基于模式耦合效应的特种光纤和高阶导模光子带隙光纤的研究

摘要

特种光纤及相关器件已广泛应用于光纤通信、光纤传感、生物医学、材料加工和军工等科技领域。在国家“863”计划项目“通信用特种光纤”和国家自然科学基金项目“色散、色散斜率一体化宽带补偿光子晶体光纤的研制及其应用研究”的直接资助下,本论文主要对基于模式耦合效应的特种光纤进行了深入的理论和实验研究,同时对高阶导模光子带隙光纤进行了一定的理论研究。取得的创新性成果如下:
　　 1.基于弯曲光纤中的模式耦合效应,采用线性拟合方法简化超模式折射率间的差值,推导出低弯曲损耗准则的解析公式。基于该低弯曲损耗准则,提出两条典型的低弯曲损耗传输路径——最优化弯曲路径和线性弯曲路径,同时指出线性路径长度参数是判断低弯曲损耗传输路径长短的重要参数。
　　 2.设计出一条满足低弯曲损耗准则的阿基米德螺旋线弯曲路径,研制出带有此螺旋线路径的芯轴部件,借助超连续谱光源和空间光路连接,对低弯曲损耗准则进行了实验验证。研究表明光纤能够通过低弯曲损耗路径被弯曲至很小弯曲半径的紧弯曲状态,该低弯曲损耗准则可作为弯曲光纤实验和工程技术上的重要理论依据。
　　 3.基于平面波展开模型和有限元模型,提出一种在光子带隙光纤中快速寻找导模的方法。该方法运用一种空气包层等效模型简化了光子带隙光纤的分析过程,数值模拟效率得到大幅度提高。在此基础上,设计出一种全新的传导高阶模的石英芯光子带隙光纤,该光纤在高阶模特性研究方面具有应用潜力。
　　 4.基于同轴双芯光纤的模式耦合效应,设计了一种内芯掺锗、环芯为纯石英的低限制损耗大负色散双芯光子晶体光纤,该光纤在1550nm波长处负色散值达到-1120ps/nm/km。该光纤包层最外圈采用了较大的空气孔,使得在整个色散补偿的波长范围内,由光子晶体光纤特殊结构引起的限制损耗减少了4个量级以上;在1550nm波长处,光纤的限制损耗值仅为1.01×10-6dB/km。逐步完善管束堆积制作方法,研制出不同结构参数的色散补偿双芯光子晶体光纤。
　　 5.运用改进的分步傅立叶方法求解非线性耦合模方程组,数值分析了对称双芯光纤中的光脉冲传输,结果表明对称双芯光纤可以实现被动锁模激光器中饱和吸收体的作用。针对轴对称双芯光纤在实际应用中的接续难题,研制出一种轴偏移双芯光纤。为满足两个芯子同时接入的特殊应用需求,进一步提出了一种扁平结构轴偏移双芯光纤的制作方法。利用管束堆积制作方法研制出满足不同需求的对称双芯光纤。

目录

文摘

英文文摘

致谢

第一章 绪论

1.1 模式耦合理论及光纤中的模式耦合效应

1.2 特种光纤及其制作工艺

1.3 弯曲光纤的损耗理论

1.4 新型光子晶体光纤的研究进展

1.4.1 高阶导模光子带隙光纤

1.4.2 色散补偿双芯光子晶体光纤

1.5 双芯光纤及其非线性模式耦合理论

1.6 本论文主要工作

参考文献

第二章 弯曲光纤中低损耗传输的研究

2.1 模式耦合理论

2.1.1 耦合模式

2.1.2 正规模式

2.2 弯曲光纤低损耗准则的理论分析

2.2.1 弯曲光纤的等效倾斜折射率模型

2.2.2 弯曲光纤的低损耗准则

2.2.3 低损耗弯曲路径

2.3 弯曲光纤低损耗准则的实验验证

2.3.1 光纤的选择

2.3.2 弯曲路径的选择及芯轴的制作

2.3.3 实验系统

2.3.4 实验结果分析

2.4 小结

参考文献

第三章 新型光子晶体光纤的研究

3.1 数值模型

3.1.1 有限元模型

3.1.2 平面波展开模型

3.2 高阶导模光子带隙光纤

3.2.1 光子带隙光纤的包层结构

3.2.2 光子态密度图谱

3.2.3 模型构建及结果分析

3.3 色散补偿双芯光子晶体光纤

3.3.1 色散补偿的基本方式

3.3.2 色散补偿双芯光子晶体光纤

3.3.3 色散补偿光子晶体光纤的限制损耗

3.4 光子晶体光纤的制作

3.4.1 光子晶体光纤的制作平台

3.4.2 光子晶体光纤的制作方法

3.4.3 色散补偿光子晶体光纤的制作

3.5 小结

参考文献

第四章 对称双芯光纤及其非线性模式耦合的研究

4.1 对称双芯光纤中的非线性模式耦合理论

4.1.1 非线性耦合模方程

4.1.2 对称双芯光纤中光脉冲传输

4.2 对称双芯光纤的制作

4.2.1 轴对称的对称双芯光纤的制作

4.2.2 轴偏移的对称双芯光纤的制作

4.2.3 双芯光纤的结构参数优化

4.3 实验系统的构建

4.3.1 空间光连接

4.3.2 熔接光纤连接

4.4 小结

参考文献

第五章 结束语

5.1 本论文的主要研究成果

5.2 下一步拟开展的工作

作者简历

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