狄拉克模式光纖研究

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1、碩士學(xué)位論文狄拉克模式光纖研究作者姓名楊力學(xué)科專業(yè)材料學(xué)指導(dǎo)教師錢奇副研究員所在學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院論文提交日期2018年4月StudyofDiracmodeFiberADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：YangLiSupervisor：AssociateProf.QianQiSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China摘要光子晶體光纖自出現(xiàn)以來(lái)便展示出眾多優(yōu)越的光學(xué)性能，使得其在光纖激光器、光纖放大器、光纖傳感、氣體非線性光學(xué)、光通信等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，

2、迅速成為國(guó)際研究熱點(diǎn)。近年來(lái)新出現(xiàn)的狄拉克模式光子晶體光纖，不同于傳統(tǒng)光子晶體光纖全反射和光子帶隙導(dǎo)光原理，可在能帶結(jié)構(gòu)的狄拉克頻率處實(shí)現(xiàn)光的局域模式而導(dǎo)光，這種新的模式在光纖橫向平面上具有獨(dú)特的電磁場(chǎng)冪律衰減形式以及靈敏的窄頻響應(yīng)特性，使得其在多芯光纖的遠(yuǎn)程相互作用、隨機(jī)激光的頻率選擇上具有極高的應(yīng)用價(jià)值。然而，狄拉克模式光子晶體光纖還面臨一些關(guān)鍵技術(shù)有待突破。如，在光纖結(jié)構(gòu)方面，僅有三角晶格光子晶體光纖可傳輸?shù)依四Ｊ?，缺乏其他光纖結(jié)構(gòu)的支持；目前發(fā)現(xiàn)的狄拉克模式傳輸光纖，均使用高折射率玻璃，增加了光纖制備的難度。因此，尋找到新的可傳輸?shù)依四Ｊ降墓饫w結(jié)構(gòu)、拓寬狄拉克模式光

3、纖材料的使用范圍具有重要意義。本論文從三角晶格狄拉克模式光纖出發(fā)，結(jié)合光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論，設(shè)計(jì)出改進(jìn)蜂巢晶格和類阿基米德晶格兩種光纖結(jié)構(gòu)，模擬了不同晶格類型光子晶體光纖的能帶結(jié)構(gòu)、狄拉克模式出現(xiàn)條件以及相應(yīng)的狄拉克模式傳輸性能。成功發(fā)現(xiàn)了新的可傳輸?shù)依四Ｊ降墓饫w結(jié)構(gòu)，降低了狄拉克模式光纖對(duì)基質(zhì)材料折射率需求，成功拓寬了材料的選擇范圍。具體的研究?jī)?nèi)容和取得的主要成果有：（1）深入研究了三角晶格光子晶體光纖能帶結(jié)構(gòu)及其狄拉克模式特性：使用平面波展開(kāi)法計(jì)算出高折射率玻璃基質(zhì)下，三角晶格光子晶體光纖能帶結(jié)構(gòu)中的第10能帶和第11能帶可以形成第二狄拉克錐；新的狄拉克模式工作波長(zhǎng)隨著包層空

4、氣填充率的增加發(fā)生藍(lán)移，而隨著包層玻璃折射率的增加發(fā)生紅移；使用平面波展開(kāi)法和時(shí)域有限差分法計(jì)算得到的狄拉克頻率誤差為1.7%；使用時(shí)域有限差分法模擬證實(shí)可在此光纖中可實(shí)現(xiàn)狄拉克模式無(wú)泄漏光傳輸。（2）研究了新型改進(jìn)蜂巢晶格光子晶體光纖能帶結(jié)構(gòu)及其狄拉克模式特性：根據(jù)能帶計(jì)算理論，設(shè)計(jì)出改進(jìn)蜂巢晶格光子晶體光纖；使用平面波展開(kāi)法計(jì)算出光纖能帶結(jié)構(gòu)中的第14能帶和第15能帶可以形成狄拉克錐結(jié)構(gòu)；新的狄拉克模式工作波長(zhǎng)隨著包層空氣填充率的增加發(fā)生藍(lán)移，隨著包層玻璃折射率的增加發(fā)生紅移；新結(jié)構(gòu)下的狄拉克模式不再受光纖材料折射率的限制，可以在低折率I的石英玻璃中實(shí)現(xiàn)；使用平面波展開(kāi)法和

5、時(shí)域有限差分法計(jì)算得到的狄拉克頻率誤差為0.48%；使用時(shí)域有限差分法模擬出新的狄拉克模式可在光纖中實(shí)現(xiàn)無(wú)泄漏傳輸。（3）研究了新型類阿基米德晶格光子晶體光纖能帶結(jié)構(gòu)及其狄拉克模式特性：設(shè)計(jì)出類阿基米德晶格光子晶體光纖；使用平面波展開(kāi)法計(jì)算出光纖能帶結(jié)構(gòu)中的第14能帶和第15能帶可以形成狄拉克錐結(jié)構(gòu)；新的狄拉克模式工作波長(zhǎng)隨著包層空氣填充率的增加發(fā)生藍(lán)移，隨著包層玻璃折射率的增加發(fā)生紅移；新結(jié)構(gòu)下的狄拉克模式不受光纖材料折射率限制；使用平面波展開(kāi)法和時(shí)域有限差分法計(jì)算得到的狄拉克頻率誤差為0.12%；使用時(shí)域有限差分法模擬出新的狄拉克模式可在光纖中實(shí)現(xiàn)無(wú)泄漏傳輸。關(guān)鍵詞：狄拉克

6、模式；光子晶體光纖；光纖設(shè)計(jì)；晶格IIAbstractPhotoniccrystalfibershaveattractedwideattentionsincetheywerereported,andtheyhavebeenwidelyusedinfiberlasers,fiberamplifiers,fiberopticsensing,gasnonlinearoptics,andopticalcommunicationsfortheirsuperioropticalproperties.Withtheextensionofphotoniccrystalfiberapplicat

7、ions,thereareincreasingdemandsforphotoniccrystalfiberswhichcanprovidenewfunctions.Traditionallight-guidancemechanismsinphotoniccrystalfibersrelyontotalreflectionandphotonicbandgap，thediscoveryofnewtypeDiracmodephotoniccrystalfiberscanrealizetheguid