光子晶体光纤填充和光子晶体光纤光栅的研究

摘要

本论文选题于国家973、863以及国家自然科学基金等项目，结合课题的要求和主要目标，在对光子晶体光纤(PCFs)传输特性研究的基础上，首先对光子晶体光纤光栅进行了理论和实验研究；然后，采用平面波展开法和有限单元法分析了在光纤的空气孔中填充高折射率液晶对光纤传导机制和传输特性的影响，提出并设计了几种新型光子晶体光纤；最后，提出并研制成功连续可调谐、输出功率谱均衡的全光纤化、高功率包层泵浦铒镱共掺光纤激光器实验样机。主要研究内容和成果包括以下基本方面：
　　 1、首次提出基于填充高折射率介质(液晶)的折射率引导型PCF的光子带隙理论分析方法，在此理论的指导下，采用平面波展开法和有限单元法研究了填充对光纤传导机制和传输特性的影响，研究结果表明液晶填充可以实现光子晶体光纤导光机制的转变。基于光子带隙理论利用光纤传导模式在带隙内外传导模式的损耗、色散等特性的差异，我们首次提出并设计了通过外界物理量调节包层中填充介质的折射率，改变光子带隙和传导模式的色散曲线的相对位置，从而改变传导模式的损耗和色散等特性，最终得到了可调谐光子带隙光纤。
　　 2、基于光子带隙理论首次理论研究了填充液晶对折射率传导型高双折射PCF传输特性的影响。分析了液晶填充对PCF的传导机制和传输特性的影响，并与光纤在填充前PCF的基本传导性质做了比较，研究结果表明液晶填充能够实现光纤传导机制的转变，同时得到更高的双折射。在此研究的基础上，首次提出并设计出通过用温度或者电磁场来调节空气孔中液晶的折射率来连续调节这种高双折射光子带隙光纤中的传输带隙和传导模式，最终实现的高双折射可调的光子带隙光纤。
　　 3、对光子晶体光纤光栅进行了理论和实验研究。利用紫外光写制的方法，成功地在柚子型PCF中写制了光纤Bragg光栅，在光栅的反射谱和透射谱中观测到了多个谐振波长，同时利用全矢量有限单元法分析了在柚子型PCF上写制的Bragg光栅的谐振特性，模拟结果和实验结果基本吻合。此外对柚子型PCF写制的Bragg光栅反射谱中多个峰的温度和应变传感特性进行了理论和实验研究。理论和实验研究结果均表明柚子型PCF Bragg光栅反射谱中的几个谐振峰随温度和应变变化产生的漂移并不一致。
　　 4、提出了一种通过在光子晶体光纤的空气孔中选择性填充高折射率材料来实现混合传导机制的双折射光子晶体光纤方案，并采用采用全矢量有限单元法分析了这种混合传导机制的PCF的传输特性。
　　 5、提出采用不同方向的压力来研究双折射光子晶体光纤的相双折射和模双折射特性，这不同于国内外报道的采用流体静压方式研究光子晶体光纤的双折射变化规律。我们采用全矢量有限单元法理论上进行分析，分析结果表明，采用不同的加压方式，光子晶体光纤的双折射随压力的变化规律也不同。
　　 6、研究了光子带隙光纤中表面模对光纤基本传导特性的影响，研究表明，选择合适的光子晶体光纤结构和与之相匹配的填充材料就可以消除表面模对光纤传输特性的影响。
　　 7、在对主动锁模的光纤激光器的工作原理讨论的基础上，通过优化光纤激光器和双包层光纤放大器的结构参数，采用主振荡功率放大的方式，提出并研制成功1535nm～1570nm波长范围内连续可调谐、输出功率谱均衡的全光纤化、高重复频率(10GHz)、高功率(带宽内平均输出功率2W)超短脉冲包层泵浦铒镱共掺光纤激光器实验样机。