多波长与横模可切换掺镱光纤激光器的研究

设计并制备了一种具有环形掺镱纤芯的光纤波导结构,并提出了一种基于该环芯掺镱光纤和少模光纤布拉格光栅的多波长与横模可切换光纤激光器。在这种光纤激光器中,只需简单调整腔内的偏振控制器,就可以实现单波长和双波长的激光稳定振荡。当激光器在单波长下工作时,可以切换两种横模输出,包括LP01模和LP11模,两种模式都获得了小于0.08 nm的3 dB窄线宽和大于45 dB的高边模抑制比,中心波长和光强的波动分别为±0.01 nm和±1 dB。试验表明:该环芯掺镱光纤有助于LP11模获得的增益高于LP01模,LP01模式激光的斜率效率为34.34%,而LP11模式激光的斜率效率高达49.09%。该光纤激光器可以在模分复用系统和激光加工等领域发挥重要的作用。

CO_(2)激光退火不同外径锗芯光纤的扫描速度研究

对内径为41~43μm,外径约为188μm、251μm和270μm的锗芯光纤进行激光退火实验,研究CO_(2)激光沿光纤轴向扫描速度对锗芯拉曼峰频率和光传输损耗特性的影响。研究发现,激光扫描速度是决定退火后光纤特性的重要参数。对不同外径的光纤,达到最优退火效果的激光扫描速度不同,188μm、251μm和270μm外径的锗芯光纤分别为10 mm·s^(-1)、14 mm·s^(-1)和16 mm·s^(-1),光传输损耗分别为3.435 dB·cm^(-1)、2.147 dB·cm^(-1)和3.578 dB·cm^(-1)。使用COMSOL软件对退火过程中纤芯表面固定点的温度变化进行了模拟仿真研究,仿真结果显示激光退火过程中温度呈脉冲形变化。相同外径条件下,激光扫描速度提高,温度脉冲的峰值升高、谷值降低、单脉冲持续时间缩短;相同扫描速度条件下,光纤外径减小,温度脉冲峰值提高,谷值降低。

2 μm超宽带PbS量子点光纤放大器

为了解决目前光纤放大器增益带宽较窄且结构复杂的问题,制备了一种2μm超宽带PbS量子点光纤放大器。首先,通过有机金属法制备出平均直径约为9.2 nm的PbS量子点,并采用光沉积法将其沉积在光纤锥区表面。然后,采用泵浦光源激发涂覆在光纤锥形区域的Pb S量子点,使其在2μm波段释放出与信号光波长一样的光子,从而实现光信号的放大。测试结果表明,光纤放大器在1 900~2 100 nm波段可获得10.1 dB增益,增益带宽约为200 nm。

重频可调谐U波段被动谐波锁模光纤激光器

U波段(1 625~1 675 nm)高重频锁模光纤激光器在甲烷气体检测、扩展通信波段、光子显微镜、眼部手术等领域有广泛的应用前景。基于被动谐波锁模(Harmonic Mode-Locking, HML)的孤子自频移(Soliton Self-Frequency Shift, SSFS)技术是一种实现高重频U波段激光输出的有效方式。首先搭建了基于非线性偏振旋转(Nonlinear Polarization Rotation, NPR)的被动HML光纤激光器,并以此为种子源,通过级联的放大系统将输出功率最高放大至1.7 W。而后将放大的脉冲输入到一段反常色散的色散位移光纤(Dispersion-Shifted Fiber, DSF)中,利用SSFS效应将其中心波长频移至U波段。研究了其中三个重复频率(722.0、941.7、1 224.2 MHz)状态,系统地探究了脉冲重复频率对SSFS的影响。首次使用NPR被动HML光纤激光器作为SSFS效应种子源,实现了波长可覆盖整个U波段范围的GHz脉冲输出。

下一代光接入网中物理层关键技术研究进展

5G和数据密集型应用的兴起对下一代光接入网的容量提出了新的挑战.作为最成熟的宽带光纤接入技术,无源光网络(passive optical network, PON)受到了广泛关注.为了在满足功率预算的前提下实现更高的传输速率,提升物理层性能的关键技术一直是该领域的研究热点,同时尽可能地降低系统成本对PON的大规模部署有着重大意义.该文梳理并总结了光接入网中物理层关键技术的研究进展.介绍了PON标准的演进和现状,分析了下一代PON面临的挑战和成因,重点阐述了数字均衡技术、高阶调制格式、光放大、前向纠错、非线性串扰实验分析以及低成本相干检测等关键技术及其研究进展,并综述了当前相关工作的研究成果.

