BRAGG光纤标量有限元法分析

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1、东南大学硕士学位论文Bragg光纤标量有限元法分析姓名：俞熹申请学位级别：硕士专业：物理电子学指导教师：孙小菡20080401摘要自二十世纪七十年代初低损耗通信用石英光纤诞生以来，光纤光缆已成为信息高速公路基础设施的关键部件，且其应用不断拓展至航空航天、军事、工业、医疗和传感等其它领域。传统光纤已无法满足各类需求，必须研制具有特殊性能的新型光纤。Bragg光纤是近年来诞生的新型光子晶体光纤，具有独特的传输与非线性光学性能，已成为目前研究热点。本文从实现Bragg光纤优化设计的目标出发，通过研究有限元法和传输矩阵法，分析Bragg光纤模式、带隙以

2、及色散等特征，以期获得该光纤结构参数与性能的关系，具有重要的理论与实际意义。本文第一章回顾了光子晶体光纤的发展历程，重点介绍了Bragg光纤的基本概念、特性以及研究现状等，概述了Bragg光纤的理论研究方法和制备技术。第二章建立了有限元法和传输矩阵法分析模型。从麦克斯韦方程出发，推导了光波导全矢量、半矢量和标量波动方程，采用变分法和伽辽金加权余量法，建立了光波导标量有限元模式分析离散化模型。推导了光波导传输矩阵方程，建立了简化的光子带隙传输矩阵分析模型。两种模型的结果均与已公开发表的结果一致，具有较高精度。这些数值分析模型为后续研究工作奠定了理

3、论基础。第三章给出了本课题组自主编写的光波导有限元法分析平台。该平台分为人机界面、数据处理、光波导分析以及数据库四个模块。以VB编写了前台用户界面，MATLAB作为后台服务器，基于DDE动态数据交换技术建立了入机界面与服务器间的实时连接。光波导标量有限元法模场分析模块、传输矩阵法带隙分析模块已嵌入该平台，为进一步分析光波导提供了有用的工具。第四章分析了空芯Bragg光纤，得到了折射率分布、包层层数以及填充率的变化与带隙、透射率及模场间的关系，为进一步优化设计Bragg光纤提供了有效的结果。关键词：光子带隙Bragg光纤模式分析标量有限元法传输矩

4、阵法AbstractSincelowlosssiliconopticalfiberwasinventedintheearly1970s，opticalfibershavebeenoneofthekeypartsincommunicationsystems．Withthedevelopmentoffiberopticsandrelativetechnologies，theopticalfibershavebeenwidelyusedinvariousotherfields，suchasaviation，spacetechnology,milita

5、ryservice．civilindustry,medicineandsensors．AsconventionalopticalfibersarebecominginadequatetOmeettheever-growingdemandsfortransmissioncapacityandvelocity,variousnovelopticalfiberswithspecialcharacteristicshavebeendeveloped．TheBraggfiber,akindofnovelopticalcrysmlfiberwithitsu

6、niquecharacteristicsintransmissionandnon·linearity,hasattractedgreatinterestsaroundtheworld．Inthispaper,aninvestigationismadeonthecharacteristicsofthemode，bandgapanddispersionoftheBraggfiber，byusingfiniteelementmethod(FEM)andtransfermatrixmethod(TMM)．nerelationshipsbetweenth

7、eperformancesoftheBraggfiberanditsgeometricalparametersarealsoobtained．TheresultsareofgreatsignificanceinthedesignoftheBraggfiber．InthefirstchapteLanoverallintroductionofphotoniccrystalfiber(PCF)isgiven．Detailedknowledgeisprovidedontheconcepts，charaeteristiesandlatestprogres

8、sofBraggfiber．AndthetheoriesandmethodsofstudyandfabricationsforBraggfiberal