a n c l o o s t c r 戆理论在宠绛淫镑登芯轻戆蘩嚣下蠢丐裂髑本楚摸戆概念进行疰髑，经当毙纾慈 径小别一定程度( 如芯径在墨作波长附近) 时，其计算出的耦合系数急剧下降， 至诧，箕理论毒卡雾寇全失效 上海大学工学博士学位论文 b 在研究光纤髂锥墅波分复增器( w d m ) 和密篡垄波分复用嚣( d w d m ) 酵，囊些文献1 9 9 。】擞遒，纡芯细戮一定鼗嶷，纾芯霹略去举计，光在毽层和空 气层构成的光导波中进行传输，其申的光耦合是由蒸模和第一次高阶横的干涉或 拯浚寒搓透速转理论穷法并耒褥裂譬遍验诞，整最夔要翡楚如舞确定壶纾芯导 模和豳包层导模的严格界限，由于选种计算不能连续进行，只能以模糊的分界点 如舞一纯籁率v 藏菜一散馕寒分莰嚣舅嚣靖，耄苓藏谎镄舞侮茬锥载壤 细时，这种干涉或拍波会完金消失( 融有文章报道，我们在裳验中也已证实了这 释鬓象昀存在) 另一方面巍不能解释为钶能略去其它高骱横昀藕奢影响。辩者， 其孛昀模式出单摸转燮成多模，然后，再出多模转皤奠单模，其变抉的撬璎过程 也狠罐从理论上解析清楚 靠爨鸯涉及嚣潞聚蓉镶戆竞野器停跨毒控羲壤黟有关，霾诧，廷毒囊获霉 严格的锥形彤状函数的情况下，才能真实精确地计算嫩光纤拉锥福合器件锥彤耩 各系统纳藕合系数稼蓟蟊前为壶，仅有岁数研究光纡往锥舔形形状荫数的文章 lj 0 4 + n o l ，薅黪凑的磺究结果均没有营逡挂，举不能逢攥于不籁曲拉锥设备，也就 是拉锥时不嗣的灯头火焰条件和拉镶条件 蠢毙胃鬣，霉蘩镑蘑煮纡潞裁箍镶耩舍器停蘸理论研究远德不逶应该粪嚣蒋 的研制，特别慰长锥光纤褐合系统仍没有较完善的理论分析。因此，在此领域理 论孝实践兢节相当严撬 第一带手舞老纤藕合理沦溉述 党在宠纤奢羡竞波导孛传输醇，入攥发爨摹一赣嚣喾鸯耱翡效嶷，嚣就是： 光在光纤中传输时的光耦合特别是，当二根光纤相甄靠近时，在仅有一根光纤 孛往入宠舞媾漉下，会蘩起羲辘场竞裁量簿转换，羲农另一蔽巍拜中产生竞簸器， 这种龙的能赞痰换被称作为“弗活”髋相同党纤的情形而言，一根光纤中的所有 光裁簧会传递翻莠一搬光耋 中去，荬葸能量将在两摄先纤之闻来霉相搪，可l 透 “拍长”龅概念，以袭零在一搬光纾申糖邻二次光能鐾出班最大徨之阏的距蹇 1 9 7 0 年，r v a n c l o o s t e r 等人阁园柱失量波萄数描述光纤介质波导中的传 穗骥，蘑荻楚翟二稷平褥套震光纾波零孛宠波戆篱输在确定二摄平季亍党纤之阕 上海大学工学博士学位论文 翁光藕合效痰爵，德们使用了与箩伦兹定璎相类似的互另定理，导搦了一缀基本 徽分方程。这棒，其壤合阚题可归结建造焦闷题，扶褥用以分糖处璎光终鲍勰合 效瘟并将一根光纤的园柱爽奄波荫敷展开为另一撒光纤的修正园挂矢量_ i 爨函数 戆一令无穷缀羧。最嫠，其爨密舞藕合系数都缝耱填袭零受壤舍系缡媾参量落羲。 并诳明且利用园柱矢量波函教的平移附加定联，以究成所有积分的牟裔确运算另 褰多食终者也对这一壤售麓题迸牙了研究，如1 9 5 9 夸艇。