光子晶體光纖理論和應用研究.pdf

1、自20世紀90年代以來，光子晶體光纖(PCF，Photonic Crystal Fiber)，或稱為微結構光纖，由于其嶄新的概念，優(yōu)異的性能和潛在的廣闊應用前景而成為國際光電子行業(yè)的熱門課題。PCF在光通信、非線性光學、原子光譜學、光子晶體物理學、高精度光譜學、光數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I域有重要的應用前景。PCF靈活的結構可調(diào)性，使得光纖可以具有無限單模傳輸、高雙折射等獨特性質(zhì)。尤其PCF獨特的偏振特性被廣泛應用于高雙折射偏振保持光纖、偏振分離器和

2、偏振耦合器的制作以及傳感技術、光纖光柵、高非線性光纖通信器件、高功率光纖激光器和非線性等領域。因此，對PCF的特性研究具有重要的學術意義和應用價值。 結合所承擔的國家“973”項目，論文首先研究了光子晶體光纖包層結構對光纖偏振和傳輸特性的影響；然后提出了一種用于描述和分析壓縮格子型高雙折射PCF的壓縮比(SR)概念和理論模型，根據(jù)此理論模型，系統(tǒng)的分析了壓縮三角格子PCF和矩形格子PCF的偏振特性；同時指出傳統(tǒng)管束一堆積法無法拉

3、制壓縮型PCF，因此引入一個W型器件，提出了一種改進的管束一堆積法用于制作壓縮型PCF；最后研究了PCF在偏振模色散補償(PMD)中應用問題，分析了PCF在PMD補償應用中必須解決的兩個問題。論文對PCF的理論和應用研究，對深入研究PCF的特性以及PCF的結構設計、實際制作和應用具有一定參考價值。本論文的主要創(chuàng)新型研究內(nèi)容如下： ●利用超格子構造法模擬計算了5種具有不同空氣孔分布的PCF，通過對它們的特性進行比較，從理論上研究了

4、PCF包層中不同位置的空氣孔分布對PCF的模場直徑、色散特性和雙折射特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，不同位置的空氣孔對PCF的特性具有不同的影響，通過調(diào)整空氣孔的大小和位置可以靈活調(diào)整PCF的特性。這對PCF的實際拉制具有一定指導意義。根據(jù)所得研究成果，我們與武漢郵電科學研究院合作拉制出一根具有高雙折射的PCF(其雙折射可以達到7.8×10<'-3>)，并解決了生產(chǎn)工藝問題，實現(xiàn)了批量生產(chǎn)的能力，從而解決了高雙折射PCF依賴國外進口的難題?！袷状?/p>

5、提出壓縮比的概念，用于系統(tǒng)描述多種壓縮型PCF的壓縮程度，并得出壓縮型PCF是通過改變光纖包層結構的晶格周期，而不是包層空氣孔大小來獲得高雙折射的結論；同時提出一個可以構建和分析壓縮三角格子和矩形格子PCF的壓縮比模型，通過理論分析證明壓縮型PCF具有較高雙折射，而導致高雙折射的原因就是PCF包層晶格由于被壓縮從而破壞了晶格的多重對稱性，但是晶格被壓縮并不是壓縮型PCF具有雙折射特性的充要條件。利用所建立的模型，詳細分析了壓縮三角格子P

6、CF和矩形格子PCF的雙折射隨壓縮比、包層的空氣孔直徑、入射波長和晶格周期等參數(shù)的變化規(guī)律，并給出相應的理論解釋。上述研究成果對進一步研究PCF的機理，尤其是壓縮型PCF的各種特性和應用具有較大的理論意義和參考價值。●首次提出一個可以制作壓縮型PCF的改進的管束一堆積法；通過引入一個W型器件，在傳統(tǒng)管束一堆積法工藝流程基礎上，改進了堆積技術從而可以制作具有壓縮型結構的PCF預制棒，之后放入商用光纖拉絲塔中拉制為實際光纖。與傳統(tǒng)管束一堆積

7、法相比，該方法所具有的優(yōu)勢是可以拉制傳統(tǒng)管束一堆積法無法拉制的壓縮型光纖，可實現(xiàn)的壓縮比最大范圍是(平方根3，+∞。)。論文討論了W型器件的厚度、凹槽頂角以及其他結構參數(shù)對所能實現(xiàn)PCF壓縮比的影響，通過分析給出了可選用的最優(yōu)化參數(shù)。具體選取壓縮比數(shù)值可根據(jù)具體設計要求選取。這對壓縮型PCF的實際拉制，進而從實驗上詳細研究壓縮型PCF提供了一個有效途徑，具有一定理論意義和應用價值。 ●研究了PCF在光通訊偏振模色散補償中的應用。將自己設

8、計拉制的高雙折射PCF應用在高速光纖通信系統(tǒng)的DOP反饋式偏振模色散補償方案中，并討論了應用PCF所必須解決的兩個問題：PCF與普通單模光纖(SMF)的連接問題和系統(tǒng)中偏振相關損耗(PDL)對DOP反饋信號的影響。通過實驗已經(jīng)將PCF與SMF的連接損耗降低到1．05 dB，基本達到在光纖系統(tǒng)中應用的要求。論文分析了PDL對DOP反饋信號的影響規(guī)律，指出對PDl補償?shù)谋匾?，并給出了相應的補償方案。上述對PCF在光通訊中的應用研究具有一定