光子晶体光纤理论模型、结构设计及制作工艺的研究

论文摘要

光子晶体光纤自1996年问世以来,由于其具有众多传统光纤无法比拟的奇异特性,一直受到国内外科研人员的广泛关注,目前其应用已扩展到光通信、光传感以及光信息处理等众多领域。近年来,随着大量科研人员的投入,在光子晶体光纤的理论研究方面已取得了巨大的突破,大量的新颖结构和应用潜力也相继被提出和论证,部分先进的研究单位在制作光子晶体光纤方面也取得了巨大的进展。然而,不得不承认,光子晶体光纤的全面实用化阶段还没有到来,其主要障碍还是在于稳定的、通用的、低成本的光子晶体光纤拉制工艺的实现以及方便现场作业的熔接和测试设备的推出。本论文在国家863计划项目“通信用特种光纤”和国家自然科学基金项目“色散、色散斜率一体化宽带补偿光子晶体光纤的研制及其应用研究”的资助下,对光子晶体光纤进行了大量的理论和实验研究,主要内容包括:光子晶体光纤理论模型的建立和完善;保偏光子晶体光纤和色散补偿光子晶体光纤的分析和结构优化设计;光子晶体光纤制作和熔接工艺的实验研究。针对以上这三个方面的内容,本论文主要取得了以下几个方面创新性成果:1.基于多层光波导的分析方法,推导出了一套分析光子带隙结构的近似模型,使用该模型可以准确、高效地对一种特殊结构的全实芯光子带隙光纤进行带隙结构分析。该模型的分析结果能与全矢量平面波展开法的分析结果很好地匹配,从而证明了该模型的准确性。使用该近似模型在计算速度上得到了大幅度的提高,且大大减少了占用内存。2.基于实际拉制的光子晶体光纤端面照片进行结构建模,并导入有限元软件中进行准确的仿真计算,从而实现了对实际光纤的特性分析,大大提高了对其传输性能预测的准确性,也为光子晶体光纤实际拉制过程中拉制参数的实时反馈控制提供了必要的依据。3.在非均匀孔径的光子晶体光纤中,基于基空间填充模判断模式截止的方法不再适用。为解决该问题,我们详细探索了通过分析模场半径突变判断模式截止的方法。经过比较和分析,证明了该方法的准确性。4.设计了两种新型的全内反射导光型保偏光子晶体光纤,分别基于包层结构不对称性和芯区结构不对称性。设计了一种新型的保偏光子带隙光纤,在获得较高模式双折射的同时,产生了在整个波长段中具有两个单模单偏振工作区的特殊现象。5.详细分析了内芯掺锗、环芯纯硅结构的色散补偿光子晶体光纤中结构参量对其色散特性的影响,根据分析结论,分别针对WDM系统和单波长光传输系统的色散补偿应用,设计出了两种色散补偿光子晶体光纤结构。之后,对这两种结构的光纤进行了制作,在光纤结构完整性上取得了较大突破。此外,还提出了一种内芯纯硅、外芯由掺氟实心棒组成的色散补偿光子晶体光纤结构,该结构不但能取得大负色散、大模场面积,而且保证了内芯为纯硅的结构,从而大大减小了由内芯掺杂过程以及离子散射本身引起的多种附加损耗,进一步地降低了光纤的非线性系数,提高抗核辐射能力。6.对光子晶体光纤的制作进行了长期的探索,获得了一套具有自主知识产权的光子晶体光纤制作工艺。实现了毛细管充气法拉制光子晶体光纤的方法,成功地制作出了多种普通三角格子光子晶体光纤、保偏光子晶体光纤、色散补偿光子晶体光纤以及色散平坦光子晶体光纤。使用商用光纤熔接机,对光子晶体光纤与普通单模光纤以及两根光子晶体光纤之间的熔接进行了大量的实验研究,优化了熔接参数,避免了在熔接过程中的空气孔塌陷,实现了较低损耗的熔接。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 第一节 光子晶体光纤概述
