光子晶体光纤的传输特性研究.ppt

1、毕业论文题目，学生名称：专业班级指导人民教师：光子晶体光纤的传输特性研究，课题背景研究内容感谢论文的主要工作总结和展望(请喀呖声箭头选择内容)，课题背景，随着计算机的普及和网际网络的迅速发展，人们对信息的迅速传播和网络容量的要求与日俱增。 为了应对这种海量信息的高速传输和交换，光纤通信系统已经向超高速、超大容量、超长距离传输距离的方向发展，并向全光网络的方向发展。 随着WDM技术的广泛应用，作为光网络物理水平的光缆传输特性对下一代网络光通讯系统的性能有很大影响。 目前，光通讯系统的网络容量和联网性能受到传统光纤的损耗、色散和非线性效应限制和影响，人们开始寻求开发新一代光纤品种。 与以往的光纤相

2、比，光子晶体光纤(PCF )是将光子晶体结构导入光纤而形成的新光纤。 由于其具有无截止波长的单人模式特性、极低的理论损耗、可调色散、良好的非线性和高双折射特性等诸多特异特性，近年来PCF受到国内外的关注，近年来迅速成为光纤通讯、光纤传感和光电解老虎钳领域的研究热点。研究内容，1 .由气孔的不同结构进行的乐队间隙研究2.PCF的模态传输特性研究3.PCF的非线性传输的数值研究4.PCF的四波混合效应的波长变换研究，论文的主要工作，从光子晶体的概念对PCF的分类、特性和应用进行了简要叙述，目前用于PCF的特性分析本文介绍了计算PBG PCF乐队间隙的平面波法(PWM )、超点阵概念以及计算PBG

3、PCF波导色散和泄漏损耗的频率域有限差分法(FDFD )。 前一章从两种数值模拟方法的平面波法、频率域有限差分法的详细理论推导出了PCF乐队间隙计算理论。 实现基于频率域有限差分法的PCF色散特性传输特性分析。 在前期工作的基础上，采用分段傅里叶法，数值模拟了受高阶色散、高阶非线性效应影响飞秒激光脉冲光子晶体光纤传输特性和光谱演化状况，得到了新的结果。 用长25m的PCF研究分析了PCF四波混合效应的波长变换，得到了100nm的波长变换带宽和-20dB的最大变换效率。 概念光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber )，通过在二维光子晶体光纤的长度方向上产生缺陷，能够达到在垂直

4、长度方向上将上限光导向长度方向的目的。 2 .分类PCF根据导光机构分为全内反射型光子晶体光纤(TIR-PCF )和光子禁带型光子晶体光纤(PBG-PCF )两种。 TIR-PCF与以往的光纤的导光机构同样，该构造等效地使包层的等效折光率比芯的折光率低，以全内反射原理进行导光。 PBG-PCF包层的折光率具有规则的周期分布，利用光子禁带原理将乐队间隙中的光约束在核心上。 在PBG-PCF中，光主要在空气核心中传播，因此得到极低损失的可能性高。 3 .特性光子晶体光纤表现出优于传统光纤的特性，主要有： (1)没有截止的单人模式特性；(2)良好的色散特性和零色散调整；(3)非线性效应。 4 .目前

5、国内的研究形势近年来，我国对光子晶体光纤的研究十分重视。 例如，燕山高等院校在圆满完成1.5年“863”计划的特种光纤开发任务后，将同清华高等院校、天津高等院校、北京牌邮电高等院校、南开高等院校等部门联合起来，继续在新国“863”计划和“973”计划的大力支持下，由具有无序填充瓦斯气体线的石英光纤组成的聚焦式复合PC5.PCF的应用前景PCF的应用涉及通讯、航空、精细加工、空间、图像、生物、印刷、军事、压电石英药物、环境、制造业、石油化学等科学技术领域。 其中，在光通讯中的应用涉及高输出光纤传输、色散补偿、白光源、波长转换器、多芯光纤耦合器、脉冲成形器、长时间工作的化学传感器、模拟计程仪转换器

6、、高双折射陀螺光纤、压力和温度传感器等。 另外，PCF在飞秒激光技术领域的应用前景也不可估量。 1、平面波法平面波法(PWM )是计算目前最流行的光子晶体的乐队间隙结构的方法，该方法通过在逆格向量空间上以几个平面波重叠的形式展开电磁场，对电磁场充满的麦克斯韦方程组进行成本特征方程化，求解本征方程，获得可传播的光子固有频率，并且进一步平面波法的优点是在没有引入假定条件的情况下，可以正确地模拟PCF并且可以简单地进行预计程仪编程，这一缺点是在介电常数是频率的函数的情况下，没有确定的固有方程，计算过程也相当复杂和困难。 2 .频率域有限差分法频率域有限差分(finitedifferencefrequ

7、encydomain，FDFD )法作为主要的电磁场计算方法，通过将麦斯威尔的旋转方程变换为有限差分式，在直接时域反复求解。 通过建立时间上离散的差分方程，在相互交错的网格空间中交替计算电场和磁场。 将随时间变化的麦克斯韦方程组的时间轴旋转方程式的微分式直接变换为有限差分方程式。 利用Yee的空间网格、电磁场初始值和边界条件，可以直接得到方程的数值解. 由此，它可以用于研究诸如PCF中的色散、模式、非线性等各种问题。 FDFD方法利用有限差分原理，将麦克斯韦方程组分组为矩阵形式的特征方程，求解特征方程得到直接模式场分布和乐队格拉夫。 无论是差分方程还是边界条件，差分近似都比时域法简单方便，有限

