摻鐿光子晶體光纖的制備及其特性研究畢業設計-資料下載頁

　　

【正文】 ohn 創造性地提出了光子晶體的概念之后，P. Russell 于 1991 年首次獨到地提出了具有規則微結構的光子晶體光纖的概念。從 1996 年第一根光子晶體光纖問世，到 1998 年出現了第一根依靠光子帶隙原理導光的光子晶體光纖，英國南安普頓大學光電研究中心的 P. Russell，. Knight, . Birks等人組成的課題組和丹麥技術大學電磁系的 S. E. Barkou，J. Broeng 等人組成的課題組率先進行了光子晶體光纖的制備和理論研究，隨著這幾年的研究，光子晶體光纖的一些特性得到了很大的提高。目前，全球的科研人員對光子晶體光纖進行深入研究。1996 年，英國南安普頓大學的 Knight 等人報導了第一根光子晶體光纖，1997 年，Birks 等人發現這根光纖具有無截止單模傳輸特性。隨著對折射率引導型光子晶體光纖的深入研究，人們對于其模式的截止，對稱特征，損耗及彎曲損耗等有了更清楚地認識，大模面積特性[14,]，可調節的色散特性，高非線性[21] 和高雙折射特性[22] 等特性相繼被人們研究，同時，隨著制備工藝的日益完善，光纖的損耗也不斷的降低。2022 年, K. Suzuki 等人報導了在 1 550nm 處，損耗為 dB/km，模式雙折射高達 103 的高偏振光子晶體光纖。2022 年，B. Zsigri 等人利用長度為 km，在 1 550 nm 處衰減為 dB/km 的光子晶體光纖作了 10Gbit/s 數據傳輸實驗。2022年，K. Tajima 等人制備的光子晶體光纖，在 1 310 nm 和 1 550 nm 處,損耗為別為 dB/km 和 dB/km。2022 年，丹麥技術大學的 M. D. Nielsen等人報導了在 1 550 nm 處，模場面積高達 130 μm2，損耗僅為 dB/km的光子晶體光纖。折射率引導型光子晶體光纖的優異特性，使其在科研和生產許多方面都表現出重要的應用價值，在非線性光學，生物醫學，光傳輸，光器件，激光器和放大器，光纖傳感等方面的得到了應用。J. S. de Matos 等人[150] 使用了具有兩個零色散點(分別為 μm 和 μm)的 100 m 長的光子晶體光纖，利用兩種不同的連續光泵浦源，分別得到了在 μm 處的超連續譜，總功率為 W。J. C. Travers 等人得到了寬帶，高功率密度，低相干的超連續譜光源。A. Kudlinsk 等人利用峰值功率為 60 附錄 2 kW，平均功率為 8 W 的皮秒脈沖，在 1 m 長的零色散點不斷向短波移動的錐形光子晶體光纖中，產生了 395850 nm 范圍內，最小功率為 mW，最大為 5 mW 的平坦超連續譜。F. G. Ometo 等人用長度僅為 mm 的基于 SF6 玻璃的高非線性光子晶體光纖，得到了 3503 000 nm 的超寬帶的連續譜輸出。G. Humbert 等人[140]利用光子晶體光纖產生的超連續譜實現了縱向分辨率為 的相干層析成像系統。J. S. Petrovic 等人用光子晶體光纖制成長周期光纖光柵，應用于測量溫度和壓力。J. Limpert 等人利用光子晶體光纖，實現了 320W 連續波的輸出，出光效率高達 550 W/m，泵浦光的吸收高達 30 dB/m。2022 年，英國巴斯大學的 P. J. Roberts等人將帶隙型光子晶體光纖的最低損耗降低到了 dB/km。國內摻鐿 PCF 的研究剛剛起步，南開大學物理學院張煒、深圳大學工程技術學院阮雙琛[5]和天津大學精儀學院的姚建銓[67]等相繼報道了關于摻 雙包層光子晶體光纖激光器的研究工作，但全部采用進口的光子晶?3Yb體光纖。摻 的光纖具有高的吸收帶寬和發射帶寬，可以選擇多種激光?3器作為泵浦源具有高的吸收和轉換效率， 離子摻雜光纖適合于發展高?3Yb功率激光器件，因此摻 PCF 必將開創高功率光纖激光器新的光明前景。?3Yb二、研究主要成果1999 年，國內首次報道了武漢郵科院采用 MCVD 工藝研制出簡單梯度摻 單模石英光纖和雙包層結構摻 石英光纖。