torture南京邮电大学硕士学位论文保偏光子晶体光纤特性的研究姓名：顾晓蕴申请学位级别：硕士专业：光学工程指导教师：陈鹤鸣20090401南京邮电人学硕ｌｊ研究生学位沦殳摘莹摘要保偏光纤是一类具有重要使用价值的特种光纤，可应用于光纤陀螺、光纤水听器、光纤传感器和相干光通信等许多领域，具有良好的市场前景，但是传统应力型保偏光纤如熊猫型保偏光纤双折射较小，应力单元与温度相关，双折射不稳定。而光子晶体光纤由周期性空气孔构成，通过调整空气孔大小、间距、排列方式，可以获得较大的双折射特性。保偏光子晶体光纤与传统保偏光纤相比，双折射更大，温度稳定性更好，并具有抗辐射的能力，在光纤陀螺为代表的光纤传感领域将发挥巨大的作用。本文提出了～种新型高保偏光子晶体光纤，该光纤包层为二氧化硅介质中按三角形格子排列的空气孔，在芯区移去了３个空气孔，芯区上下各引入４个大空气孔，并在芯区填入聚甲基丙烯酸甲酯。首先应用平面波展开法分析了这种保偏光子晶体光纤的模式和双折射，仿真计算了光纤结构参数变化对双折射的影响。结果表明，提高近芯区大空气孔直径可以有效提高双折射，选择合适的参数，在１５５０ｈｍ波长双折射最高可以达到４．３×１０一。本文还对保偏光子晶体光纤的色散特性进行了分析，其中包括材料色散、波导色散、偏振模色散。在保偏光子晶体光纤中，波导色散和偏振模色散与基模的有效折射率有关，通过对有效折射率分析，可以得出这两种色散的数值。结果表明提高大空气孔直径，波导色散和偏振模色散的值均变大：通过调整空气孔间距，能实现零色散和有效消除偏振模色散。研究结果表明，本文提出的高保偏光子晶体光纤特别适合于光纤陀螺，在传感与导航领域具有重要的应用价值。关键词：平面波展开法，保偏光子晶体光纤，双折射，波导色散，偏振模色散，光纤陀螺南京邮ｌ乜人学帧Ｉｊ”究乍学位论史ＡｂｓｔｒａｃｔＡｂstance>borgia
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志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：繇雠．日期：朋：Ｚ？；南京邮电大学学位论文使用授权声明南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权南京邮电大学研究生部办理。研究生签名：厩魄蓬导师签名：日期：南京邮电人学硕Ｉｆｌｊｆ冗生学化论艾第章绪论第一章绪论保偏光纤（ＰＭＦ”ＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＭａｉｎｔａｉｎｉｎｇｏｐｔｉｃａｌＦｉｂｅｒｓ）由于对线偏振光具有较强的偏振保持能力，并且与普通光纤有良好的相容性而在光纤通信、光纤传感、光学器件等领域得到越来越广泛地应用ｆ１‟３１。１．１保偏光纤现状偏振保持光纤的概念和相应的制造方法最早由Ｋａｍｉｎｏｗ等人在１９７９年提出【４ｌ，在８０年代保偏光纤得到了迅速的发展，出现了很多种不同类型的保偏光纤，包括边坑型【５ｌ、边通道型１６１、平板包层型【７１、熊猫型【８１、蝴蝶结型９１和椭圆包层型【１０１等，这些主要是在传统光纤中引入几何双折射和应力双折射形成的。目前常见的保偏光纤有：领结型、熊猫型和椭圆包层型保偏光纤，其中熊猫型和领结型属于应力双折射，椭圆包层型属于几何双折射。如图１．１所示。⑧（ａ）领结型（ｂ）熊猫型（ｃ）椭圆型图１．１三种常见的保偏光纤的剖面结构普通单模光纤中，￡昂．模有两种正交的偏振状态。其横向电场分别沿ｘ轴方向和Ｙ轴方向，记为￡磁模和￡彤模。如果光纤是理想的，即其截面为标准的同心圆，则这两个正交的模式
