光子晶体光纤的数值模拟

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1、1．3本论文的内容本文的内容主要有以下几点：1)介绍本论文研究的目的、意义及光子晶体光纤的国内外发展近况。2)系统地介绍了光子晶体光纤的分类、导光机理、特性、制备及其应用前景。3)简单介绍研究光子晶体光纤的理论研究模型，并对这些理论模型的优缺点作了比较，为大家研究光子晶体光纤的特性选择最佳模型提供参考。4)首先介绍了有限元法的基础知识。其次结合COMSOLMultiphys瓶介绍实现光子晶体光纤数值模拟的方法步骤，并用最常见的空气孔三角型排列的光子晶体光纤为例，详细地说明如何利用有限软件COMSOLMultiphys洒实现光子晶体光纤

2、数值模拟，并用该方法模拟计算和分析了空气孔正方形排列光子晶体光纤的特性参数并对其参数与三角形作了简单比较。最后又用该方法分析了类矩形芯光子晶体光纤的偏振特性。5)对全文做了小结，指出了文章的优点及局限，提出了今后工作的目标和方向。42。O引言第二章光子晶体光纤概述光子晶体【29，30】(photoniccrystal)最初由E．Yablonovitch和S．Jolul于1987年各自提出的，它是一种介电常数呈周期性分布，其变化周期是光波长的数量级，具有光子频率禁带的特殊光学材料。光子晶体光纤(photoIliccrystal肋ers，

3、简称PCF，又称多孔光纤或微结构光纤)【29-341，1992年首先由ST．J．Russell等人将光子晶体的概念引入到光纤中，提出了光子晶体光纤的概念，1996年在OFC会议上，英国Bath大学的J．C．Knigllt等学者作了关于PCF的报告，并由南安普敦大学的Knigllt等人首先制作成功。由于其区别于传统光纤而具有的无截止单模传输、可调节色散、高双折射、偏振控制、大的有效面积单模运转和小的有效面积高非线性等特性，成为当前国内外研究的一个热门课题并被预期可广泛的应用到通信、航空、微加工、空间、成像、生物、印刷、军事、医药、环境、

4、制造业、石化等科技领域。2．1光子晶体光纤的分类及导光原理2．1．1光子晶体光纤的分类光子晶体光纤是在石英光纤中沿轴向均匀排列着空气孔，从光纤端面看，存在周期性的二维结构，如果其中一个孔遭到破坏和缺失，则会出现缺陷，光将被限制在缺陷内传播。与普通单模光纤不同，PCF是由具有周期性排列空气孔的单一石英材料构成，又称为多孔光纤(holey6ber)或微结构光纤(micr0．stmCtured纳er)。光子晶体光纤按导光原理可分为：折射率引导型(全内反射型)光子晶体光纤，光子带隙型光子晶体光纤(简称光子带隙光纤)两种；按空气孔排布形状可分为

5、：三角(或六角)，蜂窝，正方，矩形，环形等结构的光子晶体光纤；按所用材料分可分为：石英光子晶体光纤，塑料光子晶体光纤，以及由其它材料组成的光子晶体光纤。52．1．2光子晶体光纤的导光原理光子带隙结构光子晶体光纤的规则品格结构内存在完全的光子带隙【5】，位于光子带隙区域内的那些频率的光波不能在这种晶体中传播，而被全部反射出去。为了导光必须引入一个缺陷，缺陷的尺度为波长量级。如图2．1中纤芯气孔缺失就会在带隙中出现频率极窄的缺陷态，光子带隙缺陷具有透光性，这样以此频率入射的光子只存在于缺陷区域，实现导光。图2．1光子晶体光纤截面(光子带隙

6、导光机制)利用光子带隙进行导光，光子能传播到光子晶体的所有层中去，由于多次散射和干涉，在满足布拉格条件时能形成波导。因此这种光子晶体光纤的导光机制是布拉格衍射【33】(见图2．2)劳马，图2．2布拉格光子晶体波导源自http：／／www．crysal—fibre．com改进的全内反射光子晶体光纤的导光机制与传统全内反射光纤相同。它的包层不存在光子带隙，这种光纤的低有效折射率包层与高折射率纤芯组成波导，形成改进的全内反射导光(如图2．3)：图2．3全内反射光子晶体光纤导光示意图2．2光子晶体光纤的特性2．2．1无截止单模传输【281根据

7、传统单模光纤截止频率的计算公式：y：竽(刀；一珂∥2(2_1)／L其中A为波长，a为芯半径，以。和行d分别为纤芯和包层的折射率。当V<2．405时，传统单模光纤才能维持单模运转。由于工艺等方面的原因，普通单模光的截至波长一般大于1胛。而在多孔光纤中，当光束近场分布的边缘扩展到纤芯附近的气孔区域，此时包层折射率是石英和空气按两者结构加权的平均。当波长减小时，光束截面随之收缩，从而逐渐脱离气孔区域，向石英芯区收拢。这就引起了有效折射率的增加，于是引起了芯区和包层之间的折射率差减小，从而使得更小的波长A也能满足V<2．405，使得单模传输的

8、波长区域得到拓宽。2．2．2大模场面积【351单模光子纤光晶体光纤不仅可以在近紫外到近红外提供全波段单模运转，而且允许把芯径做得很大。光子晶体光纤中传输模的数量不像传统光纤那样与芯半径与波长之比a／A有关，而是由气孔直径