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基于模式选择耦合器的柱矢量光脉冲光纤激光器

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激光与红外 2022年第7期52卷 1011-1016页

作者：牛峻峰裴思琪杨博义华北光电技术研究所北京100015 北京工业大学跨尺度激光成型制造技术教育部重点实验室北京100124 北京工业大学激光工程研究院北京100124

柱矢量光具有轴对称的偏振及强度分布特点,强聚焦条件下会形成一个独特且较强的局部纵向电场,在工业加工、材料处理、粒子操控、显微成像等领域具有独特的应用优势。模式选择耦合器是实现全光纤模式转换的关键器件,具有结构简单、体积... 详细信息

柱矢量光具有轴对称的偏振及强度分布特点,强聚焦条件下会形成一个独特且较强的局部纵向电场,在工业加工、材料处理、粒子操控、显微成像等领域具有独特的应用优势。模式选择耦合器是实现全光纤模式转换的关键器件,具有结构简单、体积小、高转换效率、高模式纯度和优良光纤兼容性等优点,是目前最有希望获得稳定可靠柱矢量全光纤激光输出的一套技术方案。本文基于模式选择耦合器搭建柱矢量窄线宽全光纤激光器获得了高模式纯度、高稳定性的LP11模输出。

关键词：柱矢量光脉冲光纤激光器模式选择耦合器

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基于模式选择耦合器的布里渊少模光纤激光器的研究

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基于模式选择耦合器的布里渊少模光纤激光器的研究

作者：丁贝贝郑州轻工业大学

学位级别：硕士

随着元宇宙、云计算等技术的发展,通信容量的需求不断增加。为了提高光纤通信系统的传输容量,突破单模通信系统的极限,在基于模式维度的少模光纤模分复用技术(Mode Division Multiplexing,MDM)中实现大容量光纤通信已经成为了研究人员... 详细信息

随着元宇宙、云计算等技术的发展,通信容量的需求不断增加。为了提高光纤通信系统的传输容量,突破单模通信系统的极限,在基于模式维度的少模光纤模分复用技术(Mode Division Multiplexing,MDM)中实现大容量光纤通信已经成为了研究人员关注的热点。其中,能够提供高阶模式的激光光源的研究是其关键技术之一。本论文在分析少模光纤中不同模式的布里渊散射特性的基础上,设计了一种可同时输出基模和高阶模式的布里渊光纤激光器。论文主要研究内容如下:(1)仿真研究了泵浦光对少模光纤中LP模式和LP模式布里渊散射特性的影响。考虑激光线宽、泵浦脉冲宽度和引导模式三者的共同影响,得到了如下结果:(1)对于不同的激光线宽,LP模式和LP模式的布里渊散射线宽和峰值有相同的趋势;当激光线宽小于1 MHz时,二者的差值分别约为0.2 MHz和0.07 dB;当激光线宽大于1 MHz时,两种模式的差值逐渐减小直至相同。(2)随着脉冲宽度的增大,LP模式和LP模式的布里渊线宽均急剧减小,接近光纤的固有线宽;但线宽差增大,LP模式和LP模式的峰值差增大。(2)设计并搭建了基于布里渊散射的少模光纤激光器,实现了LP模式和LP模式的同时输出,和种子光相比波长偏移均为0.12 nm,输出光谱信噪比分别为22.69 dB和74.827 dB,功率转换效率分别为4.6×10%和7.827%,波长稳定性分别为0.54 nm和0.026 nm,功率稳定性分别为3.277 dB和1.262 dB。

关键词：光纤激光器模式选择耦合器布里渊散射

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基于矢量模式的全光纤模式选择耦合器

中国激光 2022年第3期49卷 83-91页

作者：郭英豪刘美汤敏任文华任国斌北京交通大学光波技术研究所北京100044 北京交通大学全光网络与现代通信网教育部重点实验室北京100044

提出了一种基于矢量模式的全光纤模式选择耦合器,该耦合器由一个单模光纤和一个空气芯环形少模光纤组成。基于耦合模理论,研究了不同参数对耦合特性的影响,并且详细分析了纤芯间距对高阶模式间的串扰和工作带宽的影响。结果表明,在相位... 详细信息

