光子晶体光纤灯笼中嵌入纤芯间能量耦合研究

在光纤微弱信号光谱分析领域，我们需要一种既具有大口径多模光纤的强集光能力又具有单模光纤的可选频、易调制等优点的光学器件，光子晶体光纤灯笼就是这样一种新型光子晶体光纤器件。本项目将光子晶体光纤灯笼的形状设计、光传播原理、损耗机制作为研究重点，并探讨解决目前光子晶体光纤灯笼的制作过程中遇到的损耗较大、嵌入光纤间能量分配不匀等实际问题。利用这种光子晶体光纤灯笼可以制作出多种新概念光学器件，如具有单模性质的多模光纤光栅调制器件、基于光子晶体光纤灯笼的光纤像切割器件等。具体研究内容包括：(1) 光纤嵌入方法及光子晶体光纤灯笼制作方法研究；(2) 多纤芯耦合模式研究；(3) 光纤灯笼应用领域研究。要解决的关键问题是在光子晶体光纤灯笼的结构中，在嵌入光纤直径变化过程中各嵌入光纤间能量耦合和模式转换机制。

本文设计并制作了几种不同结构的液晶嵌入式微结构光纤，通过外部条件的改变对嵌入式光子晶体光纤的性质进行调节；设计并通过理论分析了不同包层排布和芯区结构的光子晶体光纤，利用程序对光纤性质进行仿真分析。.　　　本文主要的研究内容包括：.　　　1. 利用液晶的折射率随温度和波长变化的特性，采用选择式填充的方法，对已经商用的微结构光纤中的最靠近芯区的一圈空气孔中的一个空气孔填充液晶，制成液晶光子晶体光纤。通过改变外部的温度，对液晶的折射率进行调节，进而改变液晶光子晶体光纤的出射位置、出射光强弱和出射光谱，并分析了加热区域的不同对液晶光子晶体光纤光学性质的影响。.　　　2. 分别将液晶填充到光子晶体光纤的包层中全部、一半和四分之一的空气孔中。通过实验和理论分析了不同填充比例的液晶光子晶体光纤带隙的分布，通过改变温度观察带隙分布的改变，出射光谱随温度的移动和出射光场强度随温度的变化。.　　　3. 分析了全二氧化硅结构圆环包层光子晶体光纤折射率、色散、损耗随波长和光纤结构的变化。在此基础上，改变纤芯区结构分布，设计了一种高非线性圆环包层光子晶体光纤，和标准圆环包层光子晶体光纤相比，其非线性系数大为提高。.　　　4. 设计了一种包层为方形排布的光子晶体光纤，通过改变纤芯区域气孔的分布，使其同时具有高双折射特性和色散平坦特性。通过仿真优化其结构。设计了一种嵌入式光子晶体光纤模式转化器，在纤芯区嵌入高折射率的纤芯制成模式转换器。通过理论仿真对其结构进行了优化，得到了不同波长下模式转换的最优结构。