光子晶體光纖理論模型、結(jié)構(gòu)設(shè)計及制作工藝的研究.pdf

1、光子晶體光纖自1996年問世以來，由于其具有眾多傳統(tǒng)光纖無法比擬的奇異特性，一直受到國內(nèi)外科研人員的廣泛關(guān)注，目前其應(yīng)用自已擴(kuò)展到光通信、光傳感以及光信息處理等眾多領(lǐng)域。近年來，隨著大量科研人員的投入，在光子晶體光纖的理論研究方面已取得了巨大的突破，大量的新穎結(jié)構(gòu)和應(yīng)用潛力也相繼被提出和論證，部分先進(jìn)的研究單位在制作光子晶體光纖方面也取得了巨大的進(jìn)展。然而，不得不承認(rèn)，光子晶體光纖的全面實用化階段還沒有到來，其主要障礙還是在于穩(wěn)定的、通

2、用的、低成本的光子晶體光纖拉制工藝的實現(xiàn)以及方便現(xiàn)場作業(yè)的熔接和測試設(shè)備的推出。 本論文在國家863計劃項目“通信用特種光纖”和國家自然科學(xué)基金項目“色散、色散斜率一體化寬帶補(bǔ)償光子晶體光纖的研制及其應(yīng)用研究”的資助下，對光子晶體光纖進(jìn)行了大量的理論和實驗研究，主要內(nèi)容包括：光子晶體光纖理論模型的建立和完善；保偏光子晶體光纖和色散補(bǔ)償光子晶體光纖的分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計；光子晶體光纖制作和熔接工藝的實驗研究。針對以上這三個方面的內(nèi)容

3、，本論文主要取得了以下幾個方面創(chuàng)新性成果： 1.基于多層光波導(dǎo)的分析方法，推導(dǎo)出了一套分析光子帶隙結(jié)構(gòu)的近似模型，使用該模型可以準(zhǔn)確、高效地對一種特殊結(jié)構(gòu)的全實芯光子帶隙光纖進(jìn)行帶隙結(jié)構(gòu)分析。該模型的分析結(jié)果能與全矢量平面波展開法的分析結(jié)果很好地匹配，從而證明了該模型的準(zhǔn)確性。使用該近似模型在計算速度上得到了大幅度的提高，且大大減少了占用內(nèi)存。 2.基于實際拉制的光子晶體光纖端面照片進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模，并導(dǎo)入有限元軟件中進(jìn)行準(zhǔn)

4、確的仿真計算，從而實現(xiàn)了對實際光纖的特性分析，大大提高了對其傳輸性能預(yù)測的準(zhǔn)確性，也為光子晶體光纖實際拉制過程中拉制參數(shù)的實時反饋控制提供了必要的依據(jù)。 3.在非均勻孔徑的光子晶體光纖中，基于基空間填充模判斷模式截止的方法不再適用。為解決該問題，我們詳細(xì)探索了通過分析模場半徑突變判斷模式截止的方法。經(jīng)過比較和分析，證明了該方法的準(zhǔn)確性。 4.設(shè)計了兩種新型的全內(nèi)反射導(dǎo)光型保偏光子晶體光纖，分別基于包層結(jié)構(gòu)不對稱性和芯區(qū)結(jié)

5、構(gòu)不對稱性。設(shè)計了一種新型的保偏光子帶隙光纖，在獲得較高模式雙折射的同時，產(chǎn)生了在整個波長段中具有兩個單模單偏振工作區(qū)的特殊現(xiàn)象。 5.詳細(xì)分析了內(nèi)芯摻鍺、環(huán)芯純硅結(jié)構(gòu)的色散補(bǔ)償光子晶體光纖中結(jié)構(gòu)參量對其色散特性的影響，根據(jù)分析結(jié)論，分別針對WDM系統(tǒng)和單波長光傳輸系統(tǒng)的色散補(bǔ)償應(yīng)用，設(shè)計出了兩種色散補(bǔ)償光子晶體光纖結(jié)構(gòu)。之后，對這兩種結(jié)構(gòu)的光纖進(jìn)行了制作，在光纖結(jié)構(gòu)完整性上取得了較大突破。此外，還提出了一種內(nèi)芯純硅、外芯由摻氟

6、實心棒組成的色散補(bǔ)償光子晶體光纖結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不但能取得大負(fù)色散、大模場面積，而且保證了內(nèi)芯為純硅的結(jié)構(gòu)，從而大大減小了由內(nèi)芯摻雜過程以及離子散射本身引起的多種附加損耗，進(jìn)一步地降低了光纖的非線性系數(shù)，提高抗核輻射能力。對光子晶體光纖的制作進(jìn)行了長期的探索，獲得了一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的光子晶體光纖制作工藝。實現(xiàn)了毛細(xì)管充氣法拉制光子晶體光纖的方法，成功地制作出了多種普通三角格子光子晶體光纖、保偏光子晶體光纖、色散補(bǔ)償光子晶體光纖以及色散平