光子晶體光纖從被提出至今,其獨(dú)具一格的光學(xué)特性就一直受到光學(xué)、通信、物質(zhì)檢測等多個研究領(lǐng)域的密切關(guān)注。國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者有關(guān)的研究也是逐年加深,實(shí)芯光子晶體光纖的研究基本已經(jīng)成熟,大量研究人員將研究的重心轉(zhuǎn)移至空芯光子晶體光纖。已有的關(guān)于空芯光子晶體光纖的研究的思路很多都是使用有限元軟件對包層空氣孔為多層的空芯光子晶體光纖進(jìn)行仿真分析,設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)得到較好傳輸特性。本文在空芯光子晶體光纖的研究領(lǐng)域內(nèi),從多包層空氣孔光子晶體光纖與單包層空氣孔光子晶體光纖的傳輸機(jī)理兩者之間存在的關(guān)聯(lián)性出發(fā),研究分析了表面模的消除機(jī)制、單層孔傳光的原理、懸掛芯光子晶體光纖的傳輸特性等幾個方面。針對多包層空氣孔光子晶體光纖結(jié)構(gòu)的簡化、制備以及在波長變換領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行深度展開,本文的核心創(chuàng)新點(diǎn)與相應(yīng)研究成果如下:1.從研究空芯帶隙型光子晶體光纖、空芯kagome結(jié)構(gòu)光纖以及較為新穎的空芯反諧振光子晶體光纖這三種光纖的導(dǎo)光機(jī)理之間的關(guān)聯(lián)性出發(fā),針對現(xiàn)有文獻(xiàn)中對于這三者導(dǎo)光機(jī)理的爭論性問題,分析了三種不同空芯光纖的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),研究發(fā)現(xiàn)了這三種空芯光纖的在纖芯形狀、纖芯大空氣孔壁厚、包層空氣孔之間的間隙孔以及包層空氣孔的層數(shù)這幾個方面有一些區(qū)別和聯(lián)系,并且利用有限元方法研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)光纖的傳輸特性的影響。最終發(fā)現(xiàn)這三種光纖都可以使用反諧振反射波導(dǎo)對傳輸特性進(jìn)行解釋。三者的共性在于,光纖纖芯壁厚是決定光纖帶寬的關(guān)鍵因素�？招編缎凸庾泳w光纖的導(dǎo)光機(jī)理是帶隙導(dǎo)光,但是纖芯壁厚仍舊是影響帶寬的主要因素,而且纖芯表面模的消除卻是反諧振反射波導(dǎo)的原理;空芯kagome結(jié)構(gòu)光纖與空芯反諧振光子晶體光纖這兩種光纖的導(dǎo)光原理都可以使用反諧振反射波導(dǎo)的原理進(jìn)行解釋。2.為了研究充氬空芯光子晶體光纖中的四波混頻效應(yīng)和波長轉(zhuǎn)換,采用飛秒激光脈沖寬度為120 fs、重復(fù)頻率為76 MHz、脈沖中心波長760 nm-980 nm范圍內(nèi)具有可調(diào)諧性的飛秒激光進(jìn)行了非線性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在特定波長下,在泵浦兩側(cè)產(chǎn)生新的光譜,可以精確地滿足四波混頻的相位匹配條件。然后使用分步傅里葉方法在理論上模擬了光譜的展寬情況,結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析,我們發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象主要是由四波混頻引起的,在這個非線性過程中也發(fā)生了一些自相位調(diào)制、受激喇曼散射和孤子效應(yīng)等非線性相位效應(yīng)。3.用有限元方法模擬設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)較為特殊的,只有單層空氣孔的懸掛芯結(jié)構(gòu)光子晶體光纖,這種光纖具有超長帶寬范圍內(nèi)低損耗單模傳光,而且能夠?qū)崿F(xiàn)高非線性系數(shù)、色散補(bǔ)償?shù)忍匦浴７治龊陀?jì)算了懸掛芯結(jié)構(gòu)光子晶體光纖的在帶寬、損耗、色散、模場面積、非線性系數(shù)這幾個光纖特性參數(shù)與光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的變化規(guī)律。得到的光纖可在0.7 um-2 um范圍內(nèi)單模傳輸,色散超過-500ps.(nm.km)~(-1),而且非線性系數(shù)始終大于50 w~(-1)km~(-1)。分析了不同波長下空氣孔中的光強(qiáng)比例變化規(guī)律,這一比例大于15%時候傳輸參數(shù)表現(xiàn)出許多反常傳輸特性規(guī)律。同時提出了一種降低懸掛芯光子晶體光纖損耗的光纖結(jié)構(gòu),并且論述了懸掛芯光纖的堆積法制備技巧。
【學(xué)位單位】：燕山大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN253
【部分圖文】：

