光子晶体光纤特性及其应用的研究

论文摘要

光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber, PCF）包层区域中以波长量级周期性或准周期性分布的空气孔使其具有传统光纤所无法比拟的特性。作为新一代优异的光学介质,它在非线性光学、光纤通信、全光器件等方面具有广泛的应用前景。本文从理论和实验上深入研究了PCF的色散、带隙和非线性特性,并开展了相关的应用研究。主要工作和创新成果如下：第一、提出包层环等效的有效折射率法（Cladding-Ring-Equivalent Effective Index Method, CREEIM）,建立了相应的数学分析模型,并利用其分析了两包层和三包层结构PCF的色散、模式截止和非线性特性。数值仿真及与其它方法进行对比表明,此方法不仅能够准确地分析多包层PCF,而且由于不需要考虑包层区域中每个空气孔附近复杂的电磁场分布和边界条件,计算时间能被极大地缩短。这对快速而准确地设计和分析复杂多包层结构PCF具有重要的实际意义。第二、在深入研究混合包层的双层芯PCF （Dual-Concentric-Core PCF, DCCPCF）中完全的模式耦合特性的基础上,设计了1.55μm波段的极大负色散光纤,其不仅可以对光纤链路中的色散和色散斜率进行同时补偿,而且能够有效地抑制由非线性效应引起的脉冲劣化。应用耦合模理论,详细地推导了内芯基模与外芯缺陷模的等效传输常数。通过将两种模式的等效传输常数的实部和虚部进行对比,可以容易地判断出完全的模式耦合是否发生。这对实际设计中准确地预测此种DCCPCF的色散和模式特性具有指导作用。第三、理论和实验研究了带间隙孔的空芯PCF（Hollow-Core Photonic Crystal Fiber, HC-PCF）从近红外至可见光波段的带隙和模式特性,深入分析了石英间隙节点对带隙位置的显著影响,揭示了第一布里渊区中倒格矢空间的不同对称点对带隙上、下边界的形成具有的关键作用。实验结果很好地验证了模拟结果。设计了工作在近红外波段的一种反共振引导型PCF（Anti-resonance Guiding Photonic Crystal Fiber, ARG-PCF）。通过对其带隙和模式特性的分析,充分展示了包层结构尤其是高折射率柱对带隙的形成和模式的存在形式具有的重要影响。基于等效平面波导理论,推导了此种ARG-PCF中导模的截止方程,并分析了模式的共振和反共振波特性。这些成果为进一步开展光子带隙型PCF器件的应用研究提供了依据。第四、利用所设计的三种高非线性PCF的基模和二阶模,实验上实现了波长可调节的高效反斯托克斯信号转换。在第二种PCF中,当500 mW的短脉冲在靠近基模零色散波长的正常色散区泵浦时,获得了22.6：1的输出信号与残余泵浦光功率之比和46%的信号转换效率,这是当前利用基模实现短波段频率变换的最大比率和最高转换效率。通过对实验过程的分析,充分展示了所涉及的一系列非线性光学效应。而且,系统地研究了泵浦脉冲的工作波长和功率对信号转换的影响。这些研究成果有助于超快光子学中新型光器件的发展和应用。第五、基于中心抽真空法制备的带中心孔的PCF,实验产生了470至805 nm范围内的平坦超连续谱（Supercontinuum, SC）。在585 nm和590 nm处,对应的输出最大和最小归一化强度分别为0.9915和0.9845,相对波动仅为0.0071。高峰值功率的泵浦短脉冲工作在靠近光纤基模零色散波长的反常色散区,全面展示了SC产生过程中导致频谱展宽的三个非线性阶段。这能为可见光通信系统提供性能良好的宽带光源。第六、使用>100 fs的短脉冲在靠近高非线性PCF基模零色散波长的反常色散区泵浦,基于红移至2000 nm后的拉曼孤子,在可见光波段产生了高效和宽带的切伦科夫辐射（Cherenkov Radiation, CR）。所得到的31%转换效率和54 nm带宽为当前使用>100 fs的短脉冲获得的最高转换效率和最大带宽。这为短波段信号源的获取提供了有效途径。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题意义
• 1.2 PCF
• 1.2.1 PCF的分类
• 1.2.2 PCF的制备
• 1.3 PCF的特性
• 1.4 PCF的应用
• 1.5 本文主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 包层环等效的有效折射率法
• 2.1 引言
• 2.2. 包层环等效的有效折射率理论
• 2.2.1. 两包层结构
• 2.2.2. 三包层结构
• 2.3 色散特性的分析
• 2.3.1 两包层PCF
• 2.3.2 三包层PCF
• 2.4. 模式截止和非线性特性的分析
• 2.5. 本章小结
• 参考文献
• 第三章 DCCPCF的完全模式耦合特性研究
• 3.1 引言
• 3.2 MPM的理论模型
• 3.3 DCCPCF的模式耦合特性
• 3.4 利用外芯模与内芯模的完全耦合实现大负色散
• 3.5 耦合模理论
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第四章 光子带隙型PCF的带隙和模式特性研究
• 4.1 引言
• 4.2 FVPWEM的理论模型
• 4.3 带间隙孔的HC-PCF的带隙和模式特性
• 4.3.1 数值模拟
• 4.3.2 实验研究
• 4.3.3 偏振态和损耗的讨论
• 4.4 ARG-PCF的带隙和模式特性
• 4.4.1 带隙特性的分析
• 4.4.2 模式特性的分析
• 4.4.3 等效平面波导理论
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 波长可调节的高效频率变换实现
• 5.1 引言
• 5.2 PM理论
• 5.3 PCF的特性与信号转换实验
• 5.3.1 利用第一种PCF的基模
• 5.3.2 利用第二种PCF的基模
• 5.3.3 利用第三种PCF的二阶模
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 可见光波段的平坦SC与高效CRS产生
• 6.1 引言
• 6.2 利用带中心孔PCF产生平坦SC
• 6.2.1 PCF的制备
• 6.2.2 PCF特性的分析
• 6.2.3 产生SC的实验与分析
• 6.3 利用高非线性PCF产生高效和宽带CRs
• 6.3.1 PCF特性的分析
• 6.3.2 产生CRs的实验与分析
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 第七章 总结
• 7.1 论文主要工作及创新成果
• 7.2 论文不足与下一步研究计划
• 附录 缩略语
• 致谢
• 攻读学位期间承担的科研任务与主要成果
• 攻读学位期间承担的科研项目
• 攻读学位期间已发表和录用的论文
• 攻读学位期间已完成的论文