全固光子晶体光纤的特性研究
光子晶体光纤基本特性的有限元法研究的开题报告
光子晶体光纤基本特性的有限元法研究的开题报告
一、选题背景
光子晶体光纤是目前最具有发展潜力的新型光纤材料之一，具有较
小的传输损耗和高的带宽特性，可应用于通信、医疗、传感等领域。
本
课题旨在通过有限元法对光子晶体光纤的基本特性进行研究，为其进一
步应用开发提供理论基础。
二、研究目的
本研究旨在利用有限元法分析光子晶体光纤的基本特性，包括其损耗、模式耦合等特性，并与传统光纤进行比较，为光子晶体光纤在通信、传感等领域的应用提供理论支持和指导。
三、研究内容与方法
1. 研究内容
（1）光子晶体光纤基本结构与参数设计
（2）光子晶体光纤传输特性有限元数值模拟
（3）光子晶体光纤与传统光纤传输特性的比较
2. 研究方法
（1）有限元法建立光子晶体光纤传输模型
（2）对典型的光子晶体光纤传输特性进行数值模拟分析
（3）与传统光纤进行比较分析
四、研究意义
本研究将为光子晶体光纤的实际应用提供理论支持和指导，为其在
通信、传感等领域的广泛应用提供参考。
五、预期成果
完成此研究后，预计可以得到光子晶体光纤传输特性的有限元模拟结果，以及与传统光纤的比较分析，为光子晶体光纤在实际应用中的应用提供理论指导和支持。
光子晶体光纤色散特性及应用的研究的开题报告
光子晶体光纤色散特性及应用的研究的开题报告一、选题背景光通信技术是信息时代发展的重要支撑，光纤作为光通信的基础元件，其特性对于光通信系统的性能具有决定性作用。
然而，在光纤通信中，由于光信号环境的实际复杂性，光纤色散成为限制光纤传输距离、带宽和速度的主要因素之一。
如何研究光纤色散特性并寻求有效的应对方法成为光通信技术发展中的难点之一。
二、选题意义光子晶体光纤结构独特，具有一些传统光纤所不具备的优异性能，例如可减弱或消除色散和光损耗等。
近年来，光子晶体光纤引起了科学家的广泛关注，已经成为当前最为前沿和活跃的光通信研究领域之一。
本选题将研究光子晶体光纤的色散特性及其应用，探究该技术对于光通信系统性能的优化意义，有助于提高光通信的传输距离、带宽和速度，具有重要的理论价值和实际应用价值。
三、研究目标本选题的研究目标包括：1. 研究光子晶体光纤的结构特点和工作原理，深入探究光子晶体光纤的色散机理。
2. 分析光子晶体光纤的色散特性，建立相应的数学模型，提出色散补偿方法，优化光通信系统的传输性能。
3. 探索光子晶体光纤在光通信系统中的应用前景，分析其在光通信中的优缺点，为光通信系统的发展提供理论支撑和技术支持。
四、研究方法本选题的研究方法包括实验研究和理论分析。
实验研究将利用光子晶体光纤制备技术，制备出具有不同结构的光子晶体光纤样品，并使用光谱分析仪测量其色散特性。
理论分析将采用数学模型分析光子晶体光纤的色散特性，建立数值模拟模型进行仿真分析。
五、论文结构本论文拟分为六个部分：第一部分：绪论，介绍光纤色散的基本概念和研究现状，阐述选题的背景意义和研究意义。
第二部分：光子晶体光纤的结构和工作原理，介绍光子晶体光纤的结构特点、工作原理及其制备技术。
第三部分：光子晶体光纤的色散特性，分析光子晶体光纤的色散特性，建立相应的数学模型，提出色散补偿方法。
第四部分：光纤色散的数学模型，分析光纤色散的数学模型及其适用条件。
第五部分：光子晶体光纤的应用前景，分析光子晶体光纤在光通信系统中的应用前景。
光子晶体光纤的研究
光子晶体光纤的研究光子晶体光纤是一种由光子晶体材料制成的光纤结构，具有一系列独特的光学和传输特性。
它相比传统的光纤，具有更低的损耗和更大的带宽，适用于光通信、光传感、光声学等领域。
在过去的几十年中，光子晶体光纤的研究取得了许多重要的进展，本文将对其中的关键问题进行综述。
首先，我们将介绍光子晶体光纤的基本原理。
光子晶体是具有周期性结构的光学材料，其周期往往与入射光的波长相当。
通过精确设计和控制光子晶体的结构参数，比如晶格常数、填充率等，可以实现对光的传输和控制。
在光子晶体光纤中，光的传输是通过光子晶体的周期性折射率变化引导的，从而实现低损耗和大带宽的特性。
其次，我们将重点介绍光子晶体光纤的设计和制备方法。
光子晶体光纤可以通过多种方法来制备，包括体外法、孔蚀法和结合法等。
其中，体外法是最常用的方法之一，其基本步骤是将光子晶体材料制备成光纤的预制坯料，然后通过拉伸和微调制得到所需的光纤结构。
在制备过程中，需要注意光子晶体的晶格参数和填充率对光纤性能的影响，以及如何实现精确控制和调节。
然后，我们将介绍光子晶体光纤的光学特性。
光子晶体光纤的光学特性主要是由光子晶体的结构和材料的选取所决定的。
光子晶体的周期结构可以实现对光的波长选择性传输，从而实现对光的色散和非线性效应的控制。
此外，光子晶体材料的选择也决定了光纤的损耗和带宽，常用的材料包括硅、玻璃、聚合物等。
通过设计和优化光子晶体光纤的结构和材料，可以实现对光纤的性能的控制和调节。
最后，我们将讨论光子晶体光纤在实际应用中的一些研究进展和挑战。
光子晶体光纤具有许多潜在的应用，例如高速通信、传感和光声学等领域。
在高速通信中，光子晶体光纤可以实现更高的传输速率和更长的传输距离，从而提高光纤通信系统的性能。
在传感方面，光子晶体光纤可以实现对温度、压力、化学成分等的高灵敏度测量。
在光声学中，光子晶体光纤可以实现对声波的传输和控制，为光声成像、光声治疗等提供新的可能性。
