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、色散可調性、高雙折射、空芯光纖的光子帶隙等，因而備受關注，成為光電子學和光學領域的研究重點。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域的研究及應用需求，開發(fā)其應用潛力，對多種新型光子晶體光纖的設計、制備及傳輸性能進行深入研究，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、個和四個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系進行了分析，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構參數的大芯徑摻鐿光子晶體光纖的各個模式折射率進行了模擬，首次給出了單模傳輸時纖芯折射率與孔間距、空氣填充比、纖芯直徑等光纖結構參數所滿足的關系。設計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、鐿光子晶體光纖設計、制備過程中，不僅可以調節(jié)纖芯材料折射率，還可以通過調節(jié)光纖的結構參數，得到大模面積單模傳輸，為光纖的設計和制備提供新的理論指導。
　　2.傳統(tǒng)的化學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，對其光譜特性進行了實驗測量，分析了其吸收光譜與熒光光譜，實現(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構參數及波長的變化規(guī)律。首次根據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理進行了解釋。首次得到了亞波長空氣

5、孔低損耗、單模傳輸時，光子晶體光纖結構參數和波長的取值范圍。設計出了一種優(yōu)化的光子晶體光纖結構，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。根據所設計的光纖結構參數，制備出了纖芯帶有微小空氣孔的光子晶體光纖，光在空氣孔中高強度、長距離傳輸，為光與物質相互作用及非線性光學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構參數及脈沖參數的關系，并進行了實驗研

6、究，理論與實驗結果一致，闡明了非線性光譜產生的物理原理。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。研究了產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。制備了所設計的光子晶體光纖，實驗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。實驗與理

7、論分析結果一致，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。
　　5.首次對具有多個零色散波長光子晶體光纖的相位失配特性進行了理論分析，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的相位匹配波長特點。實驗得到了相位匹配的四波混頻光譜，其光譜特點與相位匹配理論分析一致。通過合理設計光子晶體光纖結構參數，得到了具有三個零色散波長的單模光纖。對纖芯中心帶有