提出了一种基于矢量模式的全光纤模式选择耦合器,该耦合器由一个单模光纤和一个空气芯环形少模光纤组成。基于耦合模理论,研究了不同参数对耦合特性的影响,并且详细分析了纤芯间距对高阶模式间的串扰和工作带宽的影响。结果表明,在相位匹配条件下,该矢量模式选择耦合器可高效地实现基模与特定高阶模的耦合;通过改变耦合器的纤芯间距,可以调控模式间的串扰和工作带宽之间的平衡关系。该模式选择耦合器可直接实现基模到高阶矢量模式的高效转换,能降低光通信系统的插损和复杂度,在光纤激光器、光镊和模分复用系统中具有潜在的应用价值。

关键词：光纤光学模分复用相位匹配矢量模式模式选择耦合器

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基于模式选择耦合器的少模光纤激光器的研究

基于模式选择耦合器的少模光纤激光器的研究

作者：王帆北京交通大学

学位级别：硕士

高阶横模光纤激光在新一代大容量光纤通信、激光加工、粒子捕获与操纵等前沿科技领域,有着广泛的应用,能够产生高阶横模光纤激光的少模光纤激光器是当前激光器领域的研究热点之一。本论文在对已有少模光纤激光器的实现方案及原理进行深... 详细信息

高阶横模光纤激光在新一代大容量光纤通信、激光加工、粒子捕获与操纵等前沿科技领域,有着广泛的应用,能够产生高阶横模光纤激光的少模光纤激光器是当前激光器领域的研究热点之一。本论文在对已有少模光纤激光器的实现方案及原理进行深入理解和分析的基础上,选择了基于具有大工作带宽优势的光纤模式选择耦合器(Mode Selective Coupler,MSC)的少模光纤激光器进行研究。设计、制作了新型对称型MSC,并结合不同的宽带滤波器件和波长稳定机制,实现了两种基于MSC的多波长、高纯度LP模式少模光纤激光器。本论文取得的主要研究成果如下:(1)使用耦合模理论,分析了由单模光纤和少模光纤构成的传统非对称型模式选择耦合器的工作机理,进行了参数设计,并利用基于光束传播法的Rsoft仿真软件演示了光纤MSC中LP模式分别与LP、LP和LP模式之间的耦合过程。(2)针对传统非对称型MSC的制作过程中需要进行复杂的预拉锥以满足相位匹配条件的问题,基于错位熔接技术和熔融拉锥法,设计并制作了能输出LP模式的新型对称型MSC。该对称型MSC的制作过程中无需预拉锥且易于实现相位匹配,能大大降低传统MSC的制作难度,且该方案可进一步推广至更高阶模式的生成。(3)实现了一种基于光纤MSC和单模-少模-单模光纤(Single mode-Few mode-Single mode,SFS)滤波器的多波长少模光纤激光器。在该激光器中,SFS滤波器作为多波长选择装置,并利用四波混频效应抑制掺铒光纤(EDF)中波长竞争。测试结果表明,该激光器能够稳定地工作于单、双、三、四波长状态并输出LP模式光,且四种波长状态下输出的LP模式纯度分别为97.60%、97.54%、97.34%和97.19%。(4)实现了一种基于光纤MSC和Sagnac滤波器的多波长少模光纤激光器。在该激光器中,Sagnac滤波器作为多波长选择装置,并利用非线性偏振旋转效应抑制EDF中的波长竞争。测试结果表明,该激光器在1530 nm波段和1550 nm波段处均能形成稳定的单波长、双波长和三波长输出,两波段处输出的LP模式纯度分别在97%以上和98%以上。此外,该激光器还能同时在1530 nm波段和1550nm波段都处于双波长激射状态,总体形成四波长输出。四波长状态的LP模式纯度经计算为98.04%。

关键词：光纤激光器高阶横模模式选择耦合器多波长滤波器模式纯度

基于少模光纤的全光纤熔融模式选择耦合器的设计及实验研究

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物理学报 2015年第20期64卷 215-224页

作者：肖亚玲刘艳格王志刘晓颀罗明明南开大学现代光学研究所天津300071

提出了三种基于少模光纤的全光纤熔融模式选择耦合器.根据模式匹配原理采用单模光纤与少模光纤熔融连接方式,运用耦合模理论及光束传播法模拟分析了模式选择耦合器的结构参数对模式选择及耦合特性的影响,实现了单模光纤中基模到少模光... 详细信息

