低损耗光子晶体光纤设计及其在DWDM系统中的应用

摘要

随着信息社会的到来，人们对信息量的需求不断提高，目前大量出现的传输速率在数兆比特每秒的图像通信、高清晰宽带网络电视(IPTV)以及高速局域网(LAN)、城域网和广域网等新业务，都促使光纤通信系统向超高速率、超大容量、超长距离的方向发展。密集波分复用(DWDM)技术就是适应这种发展而产生的。在DWDM系统中，理想的光纤应该是具有很小的衰减、适当的色散、较大的有效面积、很低的PMD、理想的弯曲特性等。实际使用的光纤很难同时满足这些要求。人们开始寻求研制新型光纤以取代常规光纤，为进一步增加光网络的容量，提升光网络的性能扫除障碍。 本文讨论的光子带隙光纤(PBGFs)就是其中的一种新型光纤。PBGFs以其独特的传输特性，彻底解决了光传输时遇到的损耗、色散和非线性问题，近年来引起了人们越来越多的关注，日益成为理论和实验研究的热点。PBGFs具有独特的几何结构，从横截面上看，包层折射率呈周期性变化，中间抽掉一些空气孔形成缺陷作为纤芯。由于周期性的独特的几何结构使得光子晶体光纤能以独特的机理——光子带隙效应——导光。独特的导光机理造就了光子晶体光纤独特的传输特性：可控的波导色散特性、理论上极低的损耗和极低的非线性效应；从而表现出作为光网络传输介质的巨大潜力。 由于PBGFs具有复杂的几何结构，电磁波理论难以得到精确的解析解，只能通过采用数值方法进行计算机仿真，对PBGFs导光特性、色散特性、损耗特性和非线性效应等进行分析研究。本文首先采用频域有限差分法(FDFD)，研究PBGFs的损耗特性。数值分析结果表明：选择高填充率的结构、特定的缺陷尺寸和增加包层的层数，都能有效地减小PBGFs损耗。通过选择特定的结构参数，得到了最低损耗达到0.15dB/km的PBGFs。然后应用MATLAB语言进行编程，开发出一个用于分析光子晶体光纤的性能特性的软件系统，利用该软件系统可以分析不同结构参数光子晶体光纤的导光特性、损耗和色散特性。最后利用PCF性能分析软件系统设计了一种具有低损耗、低色散和色散平坦的PBGFs，并研究了该光纤在DWDM系统中的应用，研究结果表明低损耗的PBGFs可以显著的提高DWDM系统的传输距离和通信容量。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主题词

第一章绪论

1.1光纤技术的发展历史与现状

1.2光子晶体光纤的历史与研究现状

1.3波分复用系统的发展现状

1.4光子晶体光纤数值计算方法简介

1.4.1平面波扩展方法

1.4.2全矢量有限元法

1.4.3时域有限差分法

1.4.4频域有限差分法

1.5论文的研究重点和内容安排

第二章频域有限差分法(FDFD)的基本理论

2.1 FDFD方法的特点

2.2 FDFD方法理论推导

2.2.1三维FDFD方程组

2.2.2 FDFD的三维差分方程组和本征方程

2.3考虑吸收边界条件的的本征方程

2.3.1吸收边界条件的确定

2.3.2使用各向异性介质PML的FDFD方程组

2.3.3使用各向异性介质PML的差分方程和本征方程

2.4小结

第三章PBGFS损耗特性的仿真研究

3.1 PBGFs的损耗机理

3.1.1空气分子的吸收损耗

3.1.2空气分子的散射损耗

3.1.3 PBGFs的辐射损耗

3.2利用FDFD方法分析PBGFs损耗特性

3.3 PBGFs损耗特性的计算结果与分析

3.3.1 PBGFs在不同d/Λ参数条件下的损耗特性曲线

3.3.2 PBGFs在不同空气芯半径R条件下的损耗特性曲线

3.3.3 PBGFs在不同空气孔间距Λ条件下的损耗特性曲线

3.3.4 PBGFs在不同包层层数参数条件下的损耗特性曲线

3.4小结

第四章PCF性能分析软件系统的设计与应用

4.1 PCF性能分析软件系统的设计思想

4.2 PCF性能分析软件系统的使用方法

4.3利用PCF性能分析设计软件系统分析PBGFs的导光特性

4.4利用PCF性能分析软件系统计算PBGFs色散

4.5利用PCF性能分析软件系统计算PBGFs损耗

4.6小结

第五章低损耗光子带隙光纤设计及其在DWDM系统中的应用

5.1低损耗、低色散且色散平坦光子晶体光纤的设计

5.2低损耗光子晶体光纤在DWDM系统中的应用

5.2.1 PBGFs损耗对通信距离的影响

5.2.2 PBGFs色散对通信容量的影响

5.3光子晶体光纤在光通信中的应用展望

5.4小结

结束语

致谢

参考文献

硕士研究生期间发表的论文