新型寬帶光子晶體光纖的設(shè)計(jì)與制作研究.pdf

1、隨著現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)向超高速率超大容量全光網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)，支撐光通信網(wǎng)的各種關(guān)鍵器件的性能急需提升。新材料、新結(jié)構(gòu)研究是創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)高速率、低成本、低功耗寬帶全光器件的有效途徑。
　　本論文基于光子晶體光纖(Photonic crystal fiber，PCF)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活、實(shí)現(xiàn)特性可控等優(yōu)異特性，結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“系列超寬帶雙芯光子晶體光纖及其相關(guān)器件的研究”以及國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目“面向光路交換網(wǎng)絡(luò)的光纖器件理論與關(guān)鍵技術(shù)研究”，針對(duì)超

2、高速率超大容量全光網(wǎng)絡(luò)對(duì)寬帶全光器件的需求，在寬帶偏振無(wú)關(guān)雙芯PCF、單偏振單模PCF的設(shè)計(jì)和制作等方面進(jìn)行了深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究。取得的主要?jiǎng)?chuàng)新成果有:
　　1.根據(jù)實(shí)際光子晶體光纖制作及特性分析的需求，首次將數(shù)字圖像處理技術(shù)和全矢量有限元方法相結(jié)合，提出了用于光子晶體光纖制作過(guò)程的光纖特性快速分析模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)PCF實(shí)際制作過(guò)程中的樣品進(jìn)行近實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有效地減小了典型工藝缺陷對(duì)光纖特性的影響，減小了所研制PCF特性與設(shè)計(jì)的偏離

3、。以?xún)煞N商用光子晶體光纖為例，驗(yàn)證了該方法的正確性。并將該方法應(yīng)用于輔助光纖拉制，提高光子晶體光纖的制作效率和成品率。
　　2.提出一種寬帶偏振無(wú)關(guān)雙芯PCF。在研究光纖結(jié)構(gòu)對(duì)其寬帶特性和偏振無(wú)關(guān)特性影響規(guī)律的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，所獲得的PCF模場(chǎng)面積與普通單模光纖模場(chǎng)面積匹配，兩芯區(qū)被中心調(diào)制區(qū)有效分離，為光纖耦合器的研制提供了便利?；谠揚(yáng)CF設(shè)計(jì)了分光比分別為50∶50和90∶10的兩種光纖定向耦合器，在覆蓋整個(gè)光通信波

4、段的1.225-1.675μm寬帶波長(zhǎng)范圍內(nèi)分別實(shí)現(xiàn)了分光比誤差小于1％、偏振態(tài)間誤差小于0.5％和分光比誤差小于0.2％、偏振態(tài)間誤差小于0.1％的優(yōu)良性能。
　　3.從制作可行性和應(yīng)用角度出發(fā)，采用小空氣孔線陣結(jié)構(gòu)代替橢圓形空氣孔，提出一種具有較高制作可行性的寬帶偏振無(wú)關(guān)雙芯PCF。經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以在波長(zhǎng)1.26-1.625μm范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)無(wú)關(guān)和偏振無(wú)關(guān)特性，基于該光纖設(shè)計(jì)的50∶50和90∶10光纖定向耦合器在整個(gè)工作帶寬

5、內(nèi)具有分光比誤差分別小于1％和0.2％、兩偏振態(tài)間誤差均小于0.2％的優(yōu)良特性。并對(duì)該光子晶體光纖進(jìn)行了制作研究，實(shí)驗(yàn)表明這種采用小空氣孔線陣結(jié)構(gòu)代替橢圓形空氣孔的設(shè)計(jì)方案是可行的。
　　4.基于諧振耦合理論，提出一種實(shí)現(xiàn)單偏振單模的PCF新結(jié)構(gòu)，可在0.8-1.8μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)單偏振單模特性，工作帶寬可達(dá)1000nm，在工作帶寬內(nèi)低損耗芯區(qū)的限制損耗低于1dB/km，而高損耗芯區(qū)的限制損耗高達(dá)100dB/km，其傳輸模場(chǎng)呈類(lèi)

6、高斯型分布，在波長(zhǎng)1.55μm處與單模光纖直接接續(xù)時(shí)的模場(chǎng)失配損耗僅有0.0079dB，在實(shí)際應(yīng)用中，易于與普通光纖實(shí)現(xiàn)低損耗接續(xù)。
　　5.提出并研制出一種矩形空氣孔排布的單偏振單模PCF?；谀Ｊ浇刂狗ǎO(shè)計(jì)出矩形空氣孔排布的單偏振單模PCF，并首次成功研制，可在覆蓋全光通信波段的1.3-1.7μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)單偏振單模傳輸，低損耗偏振態(tài)限制損耗約為0.01dB/km，高損耗偏振態(tài)限制損耗約為100dB/km。通過(guò)實(shí)際PCF