高灵敏硅凹槽膜片型光纤F-P局部放电超声传感器

文中设计并制备了一种硅凹槽膜片型光纤法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)超声传感器,用于电力设备局部放电检测。采用有限元软件优化设计传感膜片的凹槽参数,与传统圆形膜片相比,硅凹槽膜片的静态灵敏度提升4.09倍且谐振频率基本不变。通过耦合效率修正传统双光束干涉模型,研究F-P腔长对传感器干涉光谱对比度的影响,以提升传感器的声压灵敏度。利用微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)制备硅凹槽膜片,其凹槽直径为829.44μm,厚度为2.09μm,F-P腔长为163.600μm。在谐振频率61.5 kHz处,传感器声压灵敏度可达357.78 mV/Pa,并结合气体绝缘开关(gas insulated switchgear,GIS)局部放电缺陷模型对传感器性能进行验证。实验结果表明,文中所制备的光纤F-P超声传感器具有声压灵敏度高、实时性好、超声信号检测能力强等优点。

高功率涡旋拉曼光纤激光器

近年来,携带轨道角动量的涡旋光束在激光加工、光学微粒操纵、超分辨成像、大容量光通信等领域应用广泛,目前已在稀土掺杂光纤激光器中得到了广泛研究。基于声致光纤光栅,实验搭建了全光纤结构拉曼光纤激光器,实现LP_(01)模与LP_(11)模的有效调控,并进一步通过偏振控制实现环形径向偏振光和拓扑荷数l=±1的涡旋光束输出,最高输出功率~70 W,中心波长为1134 nm。文中提出的激光器有利于拓宽涡旋光束输出波段,在多维光通信、光场和物质相互作用等领域具备较大研究价值和应用潜力。

空芯反谐振光纤长距离通信的机遇与挑战

空芯反谐振光纤(HCARF)的科学研究取得了突破性进展,其有望突破现有传统光纤的一些固有本征限制。HCARF将光束缚在空气芯中,在传输及其应用上具有传统光纤不可比拟的优势,因此,HCARF成为当前光通信领域的研究热点。文章介绍了HCARF的导光机理,并分析了其在光纤通信系统中的容量优势,阐述了HCARF的发展机遇与面临的挑战,希望能够为我国下一代通信大容量超宽带长距离传输光纤提供一定的参考价值与借鉴。

高精度光纤光栅振动解调系统研究与应用

为实现工程系统中对振动信号的检测,提出了一种基于衍射光栅的光纤布拉格光栅(FBG)振动解调系统。解调系统通过色散成像原理获取传感器反射光谱,由所设计的嵌入式单元进行信号处理,并通过专用的上位机解调软件完成数据处理与分析。将系统封装为解调仪器,能实际应用于振动信号的探测。所设计的系统波长解调范围为1525~1570 nm,波长重复性可达±1 pm,分辨率为0.5 pm,可实现8通道复用测量,最高光谱解调速度可达10 kHz。实验结果表明,该FBG振动解调系统能够高精度测量不同频率与幅度的振动信号,最小可探测应变约为0.319με/Hz^(1/2),在结构安全监测等领域具有重要的应用前景。

多芯光纤熔接与测试研究

多芯光纤(MCF)是空分复用(SDM)技术的重要传输介质,能够数倍地拓展现有单根光纤的通信容量,然而MCF结构复杂度高、测试难度大,尚无测试标准。文章根据MCF的结构特点,结合在MCF开发中的技术经验,规范了MCF的熔接方法以及主要参数的测试方法,为未来MCF的大规模商用化奠定了基础。

光纤集成化高分辨率无标记差分显微成像系统

得益于荧光标记技术,远场超分辨显微成像技术的不断发展为人们打开了一道微观世界的大门。远场超分辨光学显微镜也成为现代医学、生命科学等领域研究发展的重要工具和设备。但是相比之下,远场无标记显微成像技术发展却相对缓慢。为此,本文提出了一种采用光纤器件的集成化差分显微成像方法。该方法通过特制的光纤模式选择耦合器(MSC)实现了差分成像系统中空心光斑的生成,并解决了空心光斑和实心光斑严格对准困难的问题。搭建了一套结构简单紧凑,高度集成化的无标记显微成像系统。实验中,采用直径为150 nm的金颗粒和最小间距约50 nm的无标记聚合物线对结构对系统进行成像测试,分辨率相较传统扫描共聚焦显微镜大幅提升。

