融锥型保偏光纤耦合器快轴传输特性仿真_于强
熔融度对熔锥型光纤耦合器特性的影响研究
熔融度对熔锥型光纤耦合器特性的影响研究
王建强;郭征东
【期刊名称】《通讯世界》
【年(卷),期】2024(31)2
【摘要】熔锥型光纤耦合器是一种重要的光无源器件,在光纤通信、光学传感等领域有着广泛应用。
通过实验的方法,深入研究熔融度对光纤耦合器耦合效率、光学性能和机械稳定性的影响。
通过调整加热温度和熔融时间等参数,控制光纤材料的熔融程度。
在光纤熔融拉锥过程中,采用不同的加热方式和熔融工艺,以获得不同熔融度的光纤耦合器,发现熔融度对耦合效率、光学性能和机械稳定性有重要影响。
研究结果为进一步优化熔锥型光纤耦合器的设计和性能提供了重要指导,对促进光纤通信和光学传感技术的发展具有重要意义。
【总页数】3页(P37-39)
【作者】王建强;郭征东
【作者单位】广州奥鑫通讯设备有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TN253
【相关文献】
1.熔融拉锥光纤耦合器熔锥区的红外光谱研究
2.熔锥型光纤耦合器折射率传感特性研究
3.熔融度对熔锥型光纤耦合器特性影响研究
4.熔锥型光纤耦合器扭转特性研究
5.熔锥型光纤耦合器损耗特性研究
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球形与锥形光纤探针耦合特性的研究
较快 的上升趋势 ； 间距 由０ ０ 在 ． ３ｍｍ 减 小到 ０ ０ ． ２ｍｍ 时， 耦合 效率 曲线上 升趋 势较缓 。
关 键 词 ：锥 形 光 纤 探 针 ； 合 效 率 ；锥 角 ；弓形 高 耦
中 图 分 类 号 ：ＴＮ２ ３ ５ 文 献 标 识 码 ：Ａ
文 章 编 号 ：１ ０ — ８Ｘ（０ ０ ０ — １ ４０ ０ ５４ ８ ２ １ ）３０ ６ —４
Ｃｏｕ ｌ ｇ Ｐｒ ｐ ｔｅ ｆｔ ｅ Ｏｐ ｉａｌＦｉ ｅｒｗ ｉ ｈ ｅ ａ ｄ Ｔａｐ ｒ ｐ ｉ ｏ ｅｒｉ ｓ ｏ ｈ ｔｃ ｂ ｔ Ｓｐ ｅｒ ｎ ｎ ｈ ｅ
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锥形光纤的分析与仿真
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合 ，因为模场失配 ，其耦合效率很低 ，约为 １０％左右 ，而用锥形光纤进行耦合 ，则可 以大大提高耦合效率 。 本 文用光 学设 计仿 真软件 对 锥形光 纤 进行 了研究 ，力 求找 到锥形 光纤 的几 何形 状 与耦合 效率 间 的关 系 ，以便 优化 锥形 光纤 的形状 ，提 高耦 合效 率 。
１ 锥形光纤的结构
锥形光纤的加工方法常见 的有化学腐蚀法、研磨法和熔拉法 ，其 中熔拉法是最为广泛采用的方法 引。
本 文所指 的锥 形 光 纤 就 是 用 熔 拉 法 制 作 的 。熔 拉 法 制作 的光纤 锥 的特点 是光纤 的包层 和纤 芯 的直径 沿光 纤轴 向均逐 渐 变细 ，一般 可认 为在整 个锥 区 ，包层 和纤 芯的直径之 比保持恒定 ，如图 １所示 ，其相应的几何结 构剖面图如图２所示。其 中 ｆ是光锥长度 ， 是光锥锥 度 ，ｎ是光纤 锥 的粗端 半径 ，ｂ是 尖端半 径 。通过 简单 计
随着光纤技术的飞速发展 ，光纤在信息社会 的诸多领域起着越来越重要 的作用。锥形光纤因其独特的 结 构和 性能优 势 ，在 许多 领域 得 到 了越 来越 广泛 的应 用 。 因此 ，研究 锥 形光 纤 的结构 与 特 性 ，对锥 形 光 纤 的 应用至关重要 。本文的主要工作就是研究锥形光纤的几何形状对其性能的影响 ，明确不 同形状的锥形光纤 所具有的性能差异 ，为优化锥形光纤 的几何形状 、更有效 的加工 出符合性能要求的锥形光纤提供参考 ，从而 促进锥形光纤 的合理应用。
收 稿 日期 ：２００７—０４—０２ 作者简介 ：薛春荣 （１９７２一 ），女 ，山东济宁人 ，常熟 理工学院物理 与 电子 科学 系讲 师 ，中科 院上海 光学精密 机械研究 所博
士研 究生 ，主要研究方 向：光学 、光 电子 、光学薄膜 。
熔融拉锥型光纤宽带耦合器特性研究
熔融拉锥型光纤宽带耦合器特性研究
随着现代社会不断发展与繁荣，对通信设备技术的需求也日益增长。
为了满足不断增长的需求，研究者们不断开发新技术来提高传输性能，其中有一项重要的技术就是光纤耦合器。
光纤耦合器是一种特殊的电缆连接器，它可以利用熔融拉锥光纤宽带耦合器来实现高速传输数据。
本文旨在探讨熔融拉锥型光纤宽带耦合器的特性。
首先，熔融拉锥型光纤宽带耦合器采用熔融拉锥型技术，能够达到高折射率（约为15%）和高耦合系数（约为90%）。
它的折射率与折射损耗均高于普通类型耦合器，从而可以提高传输速度，传输效率更高。
此外，它有良好的抗电磁兼容性，可以有效地抑制外部电磁场对光纤耦合器的影响，从而有效地保证传输的稳定性和准确性。
其次，熔融拉锥型光纤宽带耦合器还具有很强的稳定性和可靠性，而且它的绝缘性也非常好。
在高温、高湿度和恶劣环境下，它仍然能够保持良好的输出性能。
此外，由于熔融拉锥型光纤宽带耦合器的结构简单，因此它可以省去生产和安装的时间成本，Installing and production time is also saved due to its simple structure.
