高双折射光子晶体光纤及光偏振分束器的设计

摘要

光子晶体光纤具有许多普通光纤不具有的特性，高双折射是其重要的特性之一。伴随着光子晶体光纤理论分析方法的基本成熟，各种各样的高双折射光子晶体光纤不断涌现。在光纤的信息传输中，越来越多的使用高双折射光子晶体光纤，以使系统实现小型化和全光化。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，设计了两种新型的高双折射光子晶体光纤和一种双芯光子晶体光纤偏振分束器，采用全矢量有限元法和半矢量光束传播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的分类、特性，总结了双折射光子晶体光纤的研究背景及研究现状。
　　 2.列举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和半矢量光束传播法的基本原理及边界条件。
　　 3.设计了一种高非线性色散平坦的高双折射光子晶体光纤，通过调整空气孔间距(Λ)的大小，在工作波长λ=1550nm处，该光纤可获得10-2数量级的双折射B，42W-1km-1的高非线性系数γ。分别在可见光和近红外波段出现两个零色散波长，在波长800nm-2000nm之间具有良好的色散平坦特性。
　　 4.设计了一种低损耗色散平坦的高双折射光子晶体光纤，在工作波长λ=1550nm处，该光纤可获得10-3数量级的双折射和0.001dB/km的限制损耗，同时在波长1450nm到1590nm之间具有良好的色散平坦特性。
　　 5.设计了一种基于双折射效应的双芯光子晶体光纤偏振分束器，介绍了偏振分束器的基本原理，并采用全矢量有限元法和半矢量光束传播法对双芯光子晶体光纤偏振分束器的双折射、耦合长度、归一化功率、限制损耗、消光比进行了数值模拟分析，在工作波长λ=1550nm处，光纤长度为544μm时，x、y方向偏振光可实现分离，且消光比达到-43.75dB，消光比小于-10dB的带宽为80nm，得到了一种短长度的双椭圆纤芯光子晶体光纤偏振分束器。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 光子晶体光纤概述

1．2 光子晶体光纤的分类

1．3 光子晶体光纤的特性

1．3．1 无截止的单模传输特性

1．3．2 高双折射特性

1．3．3 可调的色散特性

1．3．4 可控的非线性特性

1．3．5 损耗特性

1．4 双折射光子晶体光纤的研究现状

1．5 本文的主要研究内容和工作安排

1．6 本论文的主要创新点

第二章 光子晶体光纤的理论研究方法

2．1 光子晶体光纤的理论研究方法概述

2．1．1 有效折射率法

2．1．2 时域有限差分法

2．1．3 多级法

2．1．4 有限元法

2．1．5 光束传播法

2．2 全矢量有限元法

2．2．1 全矢量有限元法的基本原理

2．2．2 各向异性完美匹配层吸收边界条件

2．2．3 COMSOL Multiphysics软件简介

2．3 半矢量光束传播法

2．3．1 半矢量光束传播法的基本原理

2．3．2 边界条件的选择

2．4 本章小结

第三章 高双折射光子晶体光纤的设计

3．1 引言

3．2 高双折射光子晶体光纤的保偏原理及特性分析

3．2．1 保偏原理

3．2．2 特性分析

3．3 高非线性色散平坦的高双折射光子晶体光纤的设计

3．3．1 几何建模与参数设置

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 低损耗色散平坦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 双折射特性

3．4．3 基模模场特性

3．4．4 色散特性

3．4．5 有效模面积和限制损耗

3．5 本章小结

第四章 基于双折射效应的双芯光子晶体光纤偏振分束器的设计

4．1 引言

4．2 基本原理

4．3 双芯光子晶体光纤偏振分束器的设计

4．3．1 结构设计与参数设置

4．3．2 耦合长度

4．3．3 归一化功率特性

4．3．4 损耗特性

4．3．5 消光比特性

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