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1、 分类号 TN929.11 学号 09071054 000 密级 公 开 工学硕士学位论文 1064nm 大模场单模光纤及其耦合器的研究大模场单模光纤及其耦合器的研究 硕士生姓名 申子卿 学 科 专 业 光学工程 研 究 方 向 光纤信息技术 指 导 教 师 杨华勇 教授 国防科学技术大学研究生院国防科学技术大学研究生院 二一一年十一月二一一年十一月 1064nm 大 模 场 单 模 光 纤 及 其 耦 合 器 的 研 究 国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 STUDY ON 1064nm LARGE-MODE-AREA SINGLE-MODE OPTICAL FIBER AND
2、COUPLER Candidate： Shen Ziqing Advisor：Yang Huayong A dissertation Submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Optics Engineering Graduate School of National University of Defense Technology Changsha，Hunan，P.R.China （November，2011） 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 I 页 目目 录录
3、摘 要 . i ABSTRACT ii 第一章 绪论 1 1.1 课题研究背景 . 1 1.2 光纤耦合器概述 . 1 1.2.1 光纤耦合器类型 2 1.2.2 光纤耦合器制作方法 . 3 1.3 大模场光纤简介 4 1.3.1 直接单模输出光纤 5 1.3.2 多模光纤选模技术 6 1.4 大模场单模光纤耦合器的发展和研究 7 1.5 本论文的主要研究内容及论文结构安排 . 8 第二章 1064nm 大模场单模光纤的研究 . 10 2.1 传统大模场光纤的不足 . 10 2.2 1064nm大模场单模光纤的设计及仿真 . 10 2.2.1 阶跃折射率分布光纤 12 2.2.2 梯度折射率分
4、布光纤 . 14 2.2.3 W 型折射率分布光纤. 15 2.2.4 M 型折射率分布光纤 . 16 2.2.5 结论 17 2.3 1064nm大模场单模光纤的测试 . 17 2.3.1 理论分析 18 2.3.2 测试实验 . 21 2.4 本章小结 . 23 第三章 1064nm 大模场单模光纤与普通单模光纤对接和熔接的研究 . 25 3.1 两种光纤对接及熔接的耦合理论分析 . 25 3.1.1 光纤熔接耦合损耗产生的原因 25 3.1.2 不同类型的单模光纤熔接耦合损耗理论分析 . 26 3.2 1064nm大模场单模光纤与普通单模光纤熔接耦合损耗分析 . 28 3.3 熔接参数的
5、选取与优化 . 29 3.4 两种光纤对接及熔接耦合效率的实验研究 . 30 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 II 页 3.5 本章小结 . 33 第四章 1064nm 大模场单模光纤耦合器的研究 . 34 4.1 1064nm大模场单模光纤耦合器的设计 . 34 4.1.1 正规光波导的横向耦合理论 34 4.1.2 耦合波的特性 35 4.1.3 大模场光纤制作熔锥型光纤耦合器的模型建立和理论修正 37 4.2 1064nm大模场单模光纤耦合器的试制 . 44 4.3 1064nm大模场单模光纤耦合器性能测试 . 45 4.3.1 附加损耗 46 4.3.2 插入损耗 46 4.
6、3.3 方向性 47 4.4 大模场光纤耦合器的封装思路 . 47 4.5 本章小结 . 48 第五章 结论与展望 49 5.1 结论 . 49 5.2 展望 . 50 致 谢 51 参考文献 53 作者在学期间取得的学术成果 57 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 III 页 表 目 录 表 1.1 耦合器的制作方法 4 表 1.2 直接单模输出光纤对比 6 表 1.3 多模光纤选模技术 6 表 2.1 阶跃折射率分布光纤设计对比 12 表 2.2 梯度折射率分布光纤设计对比 14 表 2.3 W 型折射率分布光纤设计对比. 15 表 2.4 M 型折射率分布光纤设计对比 . 16
7、表 2.5 YOFC 定制光纤测试报告 17 表 2.6 测试处理结果 23 表 3.1 大模场光纤和普通单模光纤熔接参数对比 31 表 3.2 熔接、对接结果对比 32 表 4.1 耦合器的主要性能参数 45 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 IV 页 图 目 录 图 1.1 光纤耦合器的类型 3 图 1.2 大模场光纤实现的主要技术途径 5 图 2.1 光纤数值孔径与纤芯半径的关系 12 图 2.2 场与源之间的坐标关系 18 图 2.3 归一化频率 20 图 2.4 远场法测量系统 21 图 2.5 远场辐射示意图 21 图 2.6 球面与平面差别的形成 22 图 2.7 “两点
8、法”测 0 与 0.5 的几何关系 22 图 2.8 实测传输功率与的关系 . 22 图 2.9 ( )F q与( )G q的关系 23 图 3.1 光纤模场失配 25 图 3.2 模场失配示意图 28 图 3.3 与 1 2 的关系 29 图 3.4 放电中心偏离大模场光纤和普通单模光纤熔接中心点示意图 30 图 3.5 实验装置布局 30 图 3.6 熔接图像 32 （a）熔接程序 I 的熔接图像 （b）熔接程序 II 的熔接图像 32 （c）熔接程序 III 的熔接图像 （d）熔接程序 IV 的熔接图像 32 图 3.7 使用过渡光纤熔接大模场光纤和普通单模光纤示意图 33 图 4.1
