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双芯光纤在包层中存在两个纤芯,属于特种光纤。从光波导的物理结构出发,双芯光纤主要分为同轴双芯光纤和非同轴双芯光纤。近年来也出现了光子晶体双芯光纤、带状双芯光纤和双子芯光纤。
同轴双芯光纤
同轴双芯光纤,也称作双包层光纤或双环芯光纤,即包层中的两个芯子在以包层圆心为轴线的同一轴线上,表现为内外两个芯子的结构。同轴双芯光纤常用于制作大功率的光纤激光器。
非同轴双芯光纤
非同轴双芯光纤在一个在包层中存在两个独立芯子的光纤。根据两个芯子的位置分布,非同轴双芯光纤可分为轴对称( 相对于光纤包层的圆心) 的非同轴双芯光纤和轴偏移的非同轴双芯光纤。轴对称的非同轴对称双芯光纤,两个芯子对称于波导中心。轴偏移的非同轴双芯光纤的两个芯子仍是平行芯,但是两个芯子的对称轴向光纤一侧偏移。典型的例如可以使其中一个芯子正好位于整个双芯光纤的中轴上。另外,如果双芯光纤的两个芯子折射率及形状相同,可称为匹配双芯光纤。如果两个芯子的折射率及形状不相同,则可称为失配双芯光纤。
双芯光子晶体光纤
光子晶体光纤是由一种单一介质( 通常为石英玻璃) 构成,在二维方向上呈现周期性紧密排列( 如周期性六角形等) ,而在光纤轴向基本保持不变的波长量级空气孔所构成的微结构包层的新型光纤。
双芯光子晶体光纤也是光子晶体光纤的研究热点之一,主要体现在其耦合特性与其在色散和色散斜率补偿的应用。一般双芯光子晶体光纤的光纤的双芯由除去中心孔两侧的空气柱形成,属于非同轴双芯光纤。环双芯光子晶体光纤用于制作新型的模式干涉仪,也是研究的热点之一,属于同轴双芯光纤的一种。
带状双芯光纤
带状双芯光纤是一种新型特种光纤。带状双芯光纤的两根纤芯分布在内部,而包层较薄,整体的光纤截面近似矩形。带状双芯光纤可以直接当作双芯光纤使用,制作成多种光纤传感器和光纤器件。在纤芯中掺杂增益物质和包层由高分子聚合物制作的带状双芯光纤,则可类似为双包层光纤。
双子芯光纤
双子芯光纤由两个邻近的分支波导通过一个共同的薄边缘相粘绑定在一起;每个分支波导的形状和尺寸与标准的单模光纤相同。双子芯光纤能够使每个分支波导的独立尾纤的输入输出实现低插入损耗,通过熔融拉锥的方法,可以制作成热平衡和机械耦合稳定的干涉仪。
双芯光纤同一包层内含有两根纤芯,每个芯子都是一条光波导,即一根双芯光纤中集成了两根单芯光纤。双芯光纤有各种各样的结构,
双芯光纤模场特性研究
包层折射率,纤芯折射率,纤芯半径以及传输光波长等参数决定了单模光纤的传输特性。对于双芯光纤而言,光纤的传输特性还与两个纤芯之间的距离有关。改变双芯光纤两个芯子之间的距离会影响两个芯子之间的能量分布。在仿真过程中,始终保证一个芯子处于包层中心轴位置不变,通过改变旁芯的位置来改变两纤芯之间的距离d。
双芯光纤的双折射
一般的轴对称单模光纤,可以同时传输两个线偏振正交模式或两个圆偏振正交模式。在理想情况下,如果光纤具有完全的圆对称性,那么这两个正交的模式在光纤中有相同的传播常数,彼此间并,在传播的过程中偏振态不会发生变化。但实际上,由于光纤内部应力,外部压力,以及自身的圆度等都会造成这两种偏振模式下折射率的偏差,使得传播常数也不同。由于两个正交偏振的模式传播速度不同,两正交模式在传输过程中会发生称合,其合成的偏振态在传输过程中发生变化,这就是光纤的双折射效应。双芯光纤的波导结构不具有圆对称性,所以要分析它的双折射。双芯光纤的双折射可用APSS软件来仿真计算,按照实测数据设置仿真参数为:包层的直径为125μm,纤芯直径为9μm,纤芯间距为43μm,包层和纤芯折射率分别为二氧化挂和相对包层折射率掺杂0.36%的材料。
