单模单偏振光子晶体光纤的设计及其特性的研究开题报告

2.完成硅基光子晶体光纤的设计，并对其特性进行分析 2015.1-2015.4
3.完成非硅基光子晶体光纤的设计，实现各通信波段的单模 单偏振 2015.5-2015.9
4.总结多种材料光子晶体光纤的一些特性，撰写毕业论文， 准备结题 2015.10-2015.12
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本文设计的光子晶体光纤有很高的双折射，两个偏振态的有效折射率曲 线会有偏差，当其中一个小于基空间填充模有效折射率，而另外一个大于基 空间填充模时，出现单模单偏振。
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三.拟研究的基本内容
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1.设计硅基的光子晶体光纤，在通信波段实现单模单偏振。 对设计的光纤结构进行数值模拟和理论上的解释并通过改 变其结构不断优化，对光纤的性质进行探索和研究，并尝 试将其应用在光纤器件中
总结上述单偏振单模光子晶体光纤研究的主要进展，可以看出，未来单偏振 单模光子晶体光纤的研究趋势就是，实现更大的单偏振单模运转区域，实 现更低的损耗。
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二.单模单偏振光子晶体光纤的设计原理
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设计原理可以归为两类： （1）在纤芯附近引入双折射结构。这样就会使得基模的一个偏振态的 有效折射率小于包层的有效折射率，由于这个模式不满足全反射定律不能在 纤芯中传播，是个截止模式。与此同时另一个偏振态的有效折射率大于包层 的有效折射率，这个模式满足全反射定律而能在纤芯中传播。所以这种方法 就称作截止法。 （2）耦合法，这种方法主要是应用“谐振耦合理论”，在特定波长附近使 得基模的一个偏振态模式与包层模或者包层高损耗区的模式满足“横向谐振耦 合方程和条件”，这时相应偏振态的光场能量就会在纤芯和包层间震荡衰减。 这个偏振模式相应的泄露损耗会显著增大而迅速衰减，这时另一个偏振模因 不满足谐振条件而在纤芯中较低损耗传输，由此可以实现单偏振单模运转。 此文中，我们采用的是第一类设计原理。
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在通信系统中应用光弧子的发展现状：
（1）2003年Kunimasa Saitoh设计了一种慢轴模限制损耗为10-3dB/m， SPSM区域为180nm的单模单偏振光子晶体光纤。
（2）2005年燕山大学Ming-Yang Chen等对矩形晶格光子晶体光纤偏振损耗 特性进行了研究，并提出了两种高双折射结构SPSM-PCF，使得基模两个 偏振态的限制损耗差达到520dB/km。
截止法设计单模单偏振光子晶体光纤的 依据
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用变量ncore来表示纤芯折射率，相应地用变量ncla导模的有效折射率neff必定满足条件：
（1）
在某个波长处只有模式的x偏振态或y偏振态大于该波长处包层基空间填 充模x偏振方向或y偏振方向的有效折射率时，该偏振态模式满足全反射条件 才不会辐射到光纤包层中变成泄露损耗很高的辐射模式。如果小于就会因损 耗过高而迅速衰减截止。
d=0.8nm Λx=2nm Λy=1.2nm dA=0.8nm dB=1.6nm
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2.设计一种非硅基的光子晶体光纤，对设计的光纤结构进行 数值模拟和理论上的解释，通过对基底材料和光纤的结构 的不断优化，对光纤的性质进行探索和研究实现更长单模 单偏振的方法
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四.研究方法步骤及措施
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1.查找文献，了解本课题在国内外的研究现状 2.研读文献，掌握光子晶体光纤基础理论和单模单偏振出 现的机理 3.利用有限元对设计的硅基和非硅基的光子晶体光纤进行 模拟，并分析其各种特性 4.整理算出的数据，分析单模单偏振出现的区域及其所对 应的通信波段
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五.研究工作进度
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1.大量阅读文献，学习光子晶体光纤基础知识，了解课题的 前沿动态。认真学习与模拟相关的软件 2014.9-2014.12
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姓名：李慧 学号：S13070207008 导师姓名：李曙光 专业：光学
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由于光纤中两个偏振态的传输常数相差不大，很容易发生偏振 模耦合和偏振模色散。因此外界微小的扰动就能改变光纤中信号的偏 振状态。对于那些对偏振态十分敏感的光纤系统如光纤传感器，光纤 激光器等，它们对偏振态有严格的要求。而单模单偏振光纤通过对光 纤结构的精细设计引入足够高的双折射达到分离两个偏振态的目的， 然后利用不同的截止波长来排除不需要的偏振状态。
（3）2007年Daru Chen等采用椭圆空气孔设计了一种高双折射SPSM-PCF, 其结构。在350nm间计算获得单个偏振模的限制损耗达到0.1dB/km。
（4）2009年Lin An等设计了一种高非线性低色散SPSM-PCF。计算得到 800nm处传导模限制损耗为3×10-6dB/m。但是，这种结构的光子晶体光 纤实现低限制损耗、近零色散单偏振单模运转只能在800nm，而不在常用 通信窗口1550nm处。