用等效阶跃光纤法和时域有限差分法研究光子晶体光纤

摘要

光子晶体光纤是基于光予晶体技术发展起来的新一代传输光纤，又称为微结构光纤或多孔光纤。它们在整个光传输方向的横截面上均匀分布了许多周期性排列的空气孔，正是这些空气孔微结构使光子晶体光纤呈现出传统光纤难以实现的特性：大的单模传输区域，反常的色散特性和大的有效模场区域等。光子晶体光纤的导模机制有两种：光子带隙效应和全内反射机制。本文研究的是由实芯石英棒构成纤芯的全反射机制导模的光子晶体光纤。 本文用两种方法对光子晶体光纤的特性进行了分析：一种是基于平均折射率模型的多包层等效阶跃光纤法(ESIFM)；另一种是时域有限差分法(FDTDM)。本文先从多包层等效阶跃光纤法出发，提出了一种多包层结构的环形光子晶体光纤。这种多包层光纤模型，由同种空气孔均匀分布在该光纤包层的同心圆上，形成环状光子晶体光纤。该类光纤可通过空气孔直径的大小及其排列方式和有效纤芯的大小，来调节其传输特性。在这种结构的光纤中，其包层折射率可利用平均折射率模型的计算方法来获得，即通过每一层的空气孔半径及其占空比计算出该层的等效折射率及等效的折射率差。 本文详述了时域有限差分法在光子晶体光纤中的应用，并对本文提出的环形光子晶体光纤的传输特性，色散特性，模场分布等进行了分析，其精确性优于多包层等效阶跃光纤法。数值分析发现，光子晶体光纤在短波长时具有很好的导光性能；光场主要限制于第一空气孔层之内，说明光波在光子晶体光纤中的传输主要受到包层中第一空气孔层的影响。随空气孔层层数增多，纤芯限制光的能力减弱，光场扩散到包层空气孔中的强度增加；可以预见，层数增多带来等效折射率减小，且这种减小在长波长入射光源时更为显著。适当地调节空气孔半径与空气孔中心间距的比值和空气孔层半径的大小，可以获得所希望的单模传输特性。此种环形结构光纤可应用到Bragg光纤的设计中。 最后，本文利用时域有限差分法分析了单根双锥形光子晶体光纤的模场分布和色散特性，并对光子晶体光纤耦合进行了分析和研究。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及本论文使用授权说明

第一章绪论

第二章多包层光纤的等效阶跃光纤法

第三章光子晶体光纤时域有限差分法

第四章光子晶体光纤数值模拟

第五章结论

参考文献

作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文

作者在攻读硕士学位期间所参加的科研项目

致 谢