微纳光纤的导波及远场特性研究.pdf

湖南大学
硕士学位论文
微纳光纤的导波及远场特性研究
姓名:郑之伟
申请学位级别:硕士
专业:通信与信息系统
指导教师:范滇元
20100315
摘要随着器件设计理论和制备工艺技术的发展,微型化是电子和光子器件的重要发展趋势,如今微电子和光电子器件的特征线宽或长度己经达到了亚微米和纳米尺寸。近年来,随着低损耗微纳光纤的成功制备,使得构造微米乃至纳米光子器件成为可能。微纳光纤以其低传输损耗,大模场倏逝波和小尺度等特性,在光通信,光传感等领域具有良好的应用前景。本文首先介绍了微纳光纤的制备及研究进展,然后概述了微纳光纤器件的发展历史,随后对微纳光纤的基本理论和方法进行了分析研究,最终模拟研究了微纳光纤的导波和远场特性。本文所做的工作如下:莨庀四J嚼砺郏勇罂怂刮し匠坛龇ⅲ捎檬的D獾姆椒ǎ晕⒛光纤的导波特性进行了分析,分别讨论了微纳光纤内部及包层的模场和能量分布。结果表明,当光纤直径减少到一定值保3∶稚⒑芾骱Γ⒛晒纤的大部分能量在包层中以倏逝波的形式传输,光纤的有效模面积可以超4酥执竽3√匦栽诠庀舜ǜ辛煊蚓哂星痹诘挠τ眉壑怠醚苌淅砺郏晕⒛晒庀说脑冻√匦越辛朔治觥Q芯糠⑾郑ü跣纤芯的直径,可以获得较大的远场分布面积。同时通过拉锥石英光纤,实验验证了微纳光纤能够有效的传输导波并将其辐射出去。这些理论分析对微纳光纤的制备和特性分析具有一定的理论和实际意义。擞梦⑷欧治龅姆椒ḿ扑愀凑凵渎使庀嗽鲆嫣匦浴Mü蠼獬龈凑凵渎使纤复传播常数,得到光纤的复数模折射率。对于阶跃型的微纳光纤,导出了包层为复折射率时增益的解析关系式。关键词:微纳光纤;倏逝波;远场;微扰法微纳光纤的导波及远场特性研究
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插图索引图基于火焰加热拉锥法的典型装置图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯图两步拉伸法实验示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..图微纳光纤结构示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯图微纳光纤拉制方法示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.微纳光纤的光学显微照片⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。图微纳光纤种я詈掀鞴庋晕⒕低枷瘛图由微纳光纤结构成的共振环结构示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。图微纳光纤环激光器实验示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯图圆形微粒散射模型图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯图傻餍炒帕魈宓髦破鹘峁故疽馔肌图⒛晒庀舜涫疽馔肌图煌庀酥本叮诵竞桶闼寄芰髅芏缺取图⒛晒庀四芰鞣植际疽馔肌图微纳光纤横截面及折射率分布图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯波长的传播常数登咄肌图电场的径向分量示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯图电场的角向分量示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.图电场的纵向分量示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯图不同芯径情况下,归一化模场示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯图不同芯径的微纳光纤蚰芰髅芏确植际疽馔肌图不同芯径微纳光纤情况下,芯径与有效面积的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯图菲涅尔一基尔霍夫衍射积分示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.图冻∏慷鹊那蛎孀晗低场图冻∏慷仁疽馔肌远处的光强分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..图豆庀说慕峁购驮冻」馇糠植际疽馔肌图随纤芯直径变化的包层增益系数分布示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一图直径为图渴挪ㄊ疽馔肌图石英玻璃制成的微纳光纤在图蠢豆庀图芯径为的微纳光纤,随折射率分布变化的包层增益系数示意图硕士学位论文
附表索引表微纳光纤在不同导波波长处的单模临界芯径值:⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..表纤芯直径变化得到得增益系数和模参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯微纳光纤的导波及远场特性研究
第滦论微纳光纤制备及研究进展引言近几十年来,光纤通信技术得到了迅速发展,如今,光纤己成为固定通信网中最主要的传输介质,其发展速度之快使得当前所有通信技术领域都要受到其影响。近些年来,微型化是电子和光子器件的重要发展趋势,如今微电子和光电子器件的特征线宽或长度己经达到了亚微米和纳米尺寸。从商业角度看,目前的光纤通讯行业,铺设了大量的光纤网络来实现了光子的回路,但光子器件的尺寸比较大,微型化的光子器件有利于节约现有的光纤网络的空间和成本。因此,设计微型化的光子器件已成为光子学领域发展的重要研究课题。近年来,随着低损耗微纳光纤的成功制各,使得构造微米乃至纳米光予器件成为可能。微纳光纤是微纳尺度上的玻璃细线,其芯径比通常使用芯径为微米量级的单模光纤要细几十到几百倍,具有低传输损耗,大比例倏逝波、大波导色散、小尺度等特性,在光通信,光传感等领域具有良好的应