基于U波段光波产生频率可调谐的微波载波

【目的】具有可调谐能力的高频微波载波(GHz)在第五代移动通信技术(5G)/第六代移动通信技术(6G)无线网络、雷达系统和卫星通信领域中有着广泛的应用。由于比较简单的系统结构、大带宽和低损耗的优点,基于光子技术生成高频可调谐微波载波的技术方案吸引了国内外研究团队的广泛关注。由于目前C波段有着成熟的商用器件,因此目前光生微波实验多在C波段进行。随着波分复用(WDM)—光载射频(ROF)技术借助WDM系统在光频域的合/分波来灵活实现微波频段的合/分波,利用ROF系统采用光生微波技术来简化基站配置,使得C波段的有限带宽资源(35 nm, 1 530~1 565 nm)越来越紧张。因此,光生微波技术的研究有着向更宽光谱范围扩展的驱动力。U波段可以提供宽至50 nm(1 625~1 675 nm)的信道带宽来缓解C波段的信道利用压力。在U波段,标准单模光纤已实现低至0.195 dB/km(@1 625 nm)的光功率损耗,特别是,掺铥光纤放大器在U波段也可实现达到18.7 dB(@1 655 nm)的大带宽增益。因此,基于标准单模光纤的WDM系统可向U波段扩展,从而促使WDM-ROF技术向这一波段延伸,进而带动光生微波技术向U波段拓展。文章研究了U波段的光生微波技术。【方法】从数学模型上看,现有光生微波技术对所应用的光载波波段是透明的,只需选择对应工作波段的光子学器件就可在任意波段使用这些方法来产生微波载波。从原理上看,C波段的光子学器件(如偏振控制器、相位调制器(PM)和光纤移相器(FPS)等)可以工作在U波段,这些器件的工艺技术成熟并易于购置。因此,文章采用C波段的PM、FPS和光耦合器等光子学器件,基于U波段光载波搭建了光生微波载波系统。【结果】最终基于该系统产生了调谐范围覆盖7.5~12.0 GHz、杂散抑制比达29.6~35.2 dB的可调谐微波载波。【结论】文章通过公式原理分析和实验验证,实现了将光生微波载波技术的工作波段扩展至U波段。

2μm波段Ge-on-SOI光电探测器的TPA探测

【目的】随着光通信技术的快速发展,工作在传统通信窗口的光通信系统未来可能会面临通信“波段紧缩”的状况。而在2μm波段,空芯光子带隙光纤的损耗可以低至0.2 dB/km,掺铥光纤放大器(型号为CTFA)在2μm波段的增益峰值可达30 dB,这些高性能器件的出现使得2μm波段有缓解通信“波段紧缩”的潜力,同时也对制作难度小且利于大规模生产的2μm波段硅基光电探测器提出了需求。硅基光电探测器的工作波段扩展主要方案有采用具有可调谐带隙的Ⅲ-Ⅴ族材料、引入低带隙宽度材料作为吸收区和利用吸收区材料在2μm波段新的光吸收机制等。而Ge具有非常高的双光子吸收(TPA)系数(1225 GW/cm@2μm),并且Ge-on-绝缘体上硅(SOI)光电探测器结构兼容标准硅光器件制作工艺,具有制作难度较低和成本较低的优势,是2μm光电探测器的一种较优方案。文章的研究目的是验证Ge-on-SOI光电探测器利用TPA这一特殊光吸收机制实现2μm波段光电探测的可行性。【方法】文章基于Ge材料在2μm波段较高的TPA效应产生电流的物理机制实现了2μm波段的光电探测。理论上,对Ge材料通过TPA效应产生的光生电流大小进行了分析与讨论;在实验上,基于片上硅基器件有源测试系统对商用波导型Ge-on-SOI光电探测器的光输入端(光栅耦合器)施加经过掺铥光纤放大器放大后的高功率2μm波段输入光,并调整光纤与光栅的对准以及输入光偏振态以尽可能减少输入光传输到Ge吸收层的损耗,最终通过探针获取探测器的TPA光生电流。【结果】在功率为21.9 dBm的2μm光信号输入下,该商用波导型Ge-on-SOI光电探测器在2μm波段产生了高至651 nA的TPA净光生电流,并近似获得了>10 mA/W的响应度。【结论】文章验证了通过Ge材料TPA效应实现2μm波段光电探测器的科学可行性,为基于TPA的2μm波段Ge-on-SOI光电探测器的设计提供了实验支撑。

基于锁模激光器的FBG电流传感器高速解调系统

智能电网可靠、安全、经济、高效的发展目标,对电流参数的检测速率提出了更高的需求。本文开展了锁模激光器对基于磁致伸缩效应的光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating, FBG)电流传感器复用实现高速解调的实验研究,首次将时间拉伸-色散傅里叶变换(time-stretch dispersive Fourier transformation, TS-DFT)技术与光纤电流传感技术进行了结合。固定于磁致伸缩材料表面的FBG能够感知通电螺线管产生的磁场所引发的材料应变。TS-DFT技术可将应力引起的FBG波长偏移映射为时域上反射脉冲的时延偏移实现高速解调。在0~4.5 A电流范围内对2个传感FBG的波长复用进行监测,系统的解调速率高达69.6 MHz,该技术在电流或磁场传感领域有广阔的应用前景。