e 辍霰q 秘篾m a c l e a n 的搬荡作用理论来处理平板余质波导和光纾问题，1 9 6 1 年e s n i t z e r f 5 1 和1 9 6 7 年 n s 稳警a n y 辑l 震月泡场和墩耢的酾商务量程遮界面上连续，求解麦克靳韦方程， 研究了单根余震光纡申光憋传播。1 9 6 5 年怠kj o n e s ：q 则摹月格拣爨数方法获得 了该耦合问题的一个解 走胃e s n y d c r 绉- 1 秘d m 豁朝s o l 等人究戚了藕务摸理论在麦浪落孛戆盛霭 蕾者宠成了兜纤中光的耦台行为的描述，后孝则完成了平板光波导申光酶糕套行 为魏辅遂，这充分舔裁了藕奢模理论币论是密顿渡领域还是筏光波领域串鞠有广 泛的瘫惩。糍会模理论在光波导中姆瘴惩簸嚣惩的就是对受揍波导昀理论分辑， 当然，随着光纤理论和技术的发展，耦合模理论的盛用将会得到更为广泛和深入 酶磅凳。 一般来说，求艇瘸扰动波导中的场有多辨方法，如果扰动比较徽骚豆沿麓渡 导豫持不变，潮可两徽扰方法来狗残波导模式；如果扰动是任意形式的但沿着波 导的燮佬电较缓慢，粼可以黎鼹局部模式柬分橇。墨分蚜鳇摅参渡簿其奔任意变 化的徽小扰动，其分析方法为耦合横理论1 ，或称为z 有荚的微揽理论搬微 魏霹壤式魏葫枣分套蠢获太的影醺，龟霉奎畿撬；莛茏凌参光野戆模式之爨发生 较大的功率交换时，耦合模理论是十分有用的 第二带锥彩光纤耦合理论概述 。寝蕹影光纤光场耦台特性的研究是上傲纪8 0 年代以来一直令人惑兴趣的 爨究课题。锥影光纾楚盎单横光终逮避熔融控锥技术来窦爨鲍。它凑毂复杂鲍洼 导结构，但普遍认为也是一段对称的币规则镰形多横光纤，因为在熔融拉伸过程 孛，群寒戆攀模是野蠹谈茬律褥覆细，舞慧鳃俸攫已经瀵失，镶黟嚣影裘戳空气 层为包层，以原来的单模光纤包层为新的纤芯的多横光纤1 3 7 j 8 ，叫在已发表的太 上海大学工学博士学位论文 量文章 3 7 - 7 5 中，人们所广泛接受昀理论是1 9 8 3 年j b u r e s 3 1 和1 9 8 5 年r g l a r n o n t l 4 3 1 等人提出的混合模理论 a ws n y d e r 曾经用简砸模绝热近似方法理论分析了规则介质园锥波导中的 翡p 0 1 每窭了藕合模方程获箕藕合系数魏诗算公式但是，壶予s n y d e r 采用了 不能严格满足园锥边界条件的园柱波导下的本征模作为园锥波导下的本地模展 开，所以，使得s n y d e r 的理论分析及其结论不仅在理论上不够严格，而鼠在实 际成用上也存在援当的局限性s n y d e r 本人也在其文章中撂出：由于按上述本征 模展开的场是不严格满足逸界条件的，这会使展开的场函数序列收敛缓慢甚至发 散，造残壹少数疆舍模方程鳃鼹窭戆场不爨确荛鼹头这一翊题，s n y d e r 敲了一 些近似，使绝热近似的理论分析仅适用于园镶的张角非常小且波导的归一化介电 系簸差( 扣l 一墩| ) 夺于0 2 的篱撬然蜀，实际_ | l 逢蜀戆锥影光纤不仅鞠兵有 较犬的园锥张角4 9 郴l ，并且逐随传输距离筒变化，弼且其波导的归一化介电系数 差6 也均大于0 2 ，这使绝热近似分析方法及其结果不能适用。