摻鐿、亞波長空芯及新型高非線性光子晶體光纖的研究.pdf

1、光子晶體光纖呈現(xiàn)出許多傳統(tǒng)光纖難以實(shí)現(xiàn)的特性，如摻鐿光纖的大模面積單模特性、小芯光纖的高非線性、色散可調(diào)性、高雙折射、空芯光纖的光子帶隙等，因而備受關(guān)注，成為光電子學(xué)和光學(xué)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。本文針對光子晶體光纖在光纖激光器、光通信和光纖傳感等領(lǐng)域的研究及應(yīng)用需求，開發(fā)其應(yīng)用潛力，對多種新型光子晶體光纖的設(shè)計(jì)、制備及傳輸性能進(jìn)行深入研究，主要包括:大模面積單模摻鐿光子晶體光纖、亞波長空氣孔傳光的新型空芯光子晶體光纖、高非線性光子晶體光纖、三

2、個(gè)和四個(gè)零色散波長光子晶體光纖。主要創(chuàng)新成果如下:
　　1.首次對大芯徑摻鐿光子晶體光纖各種模式有效折射率之間的關(guān)系進(jìn)行了分析，給出了單模傳輸條件。利用有限元法和有效折射率法，分別對不同纖芯折射率及結(jié)構(gòu)參數(shù)的大芯徑摻鐿光子晶體光纖的各個(gè)模式折射率進(jìn)行了模擬，首次給出了單模傳輸時(shí)纖芯折射率與孔間距、空氣填充比、纖芯直徑等光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)所滿足的關(guān)系。設(shè)計(jì)出了纖芯直徑分別為50μm、100μm、150μm的大芯徑單模摻鐿光子晶體光纖。在摻

3、鐿光子晶體光纖設(shè)計(jì)、制備過程中，不僅可以調(diào)節(jié)纖芯材料折射率，還可以通過調(diào)節(jié)光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到大模面積單模傳輸，為光纖的設(shè)計(jì)和制備提供新的理論指導(dǎo)。
　　2.傳統(tǒng)的化學(xué)沉積法很難制備纖芯與包層低折射率差的大芯徑光纖，限制了大模面積單模光纖的發(fā)展。本文提出了一種制備摻鐿光子晶體光纖的新方法，利用溶液摻雜-高溫熔煉法制備高摻鐿濃度石英玻璃。對光子晶體光纖的拉制工藝、拉制過程中溫度場分布進(jìn)行了研究，拉制出了多種新型光子晶體光纖。用摻鐿石

4、英玻璃作為纖芯制備光纖預(yù)制棒，拉制出了纖芯直徑約為130μm的摻鐿光子晶體光纖，對其光譜特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量，分析了其吸收光譜與熒光光譜，實(shí)現(xiàn)了良好的激光輸出，為稀土摻雜光纖制備提供了新途徑。
　　3.提出了一種亞波長空氣孔傳光的新型空芯光子晶體光纖，利用有限元方法分析了其模場分布、損耗和色散特性隨光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)及波長的變化規(guī)律。首次根據(jù)光的衍射原理和光子晶體光纖的傳輸特性，對低折射空氣孔傳光的物理機(jī)理進(jìn)行了解釋。首次得到了亞波長空氣

5、孔低損耗、單模傳輸時(shí)，光子晶體光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)和波長的取值范圍。設(shè)計(jì)出了一種優(yōu)化的光子晶體光纖結(jié)構(gòu)，其模場集中在纖芯微小空氣孔中，限制損耗α=5.9×10-5 dB/km。根據(jù)所設(shè)計(jì)的光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)，制備出了纖芯帶有微小空氣孔的光子晶體光纖，光在空氣孔中高強(qiáng)度、長距離傳輸，為光與物質(zhì)相互作用及非線性光學(xué)的研究提供了新條件。
　　4.利用分步傅里葉法求解非線性薛定諤方程，得到了光子晶體光纖輸出光譜與結(jié)構(gòu)參數(shù)及脈沖參數(shù)的關(guān)系，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研

6、究，理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，闡明了非線性光譜產(chǎn)生的物理原理。首次對光子晶體光纖包層節(jié)區(qū)的傳光特性進(jìn)行了研究，對比了纖芯與包層節(jié)區(qū)傳光的模場面積、非線性系數(shù)和色散特性，得到包層節(jié)區(qū)具有小纖芯面積、高非線性、雙零色散波長的特點(diǎn)。研究了產(chǎn)生色散波的相位匹配特性，理論分析了色散波中心波長隨泵浦功率和泵浦波長的變化規(guī)律。制備了所設(shè)計(jì)的光子晶體光纖，實(shí)驗(yàn)獲得了可見和紅外波段均大于300 nm的寬帶色散波，測量了色散波隨泵浦功率和波長的變化情況。實(shí)驗(yàn)與理

7、論分析結(jié)果一致，為超寬帶連續(xù)光源和光波長變換的研究提供了新的理論基礎(chǔ)。
　　5.首次對具有多個(gè)零色散波長光子晶體光纖的相位失配特性進(jìn)行了理論分析，得到了相位匹配波長隨泵浦波長及泵浦功率的變化規(guī)律。給出了具有多個(gè)零色散波長光纖的相位匹配曲線，分析了不同色散曲線對應(yīng)的相位匹配波長特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)得到了相位匹配的四波混頻光譜，其光譜特點(diǎn)與相位匹配理論分析一致。通過合理設(shè)計(jì)光子晶體光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到了具有三個(gè)零色散波長的單模光纖。對纖芯中心帶有