新型光子准晶光纤及石英基光纤的微观机制研究

发布时间：2017-09-24 03:03

  本文关键词：新型光子准晶光纤及石英基光纤的微观机制研究

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【摘要】：随着超连续谱在光通信、光谱学、光学测量及生物医学成像等领域应用的不断拓展,急需提升超连续谱的光源性能,而与超短脉冲相作用以产生超连续谱的特种光纤的非线性、双折射及色散平坦等特性,已成为目前制约超连续谱光源性能提高的关键制约因素。本学位论文在对石英光纤基础介质材料非晶Si02及掺锗非晶Si02材料开展微观机理研究的基础上,基于光子准晶光纤结构设计大自由度的优势,面向超连续谱光源性能提高的应用需求,深入开展具有特殊色散特性的高非线性光子准晶光纤和高双折射光子准晶光纤的结构设计与优化。 取得的主要创新成果如下： 1.提出一种低限制损耗、近零平坦色散的石英基高非线性光子准晶光纤,通过规划光纤的结构参数,首次在光子准晶光纤中获得两个零色散点。研究表明,光纤在1373nm到1627nm的254nm波长范围内取得0±3.4ps/nm/km以内的近零色散平坦。在通信窗口1550nm波长处,非线性系数达33W-1km-1,色散斜率为8.5×10-3ps/nm2/km,限制损耗低至3.2×10-7dB/m。并从光纤实际制作工艺考虑,分析了空气孔结构偏离对光纤特性的影响。研究结果显示,在结构参数偏离3%以内时,光纤仍能保持设计特性。 2.提出一种As2Se3基掺锗芯红外区双零色散点的高非线性光子准晶光纤。光纤在2-5.5μm波长范围内具有两个零色散点,非线性系数最高可以达到5000W-1km-1。光纤由均一的空气孔包层和芯区的掺锗棒组成,采用芯区掺杂锗的方法,包层对基模模场有很好的限制能力,在保证低损耗的前提下,可在增大光纤非线性的同时对色散进行有效的调整。 3.提出一种ZBLAN氟化物玻璃基的高双折射光子准晶光纤,双折射高达10-2量级。光纤的双折射比普通保偏光纤高出两个数量级,达到椭圆孔微结构光纤的双折射量级,但比椭圆空气孔在工艺上较易于实现。研究结果表明,光纤可在1800nm到2200nm的400nm波长范围内保持单模传输特性。尤其是在2μm波长处,双折射B=2.42×10-2,限制损耗小于2.24×10-4dB/m。据文献调研所知,此高双折射光纤为2μm波段双折射首次达到10-2量级的高双折射光纤。 4.提出一种芯区带有四小空气孔以矩形排列结构的高双折射ZBLAN光子准晶光纤。运用四个较大的空气孔形成内芯,通过芯区空气孔的尺寸和空间的矩形分布对模场进行调制。数据分析结果表明,通过合理的设计包层结构,光纤在两微米波长处保持单模传输特性,双折射高达2.88×10-2,限制损耗小于4.95×10-4dB/m。不仅在双折射方面比带葡萄柚空气孔的高双折射光纤有所提高,而且降低了光纤的制作难度 5.建立石英光纤非晶SiO2材料的理论分析模型。基于相关原子问对势参数,通过分子动力学方法得到非晶态SiO2的稳定结构,计算得出的短程作用结构参数和前人报道的实验及理论值相符。同时,分析带氧缺陷的非晶Si02的声子态密度,得到了比热、德拜温度、振动熵等热力学性质。另外,分析得到了掺锗非晶SiO2结构在不同掺杂情况下的稳定微观结构。掺锗非晶SiO2其微观结构是以锗原子易于占据远离中心的位置且彼此之间以最远的距离分布为特点。和金属化合物或者晶体掺杂系统的结果相反,非晶Si02的锗掺杂,降低了系统的稳定性。
【关键词】：光子准晶光纤 超连续谱光源 高非线性 高双折射 非晶SiO_2 氧缺陷 热动力学
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN253
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 1 绪论12-30
• 1.1 引言12-13
• 1.2 光子准晶光纤13-21
• 1.2.1 光子准晶体13-14
• 1.2.2 光子准晶光纤14-20
• 1.2.3 光子准晶光纤的制备方法20-21
• 1.3 石英光纤微观机制研究现状21-23
• 1.4 高非线性光纤的研究现状23-24
• 1.5 双折射光纤的研究现状24-27
• 1.6 本文的主要研究内容27-30
• 2 具有特殊色散特性的高非线性光子准晶光纤30-64
• 2.1 引言30
• 2.2 有限元分析方法30-38
• 2.2.1 基本原理31-33
• 2.2.2 边界条件33-36
• 2.2.3 光子准晶光纤的数值简化模型36-38
• 2.3 近零平坦色散石英基高非线性PQF38-44
• 2.3.1 光纤结构与及重要性能参数39-40
• 2.3.2 结构参数影响40-42
• 2.3.3 制作容差影响42-44
• 2.4 As_2Se_3基双零色散点的高非线性PQF44-52
• 2.4.1 传统型结构PQF45-46
• 2.4.2 具有双零色散的As_2Se_3基高非线性PQF46-52
• 2.5 具有掺锗芯的As_2Se_3基双零色散点高非线性PQF52-61
• 2.5.1 光纤结构52-53
• 2.5.2 结构参数的影响53-58
• 2.5.3 掺锗芯的影响58-61
• 2.6 小结61-64
• 3 新型高双折射光子准晶光纤的研究64-86
• 3.1 引言64-65
• 3.2 带葡萄柚空气孔的高双折射ZBLAN PQF65-71
• 3.2.1 光纤结构65-66
• 3.2.2 数值模拟与结果分析66-71
• 3.3 芯区带四个小空气孔的高双折射PQF71-78
• 3.3.1 光纤结构71-72
• 3.3.2 数值分析结果72-78
• 3.4 具有高非线性特性的高双折射PQF78-83
• 3.4.1 结构基础79
• 3.4.2 数值优化过程79-83
• 3.5 小结83-86
• 4 石英基光纤微观机制研究86-106
• 4.1 引言86
• 4.2 理论模型86-95
• 4.2.1 原子间相互作用势理论87-89
• 4.2.2 陈氏晶格反演获得原子间作用势89-90
• 4.2.3 晶格振动的计算方法90-91
• 4.2.4 光学性质91-93
• 4.2.5 非晶SiO_2的结构93-95
• 4.3 具有氧缺陷的非晶SiO_2的特性分析95-98
• 4.3.1 具有氧缺陷的热力学性质95-97
• 4.3.2 非晶SiO_2的力学性质97-98
• 4.4 掺锗非晶SiO_2的特性98-104
• 4.4.1 掺锗非晶SiO_2的结构特性99-100
• 4.4.2 声子态密度与热力学性质100-102
• 4.4.3 光学特性102-104
• 4.5 小结104-106
• 5 结束语106-110
• 5.1 本论文的主要研究内容及成果106-108
• 5.2 下一步拟开展的研究工作108-110
• 参考文献110-120
• 作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果120-124
• 学位论文数据集124

【参考文献】

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本文编号：908965