光子晶体光纤的传输特性研究

毕业论文毕业论文题目◆学生姓名：◆专业班级◆指导教师：光子晶体光纤的传输特性研究毕业论文课题背景研究内容论文主要工作总结与展望致谢(请单击箭头选择内容)毕业论文课题背景随着计算机的普及和互联网的迅速发展，人们对信息的快速传递和网络容量的需求量与日俱增。为了适应这种海量信息的高速传输与交换，光纤通信系统正朝着超高速、超大容量、超长传输距离的方向发展，并逐步向全光网络的方向演进。随着WDM技术的广泛应用，作为光网络物理层面的光纤光缆的传输特性将极大地影响下一代网络光通信系统的性能。目前，光通信系统的网络容量和网络性能受到传统光纤的损耗、色散和非线性效应的限制和影响，人们开始寻求研制新型换代的光纤品种。与传统光纤相比，光子晶体光纤(PCF)是一种将光子晶体结构引入光纤中而形成的新型光纤。由于它具有很多奇异的特性，如无截止波长的单模特性、极低的理论损耗、可调的色散、良好的非线性及高双折射特性等，故近年来PCF引起了国内外广泛的关注，在近几年里迅速发展成为光纤通信、光纤传感和光电器件领域的一个研究热点。毕业论文研究内容◆1.空气孔的不同结构引起的带隙研究◆2.PCF的模式传输特性研究◆3.PCF中非线性传输的数值研究◆4.在PCF中四波混频效应的波长转换研究毕业论文论文主要工作●从光子晶体的概念出发，简要阐述PCF的分类、特性及应用，分析目前被用来对PCF特性分析的各种理论模拟方法的优缺点，同时展望PCF的应用前景。●主要介绍了本文用于仿真计算PBG-PCF带隙的平面波法（PWM）、超晶胞的概念，以及用于计算PBG-PCF波导色散和泄漏损耗的频域有限差分法（FDFD）。●通过上一章对两种数值模拟方法——平面波法、频域有限差分法的详细的理论推导，得到PCF带隙计算理论。●实现频域有限差分方法对PCF色散特性传输特性的分析。●在前期工作的基础上，采用分步傅里叶法，数值模拟了在高阶色散、高阶非线性效应影响下，飞秒激光脉冲在光子晶体光纤传输特性及频谱演化情况，得到一些新的结果。●使用长度为25m的PCF，对PCF四波混频效应的波长转换进行研究分析，得到100nm的波长转换带宽和-20dB的最大转换效率。毕业论文•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。毕业论文•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。毕业论文式中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：毕业论文•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。毕业论文毕业论文•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，能量也发生了转移，由于脉宽很窄，所以其谱宽非常宽，使得脉冲的蓝移分量作为抽运，通过拉曼增益有效地放大同一脉冲的红移分量。此过程在光子晶体光纤中继续进行，致使能量不断从蓝移分量转移到红移分量上。毕业论文•全光波长转换(All-0pticalWavelengthConversion，AOWC)是波分复用(WavelengthDivisionMultiplex，WDM)光网络的一项关键技术，可以通过几种非线性效应来实现，其中基于四波混频效应的全光波长转换技术能够对信号的幅度、频率和相位严格透明，故可以使波长转换与信号的形式无关，是一种极具吸引力的全光波长转换方案，具有良好的发展前景。影响四波混频(FourwaveMixing，FWM)转换效率的主要因素是光纤的非线性系数、色散、双折射、和光纤的长度。•四波混频(Four-WaveMixing,FWM)是光纤的一种非线性效应，它的具体表现是：当三种不同波长的光信号同时输入到一根光纤时会有新波长光的产生。•光子晶体光纤(PhotonicCrystalFiber，PCF)比普通光纤的纤芯小，有较高的非线性，可以设计出具有平坦色散的PCF。在四波混频效应中，PCF能够大大减短光纤的长度，拓宽泵浦波的可调节范围，得到较宽的转换带宽，大大改善波长转换的范围和性能。毕业论文毕业论文•通过研究分析，在较短的高非线性光子晶体光纤中实现了波长转换，结果显示光子晶体光纤中实现四波混频能够较大地减短光纤的长度，得到100nm的转换带宽和-20dB的最大转换效率．在实验中，不需要相位调制来抑制受激布里渊散射(StimulatedBrillouinScattering，SBS)，所以闲频的带宽和信号一样窄．然后通过和双信号单泵浦时的波长转换进行比较得出，在信号功率低于四波混频阈值时，信号之间的四波混频效应不会相互影响，从而适合制作多信号输入的宽带波长转换器．毕业论文总结与展望本文利用MATLAB语言编程实现模拟分析不同结构PCF的传输特性。主要内容如下：1.采用频域有限差分方法，编程实现了不同结构光子晶体光纤的有效折射率的分析。2.提出了的一种新的高双折射PCF的模式特性，并对其色散特性进行了模拟分析。结果表明：(1)设置合适的结构参数，可以使该PCF的模式双折射达到量级，比普通光纤至少高一个数量级；(2)基模的模场分布与结构参数有密切关系，包层小空气孔的直径d1、包层空气孔的直径比d2／d1以及三角结构项角θ增大时，光场能更好地汇聚于中心。同时，该种PCF具有灵活的色散特性，通过适当选择光纤的结构参数，可以获得正色散、负色散、零色散和超平坦色散的色散特性。同时这种结构PCF具有很低的损耗特性。因此，这种结构的PCF可用于制作具有适当色散特性或偏振特性的保偏光纤及相关光纤器件。3.通过实验与计算，对PCF非线性传输的数值及PCF四波混频效应的波长转换进行了研究，并初步得到了比较乐观的结果。虽然本课题在PCF传输特性的研究方面取得了一些成果，然而由于时间因素和实验条件的限制，要想真正踏入这个博大精深的领域，还需要进一步努力，进行更深层次的研究。相信，通过不断的探索与积累，会在PCF领域不断取得更多的成果，PCF及其器件的优越特性也将逐渐显现。在以后的工作中可以将工作重心转向实验，结合理论模拟的结果更好地实现PCF实验的进行。毕业论文毕业论文论文主要工作●从光子晶体的概念出发，简要阐述PCF的分类、特性及应用，分析目前被用来对PCF特性分析的各种理论模拟方法的优缺点，同时展望PCF的应用前景。●主要介绍了本文用于仿真计算PBG-PCF带隙的平面波法（PWM）、超晶胞的概念，以及用于计算PBG-PCF波导色散和泄漏损耗的频域有限差分法（FDFD）。●通过上一章对两种数值模拟方法——平面波法、频域有限差分法的详细的理论推导，得到PCF带隙计算理论。●实现频域有限差分方法对PCF色散特性传输特性的分析。●在前期工作的基础上，采用分步傅里叶法，数值模拟了在高阶色散、高阶非线性效应影响下，飞秒激光脉冲在光子晶体光纤传输特性及频谱演化情况，得到一些新的有意义的结果。●使用长度为25m的PCF，对PCF四波混频效应的波长转换进行研究分析，得到100nm的波长转换带宽和-20dB的最大转换效率。