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光子晶体光纤论文:多极法有限元法高双折射高非线性

光子晶体光纤论文:多极法有限元法高双折射高非线性

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【摘要】近年来,光子晶体光纤因其特有的传光特性,已成为当 前光学领域中的一个热门课题。 本文所研究的光子晶体光纤是一种带 有缺陷的二维光子晶体结构, 即光纤结构的横截面上周期性分布着沿 光纤轴向延伸的微气孔结构, 因而使得光子晶体光纤具有传统光纤无 法比拟的传输特性,例如高双折射、色散特性、非线性等。本文的主 要工作为: 采用多极法和全矢量有限元法对设计的光子晶体光纤的基 本特性进行了研究。利用 CUDOS MOF Utilities 软件和有限元软件 COMSOL Multiphysics 建立了光子晶体光纤的理论模型,并给出了具 体的求解步骤。基于建立的模型,对光子晶体光纤的模场分布、双折 射、色散及非线性等特性进行了理论分析。(1)提出了三种不同纤芯 的混合双包层光子晶体光纤,对它们的特性进行了分析比较,选择出 性质较好的光纤结构。 接下来再讨论空气孔径的大小对该光纤传输特 性的影响。模拟结果表明,光纤结构每层空气孔对传输特性的影响均 不相同:最内层包层空气孔对双折射特性的影响最为明显;色散特性 受次内层包层孔径的影响最大, 最内层包层和外包层孔径大小对该特 性的影响较微弱;而限制损耗主要受外包层孔径大小和包层圈数影 响。根据上面的规律,得出了一种具有高双折射、低限制损耗且具有 一定色散补偿功能的光子晶体光纤。(2)基于有限元法提出了一种高 非线性光子晶体光纤。第一层包层为矩形结构,且 x,y 方向间距不 同,从而便于获得较高的双折射。其余包层为八边形结构。通过改变

空气孔径的大小来获得较高的双折射和较高的非线性系数。 理论证明 增加纤芯附近的空气孔径大小便于获得较高的双折射, 原因是随着孔 径的增加,纤芯不对称性增强,进而双折射增加。而非线性特性主要 受小纤芯和高占空比的影响。 本文中通过增加纤芯附近包层空气孔径 的大小达到减小纤芯和增加包层占空比的目的, 从而获得较高的非线 性,同时该光纤结构还具有一定的色散补偿功能。 【关键词】光子晶体光纤;多极法;有限元法;高双折射;高非 线性; 【篇名】光子晶体光纤的特性分析及理论研究 【目录】光子晶体光纤的特性分析及理论研究 5-6 Abstract 6-7 第 1 章 绪论 10-22 摘要 1.1 选题

的研究背景和发展历史 10-12 简介 12-15 纤简介 14-15 15-19 16 17-18 备 19

1.2 光子晶体及光子晶体光纤 1.2.2 光子晶体光

1.2.1 光子晶体 12-14

1.3 光子晶体光纤的传输特性 1.3.2 色散特性 1.3.4 损耗特性 1.4 光子晶体光纤的制 19-20 1.6 本论文的主

1.3.1 双折射特性 15-16 1.3.3 非线性特性 16-17 1.3.5 其他特性 18-19 1.5 光子晶体光纤的应用

要研究内容 20-22 方法 22-34 方法概述 22-25 率法 22-23

第 2 章 研究光子晶体光纤特性的数值分析 2.2 光子晶体光纤的数值分析 22 23-25 2.2.2 有效折射 2.3 多极法

2.1 引言 22

2.2.1 光束传播法 2.2.3 时域有限差分法

25-27 25-27 27

2.3.1 多极法的概述 25 2.4 有限元法 27-33 2.4.2 有限元法的发展历史

2.3.2 多极法理论推导 2.4.1 有限元法简介 27-28 2.4.3 有限元法 2.5

的分析过程 28-29 本章小结 33-34 真 34-44 34 34-42 线 37-39

2.4.4 伽辽金有限元法 29-33

第 3 章 混合双包层光子晶体光纤的设计与仿 3.2 多极法分析软件

3.1 引言 34

3.3 混合双包层光子晶体光纤的物理模型 3.3.1 基模的模场分布 37 3.3.3 基模的有效折射率 3.3.2 双折射特性曲 39-40 3.3.4 色散 3.4 本章

特性曲线 40-41 小结 42-44 44-56 44-47 45-46

3.3.5 限制损耗曲线 41-42

第 4 章 高非线性光子晶体光纤的设计与仿真 4.1 引言 44 4.2 COMSOL 仿真过程 4.2.2 解题程序 4.3 高非线性光子晶体

4.2.1 前置处理 44-45 4.2.3 后置处理 46-47

光纤的特性分析 47-54 模型 47-48

4.3.1 高非线性光子晶体光纤的物理 48-50 4.3.3 光纤

4.3.2 能量与场分布图

结构参数对非线性的影响 50-51 射的影响 51-53 53-54 献 58-62 62-63

4.3.4 光纤结构参数对双折

4.3.5 光纤结构参数对色散特性的影响 结论 56-58 参考文

4.4 本章小结 54-56

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果 致谢 63-64 作者简介 64


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