第三，熔融拉锥型光纤宽带耦合器还具有耐用性，特别是在耐磨性方面。
由于它的表面与容量和抗压强度都很高，因此它可以有效地抵御外界的强压，也可以防止长期磨损。
- 1 -。
光纤熔融拉锥中拉力控制方法与电磁力仿真
光纤熔融拉锥中拉力控制方法与电磁力仿真张伟;荣伟彬;王乐锋;路遥;孙立宁【摘要】针对保偏光纤耦合器熔融拉锥制造过程中拉力控制问题,提出一种新的计算机在线拉力控制方法. 拉力控制系统由计算机、拉伸机构、圆光栅及控制电路组成,通过检测光纤支架的旋转角度、改变线圈中的电流,控制永磁铁与线圈间的电磁力,实现对拉伸力的实时控制. 分析电磁力和拉力的关系,建立永磁铁和线圈的三维有限元模型,确定永磁铁的运动轨迹,并对通电线圈的磁场分布和电磁力进行仿真,得到线圈中的电流、支架旋转角度和拉力的关系式. 仿真结果表明拉力控制良好,控制误差约为1.03%.%According to the problem of drawing force control in the fused biconical tapering process of polarization maintaining fiber ( PMF ) coupler, an online computer control method of drawing force is presented, which includes the computer, drawing mechanism, rotary position encoders and a control circuit. By detecting the rotation angle of fiber clamp, the electro-magnetic force can be controlled through changing the coil current, and the real-time control of drawing force is realized. Firstly, the relationship between the electromagnetic force and drawing force is analyzed, a 3D finite element model of the permanent magnet and the coil is established, and a trajectory equation describing the permanent magnet is obtained. Then, by simulation of the magnetic field and the electro-magnetic force around the coil, the relationship among the coil current, the rotation angle of fiber clamp and the drawing force is determined. At last, by simulation, the drawing force is controlled within an error of 1.03%.【期刊名称】《哈尔滨工业大学学报》【年(卷),期】2015(047)007【总页数】6页(P62-67)【关键词】保偏光纤;熔融拉锥;电磁力;力控制;有限元仿真【作者】张伟;荣伟彬;王乐锋;路遥;孙立宁【作者单位】机器人技术与系统国家重点实验室(哈尔滨工业大学) , 150080 哈尔滨;机器人技术与系统国家重点实验室(哈尔滨工业大学) , 150080 哈尔滨;机器人技术与系统国家重点实验室(哈尔滨工业大学) , 150080 哈尔滨;机器人技术与系统国家重点实验室(哈尔滨工业大学) , 150080 哈尔滨;机器人技术与系统国家重点实验室(哈尔滨工业大学) , 150080 哈尔滨【正文语种】中文【中图分类】TU398保偏光纤耦合器是应用保偏光纤制作的光耦合器，是实现线偏振光耦合、分光以及复用的关键器件，广泛应用于光纤传感和相干通信中［1-2］.熔融拉锥［3-4］是将光纤两端固定并使其具有一定的张力，加热光纤，使其受热部分处于熔融状态，同时在两端拉伸光纤，使受热部分即光纤熔锥区形成锥型或者哑铃型，此方法是保偏光纤耦合器制造中最重要的方法.与磨抛法和腐蚀法相比，熔融拉锥具有热稳定性好、器件附加损耗小的特点.熔融拉伸过程由拉伸速度、熔融温度和拉力3个工艺参数共同控制，其中光纤两端的拉力直接影响保偏光纤耦合器的性能.目前，光纤拉锥系统通常是由拉锥运动部分、加热部分和光纤装夹部分等组成.拉锥运动部分采用精密步进电机(直流电机)运动平台，由计算机实现对拉伸速度的控制.拉伸力由运动平台的运动产生，当运动平台的速度不同时，其产生的拉伸力也不同.光纤的主要成分是石英玻璃，是一种热黏弹性材料，黏弹性变形和加热温度有关，因而当运动平台的运动速度不变时，光纤的加热温度不同，其黏弹性变形不同，由运动平台产生的拉力也不同，因此很难对拉伸力进行实时控制［5-8］.PAL等［9］在熔融拉锥运动平台上安装弹簧，解决了光纤在拉伸过程中光纤的两端拉力突然变化的问题;但是当弹簧的伸长不相同时，光纤受到的拉力也不同，不容易实现拉伸过程中的拉力控制.吕迅等［10］在拉锥机构内侧安装高敏感度的张力传感器，通过调节拉锥电机的速度控制张力的大小，因而张力在一定范围内波动.针对保偏光纤耦合器制作过程拉力控制问题，本文提出了一种计算机在线拉力控制方法，通过检测光纤支架的旋转角度、控制线圈中的电流，进而实现拉力的控制.