新型光子晶体光纤激光器结构设计及光传输性能研究

Combined with a photonic crystal fiber and a photonic crystal spherical Fabry-Perot cavity, a novel photonic crystal fiber laser structure will be constructructed, and a precision collimated hollow beam which approaches to the diffraction limit will be produced. The hollow beam could avoid the loss of energy caused by the subreflector center reflection in the optical antenna, and the transmission efficiency in the space optical communication system will be greatly enhanced. The precision collimation effect which approaches to the diffraction could greatly improve the transmittion accuracy. Details as following: （1） Base on the index guiding principle, a novel large-mode-area photonic crystal fiber with a high refractive index fiber core and a coaxial ring defect in the air hole clad will be constructed, which produces a hollow beam. The surface soliton properties will be investigated to optimize the photonic crystal fiber structure and high precision collimation which approach to the diffraction limit will be achieved. （2）The transmission characteristics of spherical photonic crystal F-P cavity will be investigated, and the photonic crystal fiber laser structure will be optimized; （3）A three-dimentional transmission the optical antenna will be theoretically modeled, and the on-axis and off-axis alignment propagation properties of the hollow beam will be investigated； （4）Manufacturing, experimental test and verification of the novel photonic crystal fiber laser and optimized optical antenna. The investigation results will offer the fundamental research for the collimation accuracy and propagation efficiency enhancement of the free space optical communication. It has significance of theoretical and application perspective.

研究光子晶体光纤和光子晶体球形F-P谐振腔，构建新型结构的光子晶体光纤激光器，产生空心光束且实现接近衍射极限的高精度准直。空心光束能避免空间光通信系统中光学天线次镜中心反射所造成的能量损失，有效提高光通信系统的传输效率；接近衍射极限的高精度准直能有效提高光通信系统的发射精度。具体内容包括： 1）利用光子晶体光纤折射率引导原理，设计高折射率的纤芯和空气柱包层中同轴缺陷环，构建新型大模场面积光子晶体光纤，产生空心光束。利用表面孤子特性优化光子晶体光纤结构实现接近衍射极限的高精度准直；2）研究光子晶体球形F-P谐振腔的传输特性，并对光子晶体光纤激光器结构进行优化设计；3）对光学天线系统三维传输进行理论建模，分析空心光束在光学天线系统中的传输特性；4）加工制作，实验测试与验证。 本项目对空间光通信提高发射精度、增加传输效率进行应用研究基础，在光通信技术领域具有重要的理论研究意义和应用前景。

空间光通信通常使用的是无色差的卡塞格伦系统作为发射和接收天线，由于激光高斯光束在传输过程中的大量能量汇集在中心（光）轴上，卡塞格伦天线次镜在反射至主镜的过程中存在着较大的中心能量损失（因次镜中心反射至主镜孔内的能量将无法传输），因此对远距离空间光通信系统的性能造成极大的影响。若采用空心光束进行传输，能有效避免次镜中心反射造成的能量损失，而准直发散角接近衍射极限的高功率激光传输，有效确保远距离空间光通信的实现。本项目对产生空心光束的新型光子晶体光纤激光器进行结构设计，研究空心光束在光学天线系统中的传输性能。具体内容包括：.1）设计具有同轴缺陷环结构的光子晶体光纤，产生空心激光束。通过对光纤结构进行优化设计，对光子晶体光纤色散与损耗进行仿真分析。.2）研究一维光子晶体全反射特性，利用Bragg散射引起的高反射特性提高耦合效率；构建新型光子晶体光纤激光器结构；设计了产生高精度准直空心光束的光学系统。.3）利用三维矢量折射（反射）定理，建立了系统的传递矩阵公式，对光学天线三维偏轴进行理论建模、传输性能仿真分析，分析空心光束在光学天线系统中的传输特性，优化设计了空间光—光纤的高效耦合系统。 .4）对光学准直系统、光学天线系统非球面主、次镜和光纤耦合光学系统进行了加工制作，建立了光通信实验平台。利用光束质量诊断仪对整个光学系统成像质量进行像质分析，对光传输特性进行了实验测试。.随着国内高精度非球面加工技术的进一步完善，可望能实现更高精度的激光准直和高效率的光纤耦合。本项目对空间光通信提高发射精度、增加传输效率进行应用研究基础，在光通信技术领域具有重要的理论研究意义和应用前景。通过本项目研究，发表相关SCI研究论文17篇，申请国家发明专利4项，获得四川省教学成果奖二等奖1项。