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手性光子晶体光纤的模式特性

李社  
【摘要】:硅基单模单芯光纤信息传输能力已经接近其物理极限,基于新材料、新结构以及新机制的新型光纤成为进一步提高单根光纤信息传输能力的一个必然的选择。作为一类新结构光纤,光子晶体光纤具有设计的灵活性、可调控的双折射、色散和非线性等特性,这在光通信、光传感、激光器、光学集成等方面具有重要的应用。手性材料作为一种磁电耦合材料,对左、右旋圆偏振光响应不同,表现为旋光性,相应的会发生圆双折射和圆二向色性。目前,已经有了基于介电手性的光纤及光子晶体理论和实验的部分研究,而手性光子晶体光纤的研究还比较少,特别是多芯的手性光子晶体光纤。因此,研究手性光子晶体光纤在理论和实践方面是非常重要的。主要研究内容如下:发展了一种适用于研究二维手性光子晶体和光子晶体光纤的平面波展开法。在此方法中合理地忽略了场的纵向分量,把电磁场和所有周期性的材料参数都在倒晶格空间中展开,建立了一套包含手性项的本征方程。通过比较全矢量三维手性及非手性的平面波展开法,以及有限元法对二维光子晶体结构的模拟结果,证明了该方法比常规的二维平面波展开法是更加通用。在保证同样计算精度的条件下,该方法具有节省计算时间和内存的优点。分析了传播常数、结构参数、手性强度,甚至结构挤压对三角点阵的手性光子晶体的带隙结构的影响。针对一类椭圆空芯的带隙型手性光子晶体光纤,研究了手性强度和芯的椭圆度对导模强度、偏振及有效折射率的影响。发现结构不对称性和介质的手性在导模的双折射和偏振方面分别具有合作效应和竞争效应。分析了晶格常数、孔洞半径、手性强度,甚至结构挤压对光子晶体有效折射率的影响。研究了一类受到整体挤压的实芯的折射率导引型的手性光子晶体光纤的模强度和偏振分布,以及导模的有效折射率、双折射和偏振态。研究了结构的各向异性和手性的相互作用效应,以及手性起作用的波段。发现在短波区域手性效应强,长波区域结构的不对称效应强。通过截止问题的研究,提出了具有超宽范围的单模单圆偏手性光子晶体光纤的设计方案。提出了具有手性光子晶体结构的多芯光纤,分析了手性强度、芯集中度、芯局部结构参数对七芯手性光子晶体光纤前六个模式的强度、偏振分布以及偏振态、模有效折射率和模面积的影响。主要探究了手性强度和结构参数对各芯强度均匀化和偏振的作用,以及结构参数对各芯中光强的的调控。发现手性可以调节等同位置芯上强度,使得这些芯中强度都相等,并且这些模式变成了圆偏振模式;而等同位置芯上强度原来就等同的模式变成了一般的椭圆偏振模式,随手性效应的增强,这些椭圆偏振的模式趋向于圆偏振。这都有助于开发适合于具有圆偏分复用和空分复用的新型光纤。


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