全固光子晶体光纤的特性研究
硕士学位论文Master DISSERTATION论文题目全固光子晶体光纤的特性研究作者姓名孟丹学科专业光学工程指导教师侯蓝田教授2012年5月中图分类号：TN929.11学校代码：10216 UDC：535.1 密级：公开工学硕士学位论文全固光子晶体光纤的特性研究硕士研究生：孟丹导师：侯蓝田申请学位：工学硕士学科专业：光学工程所在单位：信息科学与工程学院答辩日期： 2012年05月授予学位单位：燕山大学A Dissertation in Optical EngineeringREAEARCH ON THE PROPERTIES OF ALL-SOLID PHOTONIC CRYSTAL FIBERSby Meng DanSupervisor: Professor Hou LantianYanshan University2012.5燕山大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《全固光子晶体光纤的特性研究》，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。
论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。
本声明的法律结果将完全由本人承担。
作者签字：日期：年月日燕山大学硕士学位论文使用授权书《全固光子晶体光纤的特性研究》系本人在燕山大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。
本论文的研究成果归燕山大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。
本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。
本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。
保密□，在年解密后适用本授权书。
本学位论文属于不保密□。
(请在以上相应方框内打“√”)作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日摘要摘要全固光子晶体光纤具有易制备，易与传统光纤耦合等优势，在大功率光纤激光器、光纤光栅等领域有很大的应用前景。
光子晶体光纤色散特性的研究的开题报告
光子晶体光纤色散特性的研究的开题报告1. 研究背景随着现代通信技术的发展，对高速，低损耗，小型化，高容量的光纤通信系统的需求日益增长。
光子晶体光纤作为一种新兴的纳米级光传输波导，具有优异的性能特点：高光束质量，高光传输效率，高光信号光学控制性能。
在光通信领域，光子晶体光纤已引起广泛的关注。
光子晶体光纤 (PCF) 的色散是其重要的性能特征之一，可以影响光的传输性能和光学信号的特性。
因此，光子晶体光纤的色散特性研究是光通信研究的重要课题之一。
光子晶体光纤的设计、优化和应用需要对其色散特性有深入的认识，包括光纤色散量、色散系数、色散曲线等。
因此，本文将在此基础上展开光子晶体光纤色散特性研究，对光子晶体光纤材料的结构特征和光学性质进行深入分析，旨在为光纤通信系统的开发和应用提供理论支撑和技术指导。
2. 研究内容（1）研究光子晶体光纤的结构特征和光学性质，包括材料的物理、化学结构和光学性质等方面。
（2）研究光子晶体光纤的色散特性，包括色散量、色散系数、色散曲线等方面。
（3）对光子晶体光纤色散特性进行建模和仿真，分析光子晶体光纤在不同波长和频率下的传输性能，以探索其在光通信和其它领域中的应用前景。
（4）对实验结果进行测定和分析，验证理论模型的正确性，并对光子晶体光纤的性能进行深入评估和探索其最佳应用场景。
3. 研究方法（1）文献调研法：通过查阅国内外相关文献，了解光子晶体光纤结构特征、光学性质和色散特性的研究进展。
（2）数学模型设计法：基于理论与实验并重的思想，运用数学模型对光子晶体光纤的色散特性进行建模与仿真。
（3）实验方法：搭建光纤通信系统，获取实验数据，对理论分析结果进行验证。
4. 研究意义通过对光子晶体光纤色散特性的研究，可以深入了解其物理、化学和光学性质，为光传输在波导中的应用提供更可靠、更高效的解决方案。
本研究可以探索新型传输媒介在光通信领域的应用，推进光子晶体光纤技术的发展，为光学仪器工程、通信设备等领域提供重要的技术支持。
光子晶体光纤的特征
光子晶体光纤的特征光子晶体光纤是指具有光子晶体结构的光纤。
光子晶体是一种具有周期性折射率的介质，其结构类似于晶体，但其周期性不在空间晶格坐标上，而是在光学尺寸的尺度范围内实现。
与普通的光纤相比，光子晶体光纤在光学性能上具有很多独特的特点。
高效传输光子晶体光纤的介电常数分布呈现出光子能带结构，这意味着该光纤可以实现“禁带”的传输，并且允许特定波长范围内的光线沿着光纤中推进，并在纤芯中无损耗地传输。
此外，光子晶体光纤还可以实现全反射，使得光线可以沿着光纤中的同一路径传输，从而使其具有高效传输的能力。
宽波长范围光子晶体光纤的禁带频率是可以通过调节光子晶体的结构进行调控的，从而使其在不同的波段内均可以实现光传输。
因此，光子晶体光纤具有宽波长范围的优点，在不同的领域均能够实现优秀的性能。
