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光子晶体光纤研究

【摘要】:随着科技和社会的进步,人们对集成电路的微型化、高速化和稳定性提出了更高的要求,传统电子技术已不能满足发展的需要。为此,人们把目光投向了高速率、大容量、低损耗的光子系统。自1987 年光子晶体的概念产生以来,人们就希望通过光子晶体来实现对光子的控制,正如利用半导体来控制电子一样。本文首先从光子晶体的概念出发,详细阐述了光子晶体的特征。根据介电常数的空间周期分布,对光子晶体进行分类,并介绍了光子晶体的制作技术。结合光子晶体的特征,分析其在光通讯、光电子等领域的应用。 传统光纤由于结构和制作工艺的限制,具有较大的固有损耗和色散。光子晶体光纤相对传统光纤在结构和性能上具有显著的差别和优势,成为光学和光电子学领域的研究热点。通过引入光子晶体光纤的概念,分别介绍了光子带隙光纤(PBG-PCF)、全内反射光子晶体光纤(TIR-PCF)的结构及导光原理,阐述了两类光子晶体光纤的特点及应用,结合光子晶体光纤的发展概况,明确研究光子晶体光纤的现实意义。 由于光子晶体的实验制作难度较大,因此理论方面的模拟计算就显得格外重要。不仅为实验制作提供必要的依据和辅助,理论计算本身也是研究光子晶体的重要内容。因为光子晶体的复杂性,使得求解封闭的解析解不再可能,因而精确的数值计算,对光子晶体导光特性分析和结构参数设计都至关重要。本文分析了光子带隙的产生机制,进而阐明了PBG-PCF、TIR-PCF 各自不同的导光原理。介绍了各种计算光子能带及导光特性的数值方法,并分析这些方法的优缺点及适用对象。 在众多数值分析方法中,平面波展开法具有简单、可靠、高效的特点。阐述了平面波展开法的基本原理,并对其特征方程进行分析讨论。运用平面波展开法分别计算了PBG-PCF、TIR-PCF 的能带结构,并分析了光在其中的传播特性。大模场光子晶体光纤可以有效降低功率密度,减小非线形效应,具有广泛的应用。利用理论分析和模拟计算的结论,设计出大模场光子晶体光纤结构,并分析其传播特性。 光子晶体光纤是各类光子晶体中研究最多、应用最广的一种,其实验制作也具有较高的水平,目前已有商品出现。在对光子晶体光纤的理论分析和数值计算基础上,研究并改善其制作方式,分析其应用中面临的问题。

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