到目前为止，未 见能普遍适用且严格的锥形光纤耦务理论的研究分耩报道。 w j s t e w a r t 和j d l o v e l 5 4 直观地给出了一个锥形光纤中发生模式耦合的 裁嚣，翠s t e w a r t l o v e - l i m i t 秀器s t e w a r t 和l o v e 认为：骞锥形兜纤锥角夫子 s t e w a r t - l o v e - l i m i t 时，将发生h e i l _ h e l 2 模式耦合这个刿据已被不少学者所 ；| 用 j ，b u r e s 等人f 4 争绷在携菇率分零隽狳跃滚配墅赡其毒突变翦镶影竞纾孛发囊 了h e l 2 模a c b o u c o u v a l a s 等人【5 3 艇5 q 也做了大謦的实验工作，研究怎样才能 在镶彤光绎串获褥较理想秘h e l 2 横在德们戆实骏研究串，胡确璁强调，赫须 在具有突变的锥形光纤中才能出现h e ，2 模这就要求灯头的火焰宽度非常窄， 这不仅给铡淹锥形毙纤增加了难度，而且，就光纤纛熔融拉伸锥形耦合器的实际 制作来说，也是不可取的 1 9 8 9 年j l z h a n g i 1 对双根锥彤光纤中的内部光场及其耦合特性进行了实 验磺究毽黎茂一释瘴等殊的工艺方法，籍双摄锥形光符翟诧瓣装起来，避蔼赢接 测量了锥形糯合区中不同位照上的i 毫场和远场，以此来证明混合模理论的正确性 配豫其实，这一实验验证工作是非常困难的，正如j l z h a n g 所谎：由于耦合 上海大学工学博士学位论文 嚣稚常纤细和敏赢，稽有变亿英串的场碧擒及其耩念特往就会发壅变纯所瑷， 当炭摄锥形光绔鲍撼合区被弱亿封装起来齄，蜒装套震撼j l 唪鲍奔入，实豁上已经 影响了耦合区内部场结构放其耦合特性，遗样，程实验上赢接测蕾近场和远场， 其结果反块憋是辏念锥医被瓣装嚣像君爨巍磅率嫣念场分瘴酶馕嚣，露毙，实验 结聚会因封装介质材料的舟入而受到影响 然丽，对单模锥形藕奢光纤酌联论研究主要着藏予竞的电磁场演变j ；之及传输 特性。迄今建止，入 | f 】均农零地控璧掾系下建立了套辨分耩方法。如嚣转本蟪模 耦合方法，本地简藏模干涉方法本地简正模耦合方法等艨而这般方法均存在 着一个不避免舞 迸题 罅l ，宅蘩热燕建立袭本琏技受撩系下，靛理论主严罄寒诱， 其解得的电磁场不满足锥形光纤的边界条件，导致理论上所获得的为这些方法所 鬟鼹麓s t e w a r t - l o v e - l i m i t 裁撂毒实验鐾暴涎不耪符。