一种非接触式光学微腔液压测量系统

为满足在狭小腔室中测量液体压强的需求,设计了一种非接触式光学法布里珀罗微腔液压测量系统,其中,光学微腔采用双光子三维打印技术制备,膜结构尺寸仅为350μm,设计的膜厚分别为4μm和6μm。系统主要采用嵌入式设计与衍射光栅光谱模块互联,实时采集光学微腔干涉光谱信号,实现了高精度光谱动态解调。实验结果表明,室温(25℃)下,4μm膜厚的微腔液压灵敏度高达398 pm/kPa,系统分辨率可达35.5 Pa,重复性较好,有望用于生物医学眼压等应用场景。

偏振动态可调耗散孤子光纤激光器实验研究

实验搭建了一台基于碳纳米管的耗散孤子光纤激光器,研究了耗散孤子的动态偏振特性.在160 mW的抽运功率下,得到了稳定的单脉冲耗散孤子.通过调整腔内的偏振控制器,得到了庞加莱球上为固定点形式吸引子的偏振锁定矢量耗散孤子.单向机械调节腔内偏振控制器可以调控偏振锁定吸引子向极限环吸引子的演化,且实现极限环区域可控.对比不同偏振吸引子下的偏振度发现,偏振度的高低和偏振吸引子覆盖区域面积成反比.因此,可以通过偏振度的大小定量地判断吸引子是否为偏振锁定.该工作对于研究新型偏振可调激光器、探索激光器的物理机制具有指导意义.

基于循环移频的级联式光频梳生成方法

平坦光频梳可以用于精密测控系统,基于双平行马赫曾德尔调制器与循环移频方式,设计了一种级联式平坦光频梳生成系统。该系统采用两级结构,第一级利用相位调制器产生两个具有一定频率间隔的相干光载波,作为第二级循环移频环路的两个输入种子光,每个种子光在环路中通过循环移频的方式生成一个子光梳,两个子光梳再级联成一个带宽更大的光频梳。建立了系统的理论分析模型,并用VPI软件进行了系统仿真,利用该方案可以生成104线频率间隔为12.5 GHz,平坦度为1.31 d B的光频梳。仿真结果与理论分析相符。

蓝宝石衍生光纤及传感器研究进展

蓝宝石衍生光纤(sapphire-derived fiber,SDF)具有机械强度良好、耐高温等性能,在高温传感、分布式应力传感等方面有广阔应用前景.该文首先简要介绍了蓝宝石衍生光纤的基本特性,然后结合该课题组近几年在该方向的研究进展,对基于蓝宝石衍生光纤的布拉格光栅、法布里-珀罗腔、长周期光栅和马赫-曾德尔干涉仪进行重点讨论,分析了基于蓝宝石衍生光纤传感器的工作原理和实现方法.

毛细管光纤传感器研究进展

石英毛细管由于在材料方面与光纤具有天然一致性,被广泛应用于各种结构和功能的光纤传感器中.首先给出光纤和毛细管的模式特性和熔接工艺,在此基础上介绍干涉型毛细管光纤传感器的研究进展,包括法布里-珀罗型、多模干涉型、反谐振型3种形式.接着介绍微腔结合的毛细管光纤传感器研究进展,包括多模光纤-微球腔和锥形内壁毛细管微腔.毛细管具有中空结构且其圆柱结构能够支持回音壁模式.最后介绍毛细管光纤传感器的最新研究进展.

电场作用下掺锰石英光纤中线偏振光传输特性研究

为克服传统的基于非光纤传感元件的光纤电压传感器在技术复杂、价格高昂、晶体损耗大且与光纤耦合困难等不足之处,首先研制出了掺锰石英光纤样品,进而实验研究了电场对掺锰石英光纤中线偏振光传输特性的影响。测试分析了掺锰石英光纤中线偏振光的偏转角随电场强度的变化,其呈近似的线性关系。同时,测试分析了线偏振光的偏转角随电场强度的变化灵敏度与掺锰石英光纤长度之间关系。获得掺锰石英光纤长度分别为2.5、5和10 m时,其偏转角随电场强度的变化灵敏度分别为1.23×10^（-3）°m/kV、2.46×10^（-3）°m/kV和3.26×10^（-3）°m/kV。研究结果表明,所研制的掺锰石英光纤中线偏振光的偏转角与电场强度之间的线性关系在全光纤高压传感领域将具有潜在的应用价值。