介绍拉力控制系统的组成及其工作原理，对运动中的永磁铁和线圈之间的电磁力进行三维有限元仿真，通过仿真结果建立线圈电流、支架旋转角度与电磁力的数学关系，并且验证了该方法的可行性.1 拉力控制系统组成及工作原理保偏光纤熔融拉锥拉力控制系统原理如图1所示，主要由拉伸机构、电磁线圈、圆光栅、DA输出卡、运动控制卡和计算机等组成.拉伸机构有鼓轮连接片、联动鼓轮、光纤支架以及底座等构成如图2所示.图1 保偏光纤熔融拉锥拉力控制系统原理图2 保偏光纤熔融拉伸机构结构控制系统工作原理如下:计算机经DA输出卡控制输出电压，控制线圈中电流的大小，电流经通电线圈产生磁场，并与光纤支架上的永磁铁作用产生相互吸引的电磁力，由此光纤支架产生拉力.同时，由于两个鼓轮之间有两片连接片连接，因而两鼓轮在垂直面内的旋转运动过程中是联动的.圆光栅的玻璃盘和鼓轮连接在一起，圆光栅可以检测出鼓轮旋转角度的变化，进而得到当前光纤支架的旋转角度，由此根据光纤支架的长度计算得到光纤的拉伸长度.采用云杉素将光纤固定在光纤支架上，光纤在加热源和光纤支架拉力的作用下，完成熔融拉锥运动.拉伸机构采用超薄弹片连接，薄片的弯曲弹力相对于拉伸力可以忽略，两侧光纤支架产生的拉力相等，并且两侧光纤支架旋转的角度相同.当光纤支架旋转角度在0°～5°时，能够满足光纤熔融拉锥的要求.单个光纤支架的受力分析如图3所示，光纤支架的力矩平衡关系为式中:Mb2(Mb1)为左(右)支架上的连接片与其紧固螺栓产生的力矩;Mf2(Mf1)为左(右)支架旋转过程摩擦力产生的力矩;MG6(MG2)为左(右)支架下端配重产生的力矩;MG5为左支架产生的力矩;α为支架中心线与垂直方向的夹角;MG3为右支架、永磁铁及固定架产生的力矩;F1为右支架产生的拉力;LF为当α=0°时，F1到支架旋转中心O1的距离;Lm为当α=0°时，电磁力Fm到支架旋转中心O1的距离;Mc为连接片产生的力矩.图3 单个光纤支架受力图由式(1)可知，调节左支架下端配重的位置，改变力矩MG6的大小，使Mc=0.由式(2)可知，当F1=0，Fm=0，调节右支架下端配重的位置，改变力矩的MG2大小，使其满足光纤支架整体的受力如图4，满足力矩平衡光纤支架的支撑轴承采用精密深沟球轴承支撑，精密深沟球轴承的摩擦系数约为0.001 0～0.001 5，在光纤支架旋转中摩擦力很小，相对拉力可以忽略，将式(3)简化为图4 光纤支架整体受力示意在拉伸过程中，永磁铁的运动轨迹是空间弧线，永磁铁和线圈之间的距离变化，当线圈中的电流恒定时，线圈和永磁铁的电磁力变化，因此光纤支架产生的拉力发生改变.2 电磁力的分析与仿真2.1 理论分析圆柱型永磁铁是最常用的永磁铁之一，广泛地应用在编码器、制动器、马达等器件中.对于一个高度为Z0，半径为a的圆柱型永磁铁，磁化方向是沿着Z向磁化，外部磁场分布在(r，θ，z)的磁感应分布 B 为［11-12］式中:K(k)和E(k)分别是第一类和第二类完全椭圆积分，且在电磁场中，常用计算电磁力的方法有3种:洛伦兹力(Lorenz Force)法、麦克斯韦应力张量(Maxwell Stress Tensor)法和虚位移(Virtual Work)方法［13］.其中，洛伦兹力方法适合于计算载流体在磁场中的受力.永磁铁受到的电磁力Fm与通电线圈受到的电磁力Fc为一对作用力与反作用力，根据牛顿第三定律和洛伦兹力定律，永磁铁受到的电磁力为式中:f为线圈单位体积受到的电磁力，J为线圈的电流密度，B为线圈受到的磁感应强度.2.2 有限元分析在支架的运动过程中，圆柱型永磁铁进入线圈的通孔中，采用二维仿真计算无法准确计算出电磁力.为了计算的准确性，本文建立三维的仿真模型，以光纤支架的旋转中心为原点建立OXYZ三维坐标系，如图5所示.线圈支架的材料为尼龙，是绝缘材料，在仿真中可将线圈简化.钕铁硼有极高的磁能积和矫顽力，同时具有高能量密度的优点，因此选取钕铁硼作为永磁铁［14］.永磁铁的外形尺寸为Φ 6 mm×10 mm，由高斯计GV-300测得表磁为389 mT.线圈高度为40 mm，内径为20 mm，外径为30 mm，匝数为1 756匝.在光纤支架运动过程中，永磁铁与YOZ面的夹角随着运动角度变化.永磁铁在XOY平面运动示意图如图6所示:假设永磁铁中心 B点的坐标为(px，py)，则光纤支架旋转θ后，永磁铁的中心轴与水平面夹角为θ，B点的坐标为图5 电磁力仿真模型图6 永磁铁运动示意建立立方体空气场来模拟空间的磁场分布情况，取立方体的边长130 mm，边界采用磁绝缘边界条件，即磁矢位n×A=0，选择初始值磁矢能为0 Wb/m［15-16］.网格划分采用自由四面体划分，为了提高计算的精度和速度，对线圈和永磁铁采用细化的网格划分，对立方体空气场采用标准的网格划分.划分后的有限元网格数为44 743，划分后的网格如图7所示.图7 网格划分线圈中通入0.15 A电流时，在X=35 mm通电线圈的磁场分布如图8，图9是AB上磁感应强度的分布图，其中AB穿过线圈的中心轴.图8 X=35 mm的磁感应分布图9 AB上磁感应强度分布由图8和9可知，通电线圈上方的磁感应强度与到线圈中心轴的距离有关，当距离小于线圈的内径(20 mm)时，随着距离的减小，磁感应强度逐渐减少，在线圈中心轴上的磁感应强度最小为5.147 mT，与通过解析式［17］得到的 5.196 mT基本相同.AB上的磁感应强度最大值与最小值相差0.3 mT，磁感应强度的变化率较小.当距离为线圈的内径时，磁感应强度最大，随着距离的增大，磁感应强度急剧减小.图10为Z=0时的磁感应强度分布图，图11为CD线上的磁感应强度分布图，其中C、D为线圈中心轴的两点，其两点关于线圈垂直轴对称，可以看出，通电线圈磁感应强度分布关于线圈垂直轴对称，沿着线圈中心轴上磁感应分布是先减少后增大，在线圈中心达到最大值，在线圈的右轮廓附近，磁感应强度的变化接近线性变化.