高雙折射聚合物光子晶體保偏光纖設(shè)計及制備與表征的初步結(jié)果.pdf

1、保偏光纖不僅在光通信領(lǐng)域，而且在光纖傳感、集成光學信息處理等領(lǐng)域均具有廣泛的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)應(yīng)力型保偏光纖，如熊貓型、蝴蝶結(jié)型等，模式雙折射較低，而且應(yīng)力單元由摻B<,2>O<,3>組成，制備工藝復(fù)雜；另外，應(yīng)力單元應(yīng)力的大小與溫度直接相關(guān)，致使其雙折射溫度穩(wěn)定性差；并且纖芯摻GeO<,2>，致使其抗輻射能力差，無法適應(yīng)現(xiàn)代通信系統(tǒng)的需求。光子晶體光纖(PhotonicCrystal Fibers，PCFs)由單一材料和周期性空氣孔構(gòu)成，

2、通過調(diào)整包層空氣孔的大小、間距、形狀及排列模式，可以在較大范圍內(nèi)調(diào)整纖芯與包層的折射率差，獲得高雙折射單模運行。與傳統(tǒng)保偏光纖相比，光子晶體保偏光纖溫度穩(wěn)定性好，具有更強的偏振穩(wěn)定性和抗輻射能力，能有效排除偏振模色散，在未來全光網(wǎng)、光纖陀螺、光纖傳感、可調(diào)諧光纖激光器等領(lǐng)域?qū)⑵鹬匾饔谩?然而，石英光子晶體保偏光纖受預(yù)制棒制備和拉絲工藝的限制，一直阻礙著其實用化進程。2001年，澳大利亞悉尼大學Van Eijkclenborg等

3、人首次報道了采用聚合物開發(fā)各種類型光子晶體光纖的研究結(jié)果，為光子晶體光纖的成功開發(fā)提出了新思路。受澳大利亞悉尼大學的啟發(fā)，本論文對聚合物光子晶體光纖預(yù)制棒制備工藝和拉絲工藝進行了深入研究；并從理論角度對聚合物基材光子晶體保偏光纖進行了結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計研究；選取甲基丙烯酸甲酯(MMA)為制備材料，采用本體聚合技術(shù)和套管法拉絲技術(shù)，成功制備了橢圓芯六角對稱聚合物光子晶體光纖，并對其進行了光學特性和偏振特性的測試與表征。取得的研究成果如下：

4、 (1)對光子晶體光纖理論分析方法進行了深入研究，提出采用全矢量平面波展開法(FV-PWM)模擬高雙折射光子晶體保偏光纖偏振特性的研究思路。從Maxwell電磁波動方程出發(fā)，將介質(zhì)介電常數(shù)和電磁波動方程的解采用傅立葉級數(shù)展開，得到光子帶隙型光子晶體光纖的平面波分析模型，并將平面波分析模型演化到折射率導(dǎo)模型光子晶體光纖之中。 (2)采用全矢量平面波展開法，以聚合物為基材，對四種不同結(jié)構(gòu)類型光子晶體光纖，即橢圓芯六角對稱聚合物光

5、子晶體光纖、橢圓芯非六角對稱聚合物光子晶體光纖、矩形點陣聚合物光子晶體光纖和單模單偏振聚合物光子晶體光纖進行了參數(shù)設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。 (3)首次提出了一種新型結(jié)構(gòu)高雙折射PCFs——橢圓芯非六角對稱結(jié)構(gòu)PCF。以聚合物為基材，采用全矢量平面波法(Full Vector Plane Wave Method，F(xiàn)V-PWM)，對該光纖的偏振特性和模場特性進行了模擬。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該光纖雙折射是由芯和包層不對稱性共同產(chǎn)生的。其偏振特性與不對稱

6、比例因子η=b/Λ存在強烈的依賴關(guān)系，(其中b表示y方向的孔間隔，Λ表示x方向的孔間隔，d表示孔直徑)。若選取Λ=2.3μm， d/Λ=0.4，不對稱比例因子η=0.4時，該光纖可以在可見光和近紅外波段以單模運行方式呈現(xiàn)高達1.294×10<'-3>的雙折射，并有效抑制一階偏振模色散。 (4)獲得了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的聚合物光子晶體光纖預(yù)制棒制備工藝和拉絲工藝。首次在國內(nèi)將MMA單體的本體聚合技術(shù)移植到聚合物光子晶體光纖預(yù)制棒制備

7、之中，研究了聚合物光子晶體光纖預(yù)制棒制備工藝，給出了聚合反應(yīng)時間與反應(yīng)溫度之間的關(guān)系，成功制備了孔直徑d=2mm，孔間隔Λ=5mm，預(yù)制棒直徑D=70mm的近似橢圓芯六角對稱聚合物PCF預(yù)制棒；提出預(yù)制棒套管拉絲技術(shù)，拉制了光纖直徑D=125±5μm，孔直徑d=3.5μm，孔間隔Λ=9.4μm的橢圓芯六角對稱聚合物PCFs，研究了光纖拉絲塔中預(yù)制棒拉絲爐、光纖拉絲爐的溫度場分布。 (5)對套管法拉制的橢圓芯聚合物PCF光學特性和

8、偏振特性進行了表征研究。結(jié)果表明，該光纖具有機械柔韌性好，數(shù)值孔徑小，模場直徑大和弱雙折射效應(yīng)等特點。其傳輸損耗在632.8nm波長處為11.5dB/m，且彎曲損耗小，彎曲半徑為10mm；雙折射B只有4.65×10<'-7>。 以上研究結(jié)果為進一步研究聚合物光子晶體光纖制備技術(shù)和測試方法提供了方法上的借鑒和資源上的共享。 本文工作得到國家自然科學重點基金“寬帶低損耗漸變折射率聚合物光纖及其器件的應(yīng)用基礎(chǔ)研究”(編號：60