高灵敏度光子晶体光纤的光学性能可以通过纤芯中的微观结构进行调控，从而使其具有高灵敏度的特点。
例如，通过在纤芯中引入缺陷等微小的结构变化，就可以实现对光信号的高效检测。
此外，光子晶体光纤还可用于制作传感器等领域，具有很高的应用价值。
抗干扰能力强光子晶体光纤具有很高的抗干扰能力。
它可以有效地抑制光纤中的各种杂散光，避免光信号受到干扰或衰减。
独特的光场分布特性光子晶体光纤的纤芯结构可以自由地调控，因此它具有很多独特的光场分布特性。
例如，光子晶体光纤可以实现单模传输，从而避免了多模光纤传输所带来的光学噪声。
此外，光子晶体光纤的光学场分布与在普通光纤中的有所不同，因此它还可以用于调制光场、实现光学非线性效应等领域。
综上所述，光子晶体光纤具有特定波长范围内高效传输、宽波长范围、高灵敏度、抗干扰能力强、独特的光场分布特性等特点，因此在通信、传感器、量子光学、生物医学、材料等领域均有广泛的应用。
光子晶体光纤简介及原理
光子晶体光纤简介及原理
一、光子晶体光纤简介
光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，简称PCF），又称为微结构光纤，是一种新型的光纤，其特点是具有周期性的折射率分布。
这种光纤的设计灵感来源于自然界中的光子晶体，即具有周期性折射率变化的介质。
光子晶体光纤在通信、传感、激光等领域有着广泛的应用前景。
二、光子晶体光纤的原理
光子晶体光纤的核心原理是光的全内反射和光子带隙效应。
光的全内反射是指当光线在介质中遇到界面时，如果入射角大于某一临界角，光线会在介质内部发生反射而不透射。
光子带隙效应是指当光在具有周期性折射率变化的介质中传播时，某些特定波长的光会被禁止传播，这种现象类似于电子在固体材料中的能带结构。
光子晶体光纤通过控制折射率分布，使得光纤中的光波被限制在纤芯中传播，从而实现光的传输和控制。
这种光纤的折射率分布可以精确地设计，从而实现对光波的特定控制，例如改变传输模式、提高传输效率、产生特定波长的激光等。
三、光子晶体光纤的特点
1.传输特性：光子晶体光纤具有独特的传输特性，可以改变传输模式、控制
光谱特性等。
由于其周期性的折射率分布，光纤可以对光的传输进行精细化控制，使得光的传输更加稳定和高效。
2.制作工艺：光子晶体光纤的制作工艺比较复杂，需要精确控制材料的组分
和工艺参数。
但是随着技术的不断发展，人们已经可以通过多种方法制备出具有特定折射率分布的光子晶体光纤。
光子晶体光纤的基本特性研究及结构分析的开题报告
光子晶体光纤的基本特性研究及结构分析的开题报告1. 研究背景和意义光子晶体光纤作为一种新型的光纤器件，具有许多优异的性能，例如发光效率高、能够支持高速传输、带宽宽广等。
因此，这种光纤器件被广泛应用于通信、传感、光学仪器等领域。
然而，光子晶体光纤的结构较为复杂，研究其基本特性和结构分析非常有必要，可以为进一步深入应用提供有力支撑。
2. 研究目标和内容本课题的研究目标是通过对光子晶体光纤的基本特性和结构分析，探究其光学特性、传输特性和微结构性质，并尝试优化其结构和性能。
具体的研究内容包括：（1）分析光子晶体光纤的结构特点和光学特性，研究其光学传输机制；（2）对光子晶体光纤的微结构进行模拟和分析，寻求机制优化；（3）基于已有研究成果，构建光子晶体光纤的模型，计算其光学特性和传输特性；（4）搭建实验平台，用于验证模型计算结果，分析与比较实验结果与模型的差异，验证模型的准确性。
3. 研究方法本课题的研究方法主要包括理论计算和实验验证两个方面。
理论计算方面，通过数学方法和数值模拟等手段，确定光子晶体光纤的基本光学和传输特性，研究其微观结构、折射率、相位等参数。
实验验证方面，通过搭建实验平台，对光子晶体光纤进行光学特性和传输特性的实验观测和测试，以验证模型计算结果的准确性。
4. 预期成果及意义通过本课题的研究，预期可以获得如下成果：（1）理论计算模型：建立一套适用于光子晶体光纤的模型计算方法，能够预测光纤的基本光学特性和传输特性，为进一步优化其性能提供理论支撑；（2）实验验证数据：通过实验测试和观测，验证计算模型的准确性，为进一步调整和优化光纤结构提供参考；（3）应用价值：研究成果具有广泛的应用价值，例如在通讯、传感等领域中得到切实的应用。
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硕士学位论文Master DISSERTATION论文题目全固光子晶体光纤的特性研究作者姓名孟丹学科专业光学工程指导教师侯蓝田教授2012年5月中图分类号：TN929.11学校代码：10216 UDC：535.1 密级：公开工学硕士学位论文全固光子晶体光纤的特性研究硕士研究生：孟丹导师：侯蓝田申请学位：工学硕士学科专业：光学工程所在单位：信息科学与工程学院答辩日期： 2012年05月授予学位单位：燕山大学A Dissertation in Optical EngineeringREAEARCH ON THE PROPERTIES OF ALL-SOLID PHOTONIC CRYSTAL FIBERSby Meng DanSupervisor: Professor Hou LantianYanshan University2012.5燕山大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《全固光子晶体光纤的特性研究》，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。
