摘要
保证光的偏振状态的稳定在光纤激光器，光纤传感器，光纤陀螺仪，光通信网络等一些偏振敏感的光学系统中必不可少。保偏光纤（PolarizationMaintainingFiber，PMF）利用光纤材料和结构特性在光纤中人为地引入缺陷或是打破光纤结构的对称性从而引入高双折射（HighBirefringence，HB），以此来降低外界因素如应力，弯曲，拉伸所引起的扰动。然而，作为实芯光纤，传统保偏光纤在实现低损耗，低非线性，低色散等方面面临巨大挑战。空芯光子晶体光纤（Hollow-corePhotonicCrystalFiber，HC-PCF）由于能量主要通过空气传播，相比于传统的实芯光纤具有低非线性，高激光损伤阈值，低损耗，低色散的优点。HC-PCF主要包括空芯光子带隙光纤（Hollow-corePhotonicBandgapFiber，HC-PBGF）和空芯反谐振光纤（Hollow-coreAntiresonanceFiber，HC-ARF）。HC-PBGF因其超低的传输损耗和优秀的单模特性，在超长距离数据传输方向有着巨大应用潜力。而HC-ARF具有更宽的传输带宽，结构设计灵活，设计容差大等优点，已经成为近年来光纤领域的研究热点。本论文以保偏空芯光纤（PolarizationMaintainingHollow-coreFiber，PM-HCF）为主设计并优化了具有高双折射的HC-PBGF和单偏振单模（single-polarizationsingle-mode，SPSM）HC-ARF，利用有限元法对光纤的导光机理，模式和偏振特性进行了分析，主要内容如下： 介绍了HC-PBGF和HC-ARF以及PMF的研究背景，意义，发展历程，总结了HC-PBGF和HC-ARF在PMF领域内国内外的研究现状。 分析了HC-PBGF的光子带隙理论和HC-ARF的反谐振反射光波导理论，以简单的HC-PBGF和HC-ARF作为研究对象，系统地探讨了晶胞周期，空气填充率，晶胞拐角曲率等结构参数对光子带隙的影响，讨论了空芯反谐振管的厚度以及嵌套管的添加与HC-ARF限制损耗的关系。 结合光子带隙机制和反谐振反射效应，提出了一种混合PM-HCF结构，通过将两对负曲率反谐振环引入9晶胞HC-PBGF的空芯中来实现高双折射。通过和未插入反谐振层的9晶胞HC-PBGF对比研究发现，混合型结构能有效提高双折射性能并保证基模的限制损耗处于较低水平。仿真结果表明，所提出的结构经过参数优化后，在1.55μm波长处双折射达到1.03×10-3，限制损耗为0.04dB/km，高阶模消光比（定义为高阶模的最低损耗与基模的最高损耗之比）为33460。同时，所提出的光纤结构可以在1510nm-1620nm（带宽110nm）波长范围内同时实现高于9×10-4的双折射以及低于1dB/km的损耗。 提出了一种使用混合包层的HC-ARF结构。该结构包括四个带嵌套管的包层管和一个内表面涂有硅的包层管。单偏振单模传导是通过调整硅层的厚度和嵌套管直径等结构参数控制y偏振和包层模式之间的耦合以及增加高阶模（High-orderModes，HOM）的损耗来实现的。仿真结果表明，通过选择合适的结构参数，在1550nm处偏振消光比（PolarizationExtinctionRatio，PER）高达139804，y偏振损耗为133dB/m，x偏振损耗低至0.00095dB/m，此外，HOM和x偏振之间的高阶模消光比（High-orderModeExtinctionRatio，HOMER）高达40360，HOM损耗为32.38dB/m，特别指出所提出的光纤在1450nm-1680nm（带宽230nm）波长范围内PER大于100，损耗低于1dB/m。当光纤在任意方向上弯曲且弯曲半径为5cm时，弯曲损耗低于0.08dB/m。
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