雙包層摻 石英?3Yb?3Yb?3Yb光纖具有適合半導體激光器陣列泵浦、泵浦耦合效率高、激光輸出功率高等特點，是摻鐿石英光纖的主要發展方向。2022 年，英國 Bath 大學 Wadsworth 等人實現了雙包層光子晶體光纖結構。雙包層光子晶體光纖摻雜離子為 離子，纖芯直徑 ，數值?3Yb孔徑 ，內包層直徑 150μm，數值孔徑 ，利用 20W 光纖耦合二極管陣列泵浦該光纖，光纖長度為 17m ，獲得了 功率輸出，斜效率21%。2022 年，我國深圳大學工程技術學院采用 30 m D 型摻 雙包層光?3Yb燕山大學本科畢業生畢業設計 (論文)纖，成功獲得 W 的激光輸出。2022 年上半年，南開大學物理科學學院對摻 雙包層光纖激光器進?3Yb行 了混合調 Q 的實驗研究，在連續泵浦狀態下，當入纖泵浦功率為 1. 24 W 時，在 1 080～1 119 nm 的可調諧范圍內，國內首次實現了輸出脈寬小于 6 ns、重復頻率為 1. 5 kHz、脈沖能量高于 80 、峰值功率高于 13. 3 kW 的穩定脈沖輸出。三、發展趨勢： 在 2022 年 2 月 21 日到 27 日召開的世界光纖通信會議上，光子晶體光纖成為重要的課題之一。國際上關于光子晶體光纖的研究主要集中在拓展PCF 的應用領域和改善其性能方面。國內 PCF 激光器的研究剛剛起步，南開大學物理學院張煒、深圳大學工程技術學院阮雙琛[5]和天津大學精儀學院的姚建銓[67]等相繼報道了關于摻 雙包層光子晶體光纖激光器的研究工作，但全部采用進口的光子?3Yb晶體光纖。摻 的光纖具有高的吸收帶寬和發射帶寬，可以選擇多種激?3光器作為泵浦源具有高的吸收和轉換效率， 離子摻雜光纖適合于發展?3Yb高功率激光器件，因此摻 PCF 必將開創高功率光纖激光器新的光明前?3Yb景。五、主要參考文獻 1 . Hoo, W. Jin, J. Ju, . Ho, and . Wang, Opt. Commun. 242, 327332 (2022)2. M. G. Krishna, K. Miroslav, V. M. Jerome, and S. L. Kyung, Opt. Express 14, 68706878 (2022) 3. J. Wang, J. Chun, W. Hu, and M. Gao, Optic Laser Tech 38, 169–172 (2022)4. J. C. Knight, T. A. Birks, P. S. J. Russell, et al. AllSilica SingleMode Optical Fiber with PhotonicCrystal Cladding. Optics Letters, 1996,21(19):15471549附錄 3 附錄 3。燕 山 大 學信息科學與工程學院本科畢業設計(論文) 中期報告課題名稱： 摻鐿光子晶體光纖制備及特性的研究 學 院 (系 )： 信 息 科 學 與 工 程 學 院 年級專業： 學生姓名： 指導教師： 完成日期： 燕山大學本科畢業生畢業設計 (論文)一、任務書中本階段工作目標與任務要求14周 查找文獻，閱讀文獻，了解課題的歷史背景和研究現狀58周 了解課題的研究內容，研究步驟和基本要求912周 進行摻鐿光子晶體光纖的制備實驗，對樣本進行激光性能檢測1316周 對實驗結果進行理論分析和檢驗1718周 論文寫作目前已完成任務情況按照計劃閱讀了《激光玻璃》、《激光材料》、《發光學與發光材料》、《光纖實驗技術》《光纖測量原理》、《光纖通信技術》等資料。查閱了大量了國內外資料分類整理、翻譯了相關資料確定了論文的具體研究內容及研究價值進行了相關軟件(sol)的學習和實驗目前正在進行系統仿真及實驗準備存在的問題和擬解決方法 光子晶體光纖設計軟件sol不全學會，具體的光纖制備過程尚不明確，附錄 3 信息科學與工程學院本科畢業設計中期考核成績評定表姓名 專業 指導教師題目考核項目畢業設計進度(5 分)分析問題、解決問題及創新能力(5 分)完成的質量(5 分 )學習態度、團隊精神及平時表現(導師打分，5 分)得分總分 分導師意見 導師簽字： 年 月 日考核結果 專業 同學查閱了(大量 較多 較少)的國內外參考文獻，分析問題、解決問題及創新能力(強 較強 不強) ，學習態度(認真 較認真 不認真)，平時表現(積極 較積極 不積極)，出勤情況( 良好 一般 較差) ，完成質量和工作進度(較好 合格 較差 )。