基于受激布里渊散射的光子晶体光纤慢光传输研究

摘要

光子晶体光纤具有与传统光纤不同的优良特性，例如高双折射、高非线性、色散可控和无限单模传输等特点，其在光信号传输、光传感等领域具有无可比拟的优越性，而且随着光子晶体光纤应用领域的不断扩展，新型光子晶体光纤的设计、分析和应用成为近年来热门研究领域之一。本论文基于受激布里渊散射效应并结合SBS慢光理论，将光子晶体应用在慢光传输中，其主要研究成果包括:
　　(1)基于CS2材料设计了一种具有优良慢光特性的液体填充光子晶体光纤(LCPCF)。采用全矢量有限元法分析研究了该LCPCF的基本特性，并结合SBS慢光理论数值分析了结构参数对受激布里渊效应阈值、布里渊增益、时间延迟等特性的影响。由数值仿真可知，合理调整光纤的各项结构参数，使得其在波长λ=1.064μm处非线性系数γ可达到15W-1·m-1。此外，当结构参数Λ=1.2μm、d1=0.9μm、d2=0.5μm时，实现了在泵浦功率为65.8mW情况下，1m长的LCPCF在λ=1.064μm处可获得134.44ns的慢光延迟量。
　　(2)设计了一种以As2S3材料作为背景材料，As38Se62材料作为实芯纤芯的混合型光子晶体光纤，该结构采用全圆孔，便于拉制。由于采用的这两种材料折射率很高，且折射率值相差较大，所以即使在较为简单的结构下也可以获得很高的非线性。结果表明:在波长1550nm处，通过调节包层空气孔的孔间距和纤芯圆孔半径，确定了最优结构参数为Λ=1μm，r2=0.3um，r1/Λ=0.3。在波长1550nm处，该结构的有效模面积达到最小0.572um2，非线性系数达到最大78W-1m-1，实现了单模传输，同时在泵浦功率为5.2mW时，1m长的混合型实芯光子晶体光纤科获得236ns的最大慢光延迟量。
　　(3)设计了一种基于As2Se3背景材料的光子晶体光纤。在纤芯处引入4个圆形空气孔，整个结构中采用的空气孔均为圆形，通过全矢量有限元法数值模拟可得，在一定的参数条件下，其在1.56μm波长处的有效模面积最小达到0.49um2，非线性系数达到89.8W-1·m-1。确定最优的结构参数为Λ1=1.6um、d1=1.5um、Λ2=1um、d2=1um，实现了慢光延迟时间随着泵浦功率的增加从0ns线性增加到251ns，斜率为89.6ns/mW，通过改变泵浦光功率的大小实现可控制时间延迟。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 慢光的研究背景及意义

1．2 基于受激布里渊散射慢光的研究进展

1．3 本文的主要研究内容及结构安排

第二章 光子晶体光纤特性和受激布里渊散射

2．1 光子晶体光纤的基本概念

2．2 光子晶体光纤的基本特性

2．2．1 无限单模传输特性

2．2．2 有效模场面积特性

2．2．3 高双折射特性

2．2．4 高非线性特性

2．2．5 可调的色散特性

2．3 全矢量有限元计算方法

2．4 受激布里渊散射的物理过程

2．5 受激布里渊散射阈值计算

2．6 布里渊增益谱计算

2．7 受激布里渊散射效应引起折射率改变

2．8 本章小结

第三章 基于液体填充光子晶体光纤实现慢光传输的研究分析

3．1 引言

3．2 PCF中基于SBS实现慢光的基本理论

3．3 材料的特性分析

3．4．1 结构设计

3．4．2 纤芯圆孔填充比对LCPCF的特性研究分析

3．4．3 包层圆孔填充比对LCPCF的特性研究分析

3．4．4 无限单模传输特性分析

3．4．5 LCPCF的慢光特性研究分析

3．5 本章小结

第四章 基于混合型光子晶体光纤实现慢光传输的研究分析

4．1 引言

4．2 材料的特性分析

4．3．1 结构设计

4．3．2 光子晶体光纤基模模场分布

4．3．3 光子晶体光纤实现单模传输的结构参数设定

4．3．4 纤芯圆孔填充比对PCF的有效模面积和非线性的影响

4．3．5 纤芯圆孔填充比对布里渊阈值的影响

4．4 混合型光子晶体光纤慢光特性分析

4．5 本章小结

第五章 基于As2Se3材料设计的光子晶体光纤实现慢光传输的研究分析

5．1 引言

5．2 材料特性分析

5．2 基于As2Se3材料设计的光子晶体光纤性能分析

5．2．1 结构设计

5．2．2 纤芯的圆孔直径对于光子晶体光纤非线性的影响

5．2．3 纤芯的圆孔直径对于光子晶体光纤布里渊增益的影响

5．2．4 纤芯的圆孔直径对于布里渊阈值的影响

5．3 As2Se3材料设计的光子晶体光纤慢光性能分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文和科研情况