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新型光子晶体光纤波长转换器研究

作　者: 岳莹娟
导　师: 刘明生
学　校: 河北工业大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 光子晶体光纤 双折射性 色散平坦性 高非线性 波长转换 四波混频效应
分类号: TN253
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


全光波长转换是目前全光网络的一项关键技术,波长转换的主要目的是解决现代光网络通信中的波长竞争问题,降低网络阻塞率,实现波长的再利用,从而使全光通信网的系统容量大大提高。光子晶体光纤以其独特的光学特性,成为光纤通信领域的一种新型光传输介质。利用色散平坦的光子晶体光纤中四波混频效应实现波长转换,在光纤通信领域具有广阔的应用前景。本课题的主要研究成果和内容如下:1.首先对有限元方法的基本思想及分析步骤进行了详细介绍,根据麦克斯韦方程组推导了光波在光纤中传输的本征方程,并描述了利用有限元法分析光子晶体光纤的基本思想。进一步详细介绍了利用有限元软件Femlab实现光子晶体光纤数值模拟的基本步骤。2.采用有限元法分析了非对称圆孔和椭圆孔光子晶体光纤的模场分布,对空气孔位置的偏移和空气孔直径的变化这两种随机情况引起的双折射影响进行了详细的计算分析,给出了在不同光纤结构参数下双折射与空气孔随机变化的关系,数值模拟结果对双折射光子晶体光纤的设计及制作具有理论指导意义。另外,通过采用有限元法对渐变空气孔光子晶体光纤的模式和传播常数的分析,计算分析了其色散平坦性和高非线性。3.理论上分析计算了满足四波混频相位匹配的条件,在此基础上,借助于Optisystem软件建立了基于光子晶体光纤四波混频效应波长转换的仿真系统。仿真以连续光作为信号源和泵浦源,利用光子晶体光纤四波混频效应对固定波长信号1554.08nm及1544.93nm进行了高效宽带波长转换的模拟,实现了约50nm的波长转换带宽,最高波长转换效率为-9.16dB。此外还仿真分析了波长转换效率随泵浦功率、掺铒光纤放大器输出功率及光子晶体光纤长度的变化曲线,对于优化设计实验结构具有指导意义。结果表明,波长转换效率受泵浦功率的影响很小;提高EDFA的输出功率或PCF长度可以很好的提高波长转换效率。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-8
第一章 绪论  8-17
  §1-1 课题的背景和意义  8
  §1-2 全光波长转换的研究现状  8-12
    1-2-1 基于光纤的全光波长转换器  8-10
    1-2-2 基于半导体光放大器的全光波长转换器  10-11
    1-2-3 基于激光器的全光波长转换器  11
    1-2-4 全光波长转换方案的比较  11-12
  §1-3 光子晶体光纤  12-15
    1-3-1 光子晶体光纤的分类及制备  12-13
    1-3-2 光子晶体光纤的特性  13-15
  §1-4 光子晶体光纤四波混频效应的研究进展  15
  §1-5 本论文的主要研究内容  15-16
  §1-6 本章小结  16-17
第二章 光子晶体光纤的数值分析方法  17-23
  §2-1 引言  17
  §2-2 光子晶体光纤的数值模拟方法  17-18
    2-2-1 有效折射率法  17
    2-2-2 平面波展开法  17
    2-2-3 光束传播法  17
    2-2-4 有限差分法  17-18
  §2-3 有限元法  18-21
    2-3-1 数学模型  18-19
    2-3-2 有限元法的解题步骤  19-20
    2-3-3 光子晶体光纤的有限元分析法  20-21
  §2-4 光子晶体光纤数值模拟的实现步骤  21-22
  §2-5 本章小结  22-23
第三章 光子晶体光纤的特性研究  23-35
  §3-1 非对称光子晶体光纤的双折射特性  23-31
    3-1-1 非对称圆孔光子晶体光纤  24-27
    3-1-2 椭圆孔光子晶体光纤  27-31
  §3-2 渐变空气孔光子晶体光纤的色散和非线性  31-34
  §3-3 本章小结  34-35
第四章 光子晶体光纤中四波混频效应理论  35-41
  §4-1 光纤中的非线性  35
  §4-2 四波混频的起源  35-37
  §4-3 四波混频理论  37-40
    4-3-1 四波混频的耦合振幅方程  37-38
    4-3-2 耦合振幅方程的近似解  38-39
    4-3-3 四波混频的相位匹配  39-40
  §4-4 本章小结  40-41
第五章 基于光子晶体光纤波长转换器的研究  41-52
  §5-1 引言  41
  §5-2 光通信仿真软件Optisystem  41-42
    5-2-1 Optisystem介绍  41-42
    5-2-2 非线性色散光纤的数学模型  42
  §5-3 基于光子晶体光纤四波混频效应的波长转换研究  42-48
    5-3-1 仿真参数  42-43
    5-3-2 基于简并四波混频效应波长转换的理论仿真  43-46
    5-3-3 泵浦功率对转换效率的影响  46-47
    5-3-4 掺铒光纤放大器输出功率对转换效率的影响  47
    5-3-5 光子晶体光纤长度对转换效率的影响  47-48
  §5-4 优化设计  48-50
  §5-5 本章小结  50-52
第六章 总结与展望  52-54
参考文献  54-57
致谢  57-58
攻读学位期间所取得的相关科研成果  58

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 光电子技术、激光技术 > 波导光学与集成光学 > 光纤元件
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