新型寬帶光子晶體光纖的設計與制作研究.pdf

1、隨著現(xiàn)有網(wǎng)絡向超高速率超大容量全光網(wǎng)絡的演進，支撐光通信網(wǎng)的各種關鍵器件的性能急需提升。新材料、新結構研究是創(chuàng)新實現(xiàn)高速率、低成本、低功耗寬帶全光器件的有效途徑。
　　本論文基于光子晶體光纖(Photonic crystal fiber，PCF)結構設計靈活、實現(xiàn)特性可控等優(yōu)異特性，結合國家自然科學基金項目“系列超寬帶雙芯光子晶體光纖及其相關器件的研究”以及國家973計劃項目“面向光路交換網(wǎng)絡的光纖器件理論與關鍵技術研究”，針對超

2、高速率超大容量全光網(wǎng)絡對寬帶全光器件的需求，在寬帶偏振無關雙芯PCF、單偏振單模PCF的設計和制作等方面進行了深入的理論和實驗研究。取得的主要創(chuàng)新成果有:
　　1.根據(jù)實際光子晶體光纖制作及特性分析的需求，首次將數(shù)字圖像處理技術和全矢量有限元方法相結合，提出了用于光子晶體光纖制作過程的光纖特性快速分析模型，實現(xiàn)了對PCF實際制作過程中的樣品進行近實時監(jiān)測，有效地減小了典型工藝缺陷對光纖特性的影響，減小了所研制PCF特性與設計的偏離

3、。以兩種商用光子晶體光纖為例，驗證了該方法的正確性。并將該方法應用于輔助光纖拉制，提高光子晶體光纖的制作效率和成品率。
　　2.提出一種寬帶偏振無關雙芯PCF。在研究光纖結構對其寬帶特性和偏振無關特性影響規(guī)律的基礎上進行結構優(yōu)化設計，所獲得的PCF模場面積與普通單模光纖模場面積匹配，兩芯區(qū)被中心調制區(qū)有效分離，為光纖耦合器的研制提供了便利?；谠揚CF設計了分光比分別為50∶50和90∶10的兩種光纖定向耦合器，在覆蓋整個光通信波

4、段的1.225-1.675μm寬帶波長范圍內分別實現(xiàn)了分光比誤差小于1％、偏振態(tài)間誤差小于0.5％和分光比誤差小于0.2％、偏振態(tài)間誤差小于0.1％的優(yōu)良性能。
　　3.從制作可行性和應用角度出發(fā)，采用小空氣孔線陣結構代替橢圓形空氣孔，提出一種具有較高制作可行性的寬帶偏振無關雙芯PCF。經(jīng)過優(yōu)化設計可以在波長1.26-1.625μm范圍內實現(xiàn)波長無關和偏振無關特性，基于該光纖設計的50∶50和90∶10光纖定向耦合器在整個工作帶寬

5、內具有分光比誤差分別小于1％和0.2％、兩偏振態(tài)間誤差均小于0.2％的優(yōu)良特性。并對該光子晶體光纖進行了制作研究，實驗表明這種采用小空氣孔線陣結構代替橢圓形空氣孔的設計方案是可行的。
　　4.基于諧振耦合理論，提出一種實現(xiàn)單偏振單模的PCF新結構，可在0.8-1.8μm波長范圍內實現(xiàn)單偏振單模特性，工作帶寬可達1000nm，在工作帶寬內低損耗芯區(qū)的限制損耗低于1dB/km，而高損耗芯區(qū)的限制損耗高達100dB/km，其傳輸模場呈類

6、高斯型分布，在波長1.55μm處與單模光纖直接接續(xù)時的模場失配損耗僅有0.0079dB，在實際應用中，易于與普通光纖實現(xiàn)低損耗接續(xù)。
　　5.提出并研制出一種矩形空氣孔排布的單偏振單模PCF。基于模式截止法，設計出矩形空氣孔排布的單偏振單模PCF，并首次成功研制，可在覆蓋全光通信波段的1.3-1.7μm波長范圍內實現(xiàn)單偏振單模傳輸，低損耗偏振態(tài)限制損耗約為0.01dB/km，高損耗偏振態(tài)限制損耗約為100dB/km。通過實際PCF