双芯光纤是一种具有特殊折射率分布的特种光纤,它突破了常规光纤的折射率分布结构,在同一根光纤中排布了两根相互平行的纤芯,既可以作为光传输介质,又可构造新的光器件。20 世纪60 年代初期,就有学者研究光在两个平行波导间的能量耦合。1980 年,双芯光纤的实验验证使耦合模理论得到重大突破。1981 年,研究人员利用双芯光纤对弯曲波导耦合特性的测量以及耦合系数与弯曲半径间的关系,设计出光纤型光方向耦合开关。80 年代末,研究人员利用双芯光纤对波长和偏振态的选择性以及光谱特性,把双芯光纤初步应用于光传感器件,包括温度、应力和位移的测量。随后双芯光纤的非线性效应也被研究,用于实现被动锁模器件和超快速全光开关。基于双芯光纤制作的光纤器件,具有器件尺寸易精确控制、耦合区机械应力小、更加紧凑稳定和不易受外界影响等优点,在光传感和光通信等多个领域得到了广泛的应用,主要体现在光纤滤波器、光干涉仪、光连接器、光纤放大器、光分插复用器、光纤开关、光学镊子和光纤传感器等方面。因此研究双芯光纤具有重要的理论和实际意义,随着研究的深入必将会给光纤通信和光纤传感带来新的突破。
像图中这种是每一个箱子都是单独一根双芯光纤,还是一根双芯光纤直接上去了
是每个箱一根光缆
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大多数用途的双芯光纤都是基于双芯光纤两个纤芯间的模式耦合效应。通过单模光纤和双芯光纤的连接,可制作出高性能的紧凑的全光纤耦合型滤波器,紧凑的全光纤Mach-Zehnder 干涉仪,紧凑的全光纤Michelson 干涉仪。下面重点介绍基于非同轴双芯光纤的耦合型滤波器和Mach-Zehnder 干涉仪的原理及其应用设计,同时介绍双芯光纤在光连接器、光纤放大器、光分插复用器、光开关、光学镊子、光纤传感方面的应用。
基于轴对称双芯光纤的耦合型滤波器
研究者们提出基于轴对称双芯光纤的耦合型滤波器,该滤波器将两根普通单模光纤的芯子分别和一段长度为L 的两个纤芯相同的轴对称的非同轴双芯光纤的中心熔接在一起,再将两根单模光纤分别与宽带光源和光谱分析仪相接,通过光谱分析仪则可观察滤波器的梳状谱。基于双芯光纤耦合型的滤波器结构简单,制作容易,但是由于轴对称双芯光纤与单模光纤的模场不匹配,会影响滤波器的耦合效率以及插入损耗。
改进的基于轴对称双芯光纤的耦合型滤波器
为减小插入损耗,研究者们提出了一种改进的基于轴对称双芯光纤的耦合型滤波器。该滤波器通过在线监测滤波器输出功率的方法,将两根普通单模光纤的芯子通过错位方式分别和一段长度为L 的两个纤芯相同的轴对称的非同轴双芯光纤的其中一个纤芯熔接在一起。这种滤波器插入损耗较小,但是需要分别精密对准单模光纤与双芯光纤的其中一个芯子,花费较长时间,仍然存在一定的难度。
基于轴偏移双芯光纤的耦合型滤波器
为解决以上问题,这里提出基于轴偏移双芯光纤的耦合型滤波器。该滤波器将两根单模光纤的芯子分别和一段长度为L 的两个纤芯相同的轴偏移双芯光纤的中心纤芯熔接在一起。由于单模光纤和轴偏移双芯光纤的中心纤芯的波导对称性,这种滤波器有利于双芯光纤与单模光纤纤芯接续点的对准进行模场匹配,制作时间较短,能够减小单模光纤和双芯光纤之间的插入损耗,从而提高整个滤波器的性能。
基于轴对称双芯光纤的Mach-Zehnder 干涉仪
该干涉仪将两根普通单模光纤的芯子分别和一段长度为L 的两个纤芯折射率不相同( 即失配双芯光纤) 的轴对称的非同轴双芯光纤的中心熔接在一起。双芯光纤的两个纤芯因存在差异而产生有效折射率差使光信号在两个纤芯传输时产生相位差,在两路光信号耦合到单模光纤时发生干涉。这种干涉仪结构简单,制作容易,但是单模光纤与双芯光纤熔接处由于模场不匹配而插入损耗较大。
为了解决上述干涉仪中插入损耗的问题,研究者们提出了一种改进的基于轴对称双芯光纤Mach-Zehnder 干涉仪。该干涉仪在两处单模光纤与双芯光纤熔接的位置分别进行熔融拉锥使单模光纤和双芯光纤的模场实现较好的匹配,但是利用这种方法进行熔融拉锥的精确位置不容易确定。
