狄拉克模式光纤研究

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1、硕士学位论文狄拉克模式光纤研究作者姓名杨力学科专业材料学指导教师钱奇副研究员所在学院材料科学与工程学院论文提交日期2018年4月StudyofDiracmodeFiberADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：YangLiSupervisor：AssociateProf.QianQiSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China摘要光子晶体光纤自出现以来便展示出众多优越的光学性能，使得其在光纤激光器、光纤放大器、光纤传感、气体非线性光学、光通信等领域得到了广泛的应用，

2、迅速成为国际研究热点。近年来新出现的狄拉克模式光子晶体光纤，不同于传统光子晶体光纤全反射和光子带隙导光原理，可在能带结构的狄拉克频率处实现光的局域模式而导光，这种新的模式在光纤横向平面上具有独特的电磁场幂律衰减形式以及灵敏的窄频响应特性，使得其在多芯光纤的远程相互作用、随机激光的频率选择上具有极高的应用价值。然而，狄拉克模式光子晶体光纤还面临一些关键技术有待突破。如，在光纤结构方面，仅有三角晶格光子晶体光纤可传输狄拉克模式，缺乏其他光纤结构的支持；目前发现的狄拉克模式传输光纤，均使用高折射率玻璃，增加了光纤制备的难度。因此，寻找到新的可传输狄拉克模式的光纤结构、拓宽狄拉克模式光

3、纤材料的使用范围具有重要意义。本论文从三角晶格狄拉克模式光纤出发，结合光纤结构设计理论，设计出改进蜂巢晶格和类阿基米德晶格两种光纤结构，模拟了不同晶格类型光子晶体光纤的能带结构、狄拉克模式出现条件以及相应的狄拉克模式传输性能。成功发现了新的可传输狄拉克模式的光纤结构，降低了狄拉克模式光纤对基质材料折射率需求，成功拓宽了材料的选择范围。具体的研究内容和取得的主要成果有：（1）深入研究了三角晶格光子晶体光纤能带结构及其狄拉克模式特性：使用平面波展开法计算出高折射率玻璃基质下，三角晶格光子晶体光纤能带结构中的第10能带和第11能带可以形成第二狄拉克锥；新的狄拉克模式工作波长随着包层空

4、气填充率的增加发生蓝移，而随着包层玻璃折射率的增加发生红移；使用平面波展开法和时域有限差分法计算得到的狄拉克频率误差为1.7%；使用时域有限差分法模拟证实可在此光纤中可实现狄拉克模式无泄漏光传输。（2）研究了新型改进蜂巢晶格光子晶体光纤能带结构及其狄拉克模式特性：根据能带计算理论，设计出改进蜂巢晶格光子晶体光纤；使用平面波展开法计算出光纤能带结构中的第14能带和第15能带可以形成狄拉克锥结构；新的狄拉克模式工作波长随着包层空气填充率的增加发生蓝移，随着包层玻璃折射率的增加发生红移；新结构下的狄拉克模式不再受光纤材料折射率的限制，可以在低折率I的石英玻璃中实现；使用平面波展开法和

5、时域有限差分法计算得到的狄拉克频率误差为0.48%；使用时域有限差分法模拟出新的狄拉克模式可在光纤中实现无泄漏传输。（3）研究了新型类阿基米德晶格光子晶体光纤能带结构及其狄拉克模式特性：设计出类阿基米德晶格光子晶体光纤；使用平面波展开法计算出光纤能带结构中的第14能带和第15能带可以形成狄拉克锥结构；新的狄拉克模式工作波长随着包层空气填充率的增加发生蓝移，随着包层玻璃折射率的增加发生红移；新结构下的狄拉克模式不受光纤材料折射率限制；使用平面波展开法和时域有限差分法计算得到的狄拉克频率误差为0.12%；使用时域有限差分法模拟出新的狄拉克模式可在光纤中实现无泄漏传输。关键词：狄拉克

6、模式；光子晶体光纤；光纤设计；晶格IIAbstractPhotoniccrystalfibershaveattractedwideattentionsincetheywerereported,andtheyhavebeenwidelyusedinfiberlasers,fiberamplifiers,fiberopticsensing,gasnonlinearoptics,andopticalcommunicationsfortheirsuperioropticalproperties.Withtheextensionofphotoniccrystalfiberapplicat

7、ions,thereareincreasingdemandsforphotoniccrystalfiberswhichcanprovidenewfunctions.Traditionallight-guidancemechanismsinphotoniccrystalfibersrelyontotalreflectionandphotonicbandgap，thediscoveryofnewtypeDiracmodephotoniccrystalfiberscanrealizetheguid