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光子晶体光纤的传输特性研究

顾雯雯  
【摘要】:光子晶体光纤以其自身的一系列独特的性质引起了国内外广泛的关注和研究。从理论上设计光子晶体光纤结构并研究其性质,对其实验室制备和应用研究具有重要的指导作用。但光子晶体光纤结构的复杂性使得人们很难对其特性作简单的解析分析,只能通过数值方法对其进行模拟分析。本文利用MATLAB语言编程实现了用于分析光子晶体光纤光子带隙以及模场分布的三种数值模拟方法,并且利用编写的程序分析了两种不同类型光子晶体光纤的色散、偏振等传输特性。论文的主要工作内容包括: 1)应用平面波方法,结合无限边界周期问题的布洛赫边界条件、倒格空间和第一布里渊区理论,进行了二维正方晶格和二维三角晶格光子晶体光波自面内和面外入射时的光子带隙分析。分析结果表明三角形晶格结构对光波具有更好的限制作用。 2)采用频域有限差分方法,基于布洛赫周期性边界条件实现了二维正方晶格光子晶体的光子带隙计算,比较了频域有限差分方法和平面波方法的光子带隙分析,结果表明平面波方法分析光子带隙计算速度更快,精度更高。同时基于频域有限差分方法完成了不同结构光子晶体光纤的模场分布及有效折射率分析,计算结果与有限元软件Femlab计算结果的一致性表明频域有限差分方法对光纤模式的分析是准确的并且使用频域有限差分方法计算光纤模式特性是可行的。 3)采用时域有限差分法,结合吸收边界条件和总场——散射场边界条件,针对点源和线源两种不同的激励源设置,实现了不同光子晶体结构中的辐射场和散射场的模拟。同时,对点源在零边界条件和吸收边界条件下的辐射场进行了比较,并对光在二维光子晶体缺陷波导中的传输特性进行了分析,结果表明,一定结构的二维光子晶体可以将光波很好地限制在其缺陷波导中传输。 4)在编程实现三种数值模拟方法的基础上,利用平面波方法和频域有限差分方法对两类典型光子晶体光纤——光子带隙型和全内反射型光子晶体光纤的相关传输特性进行了模拟分析。在用平面波方法分析薄壁六角形光子晶体光纤带隙结构的基础上,使用频域有限差分方法分析了空气纤芯中的模式场分布及相应的有效折射率,并基于模拟结果和实验结果综合讨论了光纤的传输损耗。同时用频域有限差分方法分析了传统全内反射光子晶体光纤的模式场分布及色散特性,并研究了椭圆芯全内反射光子晶体光纤的双折射特性。最后基于PCF倏逝波气体传感理论,提出一种更适合于做气体传感的新PCF结构。


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