新型偏振保持少模光纤与太赫兹偏振保持波导的研究

论文摘要

偏振保持波导作为波导的一个重要分支,是偏振敏感及偏振依赖的通信和传感系统不可或缺的组成部分。偏振保持少模光纤将“少模”与“偏振复用”结合,可作为空分复用技术的一种实现方式,为进一步扩充光通信传输容量开启了一扇新颖的大门。在偏振敏感的太赫兹（Terahertz,THz）传感、光谱成像及无线通信等系统中,THz偏振保持波导在传输偏振信息的同时,提高了系统的稳定性,减小了系统的体积,是当前的一个研究热点。在此背景下,本论文针对偏振保持少模光纤与THz偏振保持波导开展了一系列的研究工作,内容包括基于强耦合多芯结构和孔辅助型结构的偏振保持少模光纤,以及基于光子带隙结构和反谐振结构的THz偏振保持空芯波导,取得的主要创新成果如下:1.基于强耦合多芯结构,提出并研究了偏振保持超模光纤。利用数值仿真模型,详细分析了准椭圆分布强耦合型八芯与十六芯光纤的几何参数、光学参数对模式数量、模场面积及模式间有效折射率差的影响。优化参数下,强耦合型八芯及十六芯光纤分别支持14个与20个具有不同偏振态和空间方向的矢量模式。对于十六芯光纤,1550nm波长处所有模式彼此分离且基模的模场面积与普通单模光纤匹配。研究了十六芯光纤的波长依赖特性,1520-1580nm波长范围内光纤的模式数量不变且满足任意模式之间的有效折射率差高于10-4。2.通过在椭圆环芯光纤包层中引入四个非圆对称分布的空气孔,提出并分析了一种支持偏振保持模式传输的少模光纤。通过优化空气孔的参数,光纤可支持10个矢量模式,1550nm波长处所有模式的有效折射率差均高于1.65 ×10-4,且在1510-1630nm宽带范围内保持在1.52X104以上。数值仿真结果表明,与对应的椭圆环芯光纤相比,该光纤的偏振保持性能得到了有效提高。通过修正结构参数,光纤的模式数量可进一步扩展。3.研究了一种中心孔辅助型椭圆芯光纤。通过调整纤芯与空气孔的参数,光纤可传输10个彼此分离的矢量模式,在1510-1630nm波长范围内,任意模式间的有效折射率差均高于1.8X1010。探究了中心孔辅助型椭圆芯光纤模式数量的可扩展性,该光纤中偏振保持模式的数量可拓展至14个,1550nm波长处模式间有效折射率差的最小值为1.38X10-4,且在1510-1630nm范围内随波长变化很小。4.讨论了空芯光子带隙波导用于THz频段偏振保持模式传输的可行性。利用数值仿真,研究了基于三角晶格及正方晶格的空芯光子带隙波导的矢量模式特性。三角晶格4单元芯光子带隙波导的高双折射（高于104）、低损耗（低于O.01cm-1）传输带宽为0.23THz（0.82-1.05THz）,且0.9THz频率处基模的有效折射率差为9.4×10-4。详细分析了结构参数对波导偏振保持特性的影响,计算结果表明,矢量模式对芯区的结构参数具有较好的容忍度。此外,研究了21单元芯、24单元芯及32单元芯正方晶格光子带隙波导,较窄的空气芯子有利于提高模式间的有效折射率差,尤其是对高阶模式组;而增大芯子尺寸可以增加矢量模式数量,但模式间的耦合作用增强。5.提出并研究了基于四个半椭圆介质管包层的THz偏振保持空芯反谐振波导。通过调整包层中一组介质管的厚度,可以在波导中引入10-4量级的双折射,同时将引起低损耗传输带宽的降低。数值仿真结果表明,较大的空气芯子有利于降低模式的传输损耗,但波导偏振保持性能较差;介质管的尺寸而非形状对模式损耗有较大的影响。在频率范围0.46-0.6THz及0.74-1.1THz内空芯反谐振波导具有低损耗（低于1OdB/m）、高双折射（高于10-4）及低群速度色散（低于0.6psTHz-1cm-1）特性。波导弯曲半径大于2cm,沿x轴或少轴弯曲时,模式的弯曲损耗低于4dB/m。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 缩略词
