高雙折射聚合物光子晶體保偏光纖設(shè)計(jì)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(xué)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(yùn)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(qiáng)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(shí)用化進(jìn)程。2001年，澳大利亞悉尼大學(xué)Van Eijkclenborg等

3、人首次報(bào)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(xué)的啟發(fā)，本論文對(duì)聚合物光子晶體光纖預(yù)制棒制備工藝和拉絲工藝進(jìn)行了深入研究；并從理論角度對(duì)聚合物基材光子晶體保偏光纖進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)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(duì)稱聚合物光子晶體光纖，并對(duì)其進(jìn)行了光學(xué)特性和偏振特性的測(cè)試與表征。取得的研究成果如下：

4、 (1)對(duì)光子晶體光纖理論分析方法進(jìn)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(dòng)方程出發(fā)，將介質(zhì)介電常數(shù)和電磁波動(dòng)方程的解采用傅立葉級(jí)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(duì)四種不同結(jié)構(gòu)類型光子晶體光纖，即橢圓芯六角對(duì)稱聚合物光

5、子晶體光纖、橢圓芯非六角對(duì)稱聚合物光子晶體光纖、矩形點(diǎn)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(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)該光纖的偏振特性和模場(chǎng)特性進(jìn)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(duì)稱性共同產(chǎn)生的。其偏振特性與不對(duì)稱

6、比例因子η=b/Λ存在強(qiáng)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(duì)稱比例因子η=0.4時(shí)，該光纖可以在可見光和近紅外波段以單模運(yùn)行方式呈現(xiàn)高達(dá)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(shí)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(shí)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(duì)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(duì)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(chǎng)分布。 (5)對(duì)套管法拉制的橢圓芯聚合物PCF光學(xué)特性和

8、偏振特性進(jìn)行了表征研究。結(jié)果表明，該光纖具有機(jī)械柔韌性好，數(shù)值孔徑小，模場(chǎng)直徑大和弱雙折射效應(yīng)等特點(diǎn)。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(jìn)一步研究聚合物光子晶體光纖制備技術(shù)和測(cè)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(xué)重點(diǎn)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(hào)：60