光子晶体光纤光栅及耦合器数值模拟

摘要

近年来，随着空气孔光子晶体光纤技术的发展和工艺的日趋成熟，大量的研究工作集中于如何进一步设计适合通信传感需求的光子晶体光纤器件。利用光子晶体光纤独特的色散特性、模场特性和偏振特性，本论文进行了光子晶体光纤器件如光栅和耦合器的分析和设计。
　　首先在理论上解决光子晶体光纤的分析方法。对光子晶体光纤导光性质的研究可以利用平面波展开法很直观的求解波导主方程得到。平面波展开法的物理实质是将一束在光子晶体内部传播的单色波分解为可以在光子晶体内部自由传播的平面波。因此，由数值解法直接解决光子晶体导光问题就转化为了许多个平面波的解析解的叠加，其计算过程大大简化。解决光子晶体光纤内部不同模式之间联系性的手段是模式耦合理论，通过微扰区内部电场交叉积分可以模式之间的能量交换。由于大量的光纤器件工作在模式相互转化的状态下，基模向泄漏模的转化和正向模式向反向模式的转化，所以模式耦合理论很好的用于模式耦合光学器件的设计和分析。
　　其次是找到一种简便快速计算光子晶体光纤光栅的透射谱的方法。由于光子晶体光纤的包层在物理上的作用近似于一个均匀的介质，所以可以将光子晶体光纤转化为一类特殊包层材料和变纤芯半径的阶跃性光纤。我们将这种方法用于光纤光栅的设计中，并首次使用等效阶跃性光纤的高阶模式代替原光纤进行模式耦合计算。计算的结果与已报道的实验相比较，光纤布拉格光栅还是长周期光栅结果都与实验测量吻合得很好，所以可以确定这种方法的有效性。
　　最后我们设计一类新型的光子晶体光纤耦合器，在光纤中的一个空气孔通入折射率匹配液，通过原光纤的正常基模导光和折射率液孔的引入导光之间的相互作用，得到了高性能的光子晶体光纤耦合器。其耦合长度可以短至1mm量级。由于折射率液的折射率可调、温度可调、位置可调，这类耦合器的适用范围很广，应用的操作也很灵活。温度特性、位置特性、还有高阶模式的多峰特性也分别作了计算。

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1 绪言

1.1 光子晶体光纤

1.2 光子晶体光纤器件

1.3 本论文的主要工作

2 光子晶体光纤理论分析方法

2.1 主方程

2.2 平面波展开法

2.3 模式耦合理论

2.4 本章小结

3 有效折射率方法计算光子晶体光纤光栅

3.1 有效折射率方法

3.2 结果分析与实验比较

3.3 工作前瞻

3.4 本章小结

4 光子晶体光纤耦合器

4.1 理论分析

4.2 装置设计

4.3 工作前景展望

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 主要研究内容与结论

5.2 展望

致谢

参考文献