改进的基于轴偏移双芯光纤的Mach-Zehnder干涉仪
由于实际操作中不能确保拉制双锥区域光纤具有良好的形状对称性的问题,在此提出一种改进的基于轴偏移双芯光纤的Mach-Zehnder 干涉仪。该干涉仪将两根普通单模光纤的芯子分别和轴偏移的非同轴双芯光纤的中心纤芯熔接在一起,并在双芯光纤上选择两处合适的位置进行熔融拉锥。这种滤波器有利于双芯光纤与单模光纤纤芯接续点的对准,制作时间较短,能够减小单模光纤和双芯光纤之间的插入损耗; 同时能够很好地控制两个芯子间的能量耦合,从而提高整个滤波器的性能。
光连接器
光连接器的主要用途是用以实现光纤的接续。研究者们提出一种新型的基于双芯光纤的连接器。将轴对称的非同轴双芯光纤( TCF) 连接到两对芯子的相速度不一致的非对称的双对芯光纤( DPCF) ,经过远端的DPCF 和双子芯光纤最终分别与两个单模光纤连接。此光连接器因低损耗和低信号串扰的特征,有良好的应用前景。
光纤放大器
基于双芯光纤制作的掺铒光纤放大器,可自动提供信道功率均衡,忽略放大器之间的损耗变化和信号的瞬态交叉饱和。该器件主要利用了信道的空间分离作用和铒离子与功率相关的饱和特性。在双芯掺铒光纤均衡放大器中,两纤芯均为Er3 + 掺杂。研究者们提出一种增益平坦的双芯掺铒光纤放大器。此放大器能在一定程度实现输出功率均衡,适合未来通信发展中多信道多级放大波分复用光纤系统和网络的要求。
光分插复用器
光分插复用器的作用是上传和下载信号的节点,是长途干线网和城域网的重要组成部分。研究者们提出一种基于双芯光纤的分插复用器。在两根纤芯中写入等长的光纤光栅后,从A1端输入不同波长的信号光,光在非光栅区域相互耦合后进入光栅段,利用布拉格光栅将特定波长的光信号反射从B1端输出,而其余信号则继续向前传输,从而达到下载信号的作用。同理反方向输入可实现了信号的上传功能。
全光开关
光开关是对集成光路或者传输线路中的光信号进行相互逻辑操作或转换的光学器件。研究者们提出了基于双芯光纤的全光开关,其原理是利用双芯光纤的耦合特性。
大多数用途的双芯光纤都是基于双芯光纤两个纤芯间的模式耦合效应。通过单模光纤和双芯光纤的连接,可制作出高性能的紧凑的全光纤耦合型滤波器,紧凑的全光纤Mach-Zehnder 干涉仪,紧凑的全光纤Michelson 干涉仪。下面重点介绍基于非同轴双芯光纤的耦合型滤波器和Mach-Zehnder 干涉仪的原理及其应用设计,同时介绍双芯光纤在光连接器、光纤放大器、光分插复用器、光开关、光学镊子、光纤传感方面的应用。
基于轴对称双芯光纤的耦合型滤波器
研究者们提出基于轴对称双芯光纤的耦合型滤波器,该滤波器将两根普通单模光纤的芯子分别和一段长度为L 的两个纤芯相同的轴对称的非同轴双芯光纤的中心熔接在一起,再将两根单模光纤分别与宽带光源和光谱分析仪相接,通过光谱分析仪则可观察滤波器的梳状谱。基于双芯光纤耦合型的滤波器结构简单,制作容易,但是由于轴对称双芯光纤与单模光纤的模场不匹配,会影响滤波器的耦合效率以及插入损耗。
改进的基于轴对称双芯光纤的耦合型滤波器
为减小插入损耗,研究者们提出了一种改进的基于轴对称双芯光纤的耦合型滤波器。该滤波器通过在线监测滤波器输出功率的方法,将两根普通单模光纤的芯子通过错位方式分别和一段长度为L 的两个纤芯相同的轴对称的非同轴双芯光纤的其中一个纤芯熔接在一起。这种滤波器插入损耗较小,但是需要分别精密对准单模光纤与双芯光纤的其中一个芯子,花费较长时间,仍然存在一定的难度。
基于轴偏移双芯光纤的耦合型滤波器