论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。
本声明的法律结果将完全由本人承担。
作者签字：日期：年月日燕山大学硕士学位论文使用授权书《全固光子晶体光纤的特性研究》系本人在燕山大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。
本论文的研究成果归燕山大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。
本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。
本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。
保密□，在年解密后适用本授权书。
本学位论文属于不保密□。
(请在以上相应方框内打“√”)作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日摘要摘要全固光子晶体光纤具有易制备，易与传统光纤耦合等优势，在大功率光纤激光器、光纤光栅等领域有很大的应用前景。
通常所研究的光子晶体光纤是基于一种导光机制的：折射率引导型或光子带隙型。
而对于两者混合型的导光机制的研究较少。
本文在分析全固带隙光纤的带隙、色散和损耗等光学特性的基础上，提出一种混合型导光的全固光子晶体光纤，并对其导光机制、色散等特性进行研究，最后设计出一种低损耗高双折射全固光子晶体光纤。
主要内容如下：首先，对全固光子晶体光纤的特性、应用、研究进展以及数值模拟方法进行简要介绍，并详细阐述本文所用的全矢量有限元法。
其次，对全固光子带隙光纤的带隙、色散、限制损耗和有效模场面积等光学特性随包层高折射率柱的结构参数变化的一般规律进行数值模拟，为设计具有不同特性的全固光子带隙光纤提供理论依据。
然后，在全固光子带隙光纤的中心处引入一个高折射率柱，形成具有微结构芯的混合型导光的全固光子晶体光纤，着重分析该光纤的导光机制，并研究中心柱的直径对光纤的色散和限制损耗等特性的影响。
中心柱的引入，使光纤的导光机制由光子带隙型向混合型转变，限制损耗降低105~106倍，零色散波长可调，调整宽度达260 nm。
最后，在一种包层由椭圆柱形成的全固光子带隙光纤的纤芯中心处引入一个椭圆形高折射率柱，形成了低损耗高双折射全固光子晶体光纤，并研究该中心椭圆柱对光纤的限制损耗和双折射的影响。
关键词：光子晶体光纤；全固光子带隙光纤；限制损耗；色散；双折射；全矢量有限元法- I -燕山大学工学硕士学位论文- II -AbstractAll solid photonic crystal fiber has a variety of interesting properties such as easy fabrication as well as easily coupling with traditional fibers which have been widely applied in the fields like fiber lasers, fiber grating and etc. Usually, PCF guides light by one mechanism: index-guiding effect or bandgap effect. However there was not too much study on the hybrid mechanism of those two effects in the past. In this paper, on the basis of analysis of the bandgap, dispersion and loss in all solid photonic bandgap fiber, a hybrid all solid PCF is proposed and the guiding mechanism, dispersion is studied in this fiber. A high birefringence all solid PCF with low confinement loss is designed in the end. The main content is as follows.First, the properties, applications, developments and numerical simulation of all solid PCF are introduced. The full vector finite element method is elaborated in detail.Second, the bandgap, dispersion, confinement loss, effective area and other properties of AS-PBGF are investigated; their relations