光子晶体光纤的色散模拟论文.doc

光子晶体光纤的色散模拟摘要光子晶体光纤由于其区别于传统光纤而具有的无截止单模传输、可调节色散、高双折射、偏振控制、大的有效面积单模运转和小的有效面积高非线性等特性及其广泛的应用前景成为当前国内外研究的一个热门课题.为了精确地分析、预测光子晶体光纤的传输特性人们发展了许多理论分析方法这些方法是研究光子晶体光纤的基本工具在光子晶体光纤的研究领域占有很重要的地位.国内外在研究光子晶体方面的文章也非常之多但是大都注重研究的结论在众多的文献中能得到好多种光纤的特性信息但却几乎找不到一种研究方法可以拿来直接用而不用经过和原作者一样的各种知识的繁杂学习的基于提供一种通用而简单的研究光子晶体光纤的方法作者通过自己对时域有限差分法(FDTD)和有限元方法的实践探索总结出利用有限元软件COMSOLMultiphysics实现光子晶体光纤数值模拟的一系列简单可行步骤及后处理过程的MATLAB程序使一般的研究者只要根据本文给出步骤就可以进行各种光子晶体光纤特性的数值模拟。本论文在系统介绍光子晶体光纤基础知识及各种理论研究方法并对这些方法优缺点作简单比较的基础上重点介绍利用有限元软件COMSOLMultiphysics实现光子晶体光纤特性数值模拟的具体方法步骤并应用该方法计算了条形光子晶体光纤和锥形光子晶体光纤的色散特性参数并对二者做了简单的比较。【关键词】:锥形、条形光子晶体光纤;色散模拟;COMSOLMultiphysics;数值模拟摘要1第一章绪论31.1光子晶体光纤简介31.1.1光子晶体光纤的概念31.1.2光子晶体光纤的结构及其导光原理41.1.3光子晶体光纤的制备61.1.3.1堆积法61.1.3.2挤压法61.1.3.3超声波打孔法71.2光子晶体光纤的特性71.2.1无截止单模(EndlesslySingleMode)81.2.2不同寻常的色度色散81.2.3非线性特性91.2.4优良的双折射效应91.3光子晶体光纤的研究现状101.4光子晶体光纤的应用前景111.5光子晶体光纤色散方面的研究121.6本论文的内容12第二章光子晶体光纤的数值模拟132.1光子晶体光纤数值模拟的实现步骤132.2光子晶体光纤的数值模拟实例132.2.1锥形光子晶体光纤的有限元数值模拟的COMSOLMultiphysics实现过程142.2.1.1应用模式的选取与打开142.2.1.2模型建立162.2.1.3求解域、边界及输入波长的设置162.2.1.4求解参数的设置182.2.1.5求解及结果显示与分析182.2.2条形光子晶体光纤数值模拟实现过程202.2.2.1求解参数的设置212.3光子晶体光纤的色散计算24第三章光子晶体光纤的色散计算结果及分析263.1锥形光子晶体光纤色散的计算结果263.2条形光子晶体光纤色散计算结果26第四章总结31参考文献32致谢35第一章绪论第一根光子晶体光纤是于1996年由英国Bath大学的J.C.Knight研制出来的它是一种二维方向上紧密排列(通常为周期性六角形)而在第三维方向(光纤的轴向)基本保持不变的波长量级的空气孔构成微结构包层的新型光纤。这使光纤的结构发生了革命性的变化呈现出许多在传统光纤中难以实现的特性吸引了越来越多研究小组成为近年来光学与光电子学研究的一个热点。1.1光子晶体光纤简介1.1.1光子晶体光纤的概念光子晶体的理论研究始于上世纪80年代末期。虽然1987年Yablonovitch和John最早提出了光子晶体的概念但直到1989年Yablonovitch和Gmitter首次在实验上证实三维光子能带结构的存在物理界才开始大举投入这方面的理论研究。光子晶体即光子禁带材料从材料结构上看光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波---当电磁波在光子带隙材料中传播时由于存在布拉格散射而受到调制电磁波能量形成能带结构。能带与能带之间出现带隙即光子带隙。所具能量处在光子带隙内的光子不能进入该晶体。光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件达到控制光子运动的目的。光子晶体(又称光子禁带材料)的出现使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。光子晶体光纤(pbotoniccrystalfiber;PCF)的概念最早由ST.J.Russell等人于1991年提出它是在石英光纤中沿轴向均匀排列着空气孔从光纤端面看存在周期性的二维结构如果其中5个孔遭到破坏和缺失则会出现缺陷光能够在缺陷内传播。与普通单模光纤不同PCF是由其中周期性排列空气孔的单一石英材料构成所以又被称为多孔光纤(holeyfiber)或微结构光纤(m