相位常数完全相等，传输特性完全一样。实际的光纤纤芯的几何形状可能不再是标准的圆柱，纤芯折射率也可能因内部残余应力、扭曲等因素的影响而呈现非轴对称分布。这种非理想的状态导致￡磁模和￡彤模的相位常数厦和风不相等，从而导致这两个正交的偏振状态模式在传输过程中产生附加的相位差，这就是单模光纤中的双折射现象。双折射将引起单模光纤的偏振模色散和三昂，模的偏振状态随传输距离发生变化。对此有效的解决方法是采用偏振保持光纤。偏振保持光纤由于纤芯的非圆性，或者在纤芯中存在大的应力各向异性，从而破坏了两个正交的偏振模的近简并态，甚至使其中一南京邮电大学帧Ｉ：６Ｊｔ究生学位论文第一章绪沦个偏振模处于截止状态，这样便能保持偏振状念稳定地传输。偏振保持光纤分为高双折射光纤和低双折射光纤，两者以单模光纤的模式双折射为分界线【１１１，低双折射光纤的模式双折射低于１０—５量级，高双折射光纤的模式双折射高于１０。量级。低双折射光纤可用于长途相干通信系统，对环境稳定性要求较高。高双折射光纤具有、很强的偏振保持能力，可以应用在对偏振要求较高的光器件中。保偏光纤具有下列的应用前景：（１）在干涉型光纤传感器中的应用：以保偏光纤为主体的相干式光纤传感器领域正在进行一场新的变革。如磁场、电流、温度、压力、振动、转动和加速度等光纤传感器应运而生，特别是光纤陀螺和光纤水听器一直受到发达国家军方的高度重视。（２）在光学元件方面的应用：根据保偏光纤的特性，易制成耦合器、偏振器、光分束器、波长板以及海底光缆中继器中的ＬＤ切换器。最近几年，还用保偏光纤制作光纤光栅。随着保偏光纤应用范围的扩展，传统的保偏光纤难以满足高偏振稳定的要求，比如在光纤陀螺中，保偏光纤的保偏性能在一定程度上决定了光纤陀螺的精度，而传统保偏光纤双折射较小，
保偏性能受环境影响，阻碍了光纤陀螺精度的进一步提高，因此需要研制新型保偏光纤。１．２光子晶体光纤１．２．１光子晶体光纤的概念光子晶体光纤（ＰｈｏｔｏｎｉｅＣｒｙｓｔａｌＦｉｂｅｒ，ＰＣＦ）由带有缺陷的二维光子晶体延展而成Ｉｌ引。光子晶体光纤又叫多孔光纤（ＨｏｌｅｙＦｉｂｅｒｓ）或微结构光纤（ＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄＯｐｔｉｃａｌＦｉｂｅｒｓ）。１９９２年，ｓｔ．Ｊ．Ｒｕｓｓｅｌｌ首先提出来了光子晶体光纤的概念。１９９６年，英国南安普顿大学的研究小组首次拉制成第一根光子晶体光纤【１３】，如图１．２所示。这标志着一种新型光纤的诞生，从而揭开了光纤发展?男缕 隆＃保梗梗改辏 耍睿椋纾瑁舻扔掷 瞥龅谝桓 憔哂蟹湮研涂掌 着帕械墓庾哟 缎凸庾泳 光纤。２南京邮自＾学《¨＊宄±学位沧女第一＃绪＊圈１２由南安普顿人学拉制成功的光子晶体光纤的端面｝：＿Ｉ描图１２．２光子晶体光纤的分类光子晶体光纤的分类，可以根据其不同的导光机理分为两类，即全内反射（ＴｏｔａｌｉｎｔｅｒｎａｌＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎ．ＴＩＲ）光纤和光子带隙四（ＰｈｏｔｏｎｉｃＢａｎｄＧａｐ，ＰＢＧ）光纤，如图１３所示。国■ （ａ）ＰＢＧＦｓ（ＷＩＩＲ－ＰＣＩ：图Ｉ３光子晶体光纤截面图全内反射型光子晶体光纤是最早提出的一种光子晶体光纤。这种结构的光纤都是芯部缺失空气ｊＬ形成纤芯，而外围介电常数的周期性结构相当于包层，从而在纤芯和包层之间存在着有效折射率差，光在形成有效折射率差的纤芯和包层中发生全反射传播，类似传统的光纤。本文提出的保偏光子晶体光纤就是基于全内反射原理的。光子带隙型光子晶体光纤由周期排列的空气孔构成．在光纤横截面方向形成了二维禁带，在一定频率范罔内的光无法在横向传
