新型光子準(zhǔn)晶光纖及石英基光纖的微觀機(jī)制研究.pdf

1、隨著超連續(xù)譜在光通信、光譜學(xué)、光學(xué)測(cè)量及生物醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域應(yīng)用的不斷拓展，急需提升超連續(xù)譜的光源性能，而與超短脈沖相作用以產(chǎn)生超連續(xù)譜的特種光纖的非線性、雙折射及色散甲坦等特性，已成為目前制約超連續(xù)譜光源性能提高的關(guān)鍵制約因素。本學(xué)位論文在對(duì)石英光纖基礎(chǔ)介質(zhì)材料非晶SiO2及摻鍺非晶SiO2材料開展微觀機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，基于光子準(zhǔn)晶光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大自由度的優(yōu)勢(shì)，面向超連續(xù)譜光源性能提高的應(yīng)用需求，深入開展具有特殊色散特性的高非線性光子準(zhǔn)晶

2、光纖和高雙折射光子準(zhǔn)晶光纖的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化。
　　取得的主要?jiǎng)?chuàng)新成果如下:
　　1.提出一種低限制損耗、近零平坦色散的石英基高非線性光子準(zhǔn)晶光纖，通過規(guī)劃光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)，首次在光子準(zhǔn)晶光纖中獲得兩個(gè)零色散點(diǎn)。研究表明，光纖在1373nm到1627nm的254nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)取得0±3.4ps/nm/km以內(nèi)的近零色散平坦。在通信窗口1550nm波長(zhǎng)處，非線性系數(shù)達(dá)33W-1km-1，色散斜率為8.5×10-3ps/nm2/km

3、，限制損耗低至3.2×10-7dB/m。并從光纖實(shí)際制作工藝考慮，分析了空氣孔結(jié)構(gòu)偏離對(duì)光纖特性的影響。研究結(jié)果顯示，在結(jié)構(gòu)參數(shù)偏離3％以內(nèi)時(shí)，光纖仍能保持設(shè)計(jì)特性。
　　2.提出一種As2Se3基摻鍺芯中紅外區(qū)雙零色散點(diǎn)的高非線性光子準(zhǔn)晶光纖。光纖在2～5.5μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有兩個(gè)零色散點(diǎn)，非線性系數(shù)最高可以達(dá)到5000W-1km-1。光纖由均一的空氣孔包層和芯區(qū)的摻鍺棒組成，采用芯區(qū)摻雜鍺的方法，包層對(duì)基模模場(chǎng)有很好的限制能力

4、，在保證低損耗的前提下，可在增大光纖非線性的同時(shí)對(duì)色散進(jìn)行有效的調(diào)整。
　　3.提出一種ZBLAN氟化物玻璃基的高雙折射光子準(zhǔn)晶光纖，雙折射高達(dá)10-2量級(jí)。光纖的雙折射比普通保偏光纖高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到橢圓孔微結(jié)構(gòu)光纖的雙折射量級(jí)，但比橢圓空氣孔在工藝上較易于實(shí)現(xiàn)。研究結(jié)果表明，光纖可在1800nm到2200nm的400nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)保持單模傳輸特性。尤其是在2μm波長(zhǎng)處，雙折射B=2.42×10-2，限制損耗小于2.24×10

5、-4dB/m。據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研所知，此高雙折射光纖為2μm波段雙折射首次達(dá)到10-2量級(jí)的高雙折射光纖。
　　4.提出一種芯區(qū)帶有四小空氣孔以矩形排列結(jié)構(gòu)的高雙折射ZBLAN光子準(zhǔn)晶光纖。運(yùn)用四個(gè)較大的空氣孔形成內(nèi)芯，通過芯區(qū)空氣孔的尺寸和空間的矩形分布對(duì)模場(chǎng)進(jìn)行調(diào)制。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，通過合理的設(shè)計(jì)包層結(jié)構(gòu)，光纖在兩微米波長(zhǎng)處保持單模傳輸特性，雙折射高達(dá)2.88×10-2，限制損耗小于4.95×10-4dB/m。不僅在雙折射方面比帶葡

6、萄柚空氣孔的高雙折射光纖有所提高，而且降低了光纖的制作難度
　　5.建立石英光纖非晶SiO2材料的理論分析模型?；谙嚓P(guān)原子間對(duì)勢(shì)參數(shù)，通過分子動(dòng)力學(xué)方法得到非晶態(tài)SiO2的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，計(jì)算得出的短程作用結(jié)構(gòu)參數(shù)和前人報(bào)道的實(shí)驗(yàn)及理論值相符。同時(shí)，分析帶氧缺陷的非晶SiO2的聲子態(tài)密度，得到了比熱、德拜溫度、振動(dòng)熵等熱力學(xué)性質(zhì)。另外，分析得到了摻鍺非晶SiO2結(jié)構(gòu)在不同摻雜情況下的穩(wěn)定微觀結(jié)構(gòu)。摻鍺非晶SiO2其微觀結(jié)構(gòu)是以鍺原子易