为解决以上问题,这里提出基于轴偏移双芯光纤的耦合型滤波器。该滤波器将两根单模光纤的芯子分别和一段长度为L 的两个纤芯相同的轴偏移双芯光纤的中心纤芯熔接在一起。由于单模光纤和轴偏移双芯光纤的中心纤芯的波导对称性,这种滤波器有利于双芯光纤与单模光纤纤芯接续点的对准进行模场匹配,制作时间较短,能够减小单模光纤和双芯光纤之间的插入损耗,从而提高整个滤波器的性能。
基于轴对称双芯光纤的Mach-Zehnder 干涉仪
该干涉仪将两根普通单模光纤的芯子分别和一段长度为L 的两个纤芯折射率不相同( 即失配双芯光纤) 的轴对称的非同轴双芯光纤的中心熔接在一起。双芯光纤的两个纤芯因存在差异而产生有效折射率差使光信号在两个纤芯传输时产生相位差,在两路光信号耦合到单模光纤时发生干涉。这种干涉仪结构简单,制作容易,但是单模光纤与双芯光纤熔接处由于模场不匹配而插入损耗较大。
为了解决上述干涉仪中插入损耗的问题,研究者们提出了一种改进的基于轴对称双芯光纤Mach-Zehnder 干涉仪。该干涉仪在两处单模光纤与双芯光纤熔接的位置分别进行熔融拉锥使单模光纤和双芯光纤的模场实现较好的匹配,但是利用这种方法进行熔融拉锥的精确位置不容易确定。
改进的基于轴偏移双芯光纤的Mach-Zehnder干涉仪
由于实际操作中不能确保拉制双锥区域光纤具有良好的形状对称性的问题,在此提出一种改进的基于轴偏移双芯光纤的Mach-Zehnder 干涉仪。该干涉仪将两根普通单模光纤的芯子分别和轴偏移的非同轴双芯光纤的中心纤芯熔接在一起,并在双芯光纤上选择两处合适的位置进行熔融拉锥。这种滤波器有利于双芯光纤与单模光纤纤芯接续点的对准,制作时间较短,能够减小单模光纤和双芯光纤之间的插入损耗; 同时能够很好地控制两个芯子间的能量耦合,从而提高整个滤波器的性能。
光连接器
光连接器的主要用途是用以实现光纤的接续。研究者们提出一种新型的基于双芯光纤的连接器。将轴对称的非同轴双芯光纤( TCF) 连接到两对芯子的相速度不一致的非对称的双对芯光纤( DPCF) ,经过远端的DPCF 和双子芯光纤最终分别与两个单模光纤连接。此光连接器因低损耗和低信号串扰的特征,有良好的应用前景。
光纤放大器
基于双芯光纤制作的掺铒光纤放大器,可自动提供信道功率均衡,忽略放大器之间的损耗变化和信号的瞬态交叉饱和。该器件主要利用了信道的空间分离作用和铒离子与功率相关的饱和特性。在双芯掺铒光纤均衡放大器中,两纤芯均为Er3 掺杂。研究者们提出一种增益平坦的双芯掺铒光纤放大器。此放大器能在一定程度实现输出功率均衡,适合未来通信发展中多信道多级放大波分复用光纤系统和网络的要求。
光分插复用器
光分插复用器的作用是上传和下载信号的节点,是长途干线网和城域网的重要组成部分。研究者们提出一种基于双芯光纤的分插复用器。在两根纤芯中写入等长的光纤光栅后,从A1端输入不同波长的信号光,光在非光栅区域相互耦合后进入光栅段,利用布拉格光栅将特定波长的光信号反射从B1端输出,而其余信号则继续向前传输,从而达到下载信号的作用。同理反方向输入可实现了信号的上传功能。
全光开关
光开关是对集成光路或者传输线路中的光信号进行相互逻辑操作或转换的光学器件。研究者们提出了基于双芯光纤的全光开关,其原理是利用双芯光纤的耦合特性。
双芯光纤同一包层内含有两根纤芯,每个芯子都是一条光波导,即一根双芯光纤中集成了两根单芯光纤。双芯光纤有各种各样的结构,
双芯光纤模场特性研究
包层折射率,纤芯折射率,纤芯半径以及传输光波长等参数决定了单模光纤的传输特性。对于双芯光纤而言,光纤的传输特性还与两个纤芯之间的距离有关。改变双芯光纤两个芯子之间的距离会影响两个芯子之间的能量分布。在仿真过程中,始终保证一个芯子处于包层中心轴位置不变,通过改变旁芯的位置来改变两纤芯之间的距离d。
双芯光纤的双折射
