基于通信的微结构光纤设计和分析-毕业论文网

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目录

1引言 1

1.1 微结构光纤概述 1

1.2 微结构光纤的特点 2

1.3 基于通信的微结构光纤研究进展 3

1.4 本文的研究内容 4

2理论基础 5

2.1 微结构光纤的计算方法 5

2.2 色散理论和色散补偿 7

3双层芯微结构光纤色散特性分析 8

3.1 色散特性与空气孔直径d的关系 8

3.2 色散特性与光子晶体晶格常数Λ的关系 9

3.3 色散特性与光纤包层空气孔层数的关系 11

3.4 色散特性与光纤包层内侧缺失空气孔层数N的关系 12

3.4 本章小结.........................................................................................................................14

4基于通信的微结构光纤设计 14

4.1 双层芯色散补偿微结构光纤 14

4.2 宽带平坦色散补偿微结构光纤 18

4.3 本章小结....................................................................................................................... 20

5总结 20

参考文献 21

致谢 22

基于通信的微结构光纤设计和分析

符荣峰

，China

Abstract: Microstructure fiber has attracted more and more attention because of its characteristics and advantages, and has made great contributions to communication, sensing, optoelectronic devices and other fields. Based on the applicational requirement of optical communication, in this paper the classification, characteristics and application of microstructure fiber are introduced, and research works on dispersion compensation of MF are summarized . Moreover, calculation methods are described and compared. By means of finite element analysis, the transmission characteristics of microstructure optical fiber with air holes in hexagonal arrangement are theoretically studied, and the influence of structural parameters on the dispersion characteristics is calculated. On this basis, the compensation fiber with high negative dispersion value in the communication band is designed by optimizing the fiber parameters. In addition, a compensation fiber with broadband flat dispersion in communication band is designed for DWDM system.

Key words: Microstructure fiber, dispersion compensation, effective mode refractive index, dispersion parameters.

1引言

1.1 微结构光纤概述

光子晶体光纤（PCF）在20世纪70年代自得到环形光纤的认识以来，就引起了人们的广泛研究，它的种类在不断地研究中也变得多样化。光子晶体光纤因其结构被称为多孔微结构光纤，人们可以按照需要通过设计空气孔大小和排列方式来得到。在石英光纤的内部空气孔的排列非常均匀，看光纤的横截面，其二维结构存在周期性.

光子晶体研究早已是光电子研究中的热门方向,光子晶体光纤的种类有两种:一种是由全内反射导光、纤芯由纯硅填充修正的全内反射型(TIR)，见图1，这种光纤它的结构与普通光纤相似，相异的是它的包层是多孔的。纤芯是实心的，因为包层空气孔排列方式的特征，折射率就会成渐变分布，纤芯和包层形成了折射率差，满足了全反射条件，因此，光只能在纤芯中传输。另一种纤芯是由一个空气孔构成，利用微结构形成的光子带隙，由布拉格衍射机制来导光的光子带隙波导型(PBG) ,见图2。由于纤芯空气孔的折射率比包层的低，达不成全反射条件。它利用包层的布拉格衍射让光只能在纤芯中传播。此原理被叫做光子带隙型导光机制。

图1 全内反射型图2 光子带隙波导型

目前对微结构光纤的研究在国内外如火如荼地展开。在2003年的国际光纤通信会议OFC)上,H.E bendorff-Heidepriem等人报道了一种氧化铋玻璃PCF。2016年，Russel Reza Mahmud等人对一种新型硅基光子晶体光纤的数值设计和性能进行了分析。设计实现了超负的负电荷色散（UNCD）。在光学窗口中，涉及红外(IF)部分中O到U波段的第2和第3波段。通过有限单元法(FEM)，利用一个圆形的完全匹配层(PML)边界来观察其导引特性。该设计适合于剩余色散补偿(Rdc)的应用，因为它允许负色散(ND)和极低的频散变化(OD)。2018年，Wei Wang， Yuwei Qu等人提出了一种具有全固态结构和低指标差的新型宽频双同心核心消光光子晶体光(DCC-DCPCF)。通过分析kappa值对色散补偿行为的影响，发现其kappa曲线与目标频带内的补偿光纤相交两倍的DCC-DCPCF最适合超宽带色散补偿。通过调整两个kappa匹配波长的位置和区间，可以很容易地控制DCC-DCPCF的带宽。根据宽带DCC-DCPCF的设计过程，设计了一种全固态DCC-DCPCF，用于补偿整个S C波段的康宁SMF28光纤的累积色散。用折射率di实现了−183到−281 ps/(Nm Km)在S C波段的负色散。材料与圆柱夹杂物之间的差值不超过0.03。数值结果表明，DCC-DCPCF可以进行补偿。

微结构光纤是一个新兴的活跃的研究领域，其导光机制与优异的设计自由程度，全新的结构提供给光纤通信、光传输和光纤器件方面一个广阔的发展空间，随着光子晶体光纤技术的发展，光子技术一定会而产生重大的变化。

1.2 微结构光纤的特点

微结构光纤因为其独特的结构，使其展现出了很多独特的性质。比如在可控色度色散特性、强非线性、大范围单模、模场可调、双折射效应等方面。

可控色度色散特性

色散在光子晶体光纤中占据非常重要的位置。因为组成成分的差异，在色散的影响下，信号的传输速率会不尽相同，在信号的尾端会彼此影响，这让信号的分辨变得很困难。在单一模式下，光纤总色散由两部分构成：材料色散和波导色散。

在传统光纤中，因为光纤材料的掺杂，材料色散占主要地位。因为PCF材料构成单一，而且包层空气孔的存在，纤芯基模的有效折射率和包层相比差别会变得很大，这个时候，PCF与传统光纤就正好相反，总色散主要由波导色散影响，材料色散的影响就可以忽略不计。因为波导色散的灵活特性，我们可以通过精心设计光纤结构，改变空气孔大小和周期来控制波导色散，获得期望的色散区间。

强非线性效应

光纤的非线性效应有三次谐波、四波混频、交叉相位调制、受激拉曼散射、及受激布里渊散射等。传统的非线性光学材料只解决了在高功率密度激光的作用下产生的光学非线性效应，然而非线性相互作用的距离极短。原始光纤的非线性光学介质的相互作用距离扩展到几十米，但光纤色散导致光功率密度的减小和光脉冲宽度的减小。PCF不仅能保持激光的相互作用长度，还能保持恒定的激光高功率密度和脉冲宽度，使其成为最完美的非线性光学介质。为了极大地提高光纤的非线性效应，可用于降低光子晶体光纤的纤芯面积。如果PCF移动到常用的混合钛蓝宝石飞秒激光器中，在波长800 nm附近工作，在光子晶体中传输，飞秒激光产生超短脉冲可以保持高峰值功率，从而产生非常丰富的非线性效应。