8、差分法在不规则非均匀介质散射问题上具有广泛的适用性。 FDFD方法是简单的，因为其可以快速获得整个划分区域的场值而无需人为地细分总场值。 式中的Ui和Ki是由边界条件决定的系数矩阵，与1/Qi成比例的其值由以下公式得出：传统偏振光光纤(例如椭圆型和摇镜头达型偏振光光纤)的模双折射仅达到5x105水平，不能满足越来越发展的需要。 因此，探索新的高性能偏振光纤的趋势是必然的。 PCF在制作过程中能够灵活地设定包层的空气孔的大小和形状，因此能够得到高性能的偏振光纤。 将一对大空气孔导入长方形的PCF芯，去除大空气孔附近的四个小孔，调整包层的横、纵空气孔的间隔，形成具有不同顶角的三角形结构PCF。 这

9、种新结构PCF的熔覆层由两种不同尺寸的气孔组成，其结构残奥计定义如下：气孔横向间距； 三角构造顶角d2、d1包层中的大、小空气孔径n=1.45石英晶体的折光率。 图中右侧所示的灰度分布是取相对电容率后的值。 首先模拟了初始脉冲宽度100fs(Tp=60fs )、中心波长800nm、低输出(1kW )的飞秒激光光脉冲、纤芯直径2微米的光子晶体光纤中的传输状况。 由图5.2.1可知，在反常色散光子晶体光纤中，由于自调相运行作用，脉冲宽度压缩变窄，在=0.4时发生明显的核裂变现象，随着距离的延长，该分裂现象更加显着。 这主要是因为蓝移成分(图5.2.1中左侧的低强度孤子)比红移成分(对应右侧的强孤子

10、)快，蓝移成分比入射脉冲前进，其他成分延迟。 从图5.2.2明显可以看出，当传输距离短时，频谱出现不对称扩展，并协同作用高阶色散和高阶非线性效应，其频率分量在两个不同的方向上扩展。由于传输过程中能量也移动，脉冲宽度窄，所以频谱宽度非常宽，以脉冲的蓝移成分为吸引，以拉曼增益有效地放大同一脉冲的红移成分。 该过程在光子晶体光纤中继续进行，能量继续从蓝移成分向红移成分转变。 全光波长变换(AOWC )是波分多路复用(WDM )光网络中的重要技术，可以由若干非线性效应来实现。其中： 其中，基于四波混合效应的全光波长变换技术能够对信号的幅度、频率和相位严格透明，因此波长变换是一种极具吸引力的全光波长变换

11、方案，具有良好的发展前景。 影响四波混合(FWM )转换效率的因素是光纤的非线性系数、色散、双折射和光纤长度。 四波混合(FWM )是光纤的非线性效应，具体表示是当三种不同波长的光信号输入到云同步上的一条光纤时产生新波长的光。 光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber，PCF )比普通光纤的纤芯小，可以设计具有高非线性、平坦色散的PCF。 在四波混合效应中，PCF可以显着缩短光纤长度，扩大泵浦波的可调节范围，获得宽的变换带宽，大大改善波长变换的范围和性能。 通过、研究分析，用较短的非线性光子晶体光纤实现了波长变换，结果表明，用光子晶体光纤实现四波混合可以大大缩短光纤的长度，在

12、获得100 nm的变换带宽和-20 dB的最大变换效率的实验中， 由于在不需要调相运行的情况下抑制了受激的前置散射(stimulated brillo uin scattering )，所以空闲频率的带宽与光信号一样窄，通过与双信号单泵时的波长变换进行比较，当光信号功率低于四波混合阈值时， 信号之间的四波混合效果互不影响，因此适于制作多信号输入的宽带波长转换器，归纳总结和展望，利用MATLAB语言计程仪编程对不同结构PCF的传输特性进行了仿真分析。 主要内容如下：1.采用频率域的有限差分方法，实现了对不同结构光子晶体光纤有效折光率的分析. 2 .分析了所提出的新型高双折射PCF的模态特性。 (

13、1)发现通过设置适当的结构残奥仪表，PCF的模式双折射可以达到预定水平，比正常光纤的至少一个数量水平高；(2)双模的模式场分布与结构残奥仪表具有密切的关系，并且包层中的小气孔在云同步中，这种PCF具有灵活的色散特性，通过适当选择光纤的结构残奥计，可以得到正色散、负色散、零色散和超平坦色散的色散特性。 这种结构的PCF损耗特性低。 因此，这样的PCF可以用于制造具有适当色散或偏振特性的保偏光纤和相关联的光纤老虎钳。 3 .通过实验和计算，研究了PCF非线性传输数值和PCF四波混合效应的波长变换，取得了乐观的结果。 本课题在PCF传输特性的研究上取得了成果，但由于时间因素和实验条件的制约，想要真正地在这个博大而深的领域进入脚丫子，需要更加努力，进行更深层次的研究。 我相信不断的搜索和积累在PCF领域取得了更多的成果，PCF及其解老虎钳的优越特性也逐渐显现出来。 在今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。 报告结束了。 谢谢你了啊！ 啊！ 论文的主要工作从光子晶体的概念简要阐述了PCF的分类、特性及应用，分析了目前PCF特性分析使用的各种理论模拟方法的优缺点，并对PCF的应用前景进行了展望。本文介绍了计算PBG PCF乐队间隙的平面波法(PWM )、超点阵概念以及计算PBG PCF波导色散和泄漏损耗的频率域有限差分法