考核組組長簽字：年 月 日系級教學單位意見 專業 同學畢業設計中期考核(通過 修改后通過 不通過) 。 負責人簽字： 年 月 日 燕山大學本科畢業生畢業設計 (論文)附錄 4 附錄 4在 S+C+L 波段實現同步色散補償的光子晶體光纖的數值分析和優化設計摘要：在這篇論文里，我們用數值研究和優化光子晶體光纖的結構似的它可以消除通信鏈路的殘留色散，也在 S+C+L 波段提供了同一色散補償。我們用全矢量有限元法和遺傳算法來優化設計光線的結構同時也決定了模式特性。這種優化的光子晶體光纖(PCF)從 到 (也就是 1500 nm 的波長范圍) ，誤差范圍為177。nm/km，而且具有零色散斜率。我們也研究所設計光子晶體光纖(PCF)的的宏觀彎曲損耗的性質，并且發現所設計光纖在所能達到最小彎曲半徑 5mm表現低損耗特性。此外，對這種光纖進行了敏感度分析，并且發現光纖參數 2%的變化會導致色散偏離正常值發生 8%的變化。色散補償光纖(DCF)廣泛應用于補償傳輸鏈路中累積的色散，這樣就提高了傳輸長度而不再需要重新產生信號。對于寬帶色散補償，寬帶色散補償光纖(DCFS) 可以同時補償色散和色散斜率。然而，甚至是在以后的鏈路中都會留下殘留色散。到目前為止，傳統光纖設計用于補償 1510 nm 到1620 nm 波段范圍的殘留色散，且在 nm/km 和一個典型的誤差范圍177。 ps/ nm/km。另一方面，光子晶體光纖即一種以純硅晶體為襯底，沿其傳輸軸方向微小氣孔嵌在主硅矩陣中。由于其顯著的模式特性例如無限單模操作，大模場面積以及色散可控性激發了對光子晶體光纖研究的熱潮。包層中出現的空氣孔主要起放大作用，但卻使包層折射率對于波長的依賴性減小。和傳統光纖不同的是光子晶體光纖的摻雜是必須的用于引導光波，由于包層有氣孔核心無摻雜光波可被引導進入光子晶體光纖的內部。另外 PCF 更多自由的地方表現在它可以完全靈活地控制它的特性例如色散曲線更加平滑和絕對值更大的負色散性質，通過精確控制光線幾何結構參數可獲得絕對值更大的負色散特性。國際文學中已經報道了一些色散補償光子晶體光纖的設計，許多光纖的設計是基于雙中心纖芯折射率結構，也就是該光纖有燕山大學本科畢業生畢業設計 (論文)兩個纖芯，分別是中心纖芯和環纖芯。光波場在一個特定的波長之后才可以進入環芯，這被認為是相位和波長的匹配。此外，近期剛剛完成基于 W型三包層折射率結構色散補償光子晶體光纖的設計，它的色散性質已從實驗測得。雖然一段 1km 長的色散補償光子晶體光纖可以補償傳統光子晶體光纖 G。652 傳輸 80km 所積累的正常色散，但在補償后仍有低于177。60ps/ nm 的殘留色散。為消除光纖鏈路中的殘留色散，我們需要一個設備去除積累的殘留色散。考慮到以上幾點，這篇論文里我們要設計和分析一種優化 PCF 設計，這種光纖可以消除色散補償后傳輸鏈路中的殘留色散，同時也在 S 到 L 波段提供一個同步色散補償。此外，這種設備還可以消除激光發射源的啁啾聲。用遺傳算法和全矢量有限元法尋找最優結構參數。在遺傳算法的基礎上，可以計算出優化 PCF 設計的模式特性，從 到 色散中心，誤差范圍為177。，在 處色散斜率為。為保證我們所要進行的設計的兼容性，我們進行了更多誤差分析和數值模擬，結果觀察到結構參數變化 2%會使色散值偏離正常值發生177。8%的偏移。圖 1 表示優化 DCPCF 的橫截面，以純硅作為襯底材料由 11 層空氣孔環組成。這個設計是基于 3 包層折射率結構，空氣孔節距為常量∧，空氣孔的直徑分別為 d1，d2，d3，且d1d3 到 表現出目標色散值100ps/ nm/km，同時可行最小的彎曲半徑大概 5mm 彎曲損耗應該保持在。接下來的匹配函數被認是用在 150 nm 波段范圍內達到平附錄 4