光子晶体光纤的理论设计及应用研究

本论文的主要研究内容是光子晶体光纤(PCF)的理论设计及其应用研究。主要设计了三种应用于不同特殊场合的新型结构的PCF，并对其特性进行理论和实验上的研究和分析。具体开展的工作如下：1、针对分布式拉曼光纤温度传感器中传感光纤阈值低的问题，设计了一种双包层结构、大模场面积的单模PCF，并对其单模特性、模场特性，及弯曲特性进行了系统的理论分析。优化后的PCF截止波长小于1250nm；在波长1550nm处，有效模场面积高达288μm2；弯曲半径在5cm时，其损耗仅为0.25dB/m。该光纤若作为分布式拉曼温度传感器中的传感光纤，能大大提升系统的非线性阈值（约为普通单模光纤的3.4倍），提高系统信噪比。2、针对光纤到户工程中所用光纤需要较小的弯曲半径和较低的弯曲损耗等特点，设计了一种三角形纤芯、双包层结构的抗弯曲PCF，并对其单模特性、弯曲特性及弯曲后的模场特性进行了系统的理论分析。理论结果表明：该PCF不仅实现了单模输出；且在波长1550nm处，当弯曲半径5mm时，其损耗仅为0.25dB/m，其模场面积约85μm2（与单模光纤相匹配）。该光纤可应用于数据中心布线系统、高速网络，尤其是光纤到户等布线过程中光纤需要弯曲的场合。3、针对灌入型PCF温度传感器，提出了一种未完全灌入型高双折射PCF(HiBi-PCF)结构，并研究了其新特性。利用插入Sgnac干涉环中未完全灌入酒精的HiBi-PCF作为传感头，通过波长检测实现对温度变化引起干涉锋漂移的监测。首次从理论上结合酒精随温度升高引起HiBi-PCF双折射率变化、酒精膨胀以及HiBi-PCF自身群折射率色散等综合因素，预测了干涉锋谐振波长随温度的升高发生蓝移现象，这与之前那些报道结果截然不同。实验结果与理论预期完全一致。该温度传感器灵敏度约为-1.1nm/°C，且灵敏度和灌入部分HiBi-PCF长度与未灌入部分HiBi-PCF长度的比值有关。