a轴向单晶光纤模式传输特性理论的研究

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1、ClassifiedIndex:O437U.D.C:535DissertationfortheDoctoralDegreeinScienceTHEORETICALSTUDYONMODEPROPAGATIONCHARACTERISTICSOFA-AXISSINGLECRYSTALFIBERSCandidate:XinJiangboSupervisor:Prof.ZhouZhongxiangAcademicDegreeAppliedfor:DoctorofScienceSpecialty:OpticsAffiliation:DepartmentofPhysicsDateof

2、Defence:March,2009Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology摘要摘要随着光纤通信技术的发展，人们对单晶光纤的研究越来越深入。a轴向单晶光纤由于其较大的电光系数和非线性效应，在外电场调制，全息存储和光栅写入等方面有广泛的应用。人们对a轴向单晶光纤的研究主要集中在实验方面，已经生长出质量很好的a轴向单晶光纤，并对其性质做了大量的研究。由于其理论计算非常复杂，故研究甚少。本文从理论上对a轴向阶跃折射率单晶光纤传输模式的特征进行了详细的研究。从麦克斯韦方程出发，在弱各向异性的条件下，用微扰

3、方法求解了a轴向阶跃折射率单晶光纤的电磁场方程。利用光纤的边界条件，得到横向电场分量的表达式和色散方程，数值模拟和分析了晶纤的色散关系和传输模式的结构特征。发现晶纤传输模式的数量随着归一化频率的增大而逐渐增多。当归一化频率一定时，随着归一化相位常数的减小，弱各向异性a轴向阶跃折射率单晶光纤的传输模式越来越远离线偏振的形式。对于强各向异性a轴向阶跃折射率单晶光纤，在应用更加精确的边界条件的前提下，从仅存在m阶单一基元模式的情形出发推导出晶纤的色散方程，分别对远离截止区、近截止区及导模区的色散方程进行了讨论，数值模拟和分析了晶纤的色散关系和模式特征。发现强各向异性a轴向阶跃

4、折射率单晶光纤中传输的m阶基元模式近似与线偏振模理论中的m阶线偏振(LPmn)模式相对应。与LPmn模对应的m阶的基元模式并不是单值的，也就是说同一线偏振模可能存在很多子模式，并且子模式的线偏振程度随着归一化相位常数b的变化而变化。利用铌酸锂晶体的电光效应，研究了a轴向铌酸锂单晶光纤的色散关系和传输模式随外加电场的变化。数值模拟和讨论了外加电场后a轴向铌酸锂单晶光纤传输二阶基元模式时的色散关系和模式特征。与外加电场前的情况进行比较，发现传输模式的数量及同一模式的截止频率和

5、Ex

6、和

7、Ey

8、峰值的比值都随外加电场发生变化。可以通过外加电场来控制模式的传输。研究了基于a轴向

9、单晶光纤的电光调制器和光滤波器的模式传输特性。a轴向单晶光纤调制器与光纤激光器构成全光纤化光发射模块。在未加电场时，晶纤中只传输LP01模式；外加电场后，LP01模式的损耗增加，抑制了传输。通过对光波的调制，实现了单模传输。a轴向单晶光纤滤波器是通过外加电场控制，滤出某个模式，从而达到控制模式传输的目的。-I-哈尔滨工业大学理学博士学位论文关键词a轴向单晶光纤；模式特征；色散关系；横向电场分量；电光效应-II-AbstractAbstractWiththedevelopmentofopticalfibercommunicationtechnology,singlecry

10、stalfibershaveattachedmoreandmoreattentionsrecently.a-axisstep-indexsinglecrystalfibershavelargeelectro-opticcoefficientandnonlineareffect,whichmakethemwideapplicationinelectricalfieldmodulation,holographicstorageandgratingfabrication.Alotofexperimentalresearchhasbeendoneona-axisstep-ind

11、exsinglecrystalfibers.Highqualitya-axissinglecrystalfibershavebeengrown,andthepropertiesofthemhavebeenstudied.Becausethetheoreticalcalculationofa-axissinglecrystalfibersisverycomplex,therearefewtheoreticalstudiesonthem.Inthisthesis,thetheoreticalstudiesofthemodecharacteri