【正文】 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于光子晶體光纖的雙錐型耦合器理論模型的研究燕山大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書學(xué)院：里仁學(xué)院 系級教學(xué)單位：電子工程系 學(xué)號學(xué)生姓名電子科學(xué)與技術(shù)2班題目題目名稱基于光子晶體光纖的雙錐型耦合器理論模型的研究題目性質(zhì)：工程設(shè)計(jì) （ ）；工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究型（ ）；理論研究型（ √ ）；計(jì)算機(jī)軟件型（ ）；綜合型（ ）（ ）；（ ）；（ ）題目類型（√ ） （ ）題目來源科研課題（ √ ） 生產(chǎn)實(shí)際（ ）自選題目（ ） 主要內(nèi)容(1)了解有限元軟件和光子晶體光纖的相關(guān)知識；(2)學(xué)習(xí)倏逝場理論知識，重點(diǎn)學(xué)習(xí)耦合模理論；(3)分析PCF錐區(qū)的光學(xué)特性，包括色散、模式、能量傳輸?shù)葘渴挪詈系挠? 響，從而獲得錐區(qū)倏逝波傳輸與能量分配之間的關(guān)系，進(jìn)而建立PCF錐區(qū)倏逝波耦合傳輸?shù)睦碚撃Ｐ停?4)利用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)仿真；(5)根據(jù)以上內(nèi)容完成論文；基本要求(1)學(xué)習(xí)有限元軟件、光子晶體光纖耦合模理論的相關(guān)知識；(2)利用有限元軟件對主演內(nèi)容中的(3)進(jìn)行仿真研究；(4)完成相關(guān)英語論文的翻譯；參考資料[1]光纖光學(xué) 清華大學(xué)出版社[2]光纖技術(shù)及應(yīng)用 華中科技出版社[3]光纖光學(xué)原理及應(yīng)用 南開大學(xué)出版社周 次第1 ～4 周第5 ～8周第 9～12周第13 ～16 周第17 ～18周應(yīng)完成的內(nèi)容課題準(zhǔn)備查閱資料篩選信息理論分析模擬計(jì)算仿真研究數(shù)據(jù)整理、歸納完成論文準(zhǔn)備答辯指導(dǎo)教師：職稱：講師 2011年 3 月 6 日系級教學(xué)單位審批： 年 月 日摘要光子晶體光纖具有傳統(tǒng)光纖所無法比擬的特性，是近幾年光纖領(lǐng)域研究的一個(gè)新熱點(diǎn)，分析它的傳輸特性越來越重要。光子晶體光纖倏逝波傳感器是近年來光纖倏逝波傳感器的一個(gè)重要方向，光子晶體光纖的特殊的導(dǎo)光機(jī)制和模式特性使得它具有許多傳統(tǒng)光纖倏逝傳感器不具備的優(yōu)點(diǎn)。因此對光子晶體光纖倏逝波傳感器的傳感特性的研究具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價(jià)值。從麥克斯韋方程出發(fā)，運(yùn)用有限元方法研究全內(nèi)反射光子晶體光纖的一些特性，在考慮純石英材料自身色散的前提下計(jì)算光子晶體光纖模場分布，基模有效折射率，有效面積等參數(shù)。結(jié)果表明，隨著空氣孔占空比的增加，模式折射率和有效面積逐漸減小；合理設(shè)計(jì)光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)全波段內(nèi)單模傳輸。在此基礎(chǔ)上，本文對錐體光子晶體光纖進(jìn)行了研究，并給出其模場分布，為光子晶體光纖器件的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。關(guān)鍵詞　光子晶體光纖；模場分布；錐體光纖；倏逝波AbstractCompared with conventional fiber, photonic crystal fiber (PCF) has unparalleled characteristics and has bee a new trend in optical fiber research fields. Urgent analysis of the transmission characteristics of this photonic crystal fiber is needed. PCF evanescent wave sensor is the important research direction of fiberevanescent wave sensor, PCF has special guiding system and model characteristics which make it have a lot of advantages that traditional fiberevanescent wave sensor do not have ,so the researches in the PCFevanescent wave sensor have great scientific and application significance.Based on Maxwell equations and use of the finite element method (FEM), the behaviors of photonic crystal fiber were investigated. Furthermore, the parameters including model field distribution, effective refractive index