光子晶体光纤双芯耦合及传感机理研究

论文摘要

本文对双芯光子晶体光纤的耦合机理及其在新型光纤耦合器件设计、色散补偿和折射率传感等方面的应用进行了相关的研究。提出了一类新的同时基于全内反射和光子带隙效应两种导光机制的并排双芯光子晶体光纤,对其耦合特性进行了数值模拟和理论分析,发现了对称双芯光纤中的耦合长度具有局部极大值、超模交替截止和双芯退耦合等新现象,超模和高折射率柱中谐振模对称性的相对变化在其中起着重要作用。设计了分光比可调的定向耦合器和工作状态可调的双波长耦合器,对它们的工作原理进行了分析和说明,给出了它们的工作参数随折射率的变化关系。提出了光子晶体光纤中泄漏模完全耦合的条件,通过对所设计的新型同轴双芯光子晶体光纤双芯耦合特性的研究,证实了光子晶体光纤中泄漏模间的完全耦合不仅要求满足相位匹配条件,还要求耦合模式传播常数虚部之差小于耦合强度系数的两倍。提出了一种基于双芯耦合模式可选择的色散补偿光子晶体光纤,能够根据实际需要动态地选择耦合模式,可以在取得较高负色散值（-36000ps/nm/km）的同时获得尽可能大的模场面积（34.8μm2）,以减小色散补偿过程中非线性效应带来的不利影响。研究了有限外包层光子晶体光纤的纤芯模损耗特性,发现了纤芯模存在耦合引起的损耗峰,峰的位置与光纤外包层的大小和外部介质的折射率有关,可以通过测量纤芯模耦合损耗峰的位置来测量外部介质的折射率。本文的研究成果对光子晶体光纤的双芯耦合机理和相关应用的深入研究具有重要的参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 光子晶体光纤
• 1.1.1 光子晶体简介
• 1.1.2 光子晶体光纤的出现
• 1.1.3 光子晶体光纤的制作
• 1.1.4 光子晶体光纤的分类
• 1.1.5 光子晶体光纤的传输特性
• 1.1.6 光子晶体光纤的发展及应用前景
• 1.2 光子晶体光纤双芯耦合研究进展
• 1.3 光子晶体光纤传感研究进展
• 1.4 本文的主要研究工作
• 2 光子晶体光纤数值计算方法
• 2.1 全矢量有限元方法
• 2.1.1 电磁场波动方程的泛函表示
• 2.1.2 区域的三角形单元离散化
• 2.1.3 三角形单元线性插值
• 2.1.4 代数方程组的建立及求解
• 2.1.5 PML边界条件
• 2.2 多极法
• 2.2.1 计算结构说明及模场选择
• 2.2.2 圆孔周围场量的两种不同表示
• 2.2.3 边界条件及电磁场耦合
• 2.2.4 齐次方程组的建立
• 2.3 波束传播法
• 2.3.1 波束传播方程
• 2.3.2 传播方程的差分离散化
• 2.4 计算结果对比分析和验证
• 2.4.1 基于光子晶体光纤基模等效折射率的计算
• 2.4.2 基于光子晶体光纤双芯耦合的计算
• 2.5 本章小结
• 3 混合导光机制光子晶体光纤并排双芯耦合研究
• 3.1 模式的横向耦合理论
• 3.1.1 模式耦合方程
• 3.1.2 模耦合方程的求解
• 3.2 并排对称双芯耦合分析
• 3.2.1 对称双芯光子晶体光纤的结构
• 3.2.2 耦合特性分析
• 3.2.3 结构参数对耦合长度的影响
• 3.2.4 并排对称双芯光纤应用研究
• 3.3 并排非对称双芯耦合分析
• 3.4 本章小结
• 4 光子晶体光纤同轴双芯耦合研究
• 4.1 同轴双芯光子晶体光纤的耦合计算模型
• 4.2 同轴双芯间的耦合特性分析
• 4.2.1 模式损耗对泄露模耦合的影响
• 4.2.2 损耗依赖耦合的理论解释
• 4.3 光子晶体光纤的色散补偿特性
• 4.3.1 光纤的色散特性
• 4.3.2 光子带隙光纤的色散特性分析
• 4.3.3 大模场色散补偿光纤的设计
• 4.4 本章小结
• 5 基于光子晶体光纤泄漏模耦合的折射率传感机理研究
• 5.1 有限外包层光子晶体光纤的结构
• 5.2 泄漏模横向耦合引起的损耗特性分析
• 5.3 折射率传感应用分析
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录