新型光子晶体光纤的数值模拟及应用研究

【摘要】本文提出了六角点阵光子晶体光纤、矩形点阵光子晶体光纤和对称双芯矩形点阵光子晶体光纤结构。这几种新型光子晶体光纤分别具有色散补偿、产生超连续谱及制作偏振分束器的新型功能。采用全矢量有限元法、全矢量平面波法及光束传播法对光子晶体光纤的传输特性进行了数值计算,并对光子晶体光纤的光学特性进行了详细的分析研究。本文获得了主要创新性成果如下：(1)六角点阵光子晶体光纤：基于全矢量有限元法,并结合完美匹配层吸收边界条件,优化设计了一种六角点阵蜂窝状包层光子晶体光纤,通过调整光纤结构参数(空气孔间隔Λ,椭圆率η,相对孔间隔比f以及小圆孔的直径d1),可以有效地控制其高双折射负色散工作波长范围。当选取Δ=1.15μm,η=0.5,f=0.48,d1:0.4μm时,该新设计光纤在C波段呈现负色散和负色散斜率,其色散斜率在整个C波段附近-0.132～-0.121ps.km-1·nm-1范围内波动,在波长1.55μm处,该光纤的双折射B高达1.02×10-2,非线性系数为45.7W-1·km-1。蜂窝状包层在增加一层时,光子晶体光纤的约束损耗降低了一个数量级。当结构参数相同时,蜂窝状包层比椭圆状包层光子晶体光纤具有更大的负色散值和较低的非线性系数,更有利于进行色散补偿。(2)矩形点阵光子晶体光纤：利用全矢量有限元法,并结合完美匹配层吸收边界条件,设计了一种新型矩形点阵高非线性色散平坦光子晶体光纤。当空气孔间隔Δ=1.4μm,相对孔间隔比d/Λ=0.98,小圆空气孔直径b=0.92μm时,该光子晶体光纤在整个C波段的色散变化量为0±0.7ps·km-1·nm-1;在1.55μm处,该光子晶体光纤非线性系数高达60.5W-1·km-1,双折射值B为4.92×10-3,约束损耗仅为0.27625dB/km。(3)对称双芯矩形点阵光子晶体光纤：采用全矢量平面波法和光束传播法,优化设计了一种新型非同轴对称双芯矩形点阵光子晶体光纤,研究了该光子晶体光纤的结构参数对模式双折射、色散及耦合长度的影响。当孔间隔Λ=2.0μm,相对孔间隔比f=0.4时,该光纤在波长1.55μm对应的最大负色散为-38.59ps·km-1·nm-1,在整个C波段附近,色散斜率在-0.088～-0.099ps·km-1·nm-2范围内波动,并且具有高的模式双折射；x-偏振方向与y-偏振方向耦合长度Lx和Ly分别为0.09225mm、0.08134mmm。(4)几种应用：六角点阵蜂窝状包层光子晶体光纤在整个C波段呈现负色散和负色散斜率,负色散和负色散斜率很适合用于宽带色散补偿。基于对光子晶体光纤宽带补偿要求的考虑,该光子晶体光纤的K值与STM-28TM传输光纤的κ值比较接近,可以较好地对STM-28TM传输光纤进行宽带补偿。同时,该新型光子晶体光纤所呈现的高双折射效应被广泛用于光纤传感器的偏振控制、高精密光学器件及光通信系统。将上述新型矩形点阵高非线性色散平坦光子晶体光纤作为传输介质,利用分步傅里叶方法数值模拟了峰值功率、光子晶体光纤的长度、入射脉冲的形状及入射脉冲是否含有初始啁啾对超连续光谱产生的影响。当入射峰值功率为6W,入射光脉冲的半极大全宽为2.5ps,中心波长为1.55μm,约束损耗为0.27625dB/km,光纤长度为0.8km时,在1.55μmm波段产生了谱宽为300nm的超连续谱。基于模式耦合理论,利用上述新型非同轴对称双芯矩形点阵光子晶体光纤所设计的偏振分束器的长度仅为0.7322mm,且当消光比为-10dB时,该偏振分束器的带宽为15.6nm。
【作者】许强；
【导师】苗润才；
【作者基本信息】陕西师范大学，声学，2014，博士
【关键词】光子晶体光纤；双折射；色散；非线性；超连续谱；光耦合；

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