光子带隙光纤的理论和实验研究

论文摘要

光子晶体是将两种或者两种以上介质材料排列成具有光波长量级的一维、二维或三维周期结构的人工晶体。由于布拉格衍射,一定频率的光被禁止在其中传播,形成光子带隙(photonic bandgap)。本文的主要研究内容是: Bragg型光子晶体光纤长波长截止的弯曲损耗特性、Bragg光纤几何结构对长波长截止弯曲损耗特性的影响;中空带隙光子晶体光纤的带隙结构、缺陷模场分布、模式色散以及其在光脉冲压缩方向的应用。第一章阐述了光子晶体的概念、分类;带隙导光机理及影响光子晶体光纤几何结构的参数;简要介绍了光子晶体光纤的特点及应用。第二章详细地阐释了本论文理论计算的两种基本方法——平面波展开法和时域有限差分法为数值模拟提供了有力的理论基础。第三章对不同Bragg光纤长波长截止的弯曲损耗特性进行了测量,从而为利用Bragg光纤和实芯带隙光子晶体光纤不同弯曲损耗特性组成的全光纤可调谐带通滤波器提供了丰富的实验数据;使用时域有限差分法优化了当Bragg光纤基模传输损耗最小时的光纤结构,系统分析了光纤几何结构对其长波长截止弯曲损耗特性的影响。第四章中,运用平面波展开法原理,使用MPB数值模拟软件对不同空气填充率六角型排布中空带隙光子晶体光纤的带隙结构进行了数值模拟。并重点分析了空气填充率为70%的该种光纤的缺陷模场分布、模式色散特性;并利用其特殊的色散特性压缩光纤激光器出射的锁模脉冲,同时和用光栅对脉冲压缩的方法进行了对比,突显了带隙光纤压缩脉冲的优点,有希望实现激光器和脉冲压缩的全光纤化。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 光子晶体概述
• 1.2 光子晶体的分类
• 1.3 光子晶体光纤的分类
• 1.3.1 影响光子带隙的参数
• 1.3.2 “原子”填充率（Filling fraction）
• 1.4 光子晶体光纤的特性
• 1.5 光子晶体光纤的应用
• 1.6 本论文的主要研究及创新
• 第二章 光子带隙的数值分析
• 2.1 光子带隙计算方法概述
• 2.1.1 平面波展开法
• 2.1.2 传输矩阵法
• 2.1.3 时域有限差分法
• 2.2 平面波展开法计算光子带隙
• 2.2.1 一定条件下的Maxwell 方程组
• 2.2.2 布洛赫原理
• 2.2.3 算法实现
• 2.3 时域有限差分法
• 2.3.1 FDTD 的基本原理
• 2.3.2 参量、边界及激励源的设定
• 2.4 光纤的几何结构对带隙的影响
• 2.4.1 平面内传输（In–Plane Propagation）
• 2.5 本章小结
• 第三章 Bragg 光纤弯曲损耗特性、几何结构参数对其基模传输损耗特性的研究
• 3.1 Bragg 光纤简介
• 3.1.1 Bragg 光纤的提出
• 3.1.2 Bragg 光纤的制造工艺
• 3.1.3 Bragg 光纤的应用展望
• 3.2 Bragg 光纤的弯曲损耗特性
• 3.2.1 测量Bragg 光纤弯曲损耗特性实验装置
• 3.2.2 测量Bragg 光纤弯曲损耗特性实验结果及分析
• 3.2.3 基于Bragg 光纤和全固带隙光纤弯曲损耗特性的可调谐带通滤波器
• 3.3 优化设计Bragg 光纤结构
• 3.3.1 优化设计Bragg 光纤纤芯折射率
• 3.3.2 优化设计Bragg 光纤第一高折射率层半径
• 3.3.3 综合优化设计Bragg 光纤
• 3.4 本章小结
• 第四章 中空带隙型光子晶体光纤带隙结构和利用中空带隙型光子晶体光纤进行脉冲压缩的研究
• 4.1 带隙型光子晶体光纤带隙结构的数值模拟
• 4.2 中空六角型带隙光子晶体光纤的缺陷模式
• 4.3 中空带隙光子晶体光纤用于光脉冲压缩
• 4.3.1 光脉冲压缩的物理机制
• 4.3.2 测量用于光脉冲压缩的带隙光纤的带隙
• 4.3.3 中空光子晶体光纤色散的测量
• 4.3.4 理论计算最佳压缩效果光纤长度
• 4.3.5 基于中空带隙光子晶体光纤的光脉冲压缩
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