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光子晶体光纤特性分析及其在光滤波器中的应用

作　者: 朱颖
导　师: 马秀荣
学　校: 天津理工大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 光子晶体光纤 全矢量有限元法 双折射 光滤波器
分类号: TN929.11
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


本文利用全矢量有限单元法研究了光子晶体光纤的高双折射和色散特性,分析了光子晶体光纤在不同空气孔形状、大小和间距情况下双折射性和色散特性的变化。在此基础上设计了一种双折射值与工作波长近似成平方关系的PCF,利用该PCF实现了一种具有一致信道间隔的Sagnac干涉仪型光滤波器。本文的具体工作内容如下：第一,采用全矢量有限单元法对内包层引入两层椭圆空气孔三角形栅格结构高双折射光子晶体光纤的相双折射,群双折射以及色散特性进行了数值模拟。模拟结果表明其在1550nm附近可以获得10-3数量级的相双折射和趋近于0的群双折射,并且在通信窗口1550nm附近可以获得带宽超过400nm的平坦色散区域。第二,采用全矢量有限单元法对纤芯附近引入两个小圆空气孔三角形栅格结构高双折射光子晶体光纤的相双折射和色散特性进行了数值模拟。模拟结果表明其在长波长范围内具有10-3量级的相双折射,在此基础上,对不同结构参数的该结构光子晶体光纤的相双折射随工作波长的变化曲线进行了二次拟合,得到了二次拟合特性最优的光子晶体光纤结构参数。其二次项系数比一次方项系数的绝对值高了7个数量级,可以近似认为相双折射值与波长成平方关系；并且通过优化该光纤的结构参数,可以设计出宽带超过780nm的近零平坦色散光子晶体光纤,其色散系数的绝对值变化|△D|<±2.5ps/km/nm。第三,采用全矢量有限单元法对纤芯附近引入四个小圆空气孔椭圆空气孔包层结构高双折射光子晶体光纤的相双折射和群双折射特性进行了数值模拟,模拟结果表明这种光子晶体光纤的双折射是由纤芯附近引入四个小圆空气孔和椭圆空气孔包层这两种不对称因素共同作用的结果；接着,把该光纤包层中最内层的空气孔的位置分别向里和向外移动了5%∧,并对空气孔位置波动后的模型进行了数值仿真,根据仿真结果可以推得在制作过程中不可避免的空气孔位置波动不会影响该光纤的双折射特性。第四,介绍了一种具有一致信道间隔的Sagnac干涉仪型光滤波器的设计方法,该滤波器是通过设计光子晶体光纤的相双折射使其与工作波长成平方关系来实现的。我们对所设计的Sagnac干涉仪型光滤波器的信道间隔进行了数值模拟。模拟结果表明,由我们所设计的高双折射光子晶体光纤构成的光滤波器信道间隔变化了仅0.03nm,比普通双折射光纤构成的光滤波器信道间隔变化小了约一个数量级,基本上实现了具有一致信道间隔的Sagnac干涉仪型光滤波器。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章 绪论  10-17
  1.1 引言  10
  1.2 光子晶体光纤概述  10-14
    1.2.1 光子晶体光纤的概念  10-11
    1.2.2 光子晶体光纤的高双折射特性  11
    1.2.3 光子晶体光纤的色散特性  11-12
    1.2.4 光子晶体光纤的研究现状  12-14
    1.2.5 光子晶体光纤的制备  14
  1.3 光子晶体光纤的应用  14-15
  1.4 本论文的主要研究内容及创新点  15-17
第二章 光子晶体光纤的数值分析方法  17-30
  2.1 数值分析方法概述  17-20
    2.1.1 全矢量有效折射率法  17-18
    2.1.2 平面波展开法  18
    2.1.3 多极法  18
    2.1.4 局部函数法  18
    2.1.5 光束传播法  18-19
    2.1.6 有限差分法  19
    2.1.7 有限单元法  19-20
    2.1.8 其它方法  20
  2.2 有限元分析方法  20-29
    2.2.1 有限元分析方法的原理  20-21
    2.2.2 有限元方法的求解步骤  21-25
    2.2.3 有限元法的边界条件  25
    2.2.4 有限元软件介绍  25-29
  2.3 本章小结  29-30
第三章 高双折射光子晶体光纤的特性研究  30-48
  3.1 研究背景  30-32
  3.2 参数定义  32-33
  3.3 高双折射光子晶体光纤的研究  33-46
    3.3.1 内包层椭圆空气孔高双折射光子晶体光纤的研究  33-37
    3.3.2 纤芯附近引入四个小圆空气孔高双折射光子晶体光纤的研究  37-43
    3.3.3 纤芯附近引入四个小圆空气孔的椭圆空气孔包层高双折射光子晶体光纤的研究  43-46
  3.4 本章小结  46-48
第四章 具有一致信道间隔的Sagnac干涉仪型光滤波器设计  48-53
  4.1 研究背景  48-49
  4.2 具有一致信道间隔的Sagnac干涉仪型光滤波器研究  49-52
    4.2.1 设计原理  49-50
    4.2.2 光子晶体光纤双折射随波长的变化规律研究  50-51
    4.2.3 Sagnac干涉仪型光滤波器信道间隔的数值模拟  51-52
  4.3 本章小结  52-53
总结与展望  53-55
参考文献  55-61
发表论文和科研情况说明  61-62
致谢  62

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 无线通信 > 光波通信、激光通信 > 光纤通信
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