图10 Z=0的磁感应分布图11 CD上磁感应强度分布2.3 结果与讨论线圈周围的磁感应强度与其通入的电流有关，因而永磁铁上的电磁力与电流有关，图12为旋转角度θ=0°时，电磁力与线圈中电流的关系图，通过最小二乘拟合得到线圈中的电流与电磁力是线性关系，关系表达式如下:式中:Fm为永磁铁产生的电磁力(N)，Ⅰ为线圈中的电流(A).图12 θ=0°时，电磁力与电流的关系当支架旋转角度θ发生变化时，永磁铁的位置发生变化，线圈周围的磁场会发生变化，永磁铁产生的电磁力也发生变化.图13为线圈中的电流恒定时，支架的旋转角度与电磁力的变化关系图.当电流恒定时，旋转角度θ与电磁力Fm呈线性关系，但当电流变化时，电磁力Fm和旋转角度θ的线性关系也发生变化.定义电磁力变化率KFθ为当线圈中的电流恒定时，电磁力变化与旋转角度变化的比值，即式中:ΔFm为永磁铁上电磁力的变化(N)，Δθ为支架旋转角度θ的变化(°).图13 支架旋转角度与电磁力的关系图14为电磁力变化率和线圈中电流的关系图，可以看出电磁力变化率与线圈中的电流呈线性变化，通过最小二乘拟合得当支架旋转角度不同时，线圈电流与电磁力的线性关系不同.定义电磁力标定值KFⅠ为光纤支架旋转角度不变时，电磁力变化与电流变化的比值，即式中:ΔFg为永磁铁上电磁力的变化(N);ΔⅠ为线圈中电流的变化(A).图15为电磁力标定值和旋转角度的关系图，由图可知，电磁力标定值与支架的旋转角度呈线性变化，关系表达式为由式(5)～(7)得到 Fm、Ⅰ、θ的关系式为由式(4)和式(8)可得到F1、Ⅰ和θ的关系式为图14 电流与电磁力变化率的关系图15 支架旋转角度与电磁力标定值的关系当拉力F1为定值时，由式(9)可以得Ⅰ和θ的关系，如图16所示，当拉力保持恒定时，输入的电流随着光纤支架旋转角度的增大而减少.当光纤支架旋转角度改变时，通过改变线圈的电流，改变电磁力，实现拉力的控制，图17中为通过控制线圈中的电流得到拉力和光纤支架旋转角度的关系图，由图中看出拉力基本保持恒定，控制误差为1.03%.因此当光纤支架的旋转角度改变时，改变线圈中的电流，改变电磁力，实现光纤支架拉力的控制.图16 拉力恒定时电流和光纤支架旋转角度关系图17 控制电流后光纤支架旋转角度与拉力的关系3 结论1)本文提出了一种实时拉力控制方法，保偏光纤熔融拉锥拉力控制系统由计算机、拉伸机构、圆光栅和控制电路等组成，通过检测光纤支架的旋转角度，控制线圈中的电流，实现对拉力的实时控制.2)对拉伸机构进行受力分析，确定了拉力和电磁力之间的关系.建立了拉伸机构的三维空间模型，确定了永磁铁空间运动轨迹.3)对永磁铁和线圈之间的电磁力进行三维有限元仿真，通过计算得到了线圈中的电流、支架旋转角度与拉力的关系，并且通过仿真验证了该方法的控制误差为1.03%.该方法对保偏光纤耦合器的制造具有重要的指导意义.参考文献［1］DAVÉ D P，AKKIN T，MILNER T E.Polarization-maintaining fiber-based optical low-coherence reflectometer for characterization and ranging of birefringence［J］.Optics letters，2003，28(19):1775-1777. ［2］孟克，鲁标，李艳昌，等.水声信号的光纤DSPI检测［J］.哈尔滨工业大学学报，2004，36(8):1118-1120.［3］KAWASAKI B S，HILL K O，LAMONT R G.Biconicaltaper single-mode fiber coupler［J］.Optics Letters，1981，6(7):327-328.［4］ LAMONT R G，JOHNSON D C，HILL K O.Power transferin fused biconical-tapersingle-mode fiber couplers:dependence on 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International Journal of Robotics Research，2009，28(8):1077-1094.。
光纤耦合器熔融拉锥粘弹性建模与分析
先将 KWW 函数表达式拟合为相应的广义 Maxwell 模型 , 求出此时的 Maxwell 模型参数 。
1. 1 光纤玻璃的 Max well 模型松弛模量
函数 G( t) 为剪切松弛函数 , 它表示产生并维持 单位应变所需要的应力 , 为单调递减函数 。 采用广 义 Maxwell 模型表示为 :
・8 0 ・
中南大学学报 ( 自然科学版) 第 37 卷
1 光纤玻璃的本构方程
在等温 ( T0 ) 条件下 , 光纤玻璃高温流变特性的 积分型本构方程为[ 4 7 ] : σ( T0 , t) =
t
) τ+ 2 G( T , t - τ d τ d ∫
G ( t) d t = Gτ 。 ∫
0 1 0
∞
2 时温等效原理
玻璃是一种热流变材料 , 其应力2应变关系不仅 与时间有关 , 而且与温度有关 , 并遵循 “时温等效” 原理 。 在利用熔融拉锥法制作光纤耦合器时 , 光纤 玻璃处在火焰的温度场中 , 其温度分布为空间变化 的函数 。 利用上述关系无法确定温度变化条件下的 松弛模量函数 , 由于玻璃材料在相当宽的温度范围 内遵循 “时温等效" 原理 [ 12 14 ] , 利用 “时温等效” 原理 可解决这一问题 ,“时温等效” 原理可表示为 :
