基于结构和填充的光子晶体光纤色散分析开题报告

1. 研究目的与意义

背景：

在我们生活的这个世界,电子器件己经被广泛地应用于生产和生活的各个角落,加快了人类社会发展的脚步,使得人类生产生活的领域得到了极大的扩展,而我们也从中获得了巨大的便利。但是在进一步集成化、降低损耗和提高工作效率的趋势下,电子器件发展的脚步开始变得缓慢起来。由于光相对电有着诸多优点,比如光在介质材料中的传输速度和带宽都远远大于电子在金属中的传输速度和带宽等,人们逐渐把目光投向了光子领域,把光子作为信息载体传输、处理和存储信息。伴随着光子技术的迅速发展,超大容量光纤及低损耗、高效率的光电集成电路等光电技术必将对科技前进的脚步产生重大的影响。二十世纪电子领域内的半导体技术通过电子能带与带隙结构对电子和空穴增益性的控制,引发了电子信息技术改造世界的浪潮。与之惊人地相似,光子领域内也有与之对应的光子带隙材料—光子晶体。光子晶体的概念首先是由bell实验室的e.yablonovitch于1987年提出的,其结构为一个折射率沿截面周期性变化的物质,该截面结构周期在光波长量级范围内。它向人们展现出了一种全新的控制光子的机制,由光子晶体制成的器件可以自由地控制光的“流动”,就像半导体中的电子一样。光子晶体在光波导、波分复用器、无闽值激光器、压缩激光脉冲、光学开关、偏振片等方面显示出美好的应用前景。

然而光子晶体光纤的研究才刚刚起步，许多方而还不成熟，有许多问题尚待解决。首先，日前pcf 的损耗还比较高，虽然在理论上pcf 的损耗值可以降到低于普通单模光纤的水平，即在1550nm 处低于0.2db/km,但是目前pcf 的损耗水平被限制在了1db/km 左右或更高的水平上远高于普通单模光纤。因此光子晶体光纤在实际用于长距离光纤通信之前还有许多工艺上的问题必须解决。其次，由于pcf一些比较奇异的参数，使得它的耦合的方法与传统光纤有着极大的不同，并且pcf的尾端需要进行密封，否则由于毛细管效应，光纤会吸入液体或者气体。因此，在pcf 大规模使用之前，需要解决pcf 器件和普通单模光纤耦合的问题。最后，进一步发展描述pcf 的理论模型以精确预测pcf 的特性，对于pcf 技术的发展具有重要意义。总之，光子晶体光纤全新的结构和导光机制，优异的设计自由度给光纤通信及相关领域提供了一个广阔的发展平台，光子晶体光纤技术必将为光子技术带来深刻的变化。

2. 研究内容和预期目标

主要研究内容：

构建的主要结构模型，是空气孔以9*9矩阵排列的四方晶格，在八边形结构上微调获得。pcf 的总色散系数为材料色散系数和波导色散系数这两者的总和。首先考虑保持孔间距不变的情况下，空气孔直径变化对色散特性的影响。然后保持空气孔直径不变，改变孔间距，探究色散系数的变化。然后对结构模型进行填充不同折射率的填充物，主要以十字形和口字形的填充方式，来探究填充方式与填充物对色散系数的影响。

3. 研究的方法与步骤

研究方法：

采用有限元法对所提出的两种pcf结构进行模拟分析。有限元法在波导分析中被广泛应用。它将求解区域划分成若干小而离散化的区域,将每个区域的场函数用含有待定系数的试探解表示,利用变分原理将微分方程化为含有待定系数的代数方程,并结合边界条件求解。它对于处理光子晶体光纤内空气孔分布不规则的情况有着较大的优势。然后根据仿真结果讨论了结构参量、不同材料、两种填充方式对pcf色散系数的影响。

4. 参考文献

【1】张学典，陈 楠，聂富坤，逯兴莲，常 敏. 基于结构和填充的光子晶体光纤色散分析 .[j] 2018,41(1):200093.

【2】张志龙, 陈明阳, 关铁山, 于荣金 . 环形结构塑料光子晶体光纤色散特性分析. [j] 2005,25(3):066004.

【3】沈旷轶 ， 宁提纲. 基于光子晶体光纤的色散补偿和色散平坦技术 .[j] 2006:100044.

5. 计划与进度安排

2022-2 下达任务书

2022-3 查阅相关资料，熟悉基本理论，完成英文翻译，完成开题报告

2022-4 熟悉模拟计算工具，完成模拟计算，得出模拟结果