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光子晶体光纤理论和应用研究

宋朋  
【摘要】: 自20世纪90年代以来,光子晶体光纤(PCF,Photonic CrystalFiber),或称为微结构光纤,由于其崭新的概念,优异的性能和潜在的广阔应用前景而成为国际光电子行业的热门课题。PCF在光通信、非线性光学、原子光谱学、光子晶体物理学、高精度光谱学、光数据传输等领域有重要的应用前景。PCF灵活的结构可调性,使得光纤可以具有无限单模传输、高双折射等独特性质。尤其PCF独特的偏振特性被广泛应用于高双折射偏振保持光纤、偏振分离器和偏振耦合器的制作以及传感技术、光纤光栅、高非线性光纤通信器件、高功率光纤激光器和非线性等领域。因此,对PCF的特性研究具有重要的学术意义和应用价值。 结合所承担的国家“973”项目,论文首先研究了光子晶体光纤包层结构对光纤偏振和传输特性的影响;然后提出了一种用于描述和分析压缩格子型高双折射PCF的压缩比(SR)概念和理论模型,根据此理论模型,系统的分析了压缩三角格子PCF和矩形格子PCF的偏振特性;同时指出传统管束-堆积法无法拉制压缩型PCF,因此引入一个W型器件,提出了一种改进的管束-堆积法用于制作压缩型PCF;最后研究了PCF在偏振模色散补偿(PMD)中应用问题,分析了PCF在PMD补偿应用中必须解决的两个问题。论文对PCF的理论和应用研究,对深入研究PCF的特性以及PCF的结构设计、实际制作和应用具有一定参考价值。本论文的主要创新型研究内容如下: ●利用超格子构造法模拟计算了5种具有不同空气孔分布的PCF,通过对它们的特性进行比较,从理论上研究了PCF包层中不同位置的空气孔分布对PCF的模场直径、色散特性和双折射特性的影响。研究发现,不同位置的空气孔对PCF的特性具有不同的影响,通过调整空气孔的大小和位置可以灵活调整PCF的特性。这对PCF的实际拉制具有一定指导意义。根据所得研究成果,我们与武汉邮电科学研究院合作拉制出一根具有高双折射的PCF(其双折射可以达到7.8×10~(-3)),并解决了生产工艺问题,实现了批量生产的能力,从而解决了高双折射PCF依赖国外进口的难题。(第三章) ●首次提出压缩比的概念,用于系统描述多种压缩型PCF的压缩程度,并得出压缩型PCF是通过改变光纤包层结构的晶格周期,而不是包层空气孔大小来获得高双折射的结论;同时提出一个可以构建和分析压缩三角格子和矩形格子PCF的压缩比模型,通过理论分析证明压缩型PCF具有较高双折射,而导致高双折射的原因就是PCF包层晶格由于被压缩从而破坏了晶格的多重对称性,但是晶格被压缩并不是压缩型PCF具有双折射特性的充要条件。利用所建立的模型,详细分析了压缩三角格子PCF和矩形格子PCF的双折射随压缩比、包层的空气孔直径、入射波长和晶格周期等参数的变化规律,并给出相应的理论解释。上述研究成果对进一步研究PCF的机理,尤其是压缩型PCF的各种特性和应用具有较大的理论意义和参考价值。(第四章) ●首次提出一个可以制作压缩型PCF的改进的管束-堆积法;通过引入一个W型器件,在传统管束-堆积法工艺流程基础上,改进了堆积技术从而可以制作具有压缩型结构的PCF预制棒,之后放入商用光纤拉丝塔中拉制为实际光纤。与传统管束-堆积法相比,该方法所具有的优势是可以拉制传统管束-堆积法无法拉制的压缩型光纤,可实现的压缩比最大范围是(3~(1/2),+∞)。论文讨论了W型器件的厚度、凹槽顶角以及其他结构参数对所能实现PCF压缩比的影响,通过分析给出了可选用的最优化参数。具体选取压缩比数值可根据具体设计要求选取。这对压缩型PCF的实际拉制,进而从实验上详细研究压缩型PCF提供了一个有效途径,具有一定理论意义和应用价值。(第五章) ●研究了PCF在光通讯偏振模色散补偿中的应用。将自己设计拉制的高双折射PCF应用在高速光纤通信系统的DOP反馈式偏振模色散补偿方案中,并讨论了应用PCF所必须解决的两个问题:PCF与普通单模光纤(SMF)的连接问题和系统中偏振相关损耗(PDL)对DOP反馈信号的影响。通过实验已经将PCF与SMF的连接损耗降低到1.05 dB,基本达到在光纤系统中应用的要求。论文分析了PDL对DOP反馈信号的影响规律,指出对PD1补偿的必要性,并给出了相应的补偿方案。上述对PCF在光通讯中的应用研究具有一定实用价值。(第六章)


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