折射率引導(dǎo)型硫系玻璃光子晶體光纖的制備及性能研究.pdf

1、光子晶體光纖(Photonic Crystal Fiber，簡(jiǎn)稱PCF)是以光子晶體的基本特性為基礎(chǔ)而發(fā)展起來的一種新型光纖。由于它對(duì)在光纖中傳導(dǎo)的光線具有不同于傳統(tǒng)芯包層結(jié)構(gòu)光纖的非常靈活的限制能力，PCF正逐步應(yīng)用于光纖通信，光纖傳感，光纖激光器，非線性光器件等諸多新興研究領(lǐng)域。折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖(Refractive Index Guiding PCF)是一種包層氣孔輔助調(diào)節(jié)型光纖，通過對(duì)這類光纖包層中空氣孔的數(shù)量和分布進(jìn)行

2、調(diào)節(jié)就可以降低包層相對(duì)于纖芯的折射率，從而實(shí)現(xiàn)全內(nèi)反射傳輸條件。折射率引導(dǎo)型PCF可以被認(rèn)為是通常意義下的微結(jié)構(gòu)光纖的一個(gè)分支，它不單是利用芯包層的折射率差值來實(shí)現(xiàn)光的傳導(dǎo)，更為重要的意義是它可以通過靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來控制光的合理傳導(dǎo)。硫系玻璃通常是以硫、硒、碲三種硫族元素為基質(zhì)，再加入砷、鍺、鎵等化學(xué)元素組成的玻璃材料。硫系玻璃具有優(yōu)良的紅外透過特性，與石英玻璃相比，它將光透波長(zhǎng)范圍從0.5-1μm拓展到了12-18μm，因此作為一種性

3、能優(yōu)良的紅外材料，與硫系玻璃光纖相關(guān)的研究也一直備受關(guān)注。本論文研究了折射率引導(dǎo)型硫系PCF的制備方法和相關(guān)的光纖光學(xué)性能，主要論述了以下幾個(gè)方面：
　　(1)對(duì)比較成熟的Se基玻璃進(jìn)行了改良，通過碘摻雜制備了一類新型硫系玻璃材料Ge20Sb5Se75-xIx(x=0,5,10,15,20 at％)。這類玻璃通過降低S e基玻璃的弱吸收尾強(qiáng)度，非常有效地提高了紅外透過率。利用拉曼光譜揭示了該玻璃體系隨碘含量的提高其內(nèi)部玻璃結(jié)構(gòu)的變

4、化機(jī)理。利用其他相關(guān)的測(cè)試方法，我們還對(duì)該玻璃體系的物理，熱學(xué)以及光學(xué)特性進(jìn)行了深入分析。最后，在玻璃組分優(yōu)化的基礎(chǔ)上，確定了最優(yōu)的玻璃組分為Ge20Sb5Se55I20。由于碘單質(zhì)易于吸水和升華，這為Ge-Sb-Se-I玻璃的提純帶來了很大困難。在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，提出了一種可行的蒸餾提純工藝并成功地對(duì)玻璃進(jìn)行了提純，經(jīng)過提純，非常有效地降低了與Ge-O、H2O、Se-H相關(guān)的雜質(zhì)吸收峰。
　　(2)硫系光纖預(yù)制棒的加熱拉絲工藝

5、是確保PCF制備成功的必備環(huán)節(jié)。在硫系預(yù)制棒加熱拉絲工藝方面，利用提純后的Ge20Sb5Se55I20玻璃研究了裸絲硫系光纖的拉制工藝并對(duì)Ge20Sb5Se55I20紅外光纖進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試。研究結(jié)果表明：與Ge-Sb-Se玻璃光纖相比，Ge-Sb-Se-I光纖的有效紅外傳輸損耗有了大幅度的降低。Ge20Sb5Se55I20光纖在3.3μm處可以得到最低紅外傳輸損耗3.5dB/m，而Ge20Sb5Se75光纖最低損耗則高達(dá)48dB/m。<

6、br>　　(3)硫系PCF制備的難點(diǎn)在于PCF預(yù)制棒的制備工藝。在光纖預(yù)制棒制備工藝方面，提出了一種先進(jìn)的預(yù)制棒制備方法-隔離擠壓法，從而為擠壓制備硫系PCF空心玻璃管單元打下了基礎(chǔ)。使用這種方法制得了Ge-Sb-Se/Ge-Sb-S硫系玻璃預(yù)制棒，在整個(gè)160mm長(zhǎng)度范圍內(nèi)預(yù)制棒均能保持纖芯/包層尺寸比例的一致性。經(jīng)過預(yù)制棒加熱拉絲法制成的紅外硫系光纖，常見的典型結(jié)構(gòu)缺陷（氣泡，裂紋，芯徑變化）被有效去除。使用相關(guān)光學(xué)儀器，對(duì)光纖傳輸

7、損耗，彎曲損耗以及其他光學(xué)特性進(jìn)行了表征。
　　(4)在利用多極法優(yōu)化設(shè)計(jì)光子晶體光纖結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，充分結(jié)合擠壓和堆積兩種PCF預(yù)制棒制備方法的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種基于“擠壓-堆積”的新型折射率引導(dǎo)型PCF預(yù)制棒制備方法，利用As2S3玻璃制備了三層孔環(huán)結(jié)構(gòu)硫系PCF。通過理論模擬分析得出了該光纖的色散特性、零色散點(diǎn)和非線性系數(shù)，測(cè)試了1550nm近紅外光纖激光在該光纖中的傳輸效果和纖芯光斑能量分布，利用該光斑測(cè)試驗(yàn)證了該光纖在紅外波