【摘 要】
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本文提出并论证了一种全光纤相干光频域反射技术,用于少模光纤中高阶模式的观测与表征。利用差分模时延的差异实现了少模光纤简并模组在拍频域的分离,并预见了利用不同模式感知环境的差异实现多维参量解耦合的可能性。主要内容如下:（1）介绍光频域反射机制、系统结构和频域相干信号产生机理,建立光频域反射系统的数值分析模型;探讨激光器线宽、功率,扫频范围、速度,采样速率和扫频非线性等参数,对光频域反射系统测量范围、
【基金项目】
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国家自然科学基金（62105092）； 河北省自然科学基金（A2020202013、F2021202054）；
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本文提出并论证了一种全光纤相干光频域反射技术,用于少模光纤中高阶模式的观测与表征。利用差分模时延的差异实现了少模光纤简并模组在拍频域的分离,并预见了利用不同模式感知环境的差异实现多维参量解耦合的可能性。主要内容如下:（1）介绍光频域反射机制、系统结构和频域相干信号产生机理,建立光频域反射系统的数值分析模型;探讨激光器线宽、功率,扫频范围、速度,采样速率和扫频非线性等参数,对光频域反射系统测量范围、空间分辨率、测量精度、响应时间等指标的影响;分析验证光频域反射系统各项指标之间的相互制约关系,为具体应用场景中性能的平衡和优选提供指导和参考。（2）阐述少模光纤中的模式理论,依据少模光纤结构参数建立数值模型并分析各阶次线偏振模组与矢量模组,求解模式有效折射率及其模式色散特性;提出基于差分模时延的频域分辨光纤模式的机制,定量分析模组群折射率差异与群时延以及频域菲涅尔反射峰位置的映射关系;求解双模、四模和六模光纤的各阶次模式,数值验证不同阶次模组在拍频域上的分离。（3）搭建偏振相关相干光频域反射实验测量系统,验证了利用差分模时延表征光纤模式的机制;设计偏振分集的实验检测光路系统,通过对应菲涅尔反射峰的解调计算表征少模光纤中的简并模式;利用该系统分别测量了5 m长的双模光纤、6.8 m六模光纤,并在末端观测到基模和高阶模式的逐阶激发过程;数值分析表明实测光纤拍频与由群折射率差计算的光纤拍频存在一定的误差,源于数值分析与实际光纤参数之间的差异;长时实验验证系统具良好的稳定性和可靠性,简单便捷适用于各种微结构光纤的测量与模式的表征。本文基于全光纤的光频域反射技术观测到不同模组在拍频域的分离,定量测量少模光纤中各模式的拍频差并据此计算其对应的差分模时延。实验观测到6.8 m六模光纤末端LP01基模至LP12高阶模的逐阶激发,群时延/群折射率与数值分析模型相符偏差在容差范围内。该技术为包括少模光纤在内的各类光纤的模式识别及精确表征提供了灵活可行的办法。
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