填充磁流体光子晶体光纤传输特性与应用研究

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1、分类号：密级：UDC：编号：河北工业大学硕士学位论文填充磁流体光子晶体光纤传输特性与应用研究论文作者：刘帆学生类别：全日制学科门类：工科学科专业：电磁场与微波技术指导教师：刘剑飞职称：教授资助基金项目：河北省自然科学青年基金(F2014202036，F2015202331)、河北省高层次人才资助项目(C2013001048，C2013001048)、天津市自然科学基金(No.15JCYBJC17000).DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeo

2、fElectromagneticFieldandMicrowaveTechnologyCharacteristicsandApplicationInvestigationonMagneticFluidInfusedPhotonicCrystalFibersbyLiuFanSupervisor:Prof.LiuJianfeiMarch2016ThisworkwassupportedbytheScienceFoundationfortheYouthofHebeiProvince(F2014202036，F2015202331),theHigh-

3、levelTalentsProgramofHebeiProvince(C2013001048，C2013001048),theScienceFoundationofTianjinProvince(No.15JCYBJC17000).摘要光子晶体光纤PCF（PhotonicCrystalFiber）是一种新型光纤，通常由单一介质构成，其微结构包层由沿光纤方向均匀分布的波长量级的空气孔构成,包层结构的灵活设计，使其具有很多优异的光学特性，如无截止单模传输特性、高非线性、高双折射、可调的色散特性；在PCF包层空气孔中填充可调谐的功能材料，改变温度

4、，电磁，应力等外部条件，实现对PCF光学特性的调谐和控制，基于光子晶体光纤填充设计的新型光学器件具有结构简单，体积小，高灵敏性等特点；磁流体MF（Magneticfluid）即磁性流体，它是一种光学特性随外加磁场变化而变化的新型纳米材料，它既有固体的磁性，又具有液体的流动性，易于填充；将光子晶体光纤与磁流体相结合，设计了可调谐光学器件。本论文在光子晶体光纤空气孔中填充磁流体，利用COMSOL软件模拟仿真了其光学特性和填充特性，然后对其应用进行了研究，具体内容如下：首先，介绍了光子晶体光纤的概念,发展背景,结构特点和独特的光学性质，给出了有限

5、元法分析光子晶体光纤的基本方法，介绍了磁流体光学特性，为下一步的数值模拟奠定了理论基础。其次，分析比较了圆孔PCF和椭圆孔PCF两类光子晶体光纤的特性情况，包括模式特性，损耗特性和色散特性；研究了填充磁流体之后两类光子晶体光纤特性变化情况，包括其模式特性和损耗特性，重点比较了两类PCF填充磁流体损耗灵敏度的情况。仿真结果表明，填充磁流体使光子晶体光纤模式有效折射率增大，模场面积增大，损耗增加；椭圆孔PCF中磁流体折射率改变引起的损耗灵敏度约为圆孔PCF的4倍；最后，分析了椭圆孔PCF光学特性，对基于磁流体填充的光子晶体光纤在光纤传感和光纤调

6、制方面的应用进行了研究。光纤传感方面研究了其传感原理，系统设计和温度特性分析；光纤调制方面研究了将其设计成马赫-增德尔干涉仪应用于光调制的原理和其调制特性。仿真结果表明，磁流体填充的椭圆空气孔PCF的温度灵敏度为-0.279dB/℃，磁场灵敏度为0.0346dB/Oe。关键词：光子晶体光纤磁流体有限元方法模式特性限制损耗ABSTRACTPhotoniccrystalfiberisanewtypeoffiber.Thisfiberisformedusuallybyasinglemedium.Themicro-structuredcladdin

7、gcloselyarrangedinafiberdirectionofthesamewavelengthoftheorderofairholes;Becauseofflexibledesigningforthecladdingstructure,ithasalotofexcellentopticalproperties,suchasendlesssingle-modeguiding,highnonlinear,highbirefringence,tailorablechromaticdispersion.Theopticalproperti

8、esofPCFfilledwithfunctionalmaterialscanbecontrolwhentheenvironmentischanging.Thenovelopti