最新光子晶体光纤传输特性的研究教学讲义ppt.ppt

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1、光子晶体光纤传输特性的研究课题背景研究内容论文主要工作总结与展望致谢(请单击箭头选择内容)课题背景随着计算机的普及和互联网的迅速发展，人们对信息的快速传递和网络容量的需求量与日俱增。为了适应这种海量信息的高速传输与交换，光纤通信系统正朝着超高速、超大容量、超长传输距离的方向发展，并逐步向全光网络的方向演进。随着WDM技术的广泛应用，作为光网络物理层面的光纤光缆的传输特性将极大地影响下一代网络光通信系统的性能。目前，光通信系统的网络容量和网络性能受到传统光纤的损耗、色散和非线性效应的限制和影响，人们开始寻求研制新型换代的光纤品

2、种。与传统光纤相比，光子晶体光纤(PCF)是一种将光子晶体结构引入光纤中而形成的新型光纤。由于它具有很多奇异的特性，如无截止波长的单模特性、极低的理论损耗、可调的色散、良好的非线性及高双折射特性等，故近年来PCF引起了国内外广泛的关注，在近几年里迅速发展成为光纤通信、光纤传感和光电器件领域的一个研究热点。1.平面波法平面波法（PWM）是目前最流行的用来计算光子晶体带隙结构的方法，该方法通过将电磁场在倒格矢空间以若干个平面波叠加的形式展开，从而将电磁场满足的麦克斯韦方程组，化成本征方程，通过求解本征方程得到可传播的光子本征频率，进一步

3、由各k值点可传播的本征频率得到带隙结构。平面波法的优点是没有引入假设条件，可以精确模拟PCF，编程简单；缺点是当介电常数是频率的函数时，没有确定的本征方程，计算过程也相当复杂、困难。2.频域有限差分法频域有限差分(FiniteDifferenceFrequencyDomain，FDFD)法作为一种主要的电磁场计算方法，通过将麦克斯韦旋度方程转化为有限差分式而直接在时域进行迭代求解。通过建立时间离散的差分方程，在相互交织的网格空间中交替计算电场和磁场。它直接将随时间变化的麦克斯韦方程组中时域旋度方程的微分式转化为有限差分方程。利用Ye

4、e氏空间网格及电磁场的初值和边界条件，可以直接得到方程的数值解。因此可用来研究PCF中的各种问题，包括色散，模式和非线性等。FDFD法利用有限差分原理，将麦克斯韦方程组化为矩阵形式的特征方程，通过求解特征方程直接得到模场分布和能带图。无论是差分方程还是边界条件的差分近似都较时域法简单、方便，同时有限差分法对不规则非均匀介质的散射问题有广泛的适用性。用FDFD法可快速得到整个剖分域中的场值，而不必人为细分总场值，因而简单易行。式中Ui和Ki为由边界条件确定的系数矩阵，且与1/Qi成正比；其值可以由下式得出：传统的保偏光纤(如椭圆型和熊

5、猫型保偏光纤)的模式双折射仅能达到5x105量级，已经不能满足日益发展的需求。因此，探索新型的高性能保偏光纤势在必然。由于PCF在制作过程中可以灵活设置包层空气孔大小和形状，这为获得高性能保偏光纤提供了可能。通过在类矩形PCF纤芯中引入一对大空气孔，去掉大空气孔附近的四个小孔，并调整包层的横、纵向空气孔间距，便形成一种具有不同顶角的三角结构PCF。这种新结构PCF的包层由两种不同尺寸的空气孔构成，其结构参数定义如下：Λ——空气孔横向间距；θ——三角结构顶角；d2，d1——包层中的大、小空气孔直径；n=1.45——石英晶体折射率。图中

6、右侧所示灰度分布为相对介电常数取值。首先模拟初始脉宽100fs(Tp=60fs)，中心波长800nm、功率较低(1kW)的飞秒激光光脉冲，在纤芯直径2微米的光子晶体光纤中的传输情况。由图5.2.1可以看出，在反常色散光子晶体光纤中，自相位调制作用使脉冲宽度压缩变窄，在ξ=0.4处已经发生明显的裂变现象，随着距离增加，这种分裂现象愈加明显。这主要是由于蓝移分量(图5.2.1中左侧的低强度孤子)较红移分量(相应右侧强孤子)传输的快，和入射脉冲相比，蓝移分量超前，其他分量被延迟造成的。从图5.2.2可见，传输距离很短时，光谱便出现非对称展

7、宽，这是由于高阶色散、高阶非线性效应共同作用的结果，其频率成分向两个不同方向扩展。在传输过程中，能量也发生了转移，由于脉宽很窄，所以其谱宽非常宽，使得脉冲的蓝移分量作为抽运，通过拉曼增益有效地放大同一脉冲的红移分量。此过程在光子晶体光纤中继续进行，致使能量不断从蓝移分量转移到红移分量上。全光波长转换(All-0pticalWavelengthConversion，AOWC)是波分复用(WavelengthDivisionMultiplex，WDM)光网络的一项关键技术，可以通过几种非线性效应来实现，其中基于四波混频效应的全光波长转换

8、技术能够对信号的幅度、频率和相位严格透明，故可以使波长转换与信号的形式无关，是一种极具吸引力的全光波长转换方案，具有良好的发展前景。影响四波混频(FourwaveMixing，FWM)转换效率的主要因素是光纤的非线性系数、色散、双折射