保偏光子晶体光纤及其相关偏振器件的研究

摘要

光纤传输偏振态的不稳定性和光纤器件工作带宽窄制约了光纤通信系统的传输速率和传输容量，影响了相干全光网络化的推进。保偏光子晶体光纤由于其灵活的设计结构和高稳定的偏振特性，使其本身以及相关的偏振器件都在未来相干光通信系统、光纤传感器、可调谐光纤激光器等领域有重要的应用前景。针对未来相干光纤通信系统对偏振稳定性、宽传输带宽及无源器件小型化的理论和应用需求，本文利用有限元法分析和研究了具有高偏振稳定性的保偏光子晶体光纤及其基于这种光纤的微型化和宽带宽的偏振相关器件。获得的主要创新成果如下:
　　1.基于模式截止法，提出了一种新型的液晶填充超宽谱（也称宽带）单偏振单模光子晶体光纤结构，其单偏振单模工作带宽可达到1600 nm，且在其宽谱内限制损耗低于0.01 dB/km。在单芯单偏振单模光纤的基础上又设计了一种通信波长1.31μm和1.55μm同时具有单偏振单模传输特性的双芯光子晶体光纤，并将其应用于粗波分复用系统的光分波器，首次得到了一种光纤器件长度仅为1.639 mm的单偏振单模波分解复用器。
　　2.基于模式耦合理论和表面等离子共振效应，提出了一种单孔金属填充双芯光子晶体光纤偏振分束器，在工作波长1.55μm处，当该光纤长度为4.036 mm时，x、y方向两偏振光可实现分离，且消光比达到78.6 dB，在波长1.25μm-1.68μm范围内消光比高于20 dB，得到了一种短光纤长度带宽为430 nm的宽谱光子晶体光纤偏振分束器。
　　3.基于表面等离子共振效应，提出了一种在宽波段内具有强偏振相关滤波特性的金属填充光子晶体光纤。首次得到在波长1.25μm-2.1μm宽波段范围内，光子晶体光纤x偏振方向纤芯模式损耗大于248.95 dB/cm，而y偏振方向纤芯模式损耗小于0.21 dB/cm，并将其应用于宽谱偏振相关滤波器。得到了一种光纤器件长度仅为1 mm、消光比高于20 dB的带宽为850nm的光子晶体光纤偏振相关滤波器。
　　4.基于表面等离子共振效应，提出了一种双波段正交偏振相关滤波单芯光子晶体光纤，在波段1.31μm和1.55μm内分别支持光波的正交单偏振传输，并将其用于粗波分复用系统的1.31/1.55μm波长光分离，得到了一种光纤器件长度仅为0.3 mm光子晶体光纤粗波分复用偏振相关滤波器。
　　5.利用表面等离子共振效应，提出了三种单独在波长1.31μm或1.55μm处具有强偏振相关滤波特性的金属镀膜光子晶体光纤。较为系统的分析了非对称因素对光子晶体光纤偏振相关滤波特性的影响。在波长1.31μm处能够获得y偏振方向谐振耦合强度达到412.91 dB/cm，而对应x偏振方向的损耗仅为2.02dB/cm，且其谐振强度其半最大全宽FWHM为21 nm，可将其应用于单波带光子晶体光纤偏振相关滤波器。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 光子晶体光纤的概述

1．2．1 光子晶体光纤的分类

1．2．2 折射率引导型光子晶体光纤的特性

1．2．3 光子晶体光纤的制备

1．3 保偏光子晶体光纤的研究进展

1．3．1 高双折射PCF的研究进展

1．3．2 单偏振单模PCF的研究进展

1．4 保偏光子晶体光纤偏振耦合器件的研究进展

1．4．1 基于表面等离子共振效应保偏PCF偏振滤波器的研究进展

1．4．2 基于高双折射PCF的偏振分束器的研究进展

1．5 论文研究意义及主要研究内容

2 高双折射光子晶体光纤的设计与偏振特性的测量

2．1 引言

2．2 理论基础

2．2．1 双折射特性

2．2．2 全矢量有限元法

2．2．3 光子晶体光纤有限元分析过程

2．3 石英基底椭圆孔高双折射PCF的设计与分析

2．3．1 石英基底椭圆孔PCF结构模型

2．3．2 双折射和有效模场面积随PCF结构参数的变化规律

2．4 SF57软玻璃椭圆孔高双折射PCF的设计与分析

2．4．1 软玻璃SF57-PCF结构模型

2．4．2 SF57软玻璃椭圆孔PCF的双折射随结构参数的变化规律

2．4．3 SF57-PCF与石英PCF的传输特性的比较

2．4．4 高双折射SF57-PCF的设计及模场分布

2．4．5 高双折射SF57-PCF结构容差性分析

2．5 仅纤芯引入非对称的高双折射PCF的设计与分析

2．5．1 高双折射PCF结构模型

2．5．2 双折射随PCF结构参数的变化规律

2．5．3 液芯高双折PCF的功率限制因子及色散特性

2．5．4 液芯高双折PCF结构容差性分析

2．6 熊猫型高双折射PCF偏振特性表征

2．6．1 熊猫型高双折射PCF偏振消光比的测量

2．6．2 不同入射光偏振态下高双折射PCF传输损耗的测量

2．7 本章小结

3 单偏振单模光子晶体光纤的研究

3．1 引言

3．2．1 单芯SPSM-PCF结构

3．2．2 结构参数对单芯SPSM-PCF的影响分析

3．2．3 单芯SPSM-PCF的色散特性分析

3．2．4 双芯SPSM-PCF的设计及应用

3．3 本章小结

4 基于表面等离子共振效应的保偏PCF偏振相关滤波特性的研究

4．1 引言

4．2 金属表面等离子激元

4．3 单波带PCF偏振相关滤波特性的研究

4．3．1 基于高双折PCF的偏振相关滤波特性的研究

4．3．2 基于非对称SPPs模和高双折射PCF偏振相关滤波特性的研究

4．4 基于高双折射PCF双波段正交偏振相关滤波特性的研究

4．4．2 结构参数改变对PCF耦合特性的影响

4．4．3 双波段正交偏振相关滤波PCF的设计及应用

4．4．4 双波段正交偏振相关滤波PCF结构容差性分析

4．5 高双折射PCF宽谱偏振相关滤波特性的研究

4．5．2 填充材料对PCF偏振相关传输特性的影响

4．5．3 结构参数改变对PCF宽谱偏振相关滤波特性的影响

4．5．4 宽谱偏振相关滤波PCF的应用

4．5．5 宽谱偏振相关滤波PCF结构容差性分析

4．6 本章小结

5 基于保偏双芯光子晶体光纤偏振分束器的研究

5．1 引言

5．2 模式耦合基本理论

5．3 基于SPRs效应的高双折双芯PCF宽谱偏振分束器的设计

5．3．1 双芯PCF结构模型

5．3．2 方向阵列和三角阵列双芯PCF耦合长度比较

5．3．3 双芯结构参数对耦合长度的影响

5．3．4 填充金丝对PCF耦合特性的影响

5．3．5 PCF偏振分束器的设计

5．4 双芯PCF结构容差性分析

5．5 本章小结

6 结论

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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