播．而当该结构中引入缺陷时，就会在禁带中产生局域态。ＰＣＦ就有可能利用这个局域态沿着光纤的纵向导光，即ＰＢＧ导光。不过，禁带的出现是有条件的，孔直径和孔间距的大小要太于一定值的时候才可以出现禁带。这种导光方式除了要求较大的空气孔外，还要求周期排列的空气孔。南京邮电人学帧上研究生学位论文第一誓绪论１．２．３光子晶体光纤的优点光子晶体光纤的传输理论跟传统光纤不同，其性能也有很大的不同。它的优点表现在如下几个方面：（１）光子晶体光纤可以在很大的频率范围内实现光的单模传输；（２）光子晶体光纤允许改变纤芯面积，以削弱或加强光纤的非线性效应；（３）光子晶体光纤可以通过改变结构灵活地设计色散和色散斜率；（４）光子晶体光纤具有超低损耗的潜力；（５）光子晶体光纤具有高双折射特性。１．３保偏光子晶体光纤保偏光子晶体光纤由于其特殊的包层空气孔结构，通过改变空气孔的周期结构，易于获得较大的双折射，这一点是普通保偏光纤所无法比拟的。１．３．１保偏光子晶体光纤的研究进展理想的全内反射光子晶体光纤具有六重旋转对称性，在理论上其基模是简并的，两个偏振基模的传播常数是相同的，要想破坏基模的简并，就要破坏光纤的对称性。高双折射光子晶体光纤按实现方法可以分为两大类：（１）在纤芯附近引入局部非对称性：（２）利用光纤包层本身具有的内在各向异性来改变纤芯附近两个横向正交方向的有效折射率差以提高双折射。图１．４给出了几种典型的保偏光子晶体光纤，其中图１．４（ａ）是英国Ｂａｔｈ大学的Ａ．Ｏｒｔｉｇａｔａ．Ｂｌａｎｃｈ等学者于２０００年首先提出并成功拉制的，这是最早提出的保偏光子晶体光纤【１５】，主要是通过减小包层Ｙ轴方向的空气孔来实现双折射，其双折射为１０。３量级；图１．４（ｂ）由丹麦工学院通信光学与材料研究中心和丹公务员常识大全
英国卫生大臣辞职
麦ＣｒｙｓｔａｌＦｉｂｅｒＡ／Ｓ公司提出并拉制…１６１，在芯区缺失了两个空气孔，双折射为１０－４量级：图１．４（ｃ）是常见的类矩形芯光子晶体光纤，它是比利时布鲁塞尔大学的Ｍ．Ａｎｔｋｏｗｉａｋ对图１．４（ｂ）的结构进行改进而得到的【１７】，芯区缺失了三个空气孔，进一步增大了芯区的不对称性，其双折射为１０刁量级，远大于图１．４（ｂ）结构的双折射。上述结构都是全内反射型光子晶体光纤，美国康宁公司在２００４年报道了光子带隙型光子晶体保偏光纤【１引，其双折射可以达到１０—２量级。日本和韩国也对保偏光子晶体光纤进行了研究ｆ１９～２０〕。４自＊！岫ｂ＾｛碗ｉ研究±＃位论女第｝镕ｔ图Ｉ４几种典型保偏光子品体光纠在国内，保偏光子晶体光纤的研究还处于理沦研究阶段，对保偏光子晶体光纤的成功拉制还比较少。国内对保偏光子晶体光纤研究较多的有北方交通大学的娄淑琴教授【２１‟２４１，燕山大学的于荣金教授阱喇Ｉ，他们对很多结构的保偏光子晶体光纤进行了大量的理论分析。陕西师范大学的张亚妮博士对聚合物保偏光子晶体光纤进行了研究和制备【２７。”。燕山大学的红外光纤与传感研究所和亚稳材料制各技术与科学重点实验室对低损耗高双折射光子晶体光纤进行了研究Ｉ“Ｉ。１３．２保偏光子晶体光纤的优点与传统熊猫型和蝴蝶结型保偏光纤相比，高双折射ＰＣＦｓ的突出优点是：（１）其单模工作波长范围大，可实现平滑零色散以增大光通信传播距离，或实现大的反常色散用于色散补偿，且能保证很小的群速度色散以及实现其他奇异的非线性特性；（２）设计自由度大，双折射强。光予晶体光纤独特的制各工艺为备种非对称微结构的实现提供了宽阔的设计平台，与双折射有关的光纤参数容易控制，容易实现双折射可调节性，其双折射参数要高１到２个数量级，达
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