光子晶體光纖理論和應(yīng)用研究.pdf

1、自20世紀(jì)90年代以來(lái)，光子晶體光纖(PCF，Photonic Crystal Fiber)，或稱為微結(jié)構(gòu)光纖，由于其嶄新的概念，優(yōu)異的性能和潛在的廣闊應(yīng)用前景而成為國(guó)際光電子行業(yè)的熱門課題。PCF在光通信、非線性光學(xué)、原子光譜學(xué)、光子晶體物理學(xué)、高精度光譜學(xué)、光數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。PCF靈活的結(jié)構(gòu)可調(diào)性，使得光纖可以具有無(wú)限單模傳輸、高雙折射等獨(dú)特性質(zhì)。尤其PCF獨(dú)特的偏振特性被廣泛應(yīng)用于高雙折射偏振保持光纖、偏振分離器和

2、偏振耦合器的制作以及傳感技術(shù)、光纖光柵、高非線性光纖通信器件、高功率光纖激光器和非線性等領(lǐng)域。因此，對(duì)PCF的特性研究具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價(jià)值。 結(jié)合所承擔(dān)的國(guó)家“973”項(xiàng)目，論文首先研究了光子晶體光纖包層結(jié)構(gòu)對(duì)光纖偏振和傳輸特性的影響；然后提出了一種用于描述和分析壓縮格子型高雙折射PCF的壓縮比(SR)概念和理論模型，根據(jù)此理論模型，系統(tǒng)的分析了壓縮三角格子PCF和矩形格子PCF的偏振特性；同時(shí)指出傳統(tǒng)管束一堆積法無(wú)法拉

3、制壓縮型PCF，因此引入一個(gè)W型器件，提出了一種改進(jìn)的管束一堆積法用于制作壓縮型PCF；最后研究了PCF在偏振模色散補(bǔ)償(PMD)中應(yīng)用問(wèn)題，分析了PCF在PMD補(bǔ)償應(yīng)用中必須解決的兩個(gè)問(wèn)題。論文對(duì)PCF的理論和應(yīng)用研究，對(duì)深入研究PCF的特性以及PCF的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、實(shí)際制作和應(yīng)用具有一定參考價(jià)值。本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新型研究?jī)?nèi)容如下： ●利用超格子構(gòu)造法模擬計(jì)算了5種具有不同空氣孔分布的PCF，通過(guò)對(duì)它們的特性進(jìn)行比較，從理論上研究了

4、PCF包層中不同位置的空氣孔分布對(duì)PCF的模場(chǎng)直徑、色散特性和雙折射特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，不同位置的空氣孔對(duì)PCF的特性具有不同的影響，通過(guò)調(diào)整空氣孔的大小和位置可以靈活調(diào)整PCF的特性。這對(duì)PCF的實(shí)際拉制具有一定指導(dǎo)意義。根據(jù)所得研究成果，我們與武漢郵電科學(xué)研究院合作拉制出一根具有高雙折射的PCF(其雙折射可以達(dá)到7.8×10<'-3>)，并解決了生產(chǎn)工藝問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)的能力，從而解決了高雙折射PCF依賴國(guó)外進(jìn)口的難題。●首次

5、提出壓縮比的概念，用于系統(tǒng)描述多種壓縮型PCF的壓縮程度，并得出壓縮型PCF是通過(guò)改變光纖包層結(jié)構(gòu)的晶格周期，而不是包層空氣孔大小來(lái)獲得高雙折射的結(jié)論；同時(shí)提出一個(gè)可以構(gòu)建和分析壓縮三角格子和矩形格子PCF的壓縮比模型，通過(guò)理論分析證明壓縮型PCF具有較高雙折射，而導(dǎo)致高雙折射的原因就是PCF包層晶格由于被壓縮從而破壞了晶格的多重對(duì)稱性，但是晶格被壓縮并不是壓縮型PCF具有雙折射特性的充要條件。利用所建立的模型，詳細(xì)分析了壓縮三角格子P

6、CF和矩形格子PCF的雙折射隨壓縮比、包層的空氣孔直徑、入射波長(zhǎng)和晶格周期等參數(shù)的變化規(guī)律，并給出相應(yīng)的理論解釋。上述研究成果對(duì)進(jìn)一步研究PCF的機(jī)理，尤其是壓縮型PCF的各種特性和應(yīng)用具有較大的理論意義和參考價(jià)值。●首次提出一個(gè)可以制作壓縮型PCF的改進(jìn)的管束一堆積法；通過(guò)引入一個(gè)W型器件，在傳統(tǒng)管束一堆積法工藝流程基礎(chǔ)上，改進(jìn)了堆積技術(shù)從而可以制作具有壓縮型結(jié)構(gòu)的PCF預(yù)制棒，之后放入商用光纖拉絲塔中拉制為實(shí)際光纖。與傳統(tǒng)管束一堆積

7、法相比，該方法所具有的優(yōu)勢(shì)是可以拉制傳統(tǒng)管束一堆積法無(wú)法拉制的壓縮型光纖，可實(shí)現(xiàn)的壓縮比最大范圍是(平方根3，+∞。)。論文討論了W型器件的厚度、凹槽頂角以及其他結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)所能實(shí)現(xiàn)PCF壓縮比的影響，通過(guò)分析給出了可選用的最優(yōu)化參數(shù)。具體選取壓縮比數(shù)值可根據(jù)具體設(shè)計(jì)要求選取。這對(duì)壓縮型PCF的實(shí)際拉制，進(jìn)而從實(shí)驗(yàn)上詳細(xì)研究壓縮型PCF提供了一個(gè)有效途徑，具有一定理論意義和應(yīng)用價(jià)值。 ●研究了PCF在光通訊偏振模色散補(bǔ)償中的應(yīng)用。將自己設(shè)

8、計(jì)拉制的高雙折射PCF應(yīng)用在高速光纖通信系統(tǒng)的DOP反饋式偏振模色散補(bǔ)償方案中，并討論了應(yīng)用PCF所必須解決的兩個(gè)問(wèn)題：PCF與普通單模光纖(SMF)的連接問(wèn)題和系統(tǒng)中偏振相關(guān)損耗(PDL)對(duì)DOP反饋信號(hào)的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)將PCF與SMF的連接損耗降低到1．05 dB，基本達(dá)到在光纖系統(tǒng)中應(yīng)用的要求。論文分析了PDL對(duì)DOP反饋信號(hào)的影響規(guī)律，指出對(duì)PDl補(bǔ)償?shù)谋匾裕⒔o出了相應(yīng)的補(bǔ)償方案。上述對(duì)PCF在光通訊中的應(yīng)用研究具有一定