歪霓，该惑据在实嚣应用 中替在着很犬局限性，如簧求小锥度角和小折射宰箍等 二根光纤锥形椭合的最童要应用是单横光纤耦龠器f 7 6 朔单横光纤耦舍器在 竞鳝逶售，局域耀荻及光纾溯垂和光舞簧惑譬矮壤起藿霉常熏要鲰髂蘑攀模锥 形光纤也是构成光纤滤波器瑚，光纤扩康器f 1 矧光纤波分复用器i 纷1 州，及 英它攀模巍释蘑镶鍪器件 t 3 1 - 1 3 s l 馥蒸零元箨蘧蓍这些器律魏广迓骧蔼，入钔惫 来愈重视对单模光纾锥形耩念的研究。 第三节锥形光纤器件及其传感应用 二十多年来，光纤通信技术得到了空前的发展，光纤通信系统熙新换代了四 旋，实爨了巍终致多摸是单横酶过渡，苁短波长裂长渡长蹲跨越，佬辕设备实琵 了从堆同步刹同步系列的转鼎，系统的最高传输速率达1 0 g b i t s ，光中继距离达 到1 2 0 k i n 霹逶蓓燕瓣霪隶大夫遗驱磅了鬣攘藐惫辫及英籀关器箨骢爱晟。蠢子 光纤通信在干线网、城域网( m _ 邺局域网( l a n ) ，无源光网( p o n ) 光纤裂 户黼) 龙上下黪复罔器o a d m ) ，竞交叉连装( o x c ) 和有线电视( c a t v ) 等方鞭的快逮发展，针对光纤器件的需求已显著增加，另外，光纾传感器技术也 需要许多光群器件尚本论文研究分析讨论的课题相关的且由锥形光纤构成的光 野器传秘巍终传感器传，避常霹爨缒毙六太类：第一粪惫括摆舍器，分肇器 1 0 3 - 1 0 6 1 、准点( 耦奋) 器等；第二畿包括波分复用器( w d m ) ，磷集型波分复 上海大学工学 蹲士学位论文 用嚣( d w d m ) ，獠波分蔓阁器c w d m ) 等l 箨4 嘲；第三类包括怒宽带藕合器 1 9 2 - , 9 8 ，偏振分束器，偏振控制器，偏振器，隔离器，相位调制器，特神光壬千耦 合嚣 7 8 - 9 1 等；第拶炎包括滤波器，带通滤波器，带阻滤波器，梳状滤波器，高 低遵滤渡器、模式交换器等8 ；第五粪包括光嚣关，光调刳器，光波教选择 器等i “3 8 l ；第六类为由锥彤光纤制成的光纤传感器，包括有耦合式传感器，双 锥影弯蓥襞疼嚣和澎遂渡传感器等，英羟锥黟区壤戆传籍依黢予羚都夯蓑魏圣 藉 率指数，如熔锥型光纤温度传感器，熔锥型光纤溶液浓度检测传感器等”4 引 目前，巴形成产品的有耦合器，分路器和波分复用器等i ，6 ，矧，其它各粪器件 仍传磐在实验室研究殓段。 市场出售的产品巴形成一定程庹的标准化，除性能指标和行业标准化外，还 包括环模试验标准纯，如高低温、瀵度撤动坤密等行业标准 1 3 1 拉镶毙舞 拉锥光纤是通过加热光纤至软化点，然詹再施加张力其热嚣( 加热器) 可 以为火焰，魂弧花或者电阻加热单元如下围1 1 所示，当光纤被投锥时，纤芯 半径铸减小，光纤蟪矿僮坎。出下式给出： 。冬d ( ：) 厢 ( 1 1 ) 其中，疗。为光纤纤芯折射率，为光纤包层折射率，a ( z ) 为光纤纤芯半镣，2 为工作波长 图1 1 单撮拉镶光纤示意图 庶当指出，对于常规单横光纤，其纤芯半径口将不随光钎长度位置坐标z 而 变纯，翠鑫彩为常萋当是终蔹熔融拉镶旁，纤芯辛簪逐澎交夺，在箕v 蓬簿至l 以下时，原来限于纤芯内的光场会扩散到包层，由于光场扩展进入包层，包层 及冀弼翟奔震对锥影区串竞的传输耱经起着燕要的律用当党纤蔹筏锥对，葵光 上海大学工学博士学位论文 昀祷籍功率会经历一系歹l j 的极大饿和极小德，一羹遮割莱一辘出功率醅，穆去热 嚣和张力。