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光子晶体光纤双折射特性的研究及应用

作　者: 岳洋
导　师: 开桂云；王志
学　校: 南开大学
专　业: 光学
关键词: 光子晶体光纤微结构光纤折射率传导光子带隙相双折射群双折射保偏色散光纤耦合器
分类号: TN25
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

本文首先介绍了光子晶体光纤的产生和发展、导光机制和分类、各种特性和应用、以及一些常用的光子晶体光纤数值分析方法;随后,主要对光子晶体光纤的双折射特性进行了研究,提出并设计了几种高双折射光子晶体光纤;最后,基于单偏振单模光子晶体光纤提出了单偏振单模光子晶体光纤耦合器的数值设计模型。主要研究内容包括:1、首次提出了高相双折射低群双折射光子晶体光纤。该光纤具有等速螺旋排列包层空气孔结构,采用全矢量有限单元法对这种光纤的相双折射和群双折射特性进行了理论的研究。研究发现它具有10-4量级的相双折射,而群双折射只有10-6-10-7量级,该双折射特性可以有效地降低偏振模色散对通讯系统的影响。随后又对其色散、泄漏损耗、侧向压力影响、拉制容差等问题进行了讨论。2、首次提出了纤芯附近引入两个大圆空气孔的椭圆空气孔包层光子晶体光纤。该方案基于两个引起光子晶体光纤双折射的因素:椭圆空气孔包层结构和纤芯附近引入两个缺陷的大圆空气孔。采用全矢量有限单元法理论上分析了其双折射特性,研究结果表明这种结构的光纤具有更高的双折射度并且其相双折射和群双折射均可视为这两种引起双折射的因素共同作用的结果。3、理论上设计了超高双折射光子晶体光纤。研究了压缩栅格结构的椭圆空气孔包层光子晶体光纤的双折射及色散特性。该光纤展现出了超高的模式双折射并在很长的波长范围内都保持在10-2量级,1550nm波长处3.78×10-2的相双折射是目前折射率传导型光子晶体光纤所具备的最高值。此外,研究发现该光纤还在很宽的波长范围内表现出较大的负色散值并可被用于宽带色散补偿中。4、首次提出了单偏振单模光子晶体光纤耦合器结构。利用全矢量平面波展开法和全矢量有限单元法分析了该耦合器的传导模式、耦合特性以及模型中各种参数对其特性的影响。数值模拟的结果表明,该耦合器可以在几百纳米(nm)带宽的波长范围内实现单偏振单模耦合。通过合理地调节各种参数,可以把单偏振单模区域的起始范围控制在理想的波长范围内。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第一章绪论  12-30
  1.1 引言  12
  1.2 光子晶体光纤概述  12-20
    1.2.1 光子晶体光纤的概念  12-14
    1.2.2 光子晶体光纤的导光机制及分类  14-15
    1.2.3 光子晶体光纤的发展历程  15-18
    1.2.4 光子晶体光纤的制备方法  18-20
  1.3 光子晶体光纤的特性  20-26
    1.3.1 无截止单模  21
    1.3.2 可控的色散  21-23
    1.3.3 极好的双折射特性  23
    1.3.4 极强的非线性  23-24
    1.3.5 损耗特性  24-25
    1.3.6 温度不敏感性（单一材料）  25-26
  1.4 光子晶体光纤的应用  26-28
    1.4.1 飞秒脉冲的压缩和产生  26
    1.4.2 激光器和放大器  26-27
    1.4.3 光开关  27
    1.4.4 传感器  27-28
    1.4.5 可调谐器件  28
    1.4.6 多芯光纤耦合器  28
  1.5 本论文的主要研究内容及创新点  28-30
第二章光子晶体光纤的数值分析方法  30-43
  2.1 数值分析方法概述  30-34
    2.1.1 有效折射率法  30
    2.1.2 平面波展开法  30-31
    2.1.3 多级法  31
    2.1.4 局部函数法  31-32
    2.1.5 超元胞晶格法  32
    2.1.6 有限差分法  32-33
    2.1.7 有限单元法  33
    2.1.8 光束传播法  33
    2.1.9 其它方法  33-34
  2.2 有限单元法  34-39
    2.2.1 磁场波动方程的泛函公式  34
    2.2.2 三角形边单元  34-36
    2.2.3 有限单元离散  36-37
    2.2.4 PML 边界条件  37-39
  2.3 平面波展开法  39-42
    2.3.1 周期介电结构中的麦克斯韦方程  39-41
    2.3.2 超元胞近似  41-42
    2.3.3 比例定律  42
  2.4 本章小结  42-43
第三章光子晶体光纤双折射特性的研究  43-71
  3.1 高双折射光子晶体光纤的研究背景  43-46
  3.2 包层空气孔螺旋排列的高双折射光子晶体光纤的研究  46-55
    3.2.1 理论分析模型  46-48
    3.2.2 相双折射和群双折射的性能分析  48-51
    3.2.3 其它特性的研究及关于实际拉制问题的讨论  51-55
    3.2.4 包层空气孔等速螺旋排列光子晶体光纤的应用  55
  3.3 纤芯附近引入两个大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  55-63
    3.3.1 理论分析模型  56-57
    3.3.2 相双折射和群双折射的性能分析  57-61
    3.3.3 拉制问题及泄漏损耗特性  61-62
    3.3.4 结论  62-63
  3.4 压缩栅格结构的椭圆空气孔包层高双折射光子晶体光纤的研究  63-69
    3.4.1 理论分析模型  63-64
    3.4.2 相双折射和群双折射的性能分析  64-68
    3.4.3 色散特性分析  68-69
    3.4.4 结论  69
  3.5 本章小结  69-71
第四章单偏振单模光子晶体光纤耦合器的设计  71-82
  4.1 光子晶体光纤耦合器的研究背景  71-73
  4.2 单偏振单模光子晶体光纤耦合器的数值模型  73-75
  4.3 单偏振单模光子晶体光纤耦合器的性能分析及应用  75-81
  4.4 本章小结  81-82
第五章总结与展望  82-84
  5.1 本论文工作总结  82-83
  5.2 光子晶体光纤未来发展展望  83-84
致谢  84-86
参考文献  86-103
个人简历、在学期间发表的学术论文及科研成果  103-104

光子晶体光纤双折射特性的研究及应用

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