提出了三种基于少模光纤的全光纤熔融模式选择耦合器.根据模式匹配原理采用单模光纤与少模光纤熔融连接方式,运用耦合模理论及光束传播法模拟分析了模式选择耦合器的结构参数对模式选择及耦合特性的影响,实现了单模光纤中基模到少模光纤中不同阶模式的转换,以满足不同的应用需求.实验上以2×2熔融光纤耦合器为例,采用对称和非对称熔融拉锥方式,分别实现了从基模到LP_(11),LP_(21)模式的转换.实验结果表明所得到的LP_(11),LP_(21)模式在1530—1560 nm的波长带宽范围内均有较高的模式纯净度,且模式耦合效率高于80%,与理论模拟结果基本一致.

关键词：光纤光学少模光纤模式选择耦合器熔融拉锥

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基于孔助双芯光纤的模式选择耦合器

基于孔助双芯光纤的模式选择耦合器

作者：张家明哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

模式复用已成为克服香农非线性效应和“光纤熔丝”影响造成的单模光纤传输容量瓶颈的有效技术,模式复用系统为光传输提供了新的多路复用维度,而模式选择耦合器是实现该系统的重要关键组件之一。本文设计了一种基于孔助双芯光纤的模式选... 详细信息

模式复用已成为克服香农非线性效应和“光纤熔丝”影响造成的单模光纤传输容量瓶颈的有效技术,模式复用系统为光传输提供了新的多路复用维度,而模式选择耦合器是实现该系统的重要关键组件之一。本文设计了一种基于孔助双芯光纤的模式选择耦合器。孔助双芯光纤是一种特种光纤,由中心单模芯、悬挂少模芯和较大的偏心空气孔组成,设计的模式选择耦合器是由光源、单模光纤、锥形孔助双芯光纤相连而成。实验利用热熔融拉锥技术等比例缩小孔助双芯光纤内的各个结构,以实现两个纤芯模式的相位匹配条件。根据渐变的模态演化机理,在一个缓慢的横截面变化过程中,只要两个纤芯在拉锥区域某处传播常数相互匹配,能量就可以在中间芯基模和悬挂芯高阶模之间转移。这种模式选择耦合器可以仅仅通过改变拉锥长度实现从O波段到C波段的模式耦合,规律是随着拉锥长度的增加,耦合峰发生蓝移。该器件的创新点是实现了高阶模式在单根光纤内部的转换,器件体积小集成度高,制作简单,且转换的高阶模式纯度高,可以仅仅通过改变拉锥的长度实现波长可控型模式耦合。本文主要研究内容有:(1)利用有限元法计算了孔助双芯光纤的模式特性,以此研究不同拉锥率下其匹配波长变化情况,利用光束传播法计算了传输特性得到了理论的耦合透射谱,计算出了不同拉锥率下的耦合长度,发现其与耦合波长存在线性关系。(2)通过仿真进行实验,进行孔助双芯光纤模式选择耦合器的实验制备和测试研究。研究了锥形孔助双芯光纤1310 nm模式选择耦合器的制备方法,实现了波长从O波段到C波段的可调性模式耦合。之后对转换器进行了测试,包括偏振相关性,模式图样,LP模式纯度和1310 nm模式选择耦合器的环境温度和折射率稳定性,最后对模式选择耦合器的带宽和转换效率进行了研究,研究了串联双锥情况对模式选择耦合器的影响,一定的提高了模式选择耦合器的带宽和转换效率。

关键词：模式选择耦合器孔助双芯光纤模式耦合理论熔融拉锥

基于模式选择耦合器的柱矢量全光纤激光器关键器件研究

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基于模式选择耦合器的柱矢量全光纤激光器关键器件研究

作者：贾文增北京工业大学

学位级别：硕士

柱矢量光具有轴对称的偏振及强度分布特点,强聚焦条件下会形成一个独特且较强的局部纵向电场,在工业加工、材料处理、粒子操控、显微成像等领域具有独特的应用优势。模式选择耦合器是实现全光纤模式转换的关键器件,具有结构简单体积小... 详细信息