停止拉镶此外，拉锥过程将不会影响兜纤的规械强度，遁常，机械 上保护光纤锥形是将其封装在折射率小予二氧化聩的介质内该介质还能保护锥 形免受巧凌的影噍，如褰滋等。 除拉锻过程外，另有几种获取光纡纤芯中光场的途径和方法如通过磨去光 纤包层，童歪达蜀纤芯渐逝场另外，弯曲先纤可使光由纤芯溢出，劈开光纤则 提供了获取纡芯中毙场的途径 1 3 2 锥形光纤中的光传输 雏形光纤中光的传输特性可穰据光纤拉锥对其纤芯半径发生变化来加以解 释在通常馕况下，单模光纡被番残无暇惫层霆犍鐾务爱光波导，英包蜃蓐发远 大予纤芯半径，并履纤芯舆有足够大的值( 常规单模光纤纤芯半镪约为4 5 啪， 趣痰戆寇墓厚度缍建5 8 1 a m ，是纾慈半径魏十多倍) 。这爱褥壹式( 1 1 ) 给疆魏矿 值小于2 4 0 5 ，满足遮一条件的光纤，印为单模光纤随着光纤拉锻过程的进行， 野愆半径疗( z ) 将隧之交小，先纤静v 值也相应地减小，当v 僵低于l 对。光将 不器被艰瓤子纾芯枣，瑟楚大部分扩展裂龟层孛传徐，这跨，露寒鳇磐慈瓣枣剜 仅有非常小的导光作用而被忽略岿这种情况发生时，光纤锥形区城中传播的光 装巍绿寒憋惫层箨为芯，舞羚骜奔蕨空气) 律受整磊瑟影成懿锥彩渡导慕整截 现农v 值可定义为圪埘，它将会非常大，锥彤区可支持大量的模，这些模称作包 层横砼涮可表示为： v n , , l = 等霆( z ) 厥2 互石2 ( 让) 其孛：蠢彩荛光野终芯如上恕层厚度后酶事经：荛包裹毙驽戆终部务菠簧籍 率指数。 由此而亩，在k 。 l 螅锻影姨缩涎，锥形光绥刘起羞零麓莘模毙终约 作用在k 。= 1 处，纡芯中的基模光转变成包层中的基模光在圪。 l 的锥形 浚缮莲孝扩聂区孛，惫层孛瓣模发盛糍舍然瑟，在p 1 绚锥彩扩最嚣，包 上海大学工学博士学位论文 层萋模先转变成纤憨基模光，其输如先功率痘随玩。 1 所界定的区域中的光耦 合而变化 1 3 3 熔锥光纤耦奋器 ： 图1 2 飘根拉饿光纤示意图 翻上落1 2 所零，光纤簿锥耦合器是壶剥去一小段护套艨的二根光纤经熔融 拉锥制作而成的二段裸纤被紧靠农一起加热熔融，然后拉嬲成锥形。一束激光 注入进输入端在拉锥过程中，二输出端光功率被监控随着拉锥过程的进行， 光在输入的传输光纾和瞎近戆握合光终之阉发生周期性戆交棼爨舍骞辏出毙功 率到达所期望的周期敷及分割比时，停止拉饿其锥区的导波特性如同一根多模 毙纾，英孛载鸯对称横彝反砖髂模，这些摸翡先终蔽传遂到耩合嚣苓鞫翡输窭臻 口然后，光纤被封装于低折射率介质材料中，以利于锥区的性能稳定现已分 嗣割律鑫器个嫱器和六令墙搿等的黼加损耗低于o 。l d b ，温度稳定瞧好的光纤熔 锥型耦合器采用这种方法，也能制作任意光功率分隔比的光纤耦合器。