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《国防科学技术大学》 2011年
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光纤光栅特性和光子晶体光纤熔接损耗研究

徐中南  
【摘要】:光纤光栅具有线宽窄、插入损耗低、抗电磁干扰、灵敏度高、质量轻、体积小、易于波分复用等特点,在光纤激光器、光纤通信及光纤传感等领域有着广泛的应用。光纤光栅光学特性的理论研究有利于指导光纤光栅在实际中的应用。上个世纪九十年代出现的光子晶体光纤在光纤及光纤器件等方面有着很好的应用前景。在实际应用中光子晶体光纤需要与其它光纤熔接使用,因而光子晶体光纤的低损耗熔接是当前光纤应用领域的一个重要研究方向。本文围绕上述问题开展了以下几个方面的工作: 1.将双包层光纤等效为相互耦合的单模光纤和环形芯光纤,利用耦合模方程结合四阶Runge-Kutta-Gill公式数值计算分析了双包层光纤的光传输特性。计算结果表明,等效光纤之间具有相同对称性的模式能够发生显著耦合,且光场在双包层光纤中沿轴向振荡传输。然后,计算分析了入射波长、内包层半径和内包层折射率对平均振荡周期和平均功率的影响。 2.利用耦合模理论结合四阶Runge-Kutta-Gill公式数值研究了光纤光栅的光学特性。针对折射率剖面非均匀分布导致光纤光栅具有偏振相关损耗和偏振模色散的现象,数值计算分析了光纤光栅参数对偏振相关损耗和偏振模色散的影响;然后,数值研究了光纤布拉格光栅的线性脉冲响应,结果显示光纤光栅的反射脉冲出现了分裂现象,并进一步分析了光栅折射率调制幅度、脉冲啁啾及脉冲谱宽对反射脉冲的影响;最后,以光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅中的双模耦合为例,计算分析了高阶模损耗对光纤光栅光学特性的影响,结果表明高阶模的损耗降低了模式的互耦合效率,较高的模式损耗导致互耦合峰消失。 3.针对模场直径不匹配导致光子晶体光纤与双包层光纤熔接损耗高的缺点,实验利用选择性空气孔塌缩技术将小芯径的光子晶体光纤的内两层空气孔塌缩,增大了光子晶体光纤的纤芯直径,从而实现了扩芯后的光子晶体光纤与双包层光纤之间的模场匹配。然后,将该光子晶体光纤在空气孔塌缩区截断并处理后与双包层光纤熔接,这样熔接产生的损耗与直接熔接产生的损耗相比有显著的降低。 4.基于光子晶体光纤模场为非圆对称分布的特性,提出了旋转损耗的概念。并利用有限元法数值研究了相同光子晶体光纤之间的旋转损耗。针对三类光子晶体光纤,计算分析了旋转角、入射波长和空气孔半径对旋转损耗的影响;然后,实验熔接了两根相同的光子晶体光纤,测量所得最大旋转损耗值与理论计算结果一致。该结果对进一步降低光子晶体光纤的熔接损耗具有实际意义。
【学位授予单位】:国防科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TN253

【参考文献】
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