with structural parameters are given. It is useful to provide the theory basis for designing AS-PBGFs with various properties.Third, a hybrid all-solid PCF with micro-structured core is proposed. The micro-structured core is consisted of pure silica and a high refractive index germanium-doped rod. The guiding mechanism is analyzed in detail and the influence of the central rod’s radius on the dispersion, loss and other properties is studied. Simulation results demonstrate that the guiding mechanism is transformed from bandgap effect into hybrid mechanism because of the central rod. The loss reduces 105~106times. By adjusting the radius of the central high refractive index rod, zero dispersion wavelength of the fiber can be tailored flexibly. The tunable band-width is up to 260 nm.Finally, by introducing a high refractive index elliptical rod, a high birefringence all solid PCF with low loss is achieved whose cladding is consisted of elliptical rods. And the influence of the central rod on loss and birefringence is simulated.- III -燕山大学工学硕士学位论文Keywords: photonic crystal fiber; all solid photonic bandgap fiber; confinement loss;dispersion; dispersion; birefringence ; full vector finite element method- IV -目录目录摘要 (I)Abstract (III)第1章绪论 (1)1.1课题研究背景 (1)1.1.1 光子晶体光纤简介 (1)1.1.2 全固光子晶体光纤的优势及应用 (3)1.1.3 全固光子晶体光纤的研究进展及现状 (4)1.2选题意义 (5)1.3论文主要内容及结构安排 (5)第2章数值模拟方法 (7)2.1引言 (7)2.2全矢量有限元法 (8)2.2.1 矢量波动方程 (8)2.2.2 变分原理 (9)2.2.3 区域离散和插值函数 (10)2.2.4 方程组的建立和求解 (11)2.3本章小结 (14)第3章全固光子带隙光纤的特性研究 (15)3.1引言 (15)3.2结构参数对带隙的影响 (15)3.2.1 高折射率柱的直径对带隙的影响 (16)3.2.2 高折射率柱的间距对带隙的影响 (17)3.2.3 相对折射率差对带隙的影响 (18)3.3色散特性分析 (19)3.3.1 高折射率柱的直径对色散的影响 (21)3.3.2 高折射率柱的间距对色散的影响 (22)3.4损耗特性分析 (23)- V -燕山大学工学硕士学位论文3.4.1 高折射率柱的直径对损耗的影响 (23)3.4.2 高折射率柱的间距对损耗的影响 (24)3.5有效模场面积分析 (25)3.5.1 高折射率柱的直径对有效模场面积的影响 (26)3.5.2 高折射率柱的间距对有效模场面积的影响 (26)3.6本章小结 (27)第4章混合型导光的全固光子晶体光纤的特性研究 (29)4.1引言 (29)4.2混合型导光的全固PCF端面设计 (29)4.3导光机制分析 (30)4.3.1 混合型导光机制分析 (31)4.3.2 混合型机制向全内反射机制转变 (36)4.4损耗特性分析 (38)4.5色散特性分析 (40)4.6本章小结 (42)第5章低损耗高双折射全固光子晶体光纤的特性研究 (43)5.1引言 (43)5.2高双折射全固PCF端面设计 (43)5.3双折射特性分析 (44)5.4限制损耗特性分析 (50)5.5本章小结 (52)结论 (53)参考文献 (55)攻读学位期间承担的科研任务与主要成果 (60)致谢 (62)作者简介 (64)- VI -第1章绪论第1章绪论1.1 课题研究背景1.1.1 光子晶体光纤简介1987年，E.Yablonovith[1]和S.John[2]最早提出了光子晶体(Photonic Crystal, PC)的概念。