柱矢量光具有轴对称的偏振及强度分布特点,强聚焦条件下会形成一个独特且较强的局部纵向电场,在工业加工、材料处理、粒子操控、显微成像等领域具有独特的应用优势。模式选择耦合器是实现全光纤模式转换的关键器件,具有结构简单体积小、高转换效率、高模式纯度和优良光纤兼容性等优点,是目前最有希望获得稳定可靠柱矢量全光纤激光输出的一套技术方案。但是常规的预拉锥型模式选择耦合器仍然存在制备工艺复杂、稳定性差等技术缺陷。本文基于模式耦合理论,采用光束传播法和熔融拉锥工艺设计并制作了一款新型的免预拉锥模式选择耦合器,最终通过搭建柱矢量窄线宽全光纤激光器实验平台测试了耦合器的主要技术参数,获得了高模式纯度、高稳定性的LP模输出。本文的研究工作与具体方法如下:1.从少模光纤模式理论和耦合模式理论出发,研究了模式选择耦合器的工作原理和结构特性,分析了少模光纤内低阶矢量模与线偏振模的关系及其各自的分布特点,揭示了耦合系数和功率传输分布随耦合器结构参数的变化规律。2.首次提出一种采用Nufern 1060XP光纤和Corning SMF-28e光纤分别作为1μm波段的SMF和FMF来构建新型免预拉锥模式选择耦合器的新方法,基于光束传播法,利用Rsoft Component Suite软件对耦合器进行建模仿真,分析模式耦合过程中的能流规律。通过合理设计,从理论上获得了LP模向LP模最高转换效率的耦合结构参数:耦合区的SMF/FMF直径6.06μm,耦合区长度1125μm(或其奇数倍),纤芯间距6μm。3.基于实验室的多功能光纤拉锥熔合系统和优化后的耦合结构参数,采用熔融拉锥法完成了免预拉锥模式选择耦合器的拉制与封装。4.搭建全保偏结构的窄线宽线偏振单模运转连续/脉冲光纤激光器,分别获得了平均功率56.1/31.8 m W的连续/脉冲激光输出。注入到免预拉锥模式选择耦合器中,测得其连续/脉冲工作条件下LP模的转换效率、模式纯度、分束比、附加损耗、功率稳定性等主要技术参数,其中不低于99.6%的LP模纯度和小于0.06 d B的功率稳定性都优于同类型的模式选择耦合器。

关键词：柱矢量光模式选择耦合器全光纤窄线宽高模式纯度

熔融拉锥型光纤模式选择耦合器的理论和实验研究

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熔融拉锥型光纤模式选择耦合器的理论和实验研究

作者：赵琳楠北京交通大学

学位级别：硕士

光纤模式转换器可以实现光纤中不同横向模式之间的转换,在模式复用光纤通信系统、高阶横模光场产生等方面有着重要而广泛的应用,其常见的实现方案包括基于长周期光纤光栅、机械压力光纤光栅、光子灯笼、光纤模式选择耦合器等。其中光纤... 详细信息

光纤模式转换器可以实现光纤中不同横向模式之间的转换,在模式复用光纤通信系统、高阶横模光场产生等方面有着重要而广泛的应用,其常见的实现方案包括基于长周期光纤光栅、机械压力光纤光栅、光子灯笼、光纤模式选择耦合器等。其中光纤模式选择耦合器具有结构简单、插入损耗小、工作带宽大等优势,引起了人们的广泛关注。本文主要研究熔融拉锥型光纤模式选择耦合器,对其进行了较为深入的理论和实验研究,取得的主要研究成果如下(1)介绍了光纤中的模式的概念、分类和性质等。结合仿真分析讨论了LP01模、LP11模、LP21模和LP02模等线偏振模的光场功率密度分布。利用微扰法推导了耦合模方程,为后续模式选择耦合器的分析和设计奠定了基础(2)推导了计算不同波导之间耦合系数的积分公式,并结合超模理论讨论了基于耦合模理论的模场积分法的准确度。仿真分析了不同类型光纤之间的模式转换,包括单模-双模、单模-四模,讨论了工作波长、纤芯间距等对模式耦合特性的影响。(3)利用RSoft对光纤模式选择耦合器进行建模仿真,分析了光纤中的模式耦合过程中能量的流动。通过合理设计光纤的参数,使单模光纤中的LP01模和少模光纤中的不同高阶模式发生耦合,仿真了基模转换成高阶模式的能量流动过程。(4)分别使用普通单模光纤-自制双模光纤、普通单模光纤-商用四模光纤制作了模式选择耦合器。通过合理的设计,实现了LP01模到LP11模的转换。并测试了其性能参数:在1530nm到1560nm的波长范围内,两种模式选择耦合器均实现了 LP01模向LP11模的有效转换;单模-双模光纤模式选择耦合器的附加损耗从1.9dB降到1.4dB,模式转换效率从为1.2%增加到3.2%;单模-四模光纤模式选择耦合器的附加损耗从2.23dB降到1.68dB,模式转换效率从0.58%增加到2%。

