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新型光子晶体光纤的数值模拟

陈明阳  
【摘要】:本论文提出了几种新型结构的光子晶体光纤,并采用数值模拟方法计算、分析其性能和特点。 常规石英光纤发展到今天,面对科学技术的进步以及需求的不断增长而出现的各种问题,要继续前进步伐十分艰难,需要采取革命性的变革。光子晶体光纤以其特有的结构和性能,为光纤领域注入了新的生机与活力。光子晶体光纤有可能打破现有纤维光学的构架,成为代替常规光纤的下一代光纤。 本论文在分析光子晶体光纤性能、特点的基础上,设计、并分析了几种新型结构的光子晶体光纤。首先,从数值模拟方法入手,重点介绍了两种数值方法:时域有限差分法和光束传播法,并讨论了不同方法的参数选择问题。针对光子晶体光纤具有高折射率差、复杂的结构等特点,分析了不同数值方法的适用范围,以有利于在光子晶体光纤模拟分析中的应用。 在高双折射光纤方面:采用平面波展开法(结合等效折射率法),对提出的一类矩形结构高双折射光子晶体光纤包层的双折射特性(模式双折射)进行了深入分析,研究了包层结构变化对光纤双折射的影响。采用时域有限差分法,对光纤的双折射特性进行了计算,并提出在纤芯中加入小空气孔的方法以优化光纤特性。在分析光纤归一化传播常数的基础上,采用多极法对光纤的损耗进行了计算,发现矩形结构光子晶体光纤具有损耗与偏振有关的特点。并由此提出选择合理的光纤参数可以获得单模单偏振矩形结构光子晶体光纤。在单模双偏振光子晶体光纤方面,提出一种三明治结构,其中心为矩形结构,两边为三角结构,这种结构可有效降低光纤的泄漏损耗和两偏振模的损耗比。讨论了矩形结构光子晶体光纤的制作方法,并提出一种采用堆积-拉制法实现这种光纤结构的方法。 提出在矩形结构中空气孔采用椭圆孔以获得高双折射,并对这种结构的光子晶体光纤进行了数值分析,指出其结构参数对光纤双折射影响;分析了纤芯中引入不同形状(圆形、椭圆形)小空气孔对光纤双折射的影响。 采用平面波展开法分析了矩形结构双芯光子晶体光纤的耦合特性,发现由于光纤的双折射使得其耦合长度一般具有与偏振方向有关的特点,合理地选择光纤结构参数可以使得两偏振方向的光耦合长度相差较大。应用这种特性,设计了具有偏振分束功能的双芯光纤偏振分束器,并用光束传播法对其性能作了分析。这种双芯光纤的另一特点是有可能出现两个偏振方向耦合长度相同的频率点,因而可以获得两个偏振方向具有相同耦合长度的光耦合器。 在光子带隙光纤方面:提出了两类新型结构(正方结构、改进的蜂窝结构)的


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