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多种缺陷对红外光子晶体光纤性能影响的研究

作 者: 胡倩倩
导 师: 陈鹤鸣
学 校: 南京邮电大学
专 业: 光学工程
关键词: 光子晶体光纤 CO2激光 平面波展开法 有限元法 光子带隙 损耗 缺陷
分类号: TN253
类 型: 硕士论文
年 份: 2012年
下 载: 24次
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内容摘要


随着科学技术的不断进步,光纤应用越来越广泛,光纤应用波段正从近红外波段向中、远红外波段推进。同时人们对光纤的要求也越来越多,其中包括期望光纤能传输大功率的能量,特别是用光纤传输中、远红外激光,例如外科手术中利用光纤传输CO2激光能量。近几十年来人们研究探索了不同结构不同材料的红外光纤,不断发展并完善光纤的传输特性,红外光纤已成为人们关注的热点课题之一。光子晶体光纤自被提出以来,其区别于传统光纤的独特结构和特性如高耦合效率、低弯曲损耗、低非线性、可控色散等新奇特性成为近来年众多科学家研究热点。将光子晶体光纤用于红外传输为研究低损耗、高传输功率的红外光纤提供了一种新的研究思路。同时,由于光子晶体光纤的结构复杂,实现包含周期性空气孔的石英玻璃微观结构是光纤实际制作的一大难点。本文首先运用平面波展开法(PWM)和全矢量有限元法(FEM)对光子晶体光纤的带隙结构、导光特性和损耗特性进行深入分析后,设计了一种晶格常数为10.4μm,占空比为0.80,纤芯半径为20.8μm,包层层数八层的三角格子红外光子晶体光纤来传输大功率、高质量的10.6μmCO2激光能量。考虑到红外光子晶体光纤的实际应用,本文重点研究了在样品制备过程中由于工艺限制出现多种缺陷例如空气柱缺失、位错、半径、形状偏差及晶格失配等情况对红外光子晶体传能光纤的损耗特性的影响,建立多种的计算模型,应用基于全矢量有限元法(FEM)的COMSOL软件,通过对大量模型的仿真计算,得到了红外光子晶体光纤中缺陷结构参量的变化与光纤特性之间的联系,结果表明,在一定限度内的缺陷可以降低损耗,但是较大的缺陷将严重影响红外光子晶体光纤的损耗,这对于红外光子晶体光纤的实际制备具有重要价值。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-10
第一章 绪论  10-22
  1.1 红外光纤的发展及研究现状  10-13
    1.1.1 硫族化合物红外光纤  11-12
    1.1.2 晶体红外光纤  12
    1.1.3 空心红外光纤  12-13
  1.2 光子晶体光纤简介  13-18
    1.2.1 光子晶体和光子带隙理论  13-14
    1.2.2 光子晶体光纤(PCF)的分类及导光机制  14-15
    1.2.3 红外光子晶体光纤(PBG-PCF)典型结构  15-17
    1.2.4 PBG-PCF 的重要特性  17-18
    1.2.5 红外光子晶体光纤的工艺制作  18
  1.3 红外光子晶体光纤的常见数值计算方法简介  18-20
    1.3.1 有效折射率模型(EIM)  18-19
    1.3.2 平面波展开法(PWM)  19
    1.3.3 有限元法(FEM)  19
    1.3.4 时域有限差分法(FDTD)  19-20
  1.4 课题研究的重点和意义  20
  1.5 论文内容安排  20-22
第二章 红外光子晶体光纤数值分析方法  22-33
  2.1 平面波展开法(PWM)基本理论  22-27
    2.1.1 固体物理基本概念  22-25
    2.1.2 PWM 法推导  25-27
    2.1.3 超晶胞近似  27
  2.2 有限元法  27-31
    2.2.1 全矢量FEM 的基本原理  27-30
    2.2.2 边界条件的选取  30-31
  2.3 小结  31-33
第三章 红外光子晶体光纤的设计及特性研究  33-47
  3.1 红外光子晶体光纤的结构模型  33-35
  3.2 红外光子晶体光纤的带隙特性  35-38
    3.2.1 红外光子晶体光纤在不同d/a 条件下的带隙结构  35-37
    3.2.2 红外光子晶体光纤的导光特性  37-38
  3.3 红外光子晶体光纤的损耗特性  38-45
    3.3.1 红外光子晶体光纤的损耗机理  38-41
    3.3.2 PBG-PCF 泄漏损耗分析  41-43
    3.3.3 仿真结果分析  43-45
  3.4 小结  45-47
第四章 缺陷对红外光子晶体光纤性能的影响  47-64
  4.1 PBG-PCF 的缺陷态描述及其分析方法  47-48
    4.1.1 带隙特性的分析方法  48
    4.1.2 损耗特性的分析方法  48
  4.2 完整包层的PBG-PCF 带隙和损耗特性  48-50
    4.2.1 完整包层的PBG-PCF 的带隙特性  48-50
    4.2.2 完整包层的PBG-PCF 的损耗特性  50
  4.3 空气柱尺寸对PBG-PCF 带隙和损耗特性的影响  50-53
    4.3.1 空气柱尺寸对PBG-PCF 的带隙特性的影响  50-51
    4.3.2 空气柱尺寸对PBG-PCF 损耗特性的影响  51-53
  4.4 空气柱形变对PBG-PCF 带隙和损耗特性的影响  53-56
    4.4.1 空气柱形变对PBG-PCF 带隙特性的影响  53-54
    4.4.2 空气柱形变对PBG-PCF 的损耗特性的影响  54-56
  4.5 空气柱缺失对PBG-PCF 带隙和损耗特性的影响  56-58
    4.5.1 空气柱缺失对PBG-PCF 的带隙特性的影响  56-57
    4.5.2 空气柱缺失对PBG-PCF 的损耗特性的影响  57-58
  4.6 空气柱错位对PBG-PCF 带隙和损耗特性  58-60
    4.6.1 空气柱错位对PBG-PCF 的带隙特性的影响  58-59
    4.6.2 空气柱错位对PBG-PCF 的损耗特性的影响  59-60
  4.7 包层晶格失配对PBG-PCF 带隙和损耗特性  60-62
    4.7.1 包层晶格失配对PBG-PCF 的带隙特性的影响  60-61
    4.7.2 包层晶格失配对PBG-PCF 的损耗特性的影响  61-62
  4.8 小结  62-64
第五章 红外光子晶体光纤的工艺制备及应用  64-70
  5.1 红外光子晶体光纤的工艺制备  64-66
  5.2 红外光子晶体光纤的应用  66-70
结束语  70-71
致谢  71-72
参考文献  72-76
硕士研究生期间发表的论文  76

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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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