新型光子晶體光纖設(shè)計與傳輸特性研究.pdf

1、光子晶體的發(fā)現(xiàn),是光和電磁波傳播與控制技術(shù)方面的一個重大突破.光子晶體光纖(PCF)是光子晶體非常重要的一個應用領(lǐng)域.自從Russell等人根據(jù)光子禁帶導光原理首次提出光子晶體光纖的概念之后,光子晶體光纖就開始成為學術(shù)界和工業(yè)界研究的熱點.光子晶體光纖的包層由非常微小的空氣孔陣列組成,這類似于晶體中的晶格結(jié)構(gòu),它可以看成是一種二維光子晶體,即在橫截面方向上存在折射率周期分布的介質(zhì),其纖芯為缺陷區(qū),而光纖軸向是光波傳播的方向.光子晶體光纖

2、由于具備普通光纖所不能夠獲得的優(yōu)異性能而受到人們的廣泛關(guān)注.根據(jù)光子晶體光纖導光原理的不同,可以將光子晶體光纖分為折射率導光(Index-guiding)光子晶體光纖和帶隙導光(PBG.guiding)光子晶體光纖. 本文主要研究光子晶體光纖的傳輸特性,文中首先從經(jīng)典Maxwell方程出發(fā),分析光子晶體和光子晶體光纖的電磁理論基礎(chǔ),并研究了光子晶體的帶隙效應;針對光子晶體這種折射率周期分布的介質(zhì)材料,文中分析、介紹了有效折射率法

3、、平面波擴展法、有限元法等常用的數(shù)值分析方法. 以包層為三角晶格結(jié)構(gòu)的折射率導光光子晶體光纖是本文的研究對象之一,本文計算分析了光纖的色散特性、模場面積和非線性系數(shù)、泄漏損耗、雙折射等傳輸特性,研究其一般變化規(guī)律.在此研究的基礎(chǔ)上,提出了包含有橢圓空氣孔的光子晶體光纖,設(shè)計獲得了超低、超平坦色散曲線,并分析其雙折射變化.此外,文中還首次探討、分析了纖芯含有空氣孔的折射率導光光子晶體光纖,由于其纖芯空氣孔小于包層空氣孔,所以纖芯有

4、效折射率仍然大于包層有效折射率,這種光纖的導光原理為全內(nèi)反射導光.通過數(shù)值計算,研究了該光纖的色散性能和損耗性能,并提出了一種新型的高雙折射空氣孔纖芯折射率導光光子晶體光纖. 帶隙導光光子晶體光纖以其前所未有的導光方式,被譽為"真正"的光子晶體光纖.本文研究了三角形晶格結(jié)構(gòu)和六邊形晶格結(jié)構(gòu)兩種不同結(jié)構(gòu)光子晶體的帶隙特征.進一步的研究表明,在具有相同的空氣填充率時,六邊形晶格結(jié)構(gòu)具有更大的光子禁帶,這一結(jié)論可以通過Node-vei

5、n理論獲得解釋.此外,在光子晶體光纖制作過程中被發(fā)現(xiàn)并引起關(guān)注的空隙孔對光子帶隙的影響也在文中做了相應的計算分析.文中具體分析了六邊形晶格結(jié)構(gòu)的低折射率纖芯光子晶體光纖,研究其模場分布,對其PBG導模有效折射率和色散曲線進行了定量的計算和仿真.由于光子晶體帶隙效應的發(fā)現(xiàn),人們還設(shè)想是否可以利用光子禁帶將光局限在空氣中傳播,這就是空氣導光(air-guiding)光子晶體光纖,文中分析了包層為三角晶格結(jié)構(gòu)的空芯光纖(hollow fibe

6、r).文中還提出一種改進的六邊形晶格結(jié)構(gòu),并以此構(gòu)建新型的高雙折射光子帶隙光纖,其雙折射大小達到了10<'-5>量級. 本文還研究了用于色散補償?shù)墓庾泳w光纖設(shè)計,提出了一種三包層色散補償光子晶體光纖,研究了光纖的模場特性,分析了各個結(jié)構(gòu)參數(shù)對色散性能的影響,設(shè)計了性能平衡的色散補償光子晶體光纖.此外,根據(jù)寬帶光纖參量放大器技術(shù)的需要,還設(shè)計了高非線性、色散平坦的高折射率纖芯光子晶體光纖,并結(jié)合雙泵普光纖參量放大器(FOPA)的