高双折射光子晶体光纤特性及应用研究

摘要

与传统光纤相比，光子晶体光纤具有许多独特的特性，无限单模传输、高双折射、高非线性、大模场面积等特性。PCF在进行结构设计时的自由度非常大，自1992年被P.St.J.Russell等人提出了以后，在光通信、光传感等领域得到了广泛的关注。可以通过灵活设计光子晶体光纤的结构，从而获得具有高双折射特性的PCF，近些年已经有越来越多关于光子晶体光纤特性和应用的研究。
　　本文着重研究了光子晶体光纤的双折射特性，设计了新型的光子晶体光纤结构，基于有限元法，通过调整光纤的结构参数，及改变背景材料，来实现光纤的高双折射。与此同时，分析了在高双折射PCF空气孔中选择填充温敏液体时PCF的双折射特性随着温度的变化关系，实现了较高的温度灵敏度，可用于高灵敏度PCF温度传感器。
　　本文的主要研究内容如下:
　　(1)针对传统圆形空气孔光子晶体光纤(PCF)双折射系数不大，椭圆空气孔制作难度较大、成本较高等问题，设计了一种新型的八边形光子晶体光纤。通过在纤芯区域引入类椭圆微型结构来造成光纤模式的不对称性，获得了较高的高双折射。计算结果表明，通过设置合适的结构参数，在波长1.55μm处，双折射高达4.026×10-2，达到同类型的椭圆空气孔PCF，同时该光纤也在X和Y方向分别获得62.2W-1·km-1和43.7W-1·km-1高非线性系数。
　　(2)设计了一种基于硫系玻璃的高双折射光子晶体光纤，该光纤可得到10-1的数量级的高双折射，得到高的非线性系数和低的限制损耗，使其在偏振控制、非线性光学及超连续谱的产生等方面有广泛的发展前景。
　　(3)本文利用在PCF的空气孔中进行温敏液体选择填充时，PCF的温敏特性会受到影响，从而提出了一种高温度灵敏度的光子晶体光纤(PCF)。从温敏液体的选择及改变光纤结构参数两个方面研究了此光子晶体光纤的温敏特性，研究结果显示，用乙醇选择填充空气孔时，在λ为1.55μm时，该PCF的温度灵敏度高达3.37×10-5℃-1，在PCF温度传感器方面有广泛的应用价值。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 光子晶体光纤简介

1．2 光子晶体光纤的分类与制作技术

1．3 高双折射光子晶体光纤

1．3．1 双折射光子晶体光纤的优势及产生方法

1．3．2 高双折射光子晶体光纤的研究发展及现状

1．4 本文的主要研究内容

1．5 本论文的主要创新点

第二章 光子晶体光纤的特性和分析方法

2．1 引言

2．2 光子晶体光纤的特性

2．2．1 无截止单模传输特性

2．2．2 高非线性特性

2．2．3 色散特性

2．2．4 高双折射特性

2．2．5 大的有效模场特性

2．2．6 损耗特性

2．3 光子晶体光纤的理论研究方法

2．3．1 有效折射率法

2．3．2 平面波展开法

2．3．3 多极法

2．3．4 有限差分法

2．3．5 有限元法

2．4 有限元的基本理论方法

2．4．1 全矢量有限元的基本原理

2．4．2 边界条件的选用

2．5 小结

第三章 一种新型的八边形高双折射光子晶体光纤

3．1 引言

3．2 理论基础

3．3 高双折射光子晶体光纤的设计

3．4．1 模场特性

3．4．2 高双折射特性

3．4．3 有效模面积

3．4．4 非线性特性

3．5 结论

第四章 一种基于硫系玻璃的高双折射光子晶体光纤

4．1 引言

4．2 基本理论

4．3 高双折射光子晶体光纤的设计

4．4 数值模拟和结果分析

4．4．1 基模模场特性

4．4．2 有效折射率

4．4．3 双折射特性

4．4．4 限制损耗特性

4．4．5 非线性特性

4．4．6 色散特性

4．5 本章小结

第五章 一种高温度灵敏度双折射光子晶体光纤特性研究

5．1 引言

5．2 高双折射PCF结构

5．3 不同的填充方式对PCF温敏特性影响

5．4 填充液体对温敏特性的影响

5．5 改变结构参数对温敏特性的影响

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果清单