of fundamental mode and effective area. Results suggest that mode index and effective area decrease with the increase of the air post radius and single model fullband transmitting can be fulfilled if the structure parameters of optic fibers are appropriately designed. With the aid of the research results achieved, he tapered photonic crystal fibers was studied in this paper. In addition, the relevant model field distribution has been obtained, which provides the referential background of the designation of the ponents of photonic crystal fiber.Keywords Photonic crystal fibers。 Modal field analysis。 Tapered optical fiber。 Evanescent wave目 錄摘要 IAbstract II第1章 緒論 1 課題背景及意義 1 光子晶體光纖的概論 2 光纖倏逝波傳感器的研究 4第2章 光子晶體的研究方法 6 光子晶體光纖的波動方程 6 有限元法的基本步驟及特點(diǎn) 8 軟件的基本介紹 10第3章 光子晶體光纖特性參數(shù)的數(shù)值模擬 11 光子晶體光纖的結(jié)構(gòu) 11 光子晶體光纖的導(dǎo)光特性的數(shù)值分析 12 基模的模場分布 12 基模的有效折射率 13 基模的有效模場面積 15第4章 光子晶體光纖光錐的基模特性的研究 17 18 有效模場面積 19 色散 21第5章 光子晶體光纖倏逝波傳感的特性研究 24 倏逝波傳感的原理 24 倏逝波傳感的原理 24 倏逝波傳感的主要方式 25 基于倏逝波吸收傳感的相對靈敏度 26 基于PCF的倏逝波傳感器的相對靈敏度的數(shù)值分析 27 占空比對于倏逝場的相對靈敏度的影響 28 纖芯對于倏逝場的相對靈敏度的影響 30結(jié)論 34參考文獻(xiàn) 35致謝 38附錄1 開題報(bào)告 39附錄2 文獻(xiàn)綜述 43附錄3 中期報(bào)告 47附錄4 外文翻譯 51第1章 緒論 課題背景及意義光纖耦合器是一種用于傳送和分配光信號的光纖無源器件。是光纖系中使用最多的光無源器件，在光纖通信及光纖傳感領(lǐng)域有著舉足輕重的地位，如：利用其非線性效應(yīng)可以制作全關(guān)開關(guān)，可用于制作光纖傳感器等。光纖耦合器可分為標(biāo)準(zhǔn)耦合器(雙分支，單位12，亦即將光訊號分成兩個(gè)功率)、星狀/樹狀耦合器、波分復(fù)用(WDM，若波長屬高密度分出，即波長間距窄，則屬于DWDM)，其制作方法一般有拋磨法、熔錐法和腐蝕法。光子晶體光纖(photonic crystal fibers,PCF)最早由Russell等人于1992年提出[1]， 光子晶體光纖通常由石英或聚合物和空氣孔構(gòu)成，在光纖的截面上空氣孔成周期性排列，沿光纖的軸向不變，光纖的纖芯由缺失空氣孔或引入一個(gè)不同形狀的空氣孔形成。獨(dú)特的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，靈活的制作方法，使得PCF與常規(guī)光纖相比具有許多奇異的特性，有效地?cái)U(kuò)展和增加了光纖的應(yīng)用領(lǐng)域。它的性能研究和應(yīng)用開發(fā)一直以來也是國際光電子行業(yè)的熱點(diǎn)。光纖倏逝波傳感器是一直以來光學(xué)傳感器研究熱點(diǎn)之一。光纖倏逝波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、性價(jià)比高和可遠(yuǎn)距離分析的優(yōu)點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)、食品檢測、環(huán)境檢測和生化戰(zhàn)劑探測方面有廣泛的應(yīng)用前景。光子晶體光纖倏逝波傳感器是光子晶體光纖傳感器研究的一個(gè)重要向。光子晶體光纖倏逝波傳感器克服了傳統(tǒng)光纖舒適波傳感器的很多缺點(diǎn)，比如，傳統(tǒng)光纖倏逝波傳感器對于光纖探頭有極高的加工工藝的要求，光子晶體光纖倏逝波傳感器的探頭不用對光子晶體光纖本身進(jìn)行處理；同時(shí)由于傳統(tǒng)光纖舒適波傳感器探頭都是利用光纖纖芯，因而光纖探頭易損壞，不能制造的太長，而光子晶體光纖倏逝波傳感器的探頭相對更為可靠，探頭的長度不受限制。光子晶體光纖倏逝波傳感器還具有獨(dú)特的優(yōu)勢，一是光子晶體光纖的空氣孔中的非常少量的氣體或液體可以與光纖中傳播的光波在很長的距離上進(jìn)行相互作用；二是可以通過改變包括空氣孔數(shù)量在內(nèi)的某些結(jié)構(gòu)參數(shù)來提高設(shè)計(jì)的靈活性。因此光子晶體光纖倏逝波傳感器在生化傳感方面具有廣泛的應(yīng)用前景。 光子晶體光纖的概論 光子晶體光纖又名微結(jié)構(gòu)光纖(Micostructured optical fiber，MOF)或多孔光纖(Holey fiber，HF)，根據(jù)傳導(dǎo)機(jī)制的不同，光子晶體光纖可以分為折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖(Index Guiding PCF)和光子帶隙型光子晶體光纖。