第 1 期 帅词俊 , 等 : 光纤耦合器熔融拉锥粘弹性建模与分析
・81 ・
τ k ( T) =
τ k ( T0 ) 。 A ( T , T0 )
( 9)
温度 。 将测得的温度利用插值法对光纤的上下表面 进行加载 。 设光纤某一点的横坐标为 x , 其相邻已 测 2 点的横坐标为 X n - 1 和 X n , 温度分别为 T X n - 1 和 TXn 。 且 X n - 1 < x < X n , 则 x 点的温度为 : T X n ( x - X n - 1 ) + T X n - 1 ( X n - x) Tx = 。 ( 11) Xn - Xn- 1
保偏光纤偏振耦合测量技术及应用 技术发明
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熔锥型侧面泵浦耦合器的研究
书书第卷第期年月应用光学 文章编号 熔锥型侧面泵浦耦合器的研究李瑞辰张鹏庞璐宁鼎刘铁根中国电子科技集团公司第四十六研究所光纤部天津摘要现在高功率光纤激光器和光纤放大器采用的双包层掺杂光纤相对于从半导体泵浦激光器发射出的多模泵浦光束的大发散角其内包层的直径很小因此把泵浦光有效地耦合到双包层掺杂光纤的内包层是一个急需解决的难题。
研制一种熔锥型侧面泵浦耦合器可以大幅度提高泵浦光功率实现增益光纤的多点泵浦在双包层光纤放大器中使用良好安全稳定实现了较高的耦合效率达到了信号光通过率 信号输入与泵浦输入的隔离度大于泵浦输入对输出端反向传输光的隔离度。
通过对比结构紧凑性、耦合效率、系统稳定性等相关指标发现熔锥型侧面泵浦耦合器完全可以满足高功率光纤激光器和光纤放大器的使用要求。
关键词双包层光纤熔融拉锥侧面泵浦耦合器中图分类号文献标志码犉狌狊犲犱犫犻犮狅状犻犮犪犾狋犪狆犲狉狊犻犱犲狆狌犿狆犲犱犳犻犫犲狉犮狅狌狆犾犲狉 犃犫狊狋狉犪犮狋犓犲狔狑狅狉犱狊 收稿日期 修回日期 基金项目国家 计划作者简介李瑞辰 男河北肃宁人硕士工程师主要从事光无源器件开发的研究工作。
引言光纤激光器具有光束质量好、结构紧凑、体积小、质量轻、易散热、工作稳定等众多优点。
在大功率光纤激光器和放大器的研究中实现泵浦光功率高效、安全的耦合是其关键技术之一目前的泵浦方法主要包括光纤端面泵浦和光纤侧面泵浦两种。
现有的侧面泵浦耦合技术主要有槽侧面泵浦耦合、嵌入反射镜式泵浦耦合、角度磨抛侧面泵浦耦合和熔锥侧面泵浦耦合等。
通过对比结构紧凑性、耦合效率、系统稳定应用光学李瑞辰等熔锥型侧面泵浦耦合器的研究性、制作难易程度等相关指标发现采用熔锥侧面泵浦耦合具有很大的优势。
本文中使用熔融拉锥方法制作的侧面泵浦耦合器在双包层光纤放大器中使用良好安全稳定实现了较高的耦合效率达到了信号光通过率 信号输入与泵浦输入的隔离度大于泵浦输入对输出端反向传输光的隔离度。
制作原理熔锥侧面泵浦耦合可以大幅度提高泵浦光功率实现增益光纤的多点泵浦。
保偏光纤耦合器熔拉原理
保偏光纤耦合器熔拉原理
保偏光纤耦合器是一种常用的光纤器件，它可以将两条光纤的光束耦合在一起，实现光信号的传输。
保偏光纤耦合器的特点是可以保持光信号的偏振状态不变，适用于需要保持光偏振状态的应用场景。
保偏光纤耦合器的制作原理是通过熔拉技术将两条光纤熔接在
一起。
具体来说，先将两条光纤的保偏光纤芯线沿着同一方向拉伸，并且保持两条光纤的光轴完全一致。
然后将两条保偏光纤的端面熔接在一起，形成一个小交叉区域。
在这个区域中，两条光纤的光束会互相耦合，形成一个复合的光束。
由于两条光纤的光轴完全一致，所以复合光束的偏振状态也会保持不变。
保偏光纤耦合器的熔拉过程需要非常精确的控制，以保证两条光纤的光轴完全一致，并且保持一定的接触度和熔接角度。
通常采用类似于激光熔接的技术，通过加热和压力控制，使得两条保偏光纤形成高质量的熔接点。
保偏光纤耦合器在光通信、光学传感、生物医疗等领域都有广泛应用，其高精度的制作技术和保持光偏振状态的特性，使得其成为光学器件中不可或缺的一部分。
- 1 -。
熔锥光纤的特性研究
Ｋｅ ｒ ｓ ｔｐ ｒｄ ｆ ｅ ；ｔａ ｓ ｓ ｉｎ ｐ ｏ ｅ ｙ ｏ ｐ ｉｇ ｐ ｏ ｅ ｙ ｏａ ｉａｉｎ ｐ ｏ ｅ ｙ；ｍｏ ｕ ａ ｉｇ ｐ ｏ ｅ ｙ ｙ ｗｏ ｄ ： ｅ ｅ ｂ ｒ ｒ ｎ ｍｉｓ ｒ ｐ ｒ ；ｃ ｕ ｌ ｒｐ ｒ ，ｐ ｌｒ ｔ ｒ ｐ ｒ ａ ｉ ｏ ｔ ｎ ｔ ｚ ｏ ｔ ｄ ｔ ｒｐ ｒ ｌ ｎ ｔ
可认 为在 整个锥 区 ， 层 和纤 芯 的直 径 之 比保 持恒 包
定 ， 单根 光纤 制成 的光纤 单锥 如 图 １所示 。 用 在熔拉 锥 中 ， 芯 和包 层 的半 径按 其 初 始 的 比 纤
基金项 目： 国家 自然科学基 金资助项 目（ ｏ６ ８７ １ ） Ｎ ．９ ７０ ４ ： 作者简介 ： 薛春荣 （９ ２一） 女 ， １７ ， 硕士 ， 常熟理 工学院 物理与 在 电子科学 系任教 ， 主要 从事光学 光电子 方面 的研 究 。Ｅｍａ ：ｅ１３ — ｉ ｘｒ６ ｌ
１ 引 言
单根 （ 如光 纤探针 ） 多根 （ 或 如耦合 器 、 波器 等 ） 滤 单 模光纤 以一 定 的方式放 置 ， 在高温 下使 其熔 融 ， 顺轴
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 一 门对 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 。从 理 论 上 讲 ， 除 了光 非互 易 器 件 以外 ， 可 以 开 发 其 它 各 类 器 件 。 它 到 目前 为 止 ， 可 以生 产 各类 混 合 器／ 路 器 、 它 分 衰减 器、 宽带／ 窄带／ 至密集 波分 复用器 和全光纤 Ｉｔｒ 甚 ｎｅ．
