光子晶体光纤的传输特性研究

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1、毕业论文题目◆学生姓名：◆专业班级◆指导教师：光子晶体光纤的传输特性研究课题背景研究内容论文主要工作总结与展望致谢(请单击箭头选择内容)课题背景随着计算机的普及和互联网的迅速发展，人们对信息的快速传递和网络容量的需求量与日俱增。为了适应这种海量信息的高速传输与交换，光纤通信系统正朝着超高速、超大容量、超长传输距离的方向发展，并逐步向全光网络的方向演进。随着WDM技术的广泛应用，作为光网络物理层面的光纤光缆的传输特性将极大地影响下一代网络光通信系统的性能。目前，光通信系统的网络容量和网络性能受到传统光纤的损耗、色散和非线性效应的限制和影响，

2、人们开始寻求研制新型换代的光纤品种。与传统光纤相比，光子晶体光纤(PCF)是一种将光子晶体结构引入光纤中而形成的新型光纤。由于它具有很多奇异的特性，如无截止波长的单模特性、极低的理论损耗、可调的色散、良好的非线性及高双折射特性等，故近年来PCF引起了国内外广泛的关注，在近几年里迅速发展成为光纤通信、光纤传感和光电器件领域的一个研究热点。研究内容◆1.空气孔的不同结构引起的带隙研究◆2.PCF的模式传输特性研究◆3.PCF中非线性传输的数值研究◆4.在PCF中四波混频效应的波长转换研究论文主要工作●从光子晶体的概念出发，简要阐述PCF的分类、特

3、性及应用，分析目前被用来对PCF特性分析的各种理论模拟方法的优缺点，同时展望PCF的应用前景。●主要介绍了本文用于仿真计算PBG-PCF带隙的平面波法（PWM）、超晶胞的概念，以及用于计算PBG-PCF波导色散和泄漏损耗的频域有限差分法（FDFD）。●通过上一章对两种数值模拟方法——平面波法、频域有限差分法的详细的理论推导，得到PCF带隙计算理论。●实现频域有限差分方法对PCF色散特性传输特性的分析。●在前期工作的基础上，采用分步傅里叶法，数值模拟了在高阶色散、高阶非线性效应影响下，飞秒激光脉冲在光子晶体光纤传输特性及频谱演化情况，得到一些新

4、的结果。●使用长度为25m的PCF，对PCF四波混频效应的波长转换进行研究分析，得到100nm的波长转换带宽和-20dB的最大转换效率。1.概念光子晶体光纤（PhotonicCrystalFiber）是在二维光子晶体纤维的长度方向上制造缺陷，从而能够实现在垂直长度方向上限光，而在长度方向上导光的目的。2.分类PCF按导光机制分为两种类型：全内反射型光子晶体光纤（TIR-PCF）和光子带隙型光子晶体光纤（PBG-PCF）。TIR-PCF与传统光纤的导光机制一样，这种结构是从等效观点来说，就是包层的等效折射率比纤芯的折射率低，通过全反射原理导光。

5、PBG-PCF的包层的折射率，具有规则的周期性分布，从而利用光子带隙原理把位于带隙中的光约束在纤芯中。在PBG-PCF中，光主要在空气芯中传播，因此最有可能得到极低的损耗。3.特性光子晶体光纤表现出优于传统光纤的特性，主要包括：(1)无截止单模特性；(2)良好的色散特性和零色散可调；(3)非线性效应。4.目前国内研究形势近年来，我国对光子晶体光纤的研究相当重视，例如燕山大学在圆满完成15年“863”计划的特种光纤研制任务后，联合清华大学、天津大学、北京邮电大学、南开大学等单位继续在新的国家“863”计划和“973”计划的大力支持下，研制由三根

6、以上带有无序填充气线石英介质光纤捆绑在一起的集束式复合PCF，利用在石英粉中掺杂高折射率介质制成真正意义的三维PCF。5.PCF的应用前景PCF的应用可涉及到通信、航空、微加工、空间、成像、生物、印刷、军事、医药、环境、制造业、石化等科技领域。其中，在光通信方面的应用涉及到高功率光的光纤传输、色散补偿、白光源、波长变换器、多芯光纤耦合器、脉冲成型器、长时间作用的化学传感器、模变换器、高双折射型陀螺仪光纤、压力和温度传感器等。此外，PCF在飞秒激光技术领域的应用前景也无可估量。1.平面波法平面波法（PWM）是目前最流行的用来计算光子晶体带隙结构

7、的方法，该方法通过将电磁场在倒格矢空间以若干个平面波叠加的形式展开，从而将电磁场满足的麦克斯韦方程组，化成本征方程，通过求解本征方程得到可传播的光子本征频率，进一步由各k值点可传播的本征频率得到带隙结构。平面波法的优点是没有引入假设条件，可以精确模拟PCF，编程简单；缺点是当介电常数是频率的函数时，没有确定的本征方程，计算过程也相当复杂、困难。2.频域有限差分法频域有限差分(FiniteDifferenceFrequencyDomain，FDFD)法作为一种主要的电磁场计算方法，通过将麦克斯韦旋度方程转化为有限差分式而直接在时域进行迭代求解。

8、通过建立时间离散的差分方程，在相互交织的网格空间中交替计算电场和磁场。它直接将随时间变化的麦克斯韦方程组中时域旋度方程的微分式转化为有限差分方程。利用Yee氏空间网