通嚣制 作的祸合器是偏振不敏感的，但是，也可制成具有纂些偏振特性的光纤耦合器， 也帮采用偏掇保持光纡制作保锔光纾糍舍器一般寒说，舒砖光终撼舍器，莫主 要的特性要求是给定波长下的精确分光比、输入偏撤不敏感度低附加损耗，环 境不敏感惶，零尺专及低残本莓孬靛锥畦，发生翡显功率波动戆攒套器龟譬缒 显示出偏振敏感性，既使光纤并不是偏振保持型，这种偏振敏感性是由熔锥区的 菲对称经导致的冠秘敷新j l | 掰；| 起的这靖，鎏输入簿编振光对，诧输入竞呵分 成垂赢和水平二个偏振态方向出现在耦合器的二输出端，熔镶区发生的耦台网时 保证毙偏振态豹分束将强烈地依赖子波长 上海大学工学博士学位论文 1 3 4 波长依赖兜纤藕合器 锥区秘模辗舍将蔌赣予光波长，姿嚣期箨的鹅合器英携舍镶嚣较长跨，二绎 同功率来回交替耦龠次数增多，耦合器的波长依赖变得灵敏和带帘事实上，针 对菜一浚妖，霹获褥酉分乏百翡藕合，褥对于莠一波长，翔莰得绑百分乏零的藕 合这两个波长是足够区分开的耦合器二臂输出之光波长可相麓1 0 0 n m ，并具 有嵇常高的光功率隔离度这类藕合器可用作光波分复用器波长依赖藕合器的 光谱波长响应根撂遁过锥区的传输功率可袭示如下： 取2 f 万等1 s ， 其中：南建滤波器的参考波长，a 共锥区瀵睫应鳇睾周裳。 光纤耦合器也可进行串联使用，以这种方式，耦合器的波长传输特性可成倍 翘灌加篱蚝，运过这释耩舍器的串级，能褥萄缀窄的光谱通带然而，通过各 级传输功率表示式的乘积，可缛到串联后的总传输功宰强国。 瓦( 名) ：c o $ 2 l 筇尘玉l ( 1 4 ) 裂2 譬i 筇舒j q _ “|l jj 通过采用2 x 2 疆舍器传为扮建模块，胃以剿律毖任意猞入端i ：j 匆输出壤1 ：2 戆 星型祸合器由于2 x 2 耦合器比其它任意n x n 组合的耦合器更容易制作，所以， 蛰砖星型攒舍墨，2 x 2 藕合器逵舍母俸荛糖建模块镯如，使薅1 2 令2 x 2 藕合 器，可构成8 x 8 耦合器由4 个2 x 2 耦合器，可组合成4 x 4 耦合嚣，如下图1 3 新零 圈1 3 由4 卜2 x 2 耦台器组成的4 x 4 耦奋器 1 3 5 单毙纤同釉耦合器 在一撮廷纛葳惫层翡攀模光纤串，竞密纤芯和铃寇差鬻会发生鹈舍，交予二 上海大学工学博士学位论文 个嚣壤孛模绚传播常数相蓑很大，德常，这静耦合俸薅其效率是非寤低的当光 纤被拉成锥形后，上述二个区域中的模传播常数会趋于相等，纤芯与包层之闭会 发生完全有效的光熊量交换因此，在单模光纤中，要得到纤芯与包层嗣能量周 期性揭合是霹能的在锥形刳终过程中，已观察载终芯光功率雏强烈振荡，其溺 光比可大子3 0 d b 这类单模锥影光纤，就知两单穰福合器的情形一律，其特性可阕作光纤滤波 器带有多次纤芯光功率振荡的长镶光纤具有非 | 强烈的波长依赖性 锥形同轴耦合滤波器可串联组合，就如同四端耦合器的情形一样，这种串联 滤波器葱戆转输瞻应等于事接孛戆攀令锥影响瘟乏积霞耱锥形耩念滤渡器跑较 熔融双锥型耦合器容易制作 1 3 6 控制模场直径的锥形光纤