熔锥光纤器件的锥区特性
收稿日期： ２００６－ ０３－ １６。 基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ ６９８７７０１４） 资助。 作者简介： 薛春荣（ １９７２－ ） ， 女， 山东人， 硕士， 讲师， 主要从事光电子、光 通信方面的研究（ 电子邮件： ｘｃｒ１６３＠１６３．ｃｏｍ） 。
图 １ 光纤双圆锥体， 实线表示包层， 虚线表示是纤芯
度的变化而周期性变化， 而耦合强度随输入光波长的
增大而增大［３］。
本文设计
了测量了如图
２ 所示的两光
纤锥形区相对
位置对其耦合
效率的影响， 测
量 结 果 如 图 ３、
图 ３ 电流随垂直距离的变化关系
４、５ 所示。 如果让两
光纤间的垂直
距离和重形光
纤互相靠近的
两侧面间距离
不变， 如让图 １
机理可以用瞬逝波进行分析， 即通过熔拉两根光纤使
两光纤的纤芯互相充分靠近时， 两个基模通过瞬逝波
变为耦合模， 因而功率可以互易地由一根光纤转移到
另 一 根 光 纤 。 功 率 转 移 的 大 小 与 输 入 的 光 波 长 、两 光
纤的纤芯间距以及互相作用长度有关。根据光波导理
论可得出， 输出光功率随着传输光的波长和耦合区长
图 ４ 当两光纤间距离不变时， 电流随重叠长度的变化
中光纤 １ 的锥 形上表面和光
纤 ２ 的锥形下
表面互相紧贴，
可作出图 ５ 所
示的关系曲线。
从以上图
表可以看出，
图 ５ 两锥形光纤相对两侧面紧贴时， 电流随重叠长度的变化
两光纤间的距 离和两锥形端
!"# 光通信技术 ２００６ 年第 ６ 期
图 ６ 偏振特性实验
实验证明， 锥形光纤锥形端的几何形状对光的传 输和耦合影响极大。对于如光学显微镜用光纤探针等 利用单锥体工作的熔锥器件， 锥体的形状尤其重要。 在制锥过程中， 可以通过控制成锥的速度， 来控制锥 体的结构， 从而研制出高性能的熔锥形光纤器件。
熔锥型保偏光纤耦合器分光比的依赖性研究_唐尊伟
收 稿 日 期 ：2011-08-10 ； 修 订 日 期 ：2011-11-30 基 金 项 目 ： 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 (973 计 划 )(20101CB328206) ； 国 家 自 然 科 学 基 金 (60977033 ，61177082) 作 者 简 介 ： 唐 尊 伟 (1985-) ， 男 ， 硕 士 ， 主 要 从 事 特 种 光 纤 及 器 件 的 研 究 。 导 师 简 介 ： 娄 淑 琴 (1965-) ， 女 ， 教 授 ， 博 士 生 导 师 ， 博 士 ， 主 要 从 事 光 通 信 、 光 传 感 及 光 器 件 等 领 域 的 研 究 。
率 ； Ux/y、Wx/y、Vx/y 分 别 对 应 快 轴 和 慢 轴 的 光 纤 参 量 。 由于熔融拉锥后光纤的纤芯大大缩小， 可作无芯处
理，纤芯中心距也变为微米量级，所以在耦合器的熔
锥区，光绝大部分在光纤包层中传输，即出现包层―
空 气 的 新 波 导 结 构 。 新 波 导 结 构 包 层 折 射 率 n2 通 常 取空气折射率 1。
当光纤受到外力作用时，由光弹效应，快慢轴的
折 射 率 nx、ny 满 足[7]： nx =nx0 +C1 σx +C2 σy (5) ny =ny0 +C2 σx +C1 σy
式 中 ：nx0 、ny0 分 别 为 无 外 力 作 用 时 快 慢 轴 的 折 射 率 ；
C1 、C2 为 光 弹 系 数 ；σx 、σy 分 别 为 快 慢 轴 方 向 的 应
n1x =n1 +Bx
n1y =n1 +By
(7)
B=λ/LB =By -Bx
熔锥型保偏光纤耦合器耦合系数分析
光纤陀螺和水声器的基础元件之一－ 。文献［］ １ Ｊ ２对此类耦合器 的耦合性能进行 了报道 ， 但仅限于两根光
ＷＡ ＮＧ ｉ’ ，ＩＥＮ ｕ ＷＵ ．ｅ Ｌ ｂ ｎ－ｉ Ｊｎ ｅ Ｚ－ Ｇ Ｙ ， Ｉ Ｙｕ１ ， ＩＳ ｇｙ ｉ ｅ
（ ｏｅｅ０ ｅａｏｉ ｎｉｅｒ ｇａｄＡ ｔ ｔｎ Ｎ ｔ ｎｌＵ ｉ．０ ｅ ｎｅＴｃｎｌｇ，Ｃ ａｇｈ １０ ３ Ｃ ｉａ Ｃ ｌ ｇ ｆ ｈｔ ｎ ｓＥ ｇ ｅｉ ｕｏ ｉ ， ａｏａ ｎｖ ｆ ｆ ｓ ｅｈ ｏ ｙ ｈｎｓａ４０７ ， ｈ ） ｌ Ｍｅ ｒ ｅ ｎ ｎ ｎ ｍａｏ ｉ Ｄｅ ｏ ｎ
文章 编号 ：０ １ ４ ６２０ ）２ １３—０ １０ —２ ８ （０７ ０ —０ ２ ４
熔 锥 型 保偏 光 纤 耦 合器 耦 合 系数 分 析
王金娥 ， 郑 煜， 吴宇列 ， 李圣怡
（ 国防科技大学 机 电工程与 自动化学院 ， 湖南 长沙 ４０７） １０３
摘 要： 耦合系 数会 直接 影响到偏振光经过耦合器熔锥 区后 的光 能量分布 ， 从而 影响保偏光纤 耦合 器 的
Ｋ ｙｗ ｒｓｐｌ ｚｉｎｍ ｉｔｎ ｇｆ ｅ；ｂｒ ｕｌ ； ｓｄｔ ｅ； ｕ￣ ｃｅｉｅｔ ｅ ｏｄ ：ｏ ｒ ａｏ－ ａ ａ ｉ ｂ ｒｆｅ ｐ ｒｆ ｅ－ ｐｒｃ ｐ ａ ｔ ｉ ｎｉｎ ｉ ｉ ｃ ｅ ｕ ｏ ａ ｏ ｏｆｃ ｎ ｉ
熔 锥 型保偏 光纤 耦合 器 是各种 军用 干 涉型 传感器 和相 干光 通 信 的关 键 器 件 ， 是构 成 高精 度 高 性 能
