光子晶体光纤传输特性的研究.pptx

毕业论文题目课题背景研究内容论文主要工作总结与展望致谢课题背景研究内容论文主要工作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。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。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氏空间网格及电磁场的初值和边界条件，可以直接得到方程的数值解。因此可用来研究PCF中的各种问题，包括色散，模式和非线性等。FDFD法利用有限差分原理，将麦克斯韦方程组化为矩阵形式的特征方程，通过求解特征方程直接得到模场分布和能带图。无论是差分方程还是边界条件的差分近似都较时域法简单、方便，同时有限差分法对不规则非均匀介质的散射问题有广泛的适用性。用FDFD法可快速得到整个剖分域中的场值，而不必人为细分总场值，因而简单易行。式中Ui和Ki为由边界条件确定的系数矩阵，且与1/Qi成正比；其值可以由下式得出：传统的保偏光纤(如椭圆型和熊猫型保偏光纤)的模式双折射仅能达到5x105量级，已经不能满足日益发展的需求。因此，探索新型的高性能保偏光纤势在必然。由于PCF在制作过程中可以灵活设置包层空气孔大小和形状，这为获得高性能保偏光纤提供了可能。通过在类矩形PCF纤芯中引入一对大空气孔，去掉大空气孔附近的四个小孔，并调整包层的横、纵向空气孔间距，便形成一种具有不同顶角的三角结构PCF。这种新结构PCF的包层由两种不同尺寸的空气孔构成，其结构参数定义如下：Λ——空气孔横向间距；θ——三角结构顶角；d2，d1——包层中的大、小空气孔直径；n=1.45——石英晶体折射率。图中右侧所示灰度分布为相对介电常数取值。首先模拟初始脉宽100fs(Tp=60fs)，中心波长800nm、功率较低(1kW)的飞秒激光光脉冲，在纤芯直径2微米的光子晶体光纤中的传输情况。由图5.2.1可以看出，在反常色散光子晶体光纤中，自相位调制作用使脉冲宽度压缩变窄，在ξ=0.4处已经发生明显的裂变现象，随着距离增加，这种分裂现象愈加明显。这主要是由于蓝移分量(图5.2.1中左侧的低强度孤子)较红移分量(相应右侧强孤子)传输的快，和入射脉冲相比，蓝移分量超前，其他分量被延迟造成的。从图5.2.2可见，传输距离很短时，光谱便出现非对称展宽，这是由于高阶色散、高阶非线性效应共同作用的结果，其频率成分向两个不同方向扩展。在传输过程中