通过在高双折射微结构光纤包层构建缺陷并在其外侧空气孔镀金的方法，实现一种基于“耦合-耦合-吸收”滤波机理的新型单模单偏振微结构光纤（SMSP-MSF）。纤芯中需要滤除的偏振态模式能量通过“纤芯与缺陷芯耦合”和“缺陷芯与金缺陷耦合”两次耦合作用传递至镀金孔中，再利用金缺陷的等离子体共振效应对能量进行吸收，以实现宽带的单模单偏振传输。基于上述机理，利用全矢量有限元法，得到了两种宽带SMSP-MSF。所设计的正六边形晶格SMSP-MSF的纤芯x偏振模式与缺陷芯模式、金层二阶表面等离子极化激元模式在多个波长分别谐振，实现380 nm的单模单偏振传输带宽。所设计的正方形晶格SMSP-MSF利用纤芯及缺陷芯相互垂直的排布方式，保证了纤芯与缺陷芯x偏振模式耦合，而y偏振模式不耦合，在1.55 μm处实现了偏振消光比高达113 dB的高质量单模单偏振传输。

基于表面等离子共振效应, 提出了三种不同非对称因素引入的金镀膜偏振相关滤波光子晶体光纤, 利用全矢量有限元法研究了光子晶体光纤偏振相关滤波传输特性.当非对称纤芯模单独作用时, 波长1.55 μm处x与y偏振方向纤芯模损耗分别为5.58 dB/cm和461.58 dB/cm, 两偏振方向损耗比为83; 当非对称金属表面等离子模单独作用, 且镀膜厚度为55 nm时, 其谐振波长1.31 μm处x与y偏振方向纤芯模损耗分别为2.02 dB/cm和412.91 dB/cm, 两偏振方向损耗比高达204, 镀膜厚度19.5 nm时其谐振波长1.55 μm处x与y偏振方向纤芯模损耗分别为5.29 dB/cm和536.25 dB/cm, 两偏振方向损耗比为101; 当纤芯模和表面等离子模同时引入非对称因素时, 通信波长1.55 μm处y偏振纤芯模谐振强度高达802.08 dB/cm, 而x偏振纤芯模损耗仅为5.57 dB/cm, 两偏振方向损耗比为144.数值比较可知, 在金属表面等离子模中或两种模式同时引入非对称因素, 可获得两偏振方向偏振损耗比更高的强偏振相关滤波传输特性的光子晶体光纤, 该研究对光子晶体光纤偏振相关滤波器及相关偏振器件的设计与应用具有一定参考意义.

强激光与气体的长距离相互作用能产生许多新奇的物理效应, 而自由空间光束的自聚焦、衍射、散射等问题限制了该科技领域的发展。本文提出了一种新型多孔芯光子晶体光纤, 纤芯亚波长、低折射率空气孔可以传光, 具有宽带、低损耗、单模传输特性。利用倏逝波耦合效应, 研究了纤芯亚波长空气孔束缚光的原理。根据光波传输的电磁场理论, 分析了低折射率空气孔中的光强增大效应。强光在空气孔中长距离传输, 为光与物质的相互作用提供了新条件, 可以用于气体传感、非线性光学、高集成光子技术、原子操控等。由于纤芯空气孔可以传光, 改变空气孔的大小, 直接影响模场分布, 进而可以获得很高的结构双折射。通过光纤结构参数的合理设计, 分别获得了B=4×10-2的高双折射、纤芯直径5 μm的大模场高双折射、大模面积单偏振单模特性, 在光纤偏振器、光纤滤波器、光开关及光纤传感等领域有广泛的应用前景, 为新型光场调控提供了新方法。

提出了一种全固态双层芯结构色散补偿微结构光纤。该光纤以纯石英材料为基底,通过引入一种掺锗高折射率石英柱和两种掺氟/硼的低折射率石英柱,对端面折射率分布进行调节,以形成双芯结构。在对此光纤模式演化及耦合特性理论分析的基础上,利用多极法对其模式耦合位置与强度随光纤结构参数变化的关系进行了分析,对色散特性与光纤结构参数之间的变化关系进行了研究。通过优化光纤结构参数,设计出两种光纤:光纤1在1550 nm处色散值达-8465 ps/(nm·km),与SMF-28单模光纤熔接损耗仅为1.89 dB,可对长度为其500倍的SMF-28单模光纤的色散值进行补偿;光纤2与SMF-28单模光纤的熔接损耗仅为1.41 dB,可对长度为其15.5倍的SMF-28单模光纤在C波段的色散值进行补偿,最大残余色散绝对值仅为1.38 ps/nm。与石英-空气孔微结构光纤相比,所提出的全固态色散补偿微结构光纤易制备且易与传统通信光纤熔接。

通过研究发现双包层结构能降低石英基光子晶体光纤损耗, 并制备一种高非线性双包层结构石英基光子晶体光纤来进行实验研究.使用钛宝石飞秒激光器将实验室自制的石英基光子晶体光纤在反常色散区泵浦, 研究不同的泵浦功率和泵浦波长对中红外超短脉冲孤子的影响, 并分析了石英基高非线性光子晶体光纤中红外超短脉冲孤子产生的物理机理.结合实验发现在泵浦功率为827 nm, 功率从0.1 W增加到0.42 W时, 中红外第一个孤子随功率增加从1933 nm移动到2403 nm, 可调范围达到470 nm, 为石英基光子晶体光纤产生宽带可调超短脉冲源创造了很好的条件.

