新型光子晶体光纤结构设计及应用研究

论文摘要

光子晶体光纤自1996年问世以来,就以其较传统光纤所无法比拟的优越性,而受到广泛关注。各种各样新型光子晶体光纤结构不断涌现,促进了其在光通信、光纤传感、非线性光学等众多领域的应用。随着光子晶体光纤应用领域的不断拓展和深入,设计新型的高性能光子晶体光纤并拓展其应用成为研究的一项重要内容。本文致力于新型光子晶体光纤的结构设计及其应用研究,主要工作如下：1、光子晶体光纤由于其灵活控制的色散特性而在超连续谱产生、四波混频等领域有重要应用,而这些领域通常需要光纤具有平坦的色散曲线。本论文首先就超宽带超平坦色散光子晶体光纤进行设计。提出了圆形结构光子晶体光纤,仿真发现：第1圈空气孔主要决定色散曲线的走向,第2圈空气孔主要影响短波区域色散大小,而第3圈空气孔主要影响长波区域色散大小,第4,5圈对色散曲线影响很小。基于这个规律,对圆形光子晶体光纤的色散曲线进行优化,得到了超宽带平坦色散曲线。4圈空气孔的光子晶体光纤色散值在0±0.5ps/（km·nm）波动的波长范围为1.225到1.84μm；而5圈空气孔的光子晶体光纤的波长范围为1.215到2.02μm。1.55μm波长处,4圈和5圈空气孔的光子晶体光纤的色散斜率分别为-1.905×10-5ps/nm2/km和-1.162×10-5ps/nm2/km,非线性系数分别为13.8W-1km-1和15.7W-1km-1。将色散曲线优化方法推广到几种光子晶体光纤结构：常规六边形结构、矩形结构、八边形结构及中心缺陷为7个空气孔的大模场面积六边形结构。利用该优化方法,很容易地得到了这几种结构光子晶体光纤的平坦色散曲线。该色散曲线优化方法具有易于操作、普适性、节省时间及计算空间的优点。2、高非线性光子晶体光纤广泛应用于波长变换、受激拉曼散射等方面。论文提出了全固折射率传导型光子晶体光纤,其纤芯由掺锗中心区域外加一层掺氟同心圆环共同组成,而包层孔则由掺氟石英柱代替空气孔构成。讨论了掺锗浓度、掺锗区域大小、包层孔间距及大小对光纤非线性系数的影响。纤芯区域的掺氟同心圆环结构起到了进一步提高非线性系数的作用。经过仿真,设计了在1.55μm波长处具有高非线性系数、低色散斜率、低限制损耗的双零色散点、单零色散点、全正常色散的三种光子晶体光纤。突破了常规高非线性光纤色散斜率的局限,解决了空气孔高非线性光子晶体光纤所存在的与常规光纤熔接损耗大的缺点,也解决了多元素掺杂高非线性光子晶体光纤损耗大、与包层材料兼容性差等问题。3、许多光纤有源、无源器件都需要用到双芯光纤。本论文针对传统的轴对称双芯光纤在实际应用中存在接续难的问题,设计了轴偏移的对称双芯光子晶体光纤。首先研究了双芯光子晶体光纤两芯之间的线性及非线性耦合。数值仿真结果表明,双芯光子晶体光纤的非线性耦合具有可饱和吸收特性,并将其应用于被动锁模激光器中。但是,国产的轴对称双芯光子晶体光纤应用于被动锁模激光器中时存在临界功率过高、偏振敏感等问题。接着,讨论了光纤的非线性系数及耦合长度对临界功率的影响：非线性系数的提高及耦合长度的增加都会降低临界功率。提出了轴偏移的对称双芯光子晶体光纤结构,通过纤芯区域掺锗来提高非线性。讨论了包层孔间距及大小、纤芯掺锗区域大小、两芯之间的空气孔大小这几个参数对非线性系数、耦合长度大小及其对偏振依赖性的影响。通过调整结构参数,设计了偏振无关的、临界功率大幅度降低的双芯光子晶体光纤,并数值仿真了其非线性耦合的可饱和吸收效应。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 光子晶体及光子晶体光纤概述
• 1.3 光子晶体光纤的导光机制
• 1.3.1 折射率传导型光子晶体光纤
• 1.3.2 光子带隙型光子晶体光纤
• 1.3.3 Kagome晶格结构光子晶体光纤
• 1.4 光子晶体光纤发展概况及应用
• 1.4.1 超宽带超平坦色散光纤发展概况及应用
• 1.4.2 高非线性光子晶体光纤发展概况及应用
• 1.4.3 双芯光子晶体光纤发展概况及应用
• 1.5 选题的意义及论文结构安排
• 第二章 TIR型光子晶体光纤的特性及理论分析方法
• 2.1 引言
• 2.2 TIR型光子晶体光纤的特性
• 2.2.1 灵活控制的色散特性
• 2.2.2 非线性特性
• 2.2.3 双折射特性
• 2.2.4 其他特性
• 2.3 光子晶体光纤的理论分析方法
• 2.3.1 光束传输法
• 2.3.2 有限元法
• 2.4 边界条件
• 2.4.1 完美匹配层边界条件
• 2.4.2 透明边界条件
• 2.5 本章小结
• 第三章 超宽带超平坦色散光子晶体光纤的设计
• 3.1 引言
• 3.2 超宽带超平坦色散C-PCF的设计
• 3.2.1 不同结构参数对C-PCF光纤特性的影响
• 3.2.2 C-PCF色散曲线优化方法
• 3.2.3 C-PCF的拉制过程容忍度（Manufacture Tolerance）
• 3.3 色散曲线优化方法推广
• 3.3.1 H-PCF
• 3.3.2 S-PCF、O-PCF和7-hole-missing H-PCF
• 3.4 本章小结
• 第四章 全固高非线性TIR-PCF的设计
• 4.1 引言
• 4.2 影响全固高非线性TIR-PCF因素分析
• 4.2.1 掺锗浓度的影响
• 4.2.2 掺锗区域大小的影响
• 4.2.3 包层孔间距的影响
• 4.2.4 包层孔大小的影响
• 4.3 参数设定及结果讨论
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于双芯TIR-PCF饱和吸收体的设计
• 5.1 引言
• 5.2 耦合模理论
• 5.3 双芯TIR-PCF的奇偶模式
• 5.4 双芯TIR-PCF的饱和吸收特性及其在被动锁模激光器中的应用
• 5.4.1 双芯TIR-PCF的饱和吸收特性
• 5.4.2 双芯TIR-PCF在被动锁模激光器中的应用
• 5.5 非轴对称双芯PCF结构设计
• 5.5.1 影响临界功率的因素
• 5.5.2 轴偏移偏振不敏感对称双芯PCF结构设计
• 5.5.2.1 结构参数对轴偏移PCF耦合长度及非线性系数的影响
• 5.5.2.2 结构设计及结果讨论
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文工作总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 缩写词索引
• 攻读博士学位期间论文发表情况