带隙型光波导器件模式滤除及传输特性研究

摘要

近年来，少模光纤的应用引起了人们广泛的兴趣。由于光纤的非线性及放大器的带宽等限制，单模光纤的通信容量逐渐接近极限。采用基于少模光纤的模分复用技术可以将少模光纤中的每一个模式都作为单独的信息传输通道，从而使光纤的通信容量成倍增加。采用选择性的模式激励机制，可使得少模光纤以单模状态工作。相比于单模光纤，少模光纤的模场面积更大，可以有效降低非线性效应，实现通信的长距离传输。如何操控少模光纤中的模式，成为少模光纤应用的关键技术之一。本文重点研究了几种新型少模光纤器件，并分析了其传输性能。 模式转换器和模分复用器/解复用器是模分复用系统的关键器件，其关键技术指标之一就是串扰，减少器件的模式串扰是提升其性能的重要手段之一。滤模器可以将模式转换器或模分复用器中输出的模式进行提纯，使其它模式的串扰降低，提高系统的信噪比。与波分复用中的滤波器相似，能够实现对少模光纤中模式进行选择性滤除的滤模器在模分复用系统中也有着重要的应用。本文提出一种滤模光纤的实现方案。光纤中的表面等离子体激元(SPP)模式具有强的损耗，利用这一特性，本文通过在光纤中引入金丝，利用其激发的高损耗的表面等离子体激元模式，以增强光纤中特定模式的损耗，进而达到滤除模式的作用。采用有限元法分别了分析四模光纤和双模光纤内模式的损耗特性，并通过优化光纤参数和结构，实现了对光纤中特定模式的高损耗滤除和其它模式的低损耗传输，且光纤长度仅为厘米量级。 本文还提出将带隙结构理论引入到少模波导以实现对特定模式的滤除。通过在波导包层区设置一微结构缺陷，使少模波导的基模与缺陷模发生耦合。再通过引入高折射率介质区，破坏缺陷模的全内反射传输机制，使其具有强泄露特性，从而使波导的基模产生强泄露损耗，而其高阶模与缺陷模不发生耦合，保持低损耗传输。 大模场光纤具有大的模场面积，可以降低光纤的非线性效应，使用这种光纤能够有效降低高功率光纤激光器的热损伤。通常这种光纤应工作在单模状态，同时还应允许一定程度的弯曲。为此，本文设计了一种大模场带隙光纤，这种光纤在未弯曲的情形下可以传输两种模式。弯曲该光纤时，其包层模产生了强泄露，纤芯 LP11模与包层模由于满足折射率匹配条件发生耦合被滤除，同时基于带隙传输原理，光纤基模被束缚在纤芯区，从而实现了等效的单模、大模场传输。

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