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光子晶体光纤色散特性的理论研究

赵兴涛  
【摘要】: 光子晶体光纤的色散特性是当前光子晶体光纤研究的一个重要领域。本论文从理论上研究了基于石英材料的折射率引导型光子晶体光纤的色散特性,主要内容包括: 首次得到了全矢量有效折射率方法中归一化等效纤芯半径(p/Λ)随归一化空气孔直径(d/Λ)和归一化频率(Λ/λ)的变化关系。修正了传统全矢量有效折射率方法中p/Λ为固定值的不合理取法,进而得到了改进的全矢量有效折射率方法(IFVEIM)。IFVEIM不仅具有简单、高速的特点并能在较大的空气填充率范围内适用,而且用它计算的基模有效折射率和总色散等模式特性与多极法的结果和试验值相比较都具有更好的一致性,将基模有效折射率的误差减小了二到三个数量级。 利用IFVEIM计算了光子晶体光纤的色散特性,找到了色散随光纤结构的变化规律。根据这些变化规律,分别在1.525~1.565μm、1.28~1.65μm波长范围和钛宝石飞秒激光器的0.8μm工作波长附近,设计出了近零平坦色散光子晶体光纤,用均方根定量表示了光纤的近零色散平坦性。利用简单结构的光子晶体光纤,设计出了窄带大负色散补偿光纤和宽带色散补偿光纤。并制备出了与设计结构类似的光子晶体光纤。 利用多极法对一种纯石英材料双层芯光子晶体光纤的色散及模式特性进行了数值模拟,找到了色散随这种光纤结构的变化规律。在1.55μm波长附近,设计出了色散值为-23 000 ps/km/nm的窄带色散补偿光纤和在200 nm波长范围内、色散值在-1 000 ps/km/nm和-2 500 ps/km/nm之间、卡帕值在300 nm附近的宽带色散补偿光纤,其卡帕值与标准单模光纤匹配,可以对其长度100倍以上、用于宽带传输的标准单模光纤进行色散和色散斜率同时补偿。


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