低损耗单模空芯反谐振光纤的结构设计研究

作     者：吴轩瑞 

作者单位：燕山大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵兴涛;陈毅强

授予年度：2022年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 0702[理学-物理学] 

主      题：空芯光纤 反谐振反射 低损耗 单模 负曲率 双折射 

摘      要：近年来,空芯反谐振光纤(hollow-core anti-resonant fiber,HC-ARF)凭借其简单的包层结构和独特的导光特性,突破了表面散射损耗对空芯光子晶体光纤损耗的限制,成为了当前光纤光学领域的研究热点。相比于传统光纤基于全反射原理将光束缚在玻璃纤芯中传输,HC-ARF采用反谐振反射和模式耦合抑制原理相结合的方式在空气纤芯中传输光,因此它具有低时延、低非线性和高损伤阈值等优势。HC-ARF在远距离高速通信、偏振滤波器和光学传感器等多个领域有着广阔的应用前景。本文从HC-ARF的导光机理、传输特性与包层结构之间存在的关联性出发,通过设计和优化HC-ARF的结构参数最大限度的减少传输损耗并改善光纤的单模特性。主要研究内容分为以下几个部分:(1)对HC-ARF的导光机理进行分析。以单层和双层嵌套HC-ARF为研究对象,用反谐振反射光波导模型解释了HC-ARF的管壁厚度对光纤损耗的影响,用纤芯模与包层模之间的模式耦合模型解释了包层结构变化对光纤损耗和单模特性的影响。(2)通过在5管双层嵌套HC-ARF的反谐振管之间加入一层平板玻璃层,进一步降低了光纤的传输损耗,提升了光纤的单模和弯曲特性。对所设计光纤在制备过程中因玻璃层曲率变化、外管形变和玻璃层倾斜所带来的损耗误差进行了分析,并给出了制造公差。(3)研究了具有更大包层空间的4管HC-ARF。在外层反谐振管内嵌套4个相邻的内管实现了4管HC-ARF的低损耗单模传输。改变包层几何结构,分析了相邻嵌套内管大小和位置对光纤基模损耗和最小高阶模损耗的影响。此外,通过改变垂直方向上外管的管壁厚度,该光纤在通讯波长1.55μm处获得了较高的双折射。(4)结合HC-ARF的导光机理,提出了一种具有负曲率三角形纤芯的HC-ARF。采用3个负曲率悬挂玻璃层替代包层标准圆形毛细管,实现了对5管双层嵌套HC-ARF包层结构的简化。通过与其它设计方案对比,分析了负曲率纤芯边界对HC-ARF传输性能的影响。