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高双折射光子晶体光纤的结构设计与特性研究

作　者: 郝锐
导　师: 李志全
学　校: 燕山大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 光子晶体光纤双折射色散非线性系数多极法全矢量有限元法
分类号: O734
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

自从1996年被首次制备成功以来，光子晶体光纤(PCF)就以其传统光纤无法实现的独特且优越的性质受到国内外广大学者的普遍关注。目前，光子晶体光纤的应用研究已经扩展到光通讯、光传感、光电检测、光纤激光器及光学医疗器件等众多重要的领域。随着应用领域不断扩展，高新技术的进展使研发各种高性能的光子晶体光纤以及新型光子晶体光纤器件已经成为一种迫切的需要，因此，开展PCF的特性及应用的理论研究具有重要的学术价值和广阔的应用前景。本文以折射率导光型高双折射光子晶体光纤为重点，利用多极法建立理论模型，对几种新结构高双折射PCF的传输特性进行了细致的理论研究；提出了两种新型双芯PCF偏振分束器，采用全矢量有限元方法建立模型并进行了深入的理论分析，主要的研究内容如下：首先，提出了六边形包层椭圆纤芯的光纤结构，分析了空气孔径和纤芯的椭圆率对双折射的影响，结果表明这类结构的包层对称性很高，双折射主要是由椭圆形的纤芯引起的。孔径对双折射的作用并不明显但椭圆率产生的影响很显著，当椭圆率分别为3:2和2:1时，双折射可以达到10-3量级；提出了空气孔椭圆形分布的光纤结构，分析了孔径、孔层数和椭圆率对双折射的影响，结果表明这种结构的不对称性要高于六边形包层椭圆纤芯的结构，在椭圆率同为4:3时，这种结构的双折射达到了10-3量级。同时，椭圆包层结构的不对称性主要由孔分布的椭圆率决定，椭圆率越大，结构的不对称性越强，则双折射越高；提出了三种压缩的六边形光纤结构，分析了孔径和孔间距对双折射的影响，结果表明孔间距的影响效果更显著，间距越小则双折射越高。增大孔径或缩小孔间距可以提高结构的不对称性，从而增强双折射。这类结构通过选择合适的结构参数可以在1.55μm波长处实现1.544102的高双折射其次，利用多极法对椭圆包层结构、压缩六边形结构和类熊猫型压缩六边形结构的色散、等效模式面积和非线性系数进行了模拟分析，重点分析了结构参数对这些特性参量的影响。对于椭圆包层结构，改变孔层数、孔径和椭圆率来分析传输特性的变化过程；对于压缩的六边形结构，分析了孔径和孔间距对三个特性参量的影响，并对比了不同孔间距时的模拟结果。分析结果表明，结构参数对色散和非线性都有明显作用，调节结构参数可以产生振荡形式的色散和较高的负色散，且结构的不对称性越高，非线性效应越强。类熊猫型压缩结构在1.55μm波长处的非线性系数可达到69.54W-1km-1。最后，基于模式干涉原理提出了两种新型的双芯PCF偏振分束器，一种是包层为八边形和矩形相结合的结构，利用全矢量有限元法分析了基模场的分布和结构参数对双折射、耦合长度的影响，经过优化后模拟了归一化传输功率和消光比，得到了长度为314μm的分束器结构，在1.55μm波长处的消光比约为-50.5dB，消光比为-10dB的带宽约为170nm，消光比为-20dB的带宽为60nm；另一种是由软玻璃SF6构成的矩形结构双芯PCF偏振分束器，利用全矢量有限元法分析了基模场的分布和结构参数对双折射、耦合长度的影响，选择合适的结构参数可以得到长度为281μm的偏振分束器，在波长1.55μm处的消光比可达到-45.42dB，消光比为-10dB的带宽为90nm，消光比为-20dB的带宽为32nm。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-11
第1章绪论  11-27
  1.1 引言  11
  1.2 光子晶体  11-15
    1.2.1 光子晶体简介  11-13
    1.2.2 光子晶体的主要特性  13-15
  1.3 光子晶体光纤  15-20
    1.3.1 光子晶体光纤简介  16-17
    1.3.2 光子晶体光纤的特性  17-20
  1.4 高双折射光子晶体光纤  20-25
    1.4.1 传统保偏光纤  20-21
    1.4.2 高双折射光子晶体光纤的典型结构  21-23
    1.4.3 高双折射光子晶体光纤的优势  23-24
    1.4.4 高双折射光子晶体光纤的研究发展及现状  24-25
  1.5 本文的主要研究内容  25-27
第2章光子晶体光纤基本理论和分析方法  27-44
  2.1 引言  27
  2.2 电磁场方程  27-29
  2.3 光子晶体光纤的数值研究方法  29-41
    2.3.1 多极法  29-35
    2.3.2 全矢量有限元法  35-41
  2.4 模式耦合理论简介  41-42
  2.5 本章小结  42-44
第3章几种高双折射光子晶体光纤的设计与分析  44-69
  3.1 引言  44
  3.2 双折射特性  44-45
  3.3 高双折射 PCF 的结构设计与分析  45-67
    3.3.1 椭圆芯高双折射 PCF  45-57
    3.3.2 压缩的六边形结构高双折射 PCF  57-67
  3.4 本章小结  67-69
第4章高双折射光子晶体光纤色散及非线性特性分析  69-104
  4.1 引言  69
  4.2 光子晶体光纤的色散和非线性  69-71
    4.2.1 光子晶体光纤的色散  69-70
    4.2.2 光子晶体光纤的非线性  70-71
  4.3 光子晶体光纤的色散与非线性分析  71-103
    4.3.1 椭圆包层结构光纤  71-79
    4.3.2 压缩的六边形结构光纤  79-103
  4.4 本章小结  103-104
第5章基于高双折射光子晶体光纤的偏振分束器设计  104-120
  5.1 引言  104
  5.2 PCF 偏振分束器基本原理  104-105
  5.3 PCF 偏振分束器的设计与分析  105-119
    5.3.1 八边形光子晶体光纤偏振分束器  105-112
    5.3.2 软玻璃光子晶体光纤偏振分束器  112-119
  5.4 本章小结  119-120
结论  120-121
参考文献  121-130
攻读博士学位期间的主要成果  130-131
致谢  131-132
作者简介  132

高双折射光子晶体光纤的结构设计与特性研究

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