從 PCF 的二維結(jié)構(gòu)就可以看出其在排列上具有極為強(qiáng)烈的周期性，本質(zhì)上將實(shí) PCF 與空芯 HC-PBF 的差別就在于纖芯，在光纖制棒過程中把實(shí)芯 PCF 最中央的根實(shí)芯棒抽出，整體結(jié)構(gòu)就可以理解是整個預(yù)制棒都是完全相同的包層空氣孔結(jié)組成。但是，為了給予光在空氣孔中有更大的傳輸空間，一般都是抽去 7 根石英，這樣一來就造成了原有的周期性環(huán)境被破環(huán)，纖芯區(qū)域有的新的邊界，也就產(chǎn)了新的傳輸方程組。也就是說，引入 HC-PBF 纖芯區(qū)域的大空氣孔是造成表面模生的核心因素。為了直觀的探究表面模式的產(chǎn)生與消除機(jī)制，我們首先從研究無區(qū)域的大空氣孔的模型，如圖 2-1 所示，此時，整光纖端面上雜亂無章的分布著很塊狀模和傳輸模，唯一就是沒有基模。主要原有就是光入射到這種結(jié)構(gòu)之后，整結(jié)構(gòu)的各個區(qū)域的約束環(huán)境是一樣的。光無法像在實(shí)芯 PCF 中傳輸那樣被很好的縛于芯區(qū)，從而造成了雜亂無章的模式分布。但是有一個明顯的趨勢就是，光射芯區(qū)之后，由于沒有約束條件，向著四周的包層中擴(kuò)散了，但是很明顯這些無規(guī)的模式還是大多分布于包層的第 4 層和第 5 層，而沒有直接再次向往擴(kuò)散，跑出纖區(qū)域。這說明纖芯的約束是光集中在芯區(qū)的關(guān)鍵。

第 2 章 多層空氣孔空芯光子晶體光纖的傳輸模式研究這說明引入纖芯大空氣同樣可以實(shí)現(xiàn)和實(shí)芯光纖的纖芯一樣約束光在芯區(qū)傳輸?shù)男Ч�。圖 2-1(b)與圖 2-1(a)相比雖然有了很好的傳輸基模，但是明顯可以發(fā)現(xiàn)纖芯邊緣仍舊有微弱的模式，也就是表面模。在圖 2-1(b)的基礎(chǔ)之上，改變傳輸波長可以得到圖 2-2(a)的傳輸模式結(jié)果，明顯光全部集中于光纖芯區(qū)，沒有了表面模。雖然圖 2-2(a)與圖 2-2(b)中都有很好的基模，但是對比發(fā)現(xiàn)圖 2-2(b)中基模偏紅色，即其能量要高于圖 2-2(a)。也就是說，表面模消除之后，光場的能量全部集中在基模之上。因?yàn)橛斜砻婺r候，有部分能量在纖芯石英環(huán)的石英區(qū)域上傳輸，而且這部分能量繼續(xù)向包層擴(kuò)散的可能性很大。

a) b)圖 2-3 在角區(qū)引入石英環(huán) a)2D 表面圖 b)能量等位圖通過上文分析可知，纖芯石英環(huán)的形狀、位置、厚度、均勻性都會對表面模的產(chǎn)生造成影響。整個 HC-PBF 的設(shè)計(jì)過程中對纖芯石英環(huán)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是保證盡可能消除 HC-PBF 的表面模，保證其高能量單模傳輸?shù)那疤帷?.3 纖芯空氣孔對模式特性的研究上文主要是定性研究了 HC-PBF 的纖芯石英環(huán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對表面模和傳輸基模的影響。本節(jié)主要從定量分析了的角度進(jìn)行了仿真分析，從研究 HC-PBF 的大量文獻(xiàn)可知纖芯壁厚是影響光纖帶寬和損耗的主要因素。首先建立了如圖 2-4 所示的HC-PBF 的端面結(jié)構(gòu)模型。

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