大模场光子晶体光纤研究

论文摘要

随着信息技术的深入发展,各种新型的通信网络技术不断涌现;而光纤传输技术因其无可比拟的高速、大容量等优点,使其在各种传输技术中独占鳌头。据统计,当今世界80%的信息量都是通过光纤传送网络进行传送的,因此光纤通信技术已成为人们的重要通信手段。现今,光纤传输技术正朝着高速率、大容量、超长距离的方向发展。据报道,在实验室中达到的最高传输容量已为10Tb/s之多(42.7Gb/s×256)。伴随着人们对信息传输的巨大需求及光纤通信技术的迅猛发展,新型光纤技术、新型波分复用技术、新型光纤放大器与激光器技术则是不断出现。随着各种传送网和接入网的铺设和迅速发展,网络的传输介质—光纤技术和产业也日新月异。光子晶体光纤技术是一种全新的光纤技术,其在最近几年获得了学术界和工业界的特别重视,并逐步成为新型光纤技术最前沿、最热点的研究领域。本文的主要研究工作是研究光子晶体光纤的模场面积特性及其实现大模场的方法。本文在阐述了光子晶体光纤奇特性能的基础上,对其性能原理—电磁场理论作了深入的分析。在各种数值仿真方法中,本文利用多极法和等效折射率法对不同结构的光子晶体光纤进行了电磁场仿真计算,总结出了影响光子晶体光纤模场面积的各种几何结构参数,而后分析了模场面积与光纤损耗、数值孔径、非线性系数和单模特性之间的约束关系;最后在综合考虑各种因素的基础上,设计出了具有一定实用参考价值的无源大模场单模光子晶体光纤。带隙型光子晶体光纤是一种重要的光子晶体光纤,其在各种光电器件中有重要的潜在应用,特别是掺铒微结构光纤,其在光纤放大器与光纤激光器领域已获得巨大成功。带隙型光纤与全内反射型光纤的特性也存在着重要的差异,本文对带隙型大模场光子晶体光纤进行了仿真计算,并模拟仿真了其结构参数对其模场面积和束缚损耗的影响。因带隙型光子晶体光纤的制作工艺较传统光纤高许多,故其一直是阻碍大规模商用的难点。最后,本文对与上海中电23所联合试制的大模场无源光子晶体光纤模场面积进行了实验测试。鉴于测定光纤模场面积的实验方案较少且实验方法与装置复杂等因素,本文采用了较为简化且精确的测试方案。这为以后的模场测定与研究也打下基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 光子晶体光纤概述
• 1.2.1 光子晶体概念及工作原理
• 1.2.1.1 光子晶体概念
• 1.2.1.2 光子晶体工作原理
• 1.2.2 光子晶体光纤概念及工作原理
• 1.2.2.1 光子晶体光纤概念
• 1.2.2.2 光子晶体光纤工作原理
• 1.3 光子晶体光纤新颖特性
• 1.3.1 不截止的单模特性
• 1.3.2 灵活的色散特性
• 1.3.3 可控的非线性特性
• 1.3.4 可调的模场面积特性
• 1.3.5 高双折射与保偏特性
• 1.3.6 多孔传输特性
• 1.3.7 高数值孔径特性
• 1.4 光子晶体光纤的发展动态及研究应用
• 1.5 论文的主要工作及创新点
• 第二章 光子晶体光纤理论分析方法
• 2.1 引言
• 2.2 等效折射率法（EIM）
• 2.3 多极法
• 2.4 光子晶体光纤数值计算方法概述
• 2.4.1 时域有限差分法（FDTD）
• 2.4.2 有限单元法（FEM）
• 2.4.3 平面波展开法（PWM）
• 2.4.4 局域函数法（LFM）
• 2.4.5 等量平均折射率法（EAIM）
• 2.4.6 傅立叶分解法（FDM）
• 2.5 本章小结
• 第三章 微结构光纤模场面积分析
• 3.1 微结构光纤模场面积分析
• 3.1.1 模场面积与波长λ关系分析
• 3.1.2 MOF结构参数对模场面积的影响
• 3.1.2.1 空气孔直径d与模场面积
• 3.1.2.2 空气孔间距Λ与模场面积
• 3.1.2.3 填充比d/Λ与模场面积
• 3.1.2.4 包层空气孔环数与模场面积
• 3.1.2.4.1 空气孔外环数
• 3.1.2.4.2 空气孔内环数
• 3.2 模场面积与束缚损耗关系分析
• 3.3 模场面积与数值孔径NA关系分析
• 3.4 模场面积与非线性效应关系分析
• 3.5 微结构光纤模场面积与单模特性分析
• 3.5.1 微结构光纤的单模截止值分析
• 3.5.2 微结构光纤的单模截止经验公式
• 3.6 多极法对单模截止的分析
• 3.7 一种大模场微结构光纤分析与仿真设计
• 3.8 本章小结
• 第四章 光子带隙型光子晶体光纤研究
• 4.1 光子带隙型光子晶体光纤导光原理
• 4.2 影响光子带隙的因素
• 4.2.1 结构参数
• 4.2.2 介质材料相对折射率比
• 4.3 空气孔三角排布的带隙型光纤模式数
• 4.4 带隙型光纤基模模场面积分析
• 4.4.1 空气孔直径的影响
• 4.4.2 空气孔间距的影响
• 4.4.3 折射率的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 光子晶体光纤模场直径测量方法与实验
• 5.1 光纤的模场直径的定义
• 5.1.1 功率传输函数定义模场直径
• 5.1.2 远场法与近场法定义模场直径w
• 5.2 光纤模场直径的测量方法
• 5.2.1 横向位移法
• 5.2.2 远场扫描法与近场扫描法
• 5.3 实验方案与实验台的搭建
• 5.3.1 实验方案与实验搭建
• 5.3.2 实验要点与注意事项
• 5.4 实验结果及数据分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结
• 6.1 全文总结
• 6.2 下一步的工作
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 个人简历及攻读硕士期间发表的论文