折射率引導(dǎo)型光子晶體光纖又被稱為全內(nèi)反射光子晶體光纖，纖芯由缺失空氣孔形成，纖芯的折射率比包層的折射率高。它的導(dǎo)光機(jī)理可以用類似于傳統(tǒng)的階躍型光纖的全內(nèi)反射的理論來解釋。光子帶薪型光子晶體光纖一般是空芯光子晶體光纖，纖芯由引入一個(gè)與包層空氣孔形狀不同的空氣孔形成?？招竟庾訋豆饫w利用包層空氣孔形成的光子帶隙把光束縛在纖芯中傳輸。 圖11 不同結(jié)構(gòu)的光子晶體光纖[2]通過控制的包層空氣孔的排列和大小，可以實(shí)現(xiàn)不同的光傳輸特性，如極寬譜帶內(nèi)的單模傳輸、靈活可調(diào)的色散特性、強(qiáng)烈的非線性效應(yīng)[3,4]等，光子晶體光纖的具有的特性突破了傳統(tǒng)的光纖光學(xué)的局限，拓寬了光纖的應(yīng)用范圍。光子晶體光纖的優(yōu)越特性顯示出了巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V泛的應(yīng)用前景?，F(xiàn)在光子晶體光纖已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于光纖通信、光纖傳感、光電子學(xué)和光纖非線性光學(xué)等領(lǐng)域的前沿研究。如在超連續(xù)譜的產(chǎn)生、波長轉(zhuǎn)換、可調(diào)諧濾波器、光開關(guān)、高功率光纖激光器、高功率傳輸、參量放大、光纖傳感等方面的應(yīng)用。隨著對于光子晶體光纖的理論研究的進(jìn)一步深入和光子晶體光纖制造工藝的進(jìn)一步改善，它的種種優(yōu)越的特性將會有更加廣泛的和深入的應(yīng)用。光子晶體的研究成果：1996年，英國南安普頓大學(xué)光電研究中心和丹麥技術(shù)大學(xué)電磁系首先成功制備出PCF。2001年，英國Bath大學(xué)Wads worth等人實(shí)現(xiàn)了雙包層光子晶體光纖結(jié)構(gòu)。2002年，日本Norihiko等人以鎖模摻Er3+光纖激光器為泵浦源，結(jié)合周期極化LiNb03，~。2003年1月，Wads Worth等人利用大模面積空氣包層PCF研制的高功率PCF激光器。2004年，Blaze曾發(fā)布了一款新型PCF，可產(chǎn)生超連續(xù)光譜，這種光譜可在單模光纖中產(chǎn)生一個(gè)寬帶輸出，光譜亮度超過太陽10000倍。2005年，英國Bath大學(xué)A. Ortigosa和Blanch等人用200fs的泵浦脈沖在PCF中產(chǎn)生了超連續(xù)譜。2006年，澳大利亞悉尼大學(xué)的A. Argyros等人拉制出了聚合物材料的空氣傳導(dǎo)光子帶隙光纖。2007年，張明明、馬秀榮等人設(shè)計(jì)了一種高雙折射光子晶體光纖。2008年，；。隨著光纖器件的發(fā)展，對光纖提出了更高的要求，具有特殊結(jié)構(gòu)的光纖在光通信和光探測、傳感等領(lǐng)域起著越來越重要的作用。錐型光子晶體光纖(Tapered Photonic Crystal Fiber, TPCF)是將常規(guī)PCF受熱拉伸而成，在最近幾年引起了人們的熱切關(guān)注，其獨(dú)特的錐體結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性， 在許多方面有著潛在的應(yīng)用， 如模式轉(zhuǎn)換器、倏逝場傳感器、飛秒可見光脈沖、超連續(xù)譜源等。在TPCF的研究工作中， 他們研究了TPCF的拉制、傳輸和損耗特性，并通過控制拉錐過程中空氣孔的塌陷控制倏逝場[5]。P .Falk等研究了在TPCF中超連續(xù)譜的產(chǎn)生， 指出了錐體結(jié)構(gòu)參數(shù)和泵浦功率對超連續(xù)譜的影響[6]。對TPCF 的一系列的研究和應(yīng)用， 將會促進(jìn)光器件的小型化和集成化，并促使新型光器件的產(chǎn)生。TPCF錐區(qū)的光學(xué)特性的研究對于TPCF的應(yīng)用至關(guān)重要。 光纖倏逝波傳感器的研究傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，它通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件及相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)與電子線路所組成[7,8]。傳感器是一種獲取與處理信息的裝置，是構(gòu)成信息系統(tǒng)、自動化系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)的最基礎(chǔ)的器件。傳感器技術(shù)則是關(guān)于傳感器的設(shè)計(jì)、制造、測試和應(yīng)用的綜合技術(shù)，涉及材料科學(xué)、微電子學(xué)、儀器儀表工藝、環(huán)境科學(xué)、物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)及仿生學(xué)等多個(gè)學(xué)科。光纖倏逝波傳感器是發(fā)展最快，最有前途的一種光學(xué)傳感器。隨著光纖技術(shù)、光電檢測技術(shù)和生物工程技術(shù)的發(fā)展，光纖倏逝波傳感器更是如虎添翼般地向前發(fā)展，并迅速實(shí)用化和商品化。1975年，Kronick和Little首先證