高功率光子晶體光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及摻Er3+-Yb3+纖芯材料制備.pdf

1、隨著光纖通信網(wǎng)絡(luò)向高速率、大容量發(fā)展，原有的光纖技術(shù)已經(jīng)不能適應(yīng)需求。近些年出現(xiàn)的光子晶體光纖，特別是雙包層摻稀土光子晶體光纖，在諸如：超寬帶傳輸集成光學(xué)器件、超短脈沖激光器、微型光學(xué)傳感器、新型光纖放大器等方面顯示出良好的應(yīng)用前景，為解決上述問題提供了良好的技術(shù)條件，成為目前光通信相關(guān)技術(shù)和高效激光器領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)。對(duì)于全反射光子晶體光纖而言，結(jié)構(gòu)參數(shù)和纖芯材料性能對(duì)模場(chǎng)面積、功率輸出、色散、非線性及光損耗的影響很重要。國(guó)內(nèi)外在光纖

2、性能方面的研究已經(jīng)獲得了很大的進(jìn)展，如：模場(chǎng)面積已經(jīng)達(dá)到2000～3000μm2，輸出功率可達(dá)到2.5kw；在光子晶體光纖纖芯材料的研究方面，除了傳統(tǒng)的石英材料之外，摻稀土激光材料已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。但是，在提高單模光纖模場(chǎng)面積、單根光纖輸出功率及拓寬光子晶體纖芯材料選擇等方面，還存在不足。如：如何拓寬纖芯材料選擇范圍；如何在保證激光器單模傳輸?shù)臈l件下，有效地解決模場(chǎng)面積和輸出功率的矛盾以及確定比較成熟的光子晶體光纖制備工藝等問題有待解決

3、。
　　本論文分析和總結(jié)了全反射型雙包層光子晶體光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)性能的影響規(guī)律；對(duì)雙包層光子晶體光纖內(nèi)、外包層結(jié)構(gòu)做出了多種新穎的設(shè)計(jì)；應(yīng)用有限元數(shù)值分析方法對(duì)新結(jié)構(gòu)光子晶體光纖進(jìn)行了模擬和數(shù)值分析；根據(jù)光子晶體光纖高功率及大模場(chǎng)的性能要求，設(shè)計(jì)了大芯徑、高激光功率輸出的光子晶體光纖包層結(jié)構(gòu)，分析了數(shù)值孔徑與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系；制備了兩種摻稀土離子光子晶體光纖纖芯材料，各項(xiàng)性能的測(cè)試和分析結(jié)果表明，兩種材料均適合于高功率、大模場(chǎng)光子晶體

4、光纖內(nèi)包層及纖芯材料，擴(kuò)大了光子晶體光纖材料的選擇范圍；探討了制備光子晶體光纖的工藝條件和參數(shù)，提出完善光子晶體光纖拉制工藝的思路。
　　1.對(duì)比光子晶體光纖性能的數(shù)值分析理論，分析了影響雙包層光子晶體光纖單模特性、模場(chǎng)面積、輸出功率等性能的主要因素。通過探索高功率、大模場(chǎng)單模光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)出十八種內(nèi)包層占空比分別為0.20、0.25及0.40的以摻雜Yb3+硅酸鹽和Er3+/Yb3+共摻磷酸鹽激光材料為纖

5、芯的雙包層光子晶體光纖。其中，外包層為雙排空氣孔的光子晶體光纖結(jié)構(gòu)，是一種全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
　　2.采用有限元法二次開發(fā)Comsol軟件對(duì)不同結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖進(jìn)行了分析和模擬，獲得了有意義的結(jié)論。其中，內(nèi)包層為八邊形、纖芯缺失29個(gè)空氣孔的光子晶體光纖，光功率和模場(chǎng)面積的綜合性能，獲得很好的結(jié)果。當(dāng)用波長(zhǎng)為1550nm的激光泵浦時(shí)，模場(chǎng)面積為2444.21～5644.97μm2，符合超大模場(chǎng)的性能要求。另外，通過纖芯材料的對(duì)比，

6、無(wú)論是光功率還是有效模場(chǎng)等方面，摻稀土磷酸鹽纖芯的光子晶體光纖的性能都優(yōu)于硅酸鹽纖芯。
　　3.設(shè)計(jì)了內(nèi)包層纖芯缺失13個(gè)空氣孔、空氣孔直徑為5μm、孔間距為10μm；外包層雙排空氣孔直徑分別為8μm和7μm、孔間距為18μm的雙包層光子晶體光纖，當(dāng)用波長(zhǎng)為1550nm的激光泵浦時(shí)，最大功率達(dá)到1.25131016W/m2，模場(chǎng)有效直徑為8.6μm，有效模場(chǎng)面積為232.2μm2。設(shè)計(jì)了內(nèi)包層纖芯缺失29個(gè)空氣孔、外包層為單排空氣

7、孔的光子晶體光纖，模場(chǎng)有效直徑為38.9μm，有效模場(chǎng)面積為1187.8μm2，最大功率為4.96431015 W/m2。為大模場(chǎng)、高功率、低損耗光子晶體光纖的設(shè)計(jì)分析及模擬實(shí)驗(yàn)提供了有益的經(jīng)驗(yàn)。
　　4.設(shè)計(jì)并制備了摻 Yb3+硅酸鹽和Er3+/Yb3+共摻磷酸鹽激光材料。對(duì)組分作用進(jìn)行分析，做出合理的優(yōu)化配比，使之更適合作為光子晶體光纖纖芯材料。在制備工藝和條件方面，做了新嘗試，成功制備出性能較好的新型纖芯材料。
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8、.通過性能測(cè)試和J-O理論分析，摻鐿硅酸鹽纖芯材料的折射率為1.5762，熒光壽命為1.30ms，可適合于多種波長(zhǎng)的激光器泵浦源，具有較高的吸收和轉(zhuǎn)換效率。在Er3+/Yb3+共摻磷酸鹽激光材料的制備過程中，提出了改進(jìn)的制備方法，是一種將縮短預(yù)加熱時(shí)間、恒溫控制熔化溫度、增加攪拌相結(jié)合的工藝。纖芯材料的折射率為1.5621，增益品質(zhì)因數(shù)達(dá)到了79.58（10-21cm23ms）的較高水平。
　　6.采用堆積法工藝?yán)屏税诉呅喂庾泳?/p>