9、两个光波导的横向耦合示意图 35 图 4.2 耦合波导的功率曲线图 37 图 4.3 耦合器的基本结构 38 图 4.4 单根光纤熔锥结构示意图 38 图 4.5 耦合区和锥形区横截面示意图 39 图 4.6 非耦合区横截面示意图 39 图 4.7 1/4F 处0.2时的同相模和反相模 . 41 图 4.8 1/4F 处0.8时的同相模和反相模 41 图 4.9 耦合器中同相模演变过程0.64 . 42 图 4.10 C 随 F 的变化曲线 42 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 V 页 图 4.11 V1、V2随 F 的变化曲线 . 42 图 4.12 耦合器内的功率 43 图 4.
10、13 熔融区 C 和的关系 43 图 4.14 三种波长下，耦合器的输出功率随拉伸长度的变化关系 43 图 4.15 实验耦合器的输出功率随拉伸长度的变化关系 . 44 图 4.16 光纤耦合器拉锥台结构图 44 图 4.17 （a）自主研制的大模场光纤耦合器（左） （b）光纤耦合器制造设备（右） 45 图 4.18 熔锥型光纤耦合器控制流程 45 图 4.19 耦合器性能测试装置组成图 46 图 4.20 耦合器附加损耗曲线 . 46 图 4.21 耦合器方向性曲线 47 图 4.22 热阻为 0.25/W 时，器件允许的最大输入功率 48 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 i 页
11、摘 要 随着现代工业技术的发展和国防军事技术的进步，对高功率激光的需求不断 提高，高功率光的传输和应用日益重要。作为光纤系统中重要的组成部分，单模 光纤耦合器是一种不可或缺的光纤无源器件。 基于国家自然科学基金项目 “1064nm 大模场高功率光纤耦合理论、制备和测试方法研究（61077019）”，设计了多种 大模场单模光纤，并定制。 改进了测量光纤参数的远场法，用简单的实验仪器，完成了对定制光纤的测 试，结合数值计算，实现了一次测量，得到光纤的多个参数。 分析了大模场光纤与普通单模光纤对接和熔接的耦合损耗，实验摸索，最终 得出合适的熔接工艺参数，较好的降低了不同光纤的耦合损耗。为下一步的实验
12、， 奠定了坚实的基础。 建立了基于大模场光纤的耦合器模型，在此基础上，制备了大模场单模光纤 耦合器。 主题词：1064nm 大模场单模光纤、1064nm 大模场单模光纤耦合器、光纤耦 合、光纤熔接 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 ii 页 ABSTRACT With the development of modern industrial technology and advances in military technology and increasing demand for high power laser, transfer and application of high
13、power optical has become increasingly important. As an important component in optical fiber systems, single-mode fiber couplers are an integral part of fiber optic passive devices. Based on project of National Natural Science Foundation of China “study on 1064nm large-mode-area optical fiber coupler
14、 (61077019)“, designed a variety of single-mode optical fiber mode field and customize. Improved measurement of optical parameters of far-field method, with simple laboratory instruments, completed a customized optical fiber testing, combined with the numerical calculation, enabling measurement, get
15、 multiple parameters of fiber. Analysis of mode field fiber with conventional single-mode fiber coupling loss of butt weld, experimental trial and error, resulting suitable welding process parameter, better reduce the coupling of different fiber loss. For the next experiment, has laid a solid founda
16、tion. Established based on optical fiber coupler model, on this basis, has prepared a model field of single-mode fiber couplers. Key Words：1064nm large-mode-area single-mode optical fiber, 1064nm large-mode-area single-mode optical fiber coupler, fiber coupling, fusion splicing 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 1 页 第一章 绪论 半导体激光泵浦技术带来激光技术领域一场新的革命，直接引起了全固态激 光的高效率、高亮度输出。自 2000 年，各国军方和科研人员一致看好高功率光纤 激光系统的巨大应用潜力也被12345
