多包层光纤的模场计算与可视化文献综述

文献综述

随着大数据与云计算的迅速发展，多包层低弯曲损耗光纤的设计是目前通信行业的一个研究热点。在光纤传输中，带宽、损耗和色散等性能参数体现了光纤通信的信息容量和传输距离，光纤模场指光纤中电场基模的分布状态，体现了能量在光纤中的分布。起初光纤主要用于光通信和光传感领域，激光器出现后，随着高功率光纤激光器和光纤放大器的大量使用，大模场双包层光纤被普遍认为是解决光纤激光器功率提升面临的非线性效应及光纤损伤等功率增长限制的一种最直接有效的途径，而且同时可以在光放大阶段保护光纤端面和增加泵浦功率和激光输出功率。不论是在低能量的光通信领域还是在高能量的激光领域，光纤的损耗特性都是必要的研究对象，其中影响损耗特性的因素主要有模式特性、光纤的弯曲和光纤的长度等，还有高阶模抑制特性和导波模式数目也是研究中关注的重点，应用在光纤激光器和光纤放大器中的光纤，其模场的分布和能量的分布等特性也会影响激光的光束质量、激光的输出功率和输出光的稳定性等，而其中对光纤中导波模式的模场分布特性和功率分布特性的研究可以得到光纤结构参数和光学参数对光纤模式特性的影响，从而有助于我们设计合乎需要的光纤。

大模场光纤通常采用双包层的光纤结构，双包层光纤和常规光纤相比，多了一个传输泵浦光的内包层，一般由纤芯、内包层、外包层和保护套构成。纤芯作为产生激光的波导，内包层是泵浦光的通道，用以传输高功率的泵浦光以用于激光的放大，获得高光束质量、高功率的激光输出。双包层光纤激光器纤芯中的激光功率密度特别高，并且光纤较长，所以非线性效应比较显著。增大纤芯直径可以减小激光功率密度而增大光纤输出激光功率，降低光纤的激光损伤阈值，但是同时也有可能会引起光纤归一化截止频率减小，激发更多的高阶模，降低输出激光的光束质量，所以在设计光纤时需要充分考虑双包层光纤的结构参数、光学参数，因而研究多包层光纤亥姆赫兹波动方程的求解对光纤设计具有十分重要的价值。

在我们对光纤的性能进行优化和设计时，需要从理论上分析其模场分布、传输特性与结构参量、电参量之间的关系。目前光纤波导模式特性的分析方法主要有两种：一是射线理论即几何光学，二是电磁波理论即麦克斯韦方程组，在光学中也称为波动光学理论，其中分析模场分布和功率分布主要采用波动光学的方法。从波动光学理论出发的模式分析方法，要确定光纤中模式的传输和截止条件并且求出模式在传输时的场分布和其传播常数。波动光学理论分析是通过求解满足边界条件的波动方程来得到导波模式的特征方程，再求解特征方程得到各个模式的特征参数，从而得到模式的传输特性和能量分布等。

目前多包层光纤模场以及相关参数的计算多使用标量法近似求解亥姆赫兹方程，标量近似解法是有条件的，需要是弱波导光纤，而且与实际情况有着一定的误差。本课题拟通过Matlab软件数值求解光纤中亥姆赫兹方程，计算出相应的模场分布和传输特性，并尝试利用传输矩阵法进行解析求解。目前常见的光纤模式特性的数值分析法有：有限元法(FEM)、有限差分法(FDM)、时域有限差分法（FDTD）、光束传播法（BPM）。

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