为了补偿光纤色散对高速信号传输的限制, 提出一种全固双层芯色散补偿光子晶体光纤.首先对该光纤模式耦合特性进行理论分析, 然后利用多极法进行模拟计算, 得到该光纤包层结构参数与色散值以及相位匹配波长之间的关系, 并对其规律进行研究.通过优化光纤结构参数, 得到在1 550 nm处, 色散值达到-32 620 ps/(nm·km)、损耗为0.29 dB/km、与标准单模光纤的熔接损耗为4.77 dB的色散补偿光纤.该光纤可补偿1 910多倍长度的SMF-28单模光纤的色散, 补偿能力远大于常规色散补偿光纤.与空气孔-石英结构色散补偿光子晶体光纤相比, 全固色散补偿光子晶体光纤具有易制备、易与传统通信光纤熔接等优点.

光子晶体光纤作为光学非线性良好介质, 对超连续谱产生具有重要作用。 深紫外超连续谱光源在许多应用中有急切的需求, 然而由于实验条件和光纤参数等方面的影响, 利用高非线性光子晶体光纤产生深紫外(<280 nm)超连续谱的报道较少。 通过理论和实验研究了高非线性光子晶体光纤在深紫外区的频率变换, 并分析其产生的物理机理。 使用钛宝石飞秒激光器将实验室自制的光子晶体光纤在反常色散区泵浦, 研究了不同泵浦功率和泵浦波长对深紫外区超连续谱的影响, 结果表明: 泵浦波长固定为860 nm时, 深紫外频率光谱展宽范围随泵浦功率的增加而逐渐展宽; 泵浦功率固定为0.4 W时, 泵浦波长的增加不仅展宽超连续谱范围而且极大的提高了深紫外区光谱的转换效率。 当泵浦波长为870 nm, 泵浦功率为0.4 W, 实验所用光子晶体光纤长度为1.45 m, 零色散波长为825 nm时, 光子与色散波的交叉相位调制使深紫外基模超连续谱扩展到最短波长212 nm。

对飞秒脉冲泵浦下, 不同锥长及锥腰直径的微结构光纤的超连续谱产生进行了实验研究。 采用“快速低温拉锥方法”, 在保持d/Λ不变的情况下, 对实验室自制的空气孔间距Λ=6.53 μm, 归一化孔径d/Λ=0.79的微结构光纤进行了拉锥, 分别得到6, 8, 10 mm等不同锥长微结构光纤。 理论计算表明, 随着锥长变长, 锥腰直径变小, 锥腰处零色散波长向短波移动: 未拉锥及6, 8和10 mm锥微结构光纤锥腰处零色散波长分别为1 129, 885, 806和637 nm。 利用中心波长为810 nm, 重复频率76 MHz, 脉宽120 fs的钛蓝宝石飞秒激光器对拉锥后微结构光纤进行了实验研究: 锥长为6 mm时, 泵浦光中心波长位于整根光纤的正常色散区, 锥腰的零色散点附近, 内脉冲拉曼散射和级联四波混频是光谱初始展宽的主要因素。 泵浦功率达到450 mW时, 在可见波段390～461 nm及红外波段1 134～1 512 nm形成-5 dB的平坦宽带连续光谱。 泵浦功率达到500 mW时, 出现366～2 450 nm覆盖紫外、 可见、 近红外、 中红外的超连续谱, 其光谱红蓝移边缘已经接近实验用微结构光纤的传输带宽。 锥长为8 mm、 泵浦功率为450 mW时, 在群速度匹配和群加速度失配的共同影响下, 连续谱蓝移边缘达到366 nm, 比6 mm锥时蓝移9 nm; 锥长为10 mm时, 由于锥腰处零色散点移动到可见光区域, 可见区光谱仍能满足相位匹配条件。 通过级联四波混频效应, 在可见区域实现了频率上转换及光谱蓝移。 泵浦光功率达到500 mW时, 在382～412 nm得到谱宽仅为30 nm, 转换效率达到27.7%的频率上转换。

光子晶体光纤具有特殊的导光机制和结构可调性, 可以产生奇异的色散特性及高非线性, 为非线性光纤光学领域的研究提供了新的条件。 受多种非线性光学效应的共同作用, 在不同泵浦光脉冲参数条件下, 不同结构参数及传输特性的光子晶体光纤能产生丰富的非线性光谱。 利用分步傅里叶方法求解非线性薛定谔方程, 模拟飞秒激光脉冲在光子晶体光纤中的传输过程, 获得输出光谱与入射光脉冲参数(泵浦光峰值功率P、 泵浦光波长λ、 光脉冲形状、 光脉冲宽度TFWHM)、 光纤结构参数(孔间距Λ、 空气填充比d/Λ、 光纤长度z)、 传输特性(色散、 非线性系数)的关系, 分析拉曼孤子、 色散波、 自相位调制等非线性效应产生的光谱特性。 利用光子晶体光纤包层节区进行非线性光学实验研究, 获得了孤子波和色散波的宽带光谱输出。 理论分析与实验测量的光谱中都包括了波长0.5 μm附近可见光波段的蓝移色散波、 0.82 μm波段的剩余泵浦光、 1.1 μm波段的孤子波、 2 μm附近的红移宽带色散波。 理论分析与实验测量结果一致, 阐明光子晶体光纤中非线性光谱产生的物理原理, 实现了对宽带光谱的可控输出, 为高非线性光子晶体光纤的结构设计、 制备及非线性光谱的应用研究奠定基础。