光子晶体光纤传输特性数值模拟与高双折射结构分析

"光子晶体光纤传输特性的数值模拟分析，主要通过COMSOL软件进行仿真，作者张晓娟，硕士研究生，导师赵建林，专业光学。本文详细探讨了光子晶体光纤（PCF）的各种独特特性，如无截止波长的单模传输、低损耗、可调节色散和高非线性等，并使用了平面波法和频域有限差分法（FDTD）进行数值模拟。" 光子晶体光纤（PCF）是光纤技术中的一个重要研究方向，它利用光子晶体结构来调控光的传播。光子晶体由周期性排列的材料和空隙组成，能够产生光子带隙，即阻止某些特定频率光的传播。PCF因其独特的光学性质，如无截止波长的单模传输能力，意味着它可以支持宽范围的波长而不会发生模式转换，这在光纤通信中具有重要意义。此外，PCF的低理论损耗使其在长距离传输中具有潜在优势，而可调的色散特性则有助于解决光纤通信中的色散问题。 论文首先运用平面波法，结合布洛赫定理，分析了二维正方形和三角形晶格光子晶体的光子带隙和光场分布。这种方法可以揭示不同入射角度下的光传播特性，对于理解和设计PCF的光学性能至关重要。 其次，建立了基于频域有限差分法的PCF模拟分析程序，对商业化的LM-A-20型大模场PCF和带隙型PCF进行了模拟。计算内容涵盖了模场分布、截止特性、模场半径、数值孔径和模场有效面积等关键参数，结果与实验数据吻合良好，证明了模拟方法的有效性。 接着，论文提出了一种新的高双折射PCF结构。通过调整PCF的纤芯和包层设计，实现了更高效的双折射效应，使得该PCF的双折射率相比传统光纤显著提高。这种光纤可以在宽波长范围内保持单模传输，同时具备低限制损耗，这对于光束偏振控制和高速光通信有重要价值。 最后，作者使用MATLAB开发了软件图形用户界面，初步构建了用于分析PCF传输特性的工具，这为未来的研究和应用提供了便利。 关键词涵盖光子晶体光纤，光子带隙，平面波分析，频域有限差分法，以及高双折射，这些是理解光子晶体光纤传输特性的核心概念和技术手段。通过这些深入的数值模拟和分析，本文为优化PCF设计和提高光纤通信性能提供了理论基础和实用工具。