关键词：模分复用模式耦合模式选择耦合器模式转换效率熔融拉锥

拉曼光纤激光器中脉冲矢量光束的产生及调控研究

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拉曼光纤激光器中脉冲矢量光束的产生及调控研究

作者：黄茂林深圳大学

学位级别：硕士

早期光纤激光技术的研究主要集中在纵向维度的时域和频域,此后,横向维度的激光空间域调控也成为了另一研究重点。近年来,随着激光技术的不断发展,对光场调控提出了更高的要求,激光的时空频联合调控俨然成为了领域中的研究热点,其中脉冲... 详细信息

早期光纤激光技术的研究主要集中在纵向维度的时域和频域,此后,横向维度的激光空间域调控也成为了另一研究重点。近年来,随着激光技术的不断发展,对光场调控提出了更高的要求,激光的时空频联合调控俨然成为了领域中的研究热点,其中脉冲矢量光束(空间非均匀偏振光束,如柱矢量光束、涡旋光束等)有独特的强度、相位和偏振特性,而光纤激光中脉冲矢量光束的出现由于其模式纯度高、灵活性好、脉冲宽度窄和能量高等特点,在材料加工和粒子加速领域中受到广泛关注。然而,现有的全光纤脉冲矢量光束激光器大多是基于稀土掺杂光纤,受限于其能带结构,其输出波长固定。注意到拉曼光纤激光器其输出波长仅由泵浦源的波长(任意)和拉曼增益光纤的材料共同决定,理论上其输出波长可根据实际需要任意选择。此外,拉曼光纤激光器具有低的量子缺陷,且增益介质为较长的无源光纤,可以有效降低热负载密度,理论上其在激光器的斜效率和脉冲能量等激光器性能方面将有着出色的表现。因此,本论文基于拉曼光纤激光器,充分利用模式选择耦合器的灵活可操控性,展开L波段和U波段的全光纤脉冲矢量光束激光器的深入研究,研究成果为全光纤脉冲矢量光束激光器领域中波长、脉冲能量、斜效率等受限瓶颈提供了解决方案。本论文的主要工作内容以及创新点如下:(1)针对拉曼光纤激光器所需的模式转换器件,设计和制备了高性能L波段以及U波段的模式选择耦合器。L波段模式选择耦合器具有60 nm的超宽工作带宽,0.55 d B的低插入损耗以及95%的高模式纯度;U波段模式选择耦合器的插入损耗为0.85 d B以及模式纯度为93%。该器件为实现特殊波段矢量光束输出以及提升拉曼光纤激光器的性能提供了实验基础。(2)针对全光纤脉冲矢量光束激光器腔内输出脉冲能量较低的问题,提出了将拉曼光纤激光器与模式选择耦合器相结合的方案。通过非线性偏振旋转锁模技术得到了L波段的脉冲能量高达1.1μJ高能量脉冲矢量光束,激光器的斜效率为20.3%,调控矢量模态叠加的种类和相位延迟,获得了95%以上模式纯度任意切换的脉冲矢量光束。该方案为解决全光纤脉冲矢量光束激光器中脉冲能量和激光斜效率受限的科学问题提供了一种可行的方案。(3)针对全光纤脉冲矢量光束激光器其输出波长受限的问题,利用拉曼激光器的波长灵活性,在自制的1545 nm高稳定随机光纤激光器泵浦下,获得了U波段高稳定的高斯型和“h”型脉冲矢量光束,其输出脉冲信噪比均大于60 d B。同时,对谐振腔输出的模式进行调控,获得了模式纯度大于90%的柱矢量光束。该方案不仅将输出波段拓展到U波段,而且随机光纤激光器作为泵浦源为提高拉曼光纤激光器的稳定性提供了一个新思路。

关键词：模式选择耦合器光场调控脉冲矢量光束拉曼光纤激光器