新型单芯高双折射光子晶体光纤的设计及其特性研究

摘要

光子晶体光纤具有优异的双折射特性，高双折射光子晶体光纤在高速光通信系统、光纤传感和精密光学仪器等领域都有着重要的应用，已成为现今的研究热点。尤其在光纤的信息传输中，为实现系统的小型化和全光化，越来越多的使用高双折射光子晶体光纤。因此，设计新型的高双折射光子晶体光纤具有重要的意义。
　　本文以高双折射光子晶体光纤为研究对象，设计了三种新型结构的单芯高双折射光子晶体光纤，采用全矢量有限元法对其特性进行了数值模拟及理论分析，主要内容包括:
　　1.简要的介绍了光子晶体光纤与传统光纤的区别、分类、制备技术以及应用，总结了单芯高双折射光子晶体光纤的研究现状。
　　2.介绍了光子晶体光纤的几种理论研究分析方法，其中重点概述了全矢量有限元法的基本原理及基于该方法下的COMSOL软件的建模过程。此外，还详细的介绍了光子晶体光纤的基本特性以及在实际设计过程中如何利用全矢量有限元法模拟计算各特性。
　　3.设计了一种石英玻璃的类椭圆纤芯的高非线性高双折射光子晶体光纤，通过调整空气孔间距(∧)的大小，在工作波长λ=1.55μm处，该光纤可获得2.45×10-2的双折射值B，52W-1km-1的高非线性系数γ，在波长0.6μm-1.8μm之间可以得到两个零色散点。
　　4.设计了一种基于微结构纤芯的超低损耗多零色散点的高双折射光子晶体光纤，其材质仍为石英玻璃。研究发现在包层空气孔不变的情况下，仅调节纤芯空气孔的参数就可灵活调节该光纤的基本特性，且在包层空气孔中选择性的填充折射率可调的液体可实现双折射的可调谐。数值结果表明，在工作波长λ=1.55μm处，该光纤的双折射B的值最高可到3.45×10-2，限制损耗最低可达2.88×10-9dB/m，同时在波长0.6μm到2.0μm之间可获得三个零色散点，其分别位于可见光、近红外和中红外波段。
　　5.设计了一种以肖特玻璃为基质材料的椭圆包层的高双折射光子晶体光纤，研究了肖特玻璃的材料折射率和材料色散，并采用全矢量有限元法对该光子晶体光纤的双折射、限制损耗和色散特性进行了数值模拟分析，在工作波长λ=1.55μm处，该光纤可获得5.22×10-2的双折射B和8.82×10-10dB/m的限制损耗，同时在波长1.0mm到2.2μm之间可保持正常色散，为研究新型背景材料的高双折射光子晶体光纤提供了一定的参考。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 光子晶体光纤概述

1．2．1 光子晶体光纤与传统光纤的区别

1．2．2 光子晶体光纤的分类及导光原理

1．2．3 光子晶体光纤的制备

1．2．4 光子晶体光纤的应用

1．3 单芯高双折射光子晶体光纤的研究现状

1．4 本文的主要研究内容和工作安排

1．5 本论文的主要创新点

第二章 光子晶体光纤的基本理论

2．1 引言

2．2 光子晶体光纤的理论研究方法概述

2．2．1 有效折射率法

2．2．2 时域有限差分法

2．2．3 平面波展开法

2．2．4 多级法

2．2．5 有限元法

2．3 全矢量有限元法

2．3．1 全矢量有限元法的基本原理

2．3．2 COMSOL Multiphysics软件简介

2．3．3 COMSOL Multiphysics软件的理论建模步骤

2．4 光子晶体光纤的基本特性

2．4．1 无截止的单模传输特性

2．4．2 高双折射特性

2．4．3 有效模面积特性

2．4．4 可控的非线性特性

2．4．5 损耗特性

2．4．6 可调的色散特性

2．5 本章小结

第三章 基于石英玻璃的单芯高双折射光子晶体光纤的设计

3．1 引言

3．2 基本原理

3．2．1 高双折射光子晶体光纤的保偏原理

3．2．2 石英玻璃的特性分析

3．3 类椭圆芯的高双折射光子晶体光纤的设计

3．3．1 光纤结构和参数设置

3．3．2 基模模场分布特性

3．3．3 双折射特性

3．3．4 有效模面积特性

3．3．5 非线性特性

3．3．6 色散特性

3．4 基于微结构纤芯的低损耗多零色散点的高双折射光子晶体光纤的设计

3．4．1 几何建模与参数设置

3．4．2 基模模场分布特性

3．4．3 双折射特性

3．4．4 限制损耗特性

3．4．5 色散特性

3．4．6 双折射可调谐特性

3．5 本章小结

第四章 基于肖特玻璃的单芯高双折射光子晶体光纤的设计

4．1 引言

4．2 肖特玻璃的特性分析

4．3 基于椭圆包层的高双折射光子晶体光纤的设计

4．3．1 结构设计与参数设置

4．3．2 双折射特性

4．3．3 限制损耗特性

4．3．4 色散特性

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