Ａｂ ｔａ ｔ Ｃ ｕ ｌ ｇ ｃ ｅｆ ｉｎ ｉ ｉ ｔ ｆ ｅ ｃ ｅ ｌ ｈ ｉｔ ｂ ｔ ｎ ｏ Ｋ ｅ ｙ ｐ ｌｒ ｅ ｇ ｔ ｈｏ ｇ ｅ Ｆ ｓ ｄ Ｔ ｐ ｒｄ ｚ ｎ ｓｒ ｃ ： ｏ ｐｉ ｏ ｆ ｃｅ ｔ ｌ ｄ ｒ ｌ ｉｌ ｎ ｅ ｔ ｇ ｔ ｓ ｉｕｉ ｆ ｎ ￣ ｏａｉ ｄ ｌ ｈ ｒｕ ｈ ｔ ｕ ｅ － ａ ｅ ｅ ｏ ｅ ｎ ｉ ｗ ｌ ｅ ｙｎｕ ｃ ｈ ｉ ｄ ｒ ｏ ｚ ｉ ｔ ｈ
激光在锥形多模光纤中的耦合效率与传输模式
斜入射角下入射大尺寸锥形多模光纤的耦合效率和设置光源为理想高斯光源具有一定的高斯型发传输模式并仿真解决了圆环状输出光斑的问题同散角束腰中心处于锥形光纤中轴线的反向延长线时设计进行了光学实验验证了仿真结果有效解决上距离锥形光纤前端面2mnl束腰半径为2lntn光了激光干扰设备介入半实物仿真系统的问题
第４ ２卷 第 ２期
Ｈｕ Ｘｉ ｎ，Ｚｈ ａ ｎｇ Ｗｅ ｎ ｐ ａ ｎ，Ｙｉ ｎ Ｒｕ ｉ ｇ ｕ ａ ｎ ｇ ，Ｌｉ Ｈｕ ｉ ，Ｚｈａ ｏ Ｌｉ ｎ ｆ ｅ ｎ ｇ，Ｌｉ ｕ Ｙａ ｎ ｆ ａ ｎ ｇ
（ Ｕｎ ｉ ｔ ６ ３ ８ ９ ２ ｏ ｆ Ｐ Ｌ Ａ， Ｌ ｕ ｏ ｙ ａ ｎ ｇ ４ ７ １ ０ ０ ３ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
保偏光纤定轴技术的仿真及实验分析
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Simulation on Fast-Axis Transmitting Characteristics of Fused Polarization Maintaining Optical Fiber Couplers
YU Qiang, HAO Yan-ling, LI Xin, ZHANG Yong-gang
Slow Slow Fast Slow-Axis Input PM Fiber Coupler
β1 + β 2
2
是两个传播常数的平均值；
F = [1 +
( β1 − β 2 ) 2 − 1 ] 2。 4C 2
[7,14]
利用两根相同单模光纤拉制的融锥型耦合器在弱导近 似下耦合方程的耦合系数为
C=
(2∆ ) U K 0 (Wd / r ) rV 3 K12 (W )
(Department of Automation, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)
Abstract: Based on the coupling theory of wave guide, the transmitting characteristics on fast-axis of fused polarization maintaining optical fiber couplers were researched theoretically and experimentally. The theoretical analysis shows that, the optical fiber devices have the characteristics of low excess loss and good temperature stability when they work in the model of fast axis. Experimental results show for the polarization maintaining couplers with the same producing process, when polarized light wave was injected along the fast axis, the excess loss was half lower than along the slow axis, and all-temperature stability of the splitting ratio was elevated doubling. Thus, while the application of fused polarization optical fiber coupler, the rational using of the advantages of fast axis alignment can be obtained more excellent optical performance. Key words: fused biconical taper; polarization maintaining optical fiber coupler; fast-axis; coupling coefficient
Fast-Axis Input Fast
图 3 融锥型保偏光纤耦合器快慢轴传输模型[15]
(4)
保偏光纤也是一种特殊的单模光纤，但由于其对称应力区的 影响，导致光纤参量 U、W 和 V 等在横截面各方向上取值有所差 异，从而使得耦合系数与方向有关。考虑到电场的可正交分解， 将单模光纤耦合器的耦合系数分解为沿快慢轴向的一对正交态[12]
[7]
1
融锥型光纤耦合器的耦合机理
光纤耦合器是基于光波导的渐逝场耦合原理[7,13]实现光
波的分光与和光。目前，这种渐逝场光纤耦合器通常采用熔 融拉锥的方式进行制作。 图 1 是熔锥型光纤耦合器的耦合示 意图[6,14]。
加宽的模式 输入P0 输出P1 输出P2 耦合区
图 1 熔锥型光纤耦合器的耦合示意图
P2 0 0 5 10 15 Length /mm 20 25
