光纤陀螺用光子晶体光纤理论分析与研究

论文摘要

自1996年光子晶体光纤问世以来,由于它优良的光学特性,受到了广泛关注。与普通光纤相比,光子晶体光纤具有极低的弯曲损耗、温度敏感性和应力敏感性,同时其设计自由度大,通过改变空气孔大小和孔间距等参数,可以使其具备很高的模式双折射,所以光子晶体光纤的发展和应用为光纤陀螺的研究提供了一种新的思路。本文首先分别概述了光子晶体光纤和光纤陀螺的研究发展现状及光子晶体光纤在光纤陀螺中的应用；介绍了全矢量有限元方法的基本概念和分析步骤,详细推导了光子晶体光纤有限元数值分析方法。其次,提出了一种新型的全内反射型光子晶体光纤结构——五角芯型光子晶体光纤（Q-PCF）,采用全矢量有限元分析方法,分别分析了传统六角芯型光子晶体光纤和五角芯型光子晶体光纤的有效折射率、模场分布特性及色散特性,并进行了比较,分析结果表明,该新型光纤对模场的限制能力较传统六角芯型光子晶体光纤弱。考虑光纤对模场的束缚能力对光纤损耗的影响,本文对新型光子晶体光纤进行了优化设计,改进后的光纤拥有较强的模场束缚能力,满足了对损耗的要求。再次,分析了传统的单模光纤和保偏光纤在光纤陀螺应用中所表现出来的不足,而光子晶体光纤恰好可以解决这些问题。鉴于光纤陀螺在应用中对偏振保持的要求,通过改变五角芯型光子晶体光纤纤芯附近部分空气孔的尺寸设计出了五角芯型保偏光子晶体光纤。分析比较了传统六角芯型保偏光子晶体光纤和五角芯型保偏光子晶体光纤的有效折射率、模场分布及双折射特性。分析结果表明新型光纤的双折射特性远优于传统六角芯型保偏光子晶体光纤,且具有更低的损耗,使其更适合应用于偏振特性及稳定性要求都较高的实际光纤陀螺传感系统中。最后,介绍了国内外干涉型光子晶体光纤陀螺的研究状况,采用琼斯矩阵方法建立了基于五角芯型光子晶体光纤的光纤陀螺理论模型,为实际应用奠定了理论基础。并对光子晶体光纤在光纤陀螺中的应用所存在的技术问题进行了分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 光子晶体光纤及其特性
• 1.2 光子晶体光纤发展现状及其应用前景
• 1.3 光纤陀螺优势及其发展现状
• 1.4 光子晶体光纤在光纤陀螺中的应用
• 1.5 论文的主要内容及各部分工作
• 第2章 光子晶体光纤有限元数值分析方法
• 2.1 有限元法的基本知识
• 2.2 标量有限元法
• 2.3 矢量有限元法
• 2.4 有限元法在光子晶体光纤分析中的应用
• 2.4.1 理论传输模型
• 2.4.2 基于有限元的麦克斯韦方程组的离散化
• 2.5 本章小结
• 第3章 光子晶体光纤性能分析与新型TIR-PCF的设计
• 3.1 传统六角芯型光子晶体光纤仿真分析
• 3.1.1 有效折射率特性
• 3.1.2 模场分布特性
• 3.1.3 色散特性
• 3.2 五角芯型光子晶体光纤的提出及性能分析
• 3.2.1 有效折射率特性
• 3.2.2 模场分布特性
• 3.2.3 色散特性
• 3.3 新型光子晶体光纤的结构优化
• 3.3.1 传统六角芯型PCF与五角芯型PCF的性能比较
• 3.3.2 Q-PCF的优化改进
• 3.3.3 优化改进后的Q-PCF性能
• 3.4 本章小节
• 第4章 光纤陀螺用保偏光子晶体光纤的设计与研究
• 4.1 光纤陀螺用光纤的分析
• 4.2 传统六角芯型保偏光子晶体光纤
• 4.2.1 有效折射率特性
• 4.2.2 模场分布特性
• 4.2.3 双折射特性
• 4.3 五角芯型保偏光子晶体光纤（PM-Q-PCF）的提出与分析
• 4.3.1 有效折射率
• 4.3.2 模场分布特性
• 4.3.3 双折射特性
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于光子晶体光纤的干涉型光纤陀螺结构设计
• 5.1 干涉型光子晶体光纤陀螺的优势
• 5.2 干涉型光子晶体光纤陀螺的研究
• 5.2.1 国外干涉型光子晶体光纤陀螺的研究
• 5.2.2 国内干涉型光子晶体光纤陀螺的研究
• 5.3 基于Q-PM-PCF的闭环干涉型光纤陀螺结构设计
• 5.3.1 整体结构描述
• 5.3.2 光学器件的描述
• 5.3.3 干涉型光纤陀螺理论模型的建立
• 5.4 光子晶体光纤在光纤陀螺中应用的技术问题
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