亚波长直径氧化硅光纤和液芯光纤理论分析、实验制备和应用研究

摘要

随着光通信,光信息处理和光传感等技术的迅速发展,研究光在各种形式的波导(比如用于光通信的玻璃光纤,用于集成光学的矩形波导,用于能量传输的空心光纤以及近年来新兴的光子晶体光纤等)中调制,耦合,传输,放大,色散和非线性相互作用等现象的光波导理论日益发展起来。但现有的大部分光纤在某些领域下仍然存在缺点。比如在非线性效应上,现有的各种光纤都相对比较弱,不能适应更多的非线性相互作用的实验和应用。因此,对于一种能够具有高非线性效应的光纤的需求日益强烈。由此,我们首次提出了亚波长直径液芯光纤,并在理论和实验两方面对该种光纤进行了相关研究。
　　 理论上,首次提出了亚波长直径液芯光纤的理论模型,用于构造新的高非线性光纤。其次,将精确求解麦克斯韦方程推导圆形波导模型的各类光学性质的方法创新性地推广到了三层圆形波导模型的理论计算中去,并利用这种理论方法,成功地计算出了亚波长直径液芯光纤的各类光学性质。并利用求得的结果理论分析了其在光纤超连续谱产生,以及双折射情形下的偏振控制。
　　 实验上,首先通过改善已有的亚波长直径氧化硅光纤的实验制备方式,将这种熔融拉锥的方法很好的引用到了制备亚波长直径空心光纤的工作中去。通过实验测量后得到了孔径小于波长量级的亚波长直径空心光纤。其次,我们提出了全新的制备亚波长直径液芯光纤封装方式,从而成功完成了对于亚波长直径液芯光纤的制备工作。经过通光实验,得到了该类光纤的传输效率,通过与理论模拟的比较,此种方式制备出的亚波长液芯光纤的通光性已经得到了证明。
　　 本文的研究有如下贡献:
　　 创新性地提出了一种全新的光纤--亚波长直径液芯光纤。理论上和实验上系统的研究了该类光纤。理论上成功计算出了亚波长直径液芯光纤的光学性质。主要包括传播常数,传输能量分布,传输有效率,弯曲损耗,群速度色散,非线性系数。通过与亚波长直径氧化硅光纤的比较,发觉了这种新型光纤具有前者所不具备的很多新性质,包括:更好的光纤束缚力,极小的光纤弯曲损耗,平坦的群速度色散区域,以及超过前者两个数量级以上的光纤非线性系数。这些新的特性都为此类光纤的超强非线性效应奠定了基础。实验制备上,总结出了一套可以用来制作亚波长直径液芯光纤的制备和封装方法。利用这种方法,我们成功制备出了不同直径的低损耗业波长直径液芯光纤。同时,通过对于这类光纤的通光实验,我们很好的验证了它们作为光波导的传播能力。
　　 利用精确求解麦克斯韦方程的方式,很好的在理论上模拟并计算了以亚波长直径氧化硅光纤为代表的两层圆形波导理论模型的各种光学性质,具体包括了传播常数,传输能量分布,传输有效率,群速度色散以及光纤非线性系数。同时,我们将这种理论方法推广到了三层圆形波导模型的计算中,并很好的解决了对于亚波长液芯光纤的理论计算问题。
　　 基于亚波长直径液芯光纤的巨大非线性效应,探索了它在光纤超连续谱产生和偏正不稳定性两方面的应用。利用求解非线性薛定谔方程,模拟了亚波长直径液芯光纤的超连续谱的产生情况。模拟结果说明了在超连续谱产生方面,亚波长直径液芯光纤具有其他光纤所没有的超低功率阈值,超短作用距离等巨大优势。另外,巨大的非线性效应也使原来在强光下才能表现出的一些现象,如双折射条件下的偏振不稳定现象,在弱光的条件下得以实现,为其在各类非线性器件上的应用奠定了基础。
　　 介绍另一种液芯光纤--混合型液芯光纤在温度传感和喇曼增益放大等方面的应用。利用混合型液芯光纤制作的混合型液芯光纤温度传感器具有极高的温度传感灵敏度,以及较宽的工作范围可调谐性。另外,混合型液芯光纤可以明显的提高受激喇曼峰值。同时,由于非线性系数高,高阶喇曼峰的相互作用和竞争,导致了喇曼谱的展宽。

目录

文摘

英文文摘

上海交通大学学位论文答辩决议书

第一章 引言

1.1 研究背景

1.2 研究进展

1.2.1 亚波长直径氧化硅光纤简介

1.2.2 液芯光纤简介

1.3 研究内容

参考文献

第二章 亚波长直径氧化硅光纤理论推导,实验制备以及应用领域

2.1 亚波长直径氧化硅光纤的理论建模和计算

2.1.1 亚波长直径氧化硅光纤的理论模型

2.1.2 亚波长直径氧化硅光纤的传输特性

2.1.3 亚波长直径氧化硅光纤的色散以及非线性效应

2.2 亚波长直径氧化硅光纤的实验制备

2.2.1 亚波长直径氧化硅光纤的传统制备方法

2.2.2 我们的制作方法

2.3 亚波长直径氧化硅光纤的应用领域

2.4 本章小结

参考文献

第三章 亚波长直径液芯光纤理论探索及模型计算

3.1 亚波长直径液芯光纤的理论建模和传输特性

3.1.1 亚波长直径液芯光纤的理论模型

3.1.2 亚波长直径液芯光纤的传输特性

3.1.3 亚波长直径液芯光纤的弯曲损耗

3.2 亚波长直径液芯光纤的色散及非线性效应

3.2.1 亚波长直径空心光纤的色散特性

3.2.2 亚波长直径液芯光纤的非线性特性

3.3 亚波长直径液芯光纤的偏正控制

3.4 本章小结

参考文献

第四章 亚波长液芯光纤的实验制备及应用探索

4.1 亚波长直径液芯光纤的实验制备

4.1.1 亚波长直径空心光纤的制备和测景

4.1.2 亚波长直径液芯光纤的制作和封装

4.2 亚波长直径液芯光纤传输特性的测量

4.3 本章小结

参考文献

第五章 混合型液芯光纤的具体应用

5.1 髙灵敏度混合型液芯光纤温度传感器

5.1.1 混合型液芯光纤的理论研究以及温度响应

5.1.2 混合型液芯光纤温度传感器的架构

5.1.3 混合型液芯光纤温度传感器的灵敏度及对调谐度分析

5.2 混合型液芯光纤对提高喇曼增益的研究

5.2.1 光纤提高喇曼增益的研究背景

5.2.2 混合型液芯光纤喇曼增强效应

5.3 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

6.1 主要结论

6.2 研究展望

攻读博士学位期间的成果

致谢