图 2 拉伸长度与分光比之间的关系
2
融锥型保偏光纤耦合器的耦合特性
根据单模光纤的倏逝场耦合机理，利用 FBT 工艺实现
两根光纤之间的功率分配， 可以获得具有特定分光比的融锥 (2) 型光纤耦合器。 而保偏光纤耦合器由于采用了应力型保偏光 纤作为波导材料，因此具有特殊的光波传输和耦合特性。 由于应力区形状和位置的不理想， 保偏光纤横截面上的 折射率分布是不均匀的。存在一个折射率最大的方向，偏振 光波在此方向上的模传播速度最小，该方向称为慢轴 （Slow-Axis）；而与慢轴相垂直的方向折射率最小，偏振 模传播速度最大，称为快轴（Fast-Axis）。基于熊猫型保偏 光纤的融锥型光纤耦合器快慢轴传输模型如图 3 所示。
第 22 卷第 8 期 2010 年 8 月
系 统 仿 真 学 报© Journal of System Simulation
Vol. 22 No. 8 Aug., 2010
融锥型保偏光纤耦合器快轴传输特性仿真
于 强，郝燕玲，李 欣，张勇刚
(哈尔滨工程大学自动化学院，哈尔滨 150001)
摘 要： 利用光波导的弱耦合理论， 对融锥型保偏光纤耦合器在快轴工作模式上的传输特性进行了 研究。仿真分析表明，融锥型保偏光纤耦合器工作在快轴模式上时具有损耗低，温度稳定性好的 特点。对采用相同工艺制作的保偏耦合器进行了对比实验，测试数据显示，当偏振光波沿光纤快轴 注入时，耦合器的附加损耗比沿慢轴注入时降低一半，全温分光比稳定性提高了一倍。因此，在融 锥型保偏光纤耦合器应用过程中，合理利用快轴对准的优势，可以获得更加优良的光路性能。 关键词：融熔拉锥分支；保偏光纤耦合器；快轴；耦合系数 中图分类号：TN253 文献标识码：A 文章编号：1004-731X (2010) 08-1801-04
(6)
(8)
根据上式，在理想情况下（无损耗），两端口相对功率
P1、P2 与拉伸长度 z 的仿真曲线如图 2 所示。可见，单模光
12 2
(3)
式中，r 是光纤半径，d 是两光纤中心的间距，n1 和 n2 分别 是纤芯和包层的折射率，U 和 W 是光纤的纤芯和包层参量，
Slow+Fast Output
V 是孤立光纤的光纤参量，K0 和 K1 是零阶和一阶修正的第
二类贝赛尔函数，∆ 是相对折射率差，且有
⎧U = r ( k 2 n12 − β 2 )1 2 ⎪ 2 2 2 12 ⎪W = r ( β − k n2 ) 2 2 12 ⎪ ⎪V = (U + W ) ⎨ 2 ⎪∆ = [n12 − n2 ] / 2n12 ⎪ ⎪ k = 2π ⎪ ⎩ λ
2 ⎧ ⎪P 1 ( z ) = cos (Cz ) ⎨ 2 ⎪ ⎩ P2 ( z ) = sin (Cz ) = 1 − P 1 ( z)
式中下标 S 表示慢轴方向，F 表示快轴方向，纤芯参量 U、 包层参量 W 和光纤参量 V 等均应按定义区分为
2 ⎧U S = r 2 ( k 02 n12S − β S2 ) ⎪ 2 2 2 2 2 ⎪U F = r ( k 0 n1 F − β F ) ⎪W = r ( β 2 − k 2 n 2 )1 2 ⎪ S S 0 2 ⎨ 2 2 2 12 β W r ( k = − ⎪ F F 0 n2 ) ⎪V = (U 2 + W 2 )1 2 S S ⎪ S 2 2 12 ⎪ V ( U W = + ⎩ F F F )
一致性好的优点， 是各种干涉型传感器和相干通信的关键器 件之一[3-6]。研究和发展融锥型保偏光纤耦合器具有重要的 军事意义和商用经济价值。 对于保偏光纤而言，存在快轴和慢轴两种工作模式 。 目前，保偏光纤以及利用保偏光纤制作的光无源器件，如分 路器、耦合器等，在绝大多数情况下都工作在慢轴模式上， 主要的原因可能是慢轴的弯曲损耗比快轴小， 但未见有相关 的文献对此有确切的论述。 文献[8,9]只是对保偏光纤耦合器 制作过程中的找轴技术进行了说明。 文献[10,11]利用有限元 方法分析了保偏光纤耦合器熔锥区的传输特性， 但未涉及快 慢轴问题。文献[12]对保偏光纤快慢轴中的有关参量进行了 推导， 获得保偏光纤耦合器快慢轴分光比与输入光波偏振态 之间的变化规律， 但未对快慢轴上光学性能的差异做具体研 究。在高精度光纤传感应用领域，光器件在性能上的细微差 别对系统精度的影响不容忽视。 本文对保偏光纤耦合器两种
rVS3, F K 12 (W S , F )
2 12 U 2 , F K 0 (W S , F d / r ) ( n12S ,1 F − n2 ) ⋅ S n1 S ,1 F r VS3, F K 12 (W S , F )
பைடு நூலகம்
(5)
=
(7)
对于标准的熔融拉锥型单模光纤耦合器， 假定光功率沿 一根光纤注入，初始条件为 P1(0)=1，P2(0)=0，当两根光纤 相同时，有 β1=β2，则 F2=1，功率变换关系式可以写为
引
[1-2]
言1
采用熔融拉锥分支（FBT，Fused Biconical Taper）技术 制作的保偏光纤耦合器具有光学性能指标高，稳定性和
工作模式之间的差异做了深入的理论分析并进行了大量的 仿真实验。研究结果显示，相对于传统的慢轴模式，融锥型 保偏光纤耦合器工作在快轴模式上具有更低的附加损耗低， 以及更好的环境温度稳定性。 本研究对于保偏耦合器在高精 度光纤陀螺及相干传感中的应用具有一定的指导意义。
在光纤耦合器的熔锥区，两根光纤包层融合在一起，纤 芯足够逼近，形成弱耦合。利用波导的弱耦合理论[13-14]可以 精确描述和仿真耦合过程。 将一根光纤看作是另一根光纤的 扰动，在弱导近似下，并假设光纤是无吸收的，则有耦合方 程组[14]