掺锗光子晶体光纤特性研究

论文摘要

光子晶体光纤是一种在光纤轴向方向上具有周期性微结构气孔阵列的光纤,灵活设计其结构便能实现无休止单模传输、高非线性、高双折射、可控色散、大模场面积等普通光纤无法实现的特性。其在光通信、非线性光学、光电子学等领域的应用也已成为国际光电子行业的热门课题。光纤纤芯掺杂可以提高光纤材料的光敏性,玻璃材料的光敏性是使光纤受紫外光照射后其折射率发生永久性改变的一种特性,是制作光纤光栅的基础。在提高光纤光敏性的同时,通过改变掺杂纤芯的半径大小、浓度大小还能改变在波导内传播模式的有效折射率,这也将会对光栅模式之间的耦合产生影响,所以研究纤芯掺杂对光子晶体光纤特性的影响可以对更好的设计制作光纤光栅等光纤器件提供理论基础。本文首先从固定结构的光子晶体光纤出发,研究纤芯掺锗对光子晶体光纤模式特性的影响,包括不同的掺锗半径,不同的掺锗浓度对光子晶体光纤导波模式、基模有效折射率的影响。然后通过改变光纤包层结构,观察不同的纤芯掺锗光子晶体光纤模式随结构改变的情况。最后,研究了纤芯掺锗对光子晶体光纤特性的影响,包括光子晶体光纤的模式截止特性、非线性特性、色散特性以及与SMF-28光纤的接续损耗。我们发现,不同的掺锗半径将会对光纤基模有效折射率产生较大影响,在较大掺锗半径时,影响光子晶体光纤的导光机制将发生变化。同时,较大的掺锗半径及浓度会影响光子晶体光纤的模式截止特性、非线性特性、及色散特性,如高掺锗半径使光纤的模式截止波长向长波段移动,截止相对孔径向小相对孔径处移动;高的掺锗浓度会使光纤的非线性系数显著增加;较大的掺锗半径将会使光子晶体光纤色散特性受包层结构改变的影响减弱等。最后在综合研究的基础上,得出能更好表现掺锗光子晶体光纤奇异特性、高非线性,低接续损耗的掺锗纤芯半径及浓度范围。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 光子晶体简介
• 1.2 光子晶体光纤研究现状及制作方法
• 1.3 研究掺杂光子晶体光纤的意义
• 1.4 本论文的主要工作
• 2 光子晶体光纤理论基础
• 2.1 光子晶体光纤导光原理
• 2.2 光子晶体光纤的特性
• 2.2.1 无截止单模特性
• 2.2.2 色散可控特性
• 2.2.3 超大数值孔径
• 2.2.4 有效模场面积可控制性
• 2.2.5 非线性特性
• 2.2.6 光子带隙效应
• 2.3 光子晶体光纤的应用
• 2.4 掺杂光子晶体光纤特性及研究方法
• 2.4.1 有限元分析方法
• 2.4.2 其他数值分析方法
• 2.5 本章小结
• 3 掺锗光子晶体光纤的导波模式
• 3.1 引言
• 3.2 掺锗半径大小对光纤导波模式的影响
• 3.3 结构改变对掺锗光子晶体光纤导波模式的影响
• 3.4 掺锗浓度大小对光纤导波模式的影响
• 3.5 本章小结
• 4 纤芯掺锗对光子晶体光纤特性影响
• 4.1 引言
• 4.2 纤芯掺锗对光子晶体光纤模式截止特性的影响
• 4.3 纤芯掺锗对光子晶体光纤非线性特性的影响
• 4.3.1 掺锗半径大小对光子晶体光纤非线性特性的影响
• 4.3.2 结构改变对掺锗光子晶体光纤非线性特性的影响
• 4.3.3 掺锗浓度对光子晶体光纤非线性特性的影响
• 4.4 纤芯掺锗对光子晶体光纤色散特性的影响
• 4.5 掺锗半径大小对PCF 与SMF-28 光纤接续损耗的影响
• 4.6 本章小结
• 5 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 作者在攻读学位期间发表的论文目录