一般的轴对称单模光纤,可以同时传输两个线偏振正交模式或两个圆偏振正交模式。在理想情况下,如果光纤具有完全的圆对称性,那么这两个正交的模式在光纤中有相同的传播常数,彼此间并,在传播的过程中偏振态不会发生变化。但实际上,由于光纤内部应力,外部压力,以及自身的圆度等都会造成这两种偏振模式下折射率的偏差,使得传播常数也不同。由于两个正交偏振的模式传播速度不同,两正交模式在传输过程中会发生称合,其合成的偏振态在传输过程中发生变化,这就是光纤的双折射效应。双芯光纤的波导结构不具有圆对称性,所以要分析它的双折射。双芯光纤的双折射可用APSS软件来仿真计算,按照实测数据设置仿真参数为:包层的直径为125μm,纤芯直径为9μm,纤芯间距为43μm,包层和纤芯折射率分别为二氧化挂和相对包层折射率掺杂0.36%的材料。
双芯光纤在包层中存在两个纤芯,属于特种光纤。从光波导的物理结构出发,双芯光纤主要分为同轴双芯光纤和非同轴双芯光纤。近年来也出现了光子晶体双芯光纤、带状双芯光纤和双子芯光纤。
同轴双芯光纤
同轴双芯光纤,也称作双包层光纤或双环芯光纤,即包层中的两个芯子在以包层圆心为轴线的同一轴线上,表现为内外两个芯子的结构。同轴双芯光纤常用于制作大功率的光纤激光器。
非同轴双芯光纤
非同轴双芯光纤在一个在包层中存在两个独立芯子的光纤。根据两个芯子的位置分布,非同轴双芯光纤可分为轴对称( 相对于光纤包层的圆心) 的非同轴双芯光纤和轴偏移的非同轴双芯光纤。轴对称的非同轴对称双芯光纤,两个芯子对称于波导中心。轴偏移的非同轴双芯光纤的两个芯子仍是平行芯,但是两个芯子的对称轴向光纤一侧偏移。典型的例如可以使其中一个芯子正好位于整个双芯光纤的中轴上。另外,如果双芯光纤的两个芯子折射率及形状相同,可称为匹配双芯光纤。如果两个芯子的折射率及形状不相同,则可称为失配双芯光纤。
双芯光子晶体光纤
光子晶体光纤是由一种单一介质( 通常为石英玻璃) 构成,在二维方向上呈现周期性紧密排列( 如周期性六角形等) ,而在光纤轴向基本保持不变的波长量级空气孔所构成的微结构包层的新型光纤。
双芯光子晶体光纤也是光子晶体光纤的研究热点之一,主要体现在其耦合特性与其在色散和色散斜率补偿的应用。一般双芯光子晶体光纤的光纤的双芯由除去中心孔两侧的空气柱形成,属于非同轴双芯光纤。环双芯光子晶体光纤用于制作新型的模式干涉仪,也是研究的热点之一,属于同轴双芯光纤的一种。
带状双芯光纤
带状双芯光纤是一种新型特种光纤。带状双芯光纤的两根纤芯分布在内部,而包层较薄,整体的光纤截面近似矩形。带状双芯光纤可以直接当作双芯光纤使用,制作成多种光纤传感器和光纤器件。在纤芯中掺杂增益物质和包层由高分子聚合物制作的带状双芯光纤,则可类似为双包层光纤。
双子芯光纤
双子芯光纤由两个邻近的分支波导通过一个共同的薄边缘相粘绑定在一起;每个分支波导的形状和尺寸与标准的单模光纤相同。双子芯光纤能够使每个分支波导的独立尾纤的输入输出实现低插入损耗,通过熔融拉锥的方法,可以制作成热平衡和机械耦合稳定的干涉仪。
基于双芯光纤的长周期光纤光栅及其耦合特性
报道了一种基于偏芯结构的双芯光纤制作的长周期光纤光栅,研究了在这种双芯光纤中写入相同结构的长周期光纤光栅的模式耦合特性,这种双芯结构能够将两个平行的长周期光纤光栅集成在一根光纤中。通过模拟计算发现在光纤圆周横截面不同方位进行曝光,可获得不同的光栅透射谱,通过利用CO2激光脉冲曝光方法实现其制备,实验得出了采用单侧曝光方法在偏芯结构的双芯光纤上制备长周期光纤光栅的最佳写入方式。通过理论分析和实验的对比,结果表明,双芯长周期光纤光栅透射谱依赖于在双芯光纤圆周上的曝光方向。
主要参数
基本参数 |
|
---|---|
型号 |
ZTH-ST-ST |
数据中心级千兆多模(62.5/125)双芯光纤跳线,Φ2.0mm, LC-LC,3米 × 1合格证 × 1
数据中心级单模双芯光纤跳线,Φ2.0mm, ST-LC,3米 × 1 合格证 × 1