新型空芯光子晶体光纤的制备与性能研究

发布时间：2020-09-29 08:04

　　光子晶体光纤从被提出至今,其独具一格的光学特性就一直受到光学、通信、物质检测等多个研究领域的密切关注。国内外相关领域学者有关的研究也是逐年加深,实芯光子晶体光纤的研究基本已经成熟,大量研究人员将研究的重心转移至空芯光子晶体光纤。已有的关于空芯光子晶体光纤的研究的思路很多都是使用有限元软件对包层空气孔为多层的空芯光子晶体光纤进行仿真分析,设计其结构参数得到较好传输特性。本文在空芯光子晶体光纤的研究领域内,从多包层空气孔光子晶体光纤与单包层空气孔光子晶体光纤的传输机理两者之间存在的关联性出发,研究分析了表面模的消除机制、单层孔传光的原理、悬挂芯光子晶体光纤的传输特性等几个方面。针对多包层空气孔光子晶体光纤结构的简化、制备以及在波长变换领域的应用进行深度展开,本文的核心创新点与相应研究成果如下:1.从研究空芯带隙型光子晶体光纤、空芯kagome结构光纤以及较为新颖的空芯反谐振光子晶体光纤这三种光纤的导光机理之间的关联性出发,针对现有文献中对于这三者导光机理的争论性问题,分析了三种不同空芯光纤的结构特点,研究发现了这三种空芯光纤的在纤芯形状、纤芯大空气孔壁厚、包层空气孔之间的间隙孔以及包层空气孔的层数这几个方面有一些区别和联系,并且利用有限元方法研究了不同结构参数光纤的传输特性的影响。最终发现这三种光纤都可以使用反谐振反射波导对传输特性进行解释。三者的共性在于,光纤纤芯壁厚是决定光纤带宽的关键因素。空芯带隙型光子晶体光纤的导光机理是带隙导光,但是纤芯壁厚仍旧是影响带宽的主要因素,而且纤芯表面模的消除却是反谐振反射波导的原理;空芯kagome结构光纤与空芯反谐振光子晶体光纤这两种光纤的导光原理都可以使用反谐振反射波导的原理进行解释。2.为了研究充氩空芯光子晶体光纤中的四波混频效应和波长转换,采用飞秒激光脉冲宽度为120 fs、重复频率为76 MHz、脉冲中心波长760 nm-980 nm范围内具有可调谐性的飞秒激光进行了非线性实验。实验结果表明,在特定波长下,在泵浦两侧产生新的光谱,可以精确地满足四波混频的相位匹配条件。然后使用分步傅里叶方法在理论上模拟了光谱的展宽情况,结合实验结果与理论分析,我们发现实验现象主要是由四波混频引起的,在这个非线性过程中也发生了一些自相位调制、受激喇曼散射和孤子效应等非线性相位效应。3.用有限元方法模拟设计出结构较为特殊的,只有单层空气孔的悬挂芯结构光子晶体光纤,这种光纤具有超长带宽范围内低损耗单模传光,而且能够实现高非线性系数、色散补偿等特性。分析和计算了悬挂芯结构光子晶体光纤的在带宽、损耗、色散、模场面积、非线性系数这几个光纤特性参数与光纤的结构参数之间的变化规律。得到的光纤可在0.7 um-2 um范围内单模传输,色散超过-500ps.(nm.km)~(-1),而且非线性系数始终大于50 w~(-1)km~(-1)。分析了不同波长下空气孔中的光强比例变化规律,这一比例大于15%时候传输参数表现出许多反常传输特性规律。同时提出了一种降低悬挂芯光子晶体光纤损耗的光纤结构,并且论述了悬挂芯光纤的堆积法制备技巧。
【学位单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN253
【部分图文】：

模式分布,纤芯,包层

从 PCF 的二维结构就可以看出其在排列上具有极为强烈的周期性，本质上将实 PCF 与空芯 HC-PBF 的差别就在于纤芯，在光纤制棒过程中把实芯 PCF 最中央的根实芯棒抽出，整体结构就可以理解是整个预制棒都是完全相同的包层空气孔结组成。但是，为了给予光在空气孔中有更大的传输空间，一般都是抽去 7 根石英，这样一来就造成了原有的周期性环境被破环，纤芯区域有的新的边界，也就产了新的传输方程组。也就是说，引入 HC-PBF 纤芯区域的大空气孔是造成表面模生的核心因素。为了直观的探究表面模式的产生与消除机制，我们首先从研究无区域的大空气孔的模型，如图 2-1 所示，此时，整光纤端面上杂乱无章的分布着很块状模和传输模，唯一就是没有基模。主要原有就是光入射到这种结构之后，整结构的各个区域的约束环境是一样的。光无法像在实芯 PCF 中传输那样被很好的缚于芯区，从而造成了杂乱无章的模式分布。但是有一个明显的趋势就是，光射芯区之后，由于没有约束条件，向着四周的包层中扩散了，但是很明显这些无规的模式还是大多分布于包层的第 4 层和第 5 层，而没有直接再次向往扩散，跑出纤区域。这说明纤芯的约束是光集中在芯区的关键。

表面模

第 2 章多层空气孔空芯光子晶体光纤的传输模式研究这说明引入纤芯大空气同样可以实现和实芯光纤的纤芯一样约束光在芯区传输的效果。图 2-1(b)与图 2-1(a)相比虽然有了很好的传输基模，但是明显可以发现纤芯边缘仍旧有微弱的模式，也就是表面模。在图 2-1(b)的基础之上，改变传输波长可以得到图 2-2(a)的传输模式结果，明显光全部集中于光纤芯区，没有了表面模。虽然图 2-2(a)与图 2-2(b)中都有很好的基模，但是对比发现图 2-2(b)中基模偏红色，即其能量要高于图 2-2(a)。也就是说，表面模消除之后，光场的能量全部集中在基模之上。因为有表面模时候，有部分能量在纤芯石英环的石英区域上传输，而且这部分能量继续向包层扩散的可能性很大。

石英,能量,纤芯,表面模

a) b)图 2-3 在角区引入石英环 a)2D 表面图 b)能量等位图通过上文分析可知，纤芯石英环的形状、位置、厚度、均匀性都会对表面模的产生造成影响。整个 HC-PBF 的设计过程中对纤芯石英环结构的优化是保证尽可能消除 HC-PBF 的表面模，保证其高能量单模传输的前提。2.3 纤芯空气孔对模式特性的研究上文主要是定性研究了 HC-PBF 的纤芯石英环的结构参数对表面模和传输基模的影响。本节主要从定量分析了的角度进行了仿真分析，从研究 HC-PBF 的大量文献可知纤芯壁厚是影响光纤带宽和损耗的主要因素。首先建立了如图 2-4 所示的HC-PBF 的端面结构模型。

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