• 1.1.1 光子晶体
• 1.1.2 光子晶体光纤的分类及导光机制
• 第二节 光子晶体光纤的理论模型和实际制作
• 1.2.1 理论模型
• 1.2.2 实际制作
• 第三节 保偏光子晶体光纤及色散补偿光子晶体光纤的研究进展
• 1.3.1 保偏光子晶体光纤
• 1.3.2 色散补偿光子晶体光纤
• 第四节 本论文主要工作
• 参考文献
• 第二章 分析光子晶体光纤的理论模型及计算工具
• 第一节 等效折射率模型
• 2.1.1 等效折射率模型的基本思想和参数的优化
• 2.1.2 计算软件的建立
• 2.1.3 数值仿真结果的比较
• 第二节 平面波展开模型
• 2.2.1 平面波展开法理论基础
• 2.2.2 使用平面波展开法求解光子带隙光纤
• 第三节 有限元模型
• 2.3.1 全矢量有限元法的基本原理
• 2.3.2 边界条件的选取
• 2.3.3 COMSOL3.3+ Matlab联合编程分析光子晶体光纤
• 2.3.4 仿真结果的比较分析
• 第四节 全实芯光子带隙光纤中带隙计算的简化模型
• 2.4.1 简化分析模型的推导
• 2.4.2 简化模型与平面波展开法的结果对比
• 第五节 对实际拉制出的光子晶体光纤的计算
• 第六节 小结
• 参考文献
• 第三章 保偏光子晶体光纤的研究
• 第一节 非均匀孔径光子晶体光纤模式截止波长的分析
• 3.1.1 模场半径
• 3.1.2 普通结构三角格子光子晶体光纤的模式截止
• 3.1.3 双孔保偏光子晶体光纤的模式截止判断
• 第二节 新型全内反射导光型保偏光子晶体光纤的设计和分析
• 3.2.1 包层不对称结构的保偏光子晶体光纤
• 3.2.2 芯区不对称结构的保偏光子晶体光纤
• 第三节 新型带隙导光型保偏光子晶体光纤的设计和分析
• 3.3.1 光纤结构及超元胞的选取
• 3.3.2 保偏特性
• 3.3.3 带隙结构及基模场分布
• 3.3.4 波长及结构参量对模式双折射的影响
• 3.3.5 单模单偏振特性分析
• 3.3.6 空气孔中的场能量
• 第四节 保偏光子晶体光纤拉曼放大特性分析
• 3.4.1 拉曼系数的计算模型
• 3.4.2 保偏光子晶体光纤的拉曼系数
• 3.4.3 双折射和模式截止问题
• 第五节 小结
• 参考文献
• 第四章 色散补偿光子晶体光纤的研究
• 第一节 色散补偿光子晶体光纤的大负色散形成机理及数值计算方法
• 第二节 同轴双芯色散补偿光子晶体光纤的理论分析
• 第三节 理想结构模型的分析
• 第四节 内芯掺锗色散补偿光子晶体光纤的设计和分析
• 第五节 环形外芯掺氟色散补偿光子晶体光纤的设计和分析
• 第六节 小结
• 参考文献
• 第五章 光子晶体光纤的制作及熔接实验
• 第一节 光子晶体光纤的制作
• 5.1.1 光子晶体光纤预制棒的制作
• 5.1.2 光子晶体光纤的拉制
• 5.1.3 拉制出的一些光子晶体光纤
• 5.1.4 部分光子晶体光纤的光学测试
• 第二节 光子晶体光纤的接续问题
• 5.2.1 模场面积不匹配因素导致的接续损耗
• 5.2.2 熔接参数的优化
• 第三节 小结
• 参考文献
• 第六章 结束语
• 第一节 本论文的研究成果总结
• 第二节 拟进一步开展的工作
• 附录 A
• 作者简历
• 学位论文数据集