基于材料填充的光子晶体光纤设计及应用研究

论文摘要

随着光子晶体光纤理论分析方法基本成熟,制造工艺日益完善,各种各样的光子晶体光纤不断出现,对光子晶体光纤的研究热点正逐步向应用领域转移。在通信领域,尽管由于损耗、价格等原因,在长距离传输方面,光子晶体光纤尚不能取代普通光纤,但光子晶体光纤以其独特的传导机制和普通光纤无法比拟的性质成为下一代光通信器件的重要组成部分。本论文的选题来源于国家973项目“基于微结构光纤的光电子功能器件的创新与基础研究(2003CB314906)”、天津市自然科学基金项目“新型多功能集成光子晶体光纤Raman放大器(06YFJZJC00300)”、国家自然科学基金项目“新型量子点注入光子晶体光纤激光器研究(10674074)”和国家自然科学基金项目“全固光子带隙光纤及全固光子带隙光纤光栅研究(10774077)”的内容,在对微结构光纤各种传输特性研究和各种结构设计的基础上,重点进行了基于材料填充光子晶体光纤的研究,包括相关光纤特性的理论分析、数值模拟和试验研究,相关光子晶体光纤及器件的设计、研究和应用:1.研究了光子晶体光纤的各种填充技术,在此基础上,提出了两种选择性填充方案,利用石蜡的毛细填充和氢氟酸的侧向腐蚀实现了灵活方便的选择性填充,然后,结合氢氟酸的填充性腐蚀,实现了对光子晶体光纤导光特性的改善和控制;2.研究了温敏聚合物材料填充的光子带隙光纤带隙导光特性以及温度调谐特性。我们首先在两种石英纤芯的折射率引导型光子晶体光纤中填充高折射率的温敏聚合物材料,得到了光子带隙引导,实验研究了光纤的弯曲损耗特性,发现这种光纤的弯曲损耗相当小,比全固光子带隙光纤小很多。然后,利用材料的温度调谐能力,我们实现了导光带隙的灵活调谐,调谐范围超过200nm。同时,采用分段温控的办法,我们还实现了带隙的可调谐压窄,实验室实现了将200nm的导光带隙压窄到30nm,我们还结合数值方法进行了相应的理论研究,理论结果和实验结果吻合得非常好。3.研究了液晶材料填充的光子带隙光纤带隙导光特性及相应的调谐特性,包括温度调谐和电场调谐。我们首先通过液晶填充得到了光子带隙光纤,对其温度调谐的研究发现,在液晶材料清亮点温度附近,该液晶光子带隙光纤的导光特性的温度响应非常灵敏,达到50nm/℃。基于这种液晶光子带隙光纤,我们研制了电场控制的电调谐Sagnac干涉仪,在1550nm波段实现了深度达到27dB的干涉滤波输出,通过加载电压可控的电场实现了超过40nm的调谐,调谐效率达到1.28nm/V,该Sagnac干涉仪可以应用于研制具有更快响应能力的光纤滤波器、衰减器和光开关等器件。4.提出了基于材料填充的双芯光子带隙光纤。利用折射率可以随温度改变的聚合物材料填充,得到了双芯光子带隙光纤,试验和理论的研究表明该种双芯光子带隙光纤具有优异的调谐能力,包括对导光带隙的温度调谐以及对双芯耦合的温度调谐,理论和实验结果吻合很好。在理论和试验研究的基础上,设计了可调谐的全光纤波分复用/解复用器。5.提出了基于量子点材料填充的光子晶体光纤,进行了相关的理论和试验研究。我们在进行量子点填充光子晶体光纤实验研究的同时,利用平面波展开方法和有限元方法对量子点沉积的光子带隙光纤进行数值模拟,研究了这种填充对光纤导光性能的影响,并成功将量子点沉积到光子晶体光纤中。然后,我们用130mW的980nm激光器泵浦量子点填充的光子晶体光纤,试验观测其发射光谱,初步得到了激光发射。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 光子晶体光纤
• 1.1.1 光子晶体光纤简介
• 1.1.2 光子晶体光纤的拉制工艺
• 1.1.3 光子晶体光纤的基本特性
• 1.1.4 光子晶体光纤的数值研究方法
• 1.1.5 光子晶体光纤的国内外研究现状
• 1.2 基于材料填充的光子晶体光纤技术及国内外研究进展
• 1.3 本论文的研究内容及创新点
• 第二章 光子晶体光纤的填充方法及氢氟酸的填充性腐蚀应用
• 2.1 光子晶体光纤的填充方法简介
• 2.1.1 液相和气相材料的填充
• 2.1.2 固相材料的填充
• 2.2 光子晶体光纤的选择性填充技术研究
• 2.3 光子晶体光纤氢氟酸填充性腐蚀的研究应用
• 2.3.1 折射率引导型光子晶体光纤的填充性腐蚀
• 2.3.2 光子带隙光纤的填充性腐蚀
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于高折射率材料填充的光子带隙光纤
• 3.1 温敏聚合物材料填充的光子带隙光纤带隙调谐特性研究
• 3.1.1 高折射率材料填充致光子带隙引导
• 3.1.2 填充光子带隙光纤的损耗特性
• 3.1.3 温度调谐致带隙的漂移
• 3.1.4 温度调谐致带隙的压缩
• 3.2 液晶材料填充的光子带隙光纤调谐特性研究
• 3.2.1 基本原理
• 3.2.2 液晶填充光子带隙光纤的温度调谐研究
• 3.2.3 液晶填充光子带隙光纤的电场调谐研究
• 3.3 本章小结
• 第四章 可调谐双芯光子带隙光纤
• 4.1 光纤耦合器介绍
• 4.1.1 光纤耦合模理论
• 4.1.2 光纤耦合器
• 4.1.3 双芯及多芯光子晶体光纤
• 4.2 双芯光子晶体光纤中的耦合模理论
• 4.3 温敏聚合物材料填充的可调谐双芯光子晶体光纤
• 4.3.1 可调谐双芯光子带隙光纤的设计
• 4.3.2 基于可调谐双芯光子带隙光纤的光纤波分复用/解复用器设计
• 4.3.3 基于聚合物材料填充的可调谐双芯光子带隙光纤的试验研究
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于量子点材料填充的光子晶体光纤
• 5.1 量子点材料简介
• 5.1.1 量子点材料基本特性
• 5.1.2 量子点的分类
• 5.1.3 量子点的制备方法
• 5.1.4 量子点的应用
• 5.2 量子点材料填充的光子晶体光纤
• 5.2.1 填充方法
• 5.2.2 材料填充对光子晶体光纤导光性能的影响
• 5.2.3 实验研究
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本论文工作总结
• 6.2 光子晶体光纤未来发展展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历及在学期间发表的学术论文与科研成果