【摘 要】
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近些年来,光子晶体光纤（PCF）因为其可灵活设计的特殊结构而具有不可比拟的优势,吸引了越来越多学者的关注,有关PCF的研究与应用也在逐步取得进展。PCF具有很多普通单模光纤没有的一些光学特性,如大模场面积、色散可调、高双折射率、低损耗以及高非线性等等。尤其是非线性性能方面,通过灵活的设计PCF的包层结构,能使光纤的非线性系数得到很大的提升,相比于普通光纤能高出数个数量级。非线性效应包含很多种类,受
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近些年来,光子晶体光纤（PCF）因为其可灵活设计的特殊结构而具有不可比拟的优势,吸引了越来越多学者的关注,有关PCF的研究与应用也在逐步取得进展。PCF具有很多普通单模光纤没有的一些光学特性,如大模场面积、色散可调、高双折射率、低损耗以及高非线性等等。尤其是非线性性能方面,通过灵活的设计PCF的包层结构,能使光纤的非线性系数得到很大的提升,相比于普通光纤能高出数个数量级。非线性效应包含很多种类,受激布里渊散射（SBS）就是其中经典的一种,在光纤通信方面具有潜在的价值。最开始对于SBS的研究只在普通单模光纤中进行,随着各种特殊光纤的出现,研究者们开始深入研究特殊光纤中的SBS效应,而相关研究的应用也越来越广泛,如通过布里渊实现慢光、分布式传感、相干光存储等。本文的主要工作是对基于双包层结构的高非线性PCF的结构设计和性能分析,并对PCF结构参数对布里渊散射特性的影响进行了讨论。主要研究内容如下:首先,本文对PCF的特性与基本分类做了详细的介绍,对目前高非线性PCF的研究现状进行了分析,同时介绍了 PCF中布里渊散射效应的研究现状与进展。之后对PCF的非线性效应进行了理论推导,并分析介绍了非线性效应中的几种典型效应,重点对SBS效应的产生进行了详细的分析与推导,引出布里渊散射谱,增益以及阈值的计算公式。经过理论分析,非线性的提升主要可通过降低光纤的模场面积以及使用具有更高的非线性折射率系数的材料来实现。双包层结构的PCF 比单包层结构的PCF能更灵活的设计和改变光纤包层的折射率分布,降低光纤的模场面积;而且,更低的模场面积也有助于增强声光耦合效率,提高布里渊散射谱的强度。其次,通过有限元法仿真计算了内外包层气孔都为六边形排布、内包层全为椭圆气孔的双包层PCF,并重点分析了外包层气孔层数、间距,晶格常数以及内包层椭圆气孔长轴半径和短轴半径对PCF非线性系数和损耗的影响,同时也分析了 PCF结构参数对布里渊散射特性的影响。仿真结果表明,在波长为1.55μm时,能实现39.24 w-1km-1的非线性系数,限制损耗则为5.08×10-7 dB/m,且在10GHz左右布里渊增益能达到50dB。然后,论文还设计了一种内外包层气孔同样都为六边形排布、纤芯两侧为椭圆气孔的双包层As2Se3硫化物PCF,通过仿真计算对外包层气孔间距、晶格常数、内包层晶格常数以及椭圆气孔的椭圆率对PCF非线性系数和损耗进行了分析,并分析了硫化物PCF的结构参数对布里渊散射特性的影响,结果表明,在波长为2μm时,能获得8087.48 w-1km-1的非线性系数,限制损耗的数量级在10-8 dB/m,在7.8GHz左右布里渊增益在48dB附近波动。最后,本文设计的两种PCF结构均同时具有高非线性和低损耗的特性,可在基于SBS设计的传感系统中得到应用,有助于提升布里渊散射信号的检测强度,对分布式布里渊光纤传感器的设计也具有一定的帮助。
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