• 1 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 偏振保持少模光纤
•     1.2.1 少模光纤的研究现状及其在复用技术中的应用
•     1.2.2 偏振保持少模光纤的研究现状及其在复用技术中的应用
•   1.3 THz偏振保持波导
•     1.3.1 THz波导的常用结构及应用
•     1.3.2 THz偏振保持波导的研究现状及应用
•   1.4 本论文的内容安排与主要成果
• 2 非圆对称均匀光波导的理论基础
•   2.1 引言
•   2.2 圆对称均匀光波导
•     2.2.1 圆对称均匀光波导基本方程
•     2.2.2 圆对称少模光纤的矢量模式与标量模式
•     2.2.3 圆对称少模光纤的解析模型与数值模型
•   2.3 非圆对称均匀光波导
•     2.3.1 非圆对称均匀光波导与双折射
•     2.3.2 微扰法分析非圆对称均匀光波导
•     2.3.3 椭圆芯光纤
•   2.4 本章小结
• 3 准椭圆分布强耦合型多芯偏振保持少模光纤
•   3.1 引言
•   3.2 强耦合型MCF的模式特性
•   3.3 准椭圆分布强耦合型八芯光纤
•     3.3.1 光纤参数对模式特性的影响
•     3.3.2 偏振保持模式特性
•   3.4 准椭圆分布强耦合型十六芯光纤
•     3.4.1 光纤参数对模式特性的影响
•     3.4.2 偏振保持模式特性
•   3.5 本章小结
• 4 孔辅助型偏振保持少模光纤
•   4.1 引言
•   4.2 孔环绕型椭圆环芯光纤
•     4.2.1 空气孔数量对模式特性的影响
•     4.2.2 空气孔参数对模式特性的影响
•     4.2.3 偏振保持模式特性
•     4.2.4 传输模式的可拓展性
•   4.3 中心孔辅助型椭圆芯光纤
•     4.3.1 空气孔参数对模式特性的影响
•     4.3.2 纤芯参数对模式特性的影响
•     4.3.3 偏振保持模式特性
•     4.3.4 传输模式的可拓展性
•   4.4 本章小结
• 5 THz偏振保持空芯波导
•   5.1 引言
•   5.2 基于三角晶格的THz偏振保持HC-PBGW
•     5.2.1 4单元芯THz HC-PBGW的数值模型
•     5.2.2 偏振保持模式特性
•     5.2.3 结构参数对模式特性的影响
•   5.3 基于正方晶格的THz偏振保持HC-PBGW
•     5.3.1 21单元芯THz HC-PBGW的数值模型
•     5.3.2 偏振保持模式特性
•     5.3.3 芯区参数对模式特性的影响
•   5.4 THz偏振保持HC-ARW
•     5.4.1 HC-ARW导光机理
•     5.4.2 介质管参数对THz混合型HC-ARW传输特性的影响
•     5.4.3 THz混合型HC-ARW的偏振保持模式特性
•     5.4.4 THz准椭圆芯HC-ARW的传输性能
•   5.5 本章小结
• 6 总结与展望
•   6.1 本论文的主要研究工作
•   6.2 下一步拟进行的研究工作
• 参考文献
• 作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果
• 学位论文数据集

文章来源

类型: 博士论文

作者: 肖涵

导师: 简水生

关键词: 偏振保持,少模光纤,多芯光纤,微结构光纤,太赫兹,光子带隙,反谐振

来源: 北京交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 北京交通大学

分类号: TN25

总页数: 152

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