基于双芯光子晶体光纤宽带偏振分束器的设计及性能研究

摘要

随着信息化社会的高度发展，互联网业务呈爆炸式增长，通信网的传输容量将达到Tb/s量级，高速率、大容量的全光网络已成为未来通信发展的趋势。超大容量和超高速率的全光网络需要高性能光器件做支撑，性能优良价格低廉的全光器件成为人们的研究热点。
　　偏振分束器是全光网中一种重要的光器件，基于双折射原理制成。传统的偏振分束器通过普通波导器件获得双折射特性，由于这些器件的双折射系数较小，因此传统偏振分束器的长度较长、分光比较低、带宽较窄。
　　近年来，光子晶体光纤以其无尽单模、高双折射、高非线性等独特性能引起人们的高度重视。光子晶体光纤结构灵活可控，通过调整光纤的结构，包括孔间距、占空比、晶格常数、基质材料以及空气孔的尺寸和形状，可以实现高双折射特性，为高性能偏振分束器的研制提供了基础。本论文基于光子晶体光纤的优异性能，利用有限元算法研究了超宽带低损耗的偏振分束器。主要的研究内容包括：
　　1.依据双芯光子晶体光纤的耦合模理论，提出了两种具有偏振分束特性的双芯光子晶体光纤。研究表明，引入中心椭圆空气孔和增加芯区附近空气孔的尺寸能够获得高双折射特性，从而提高双芯光纤的耦合长度比，有利于降低基于双芯光纤的偏振分束器的长度。
　　2.研究了包层空气孔的排列方式对双芯光子晶体光纤的耦合特性的影响。包层空气孔为正八边形方式排列的双芯光子晶体光纤的耦合长度与正六边形及正四边形排列的光纤相近，却具有更低的限制损耗。在基础上提出了一种基于正八边形双芯光子晶体光纤的偏振分束器，当工作波长为1550nm时，分光比高达81.2dB，限制损耗低至0.2dB/m。
　　3.论证了纤芯掺氟和中心空气孔填充金属丝实现偏振分束器的宽带特性。芯区掺氟降低了纤芯的折射率，利用反波导波长效应增加了分束器的带宽；中心空气孔填充金属丝则激发了表面等离子激元，当满足相位匹配条件时，分束器的带宽得到了大幅的提升。将两种方法结合，提出了一种混合机制增加带宽的双芯光子晶体光纤，该分束器的带宽达到330nm，1550nm处的分光比高达44.2dB。
　　4.研究芯区材料对偏振分束器带宽的影响，提出了一种石墨烯包覆中心空气孔的双芯光子晶体光纤分束器，该器件的带宽高达610nm，1550nm处的分光比达到56.3dB，且其结构简单，降低了光纤的制备难度，为宽带偏振分束器的设计提供了新的思路。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 光子晶体光纤简介

1.3 双芯光子晶体光纤偏振分束器的概述

1.4 本论文的研究思路及主要工作

第二章 光子晶体光纤的基础理论

2.1 等效折射率法

2.2 平面波法

2.3 有限元法

2.4 本章小结

第三章 基于双芯光子晶体光纤的偏振分束器设计及特性分析

3.1 双芯光子晶体光纤中的模式耦合

3.2 双芯光子晶体光纤偏振分束器的实现

3.3 基于正八边形双芯光子晶体光纤的偏振分束器的设计

3.4 本章小结

第四章 基于双芯光子晶体光纤偏振分束器的宽带特性的研究

4.1 偏振分束器的两种宽带特性的实现机理

4.2 一种混合机制的宽带双芯光子晶体光纤的设计研究

4.3 基于石墨烯包覆的宽带偏振分束器的设计研究

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 展望

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文

附录2 攻读硕士学位期间参加的科研项目

致谢