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新型光子晶体光纤的设计及其传感应用新型光子晶体光纤的设计及其传感应用报告人：报告人：刘旭安刘旭安指导老师：吴根柱指导老师：吴根柱 2011.11.26硕士论文中期检查硕士论文中期检查Institute of Information OpticsZhejiang Normal UniversityZhejiang Normal University14:16:072/42目 录 新型光子晶体光纤的设计及其传感应用新型光子晶体光纤的设计及其传感应用2.2.PCFPCF原理及模拟计算方法的介绍原理及模拟计算方法的介绍原理及模拟计算方法的介绍原理及模拟计算方法的介绍1 1.绪论绪论绪论绪论 3.3.基于三孔单元的高双折射基于三孔单元的高双折射基于三孔单元的高双折射基于三孔单元的高双折射PCFPCF 4.4.4.4.双芯型特种光纤的折射率传感双芯型特种光纤的折射率传感双芯型特种光纤的折射率传感双芯型特种光纤的折射率传感 Institute of Information OpticsInstitute of Information Optics5.5.5.5.总结与展望总结与展望总结与展望总结与展望 14:16:073/42一.绪论硕士论文中期检查硕士论文中期检查（1）.概述光子晶体光纤（Photonic Crystal Fiber，PCF）折射率导模型光子晶体光纤(TIR-PCF)光子带隙型光子晶体光纤（photonic band gap，PBG）折射率导模型PCF：将光子晶体及缺陷结构引入光纤中而形成的二元光子晶体结构，其结构为石英光纤中轴向均匀，截面为周期性排列空气孔。折射率导模型PCF导光原理：Institute of Information OpticsInstitute of Information Optics新型光子晶体光纤的设计及其传感应用新型光子晶体光纤的设计及其传感应用14:16:084/42（1）.概述硕士论文中期检查硕士论文中期检查Institute of Information OpticsInstitute of Information Optics一.绪论新型光子晶体光纤的设计及其传感应用新型光子晶体光纤的设计及其传感应用几种光子晶体光纤实物14:16:085/42硕士论文中期检查硕士论文中期检查Institute of Information OpticsInstitute of Information Optics一.绪论新型光子晶体光纤的设计及其传感应用新型光子晶体光纤的设计及其传感应用（1）.概述PCF的几种特有特性（与传统光纤相比）高双折射，平坦色散，单偏振单模，低非线性及大有效模面积。高双折射PCF的几种应用:光纤传感，光纤滤波器，光纤通信等PCF双折射：14:16:086/42硕士论文中期检查硕士论文中期检查Institute of Information OpticsInstitute of Information Optics一.绪论新型光子晶体光纤的设计及其传感应用新型光子晶体光纤的设计及其传感应用（2）.高双折射PCF的国内外最新研究进展 依照文献研究的PCF的特点，可以归纳为以下四类实现方法:第一类是在纤芯附近引入局部非对称性的光子晶体光 纤结构第二类是具有各向异性包层的光子晶体光纤第三类是具有微结构纤芯的光子晶体光纤14:16:087/42硕士论文中期检查硕士论文中期检查Institute of Information OpticsInstitute of Information Optics一.绪论新型光子晶体光纤的设计及其传感应用新型光子晶体光纤的设计及其传感应用第一类是在纤芯附近引入局部非对称性的光子晶体光纤结构 该高双折射PCF采用减小中间一排空气孔的方法,获得了高达3.710-3的双折射 A.Ortigosa-Blanch,J.C.Knight等，”Highly birefringent photonic crystal fibers”，September 15,2000/Vol.25,No.18/OPTICS LETTERS14:16:088/42硕士论文中期检查硕士论文中期检查Institute of Information OpticsInstitute of Information Optics一.绪论新型光子晶体光纤的设计及其传感应用新型光子晶体光纤的设计及其传感应用 该高双折射PCF是由缺失的两个空气孔组成纤芯,形成光纤折射率分布的二阶对称性。其主要参数为双折射大于0.001，零色散波长为700nm。Theis P.Hansen,Jes Broeng等人，“Highly Birefringent Index-Guiding Photonic Crystal Fiber”,IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS,VOL.13,NO.6,JUNE 200114:16:089/42硕士论文中期检查硕士论文中期检查Institute of Information OpticsInstitute of Information Optics一.绪论新型光子晶体光纤的设计及其传感应用新型光子晶体光纤的设计及其传感应用第二类是具有各向异性包层的光子晶体光纤1.Andrew Michie,John Canning等人,”Temperature independent highly birefringent photonic crystal fibre”,18 October 2004/Vol.12,No.21/OPTICS EXPRESS 51602.M.J.Steel and R.M.Osgood等人,”Polarization and Dispersive Properties of Elliptical-Hole Photonic Crystal Fibers”,JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY,VOL.19,NO.4,APRIL 2001 14:16:0810/42一.绪论硕士论文中期检查硕士论文中期检查Institute of Information OpticsInstitute of Information Optics新型光子晶体光纤的设计及其传感应用新型光子晶体光纤的设计及其传感应用 右图椭圆型空气孔高双折射PCF是由哥伦比亚大学提出的椭圆孔高双折射PCF。该PCF具有极高的双折射(可达0.01量级以上),并具有可调的色散特性,零群速度差等优点.然而由于制作上的困难,实际制作获得的椭圆孔光子晶体光纤的双折射仅在10-5量级。椭圆型空气孔高双折射PCF的实物图14:16:0811/42硕士论文中期检查硕士论文中期检查Institute of Information OpticsInstitute of Information Optics一.绪论新型光子晶体光纤的设计及其传感应用新型光子晶体光纤的设计及其传感应用第二类是具有各向异性包层的光子晶体光纤 Daru Chen,and Genzhu Wu,”Highly birefringentphotonic crystal fiber based on a double-hole unit”,APPLIED OPTICS/Vol.49,No.9/20 March 2010.14:16:0812/42一.绪论硕士论文中期检查硕士论文中期检查Institute of Information OpticsInstitute of Information Optics新型光子晶体光纤的设计及其传感应用新型光子晶体光纤的设计及其传感应用第三类是具有微结构纤芯的光子晶体光纤 Daru Chen and Linfang Shen,”Ultrahigh Birefringent Photonic Crystal Fiber With Ultralow Confinement Loss”IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS,VOL.19,NO.4,FEBRUARY 15,200714:16:0813/42硕士论文中期检查硕士论文中期检查Institute of Information OpticsInstitute of Information Optics一.绪论新型光子晶体光纤的设计及其传感应用新型光子晶体光纤的设计及其传感应用Daru Chen,“OPTICAL PROPERTIES OF PHOTONIC CRYSTAL FIBERS WITH A FIBER CORE OFARRAYS OF SUB-WAVELENGTH CIRCULAR AIR HOLES:BIREFRIN-GENCE AND DISPERSION”,Progress In Electromagnetics Research,Vol.105,193212,2010.第三类是具有微结构纤芯的光子晶体光纤14:16:0814/42硕士论文中期检查硕士论文中期检查Institute of Information OpticsInstitute of Information Optics一.绪论新型光子晶体光纤的设计及其传感应用新型光子晶体光纤的设计及其传感应用论文主要工作：2.有关高双折射PCF选题意义及国内外进展3.PCF模拟计算原理与方法的介绍1.光子晶体光纤概念，特性的介绍4.基于三孔单元的高双折射PCF的介绍6.总结与展望5.双芯型特种光纤的折射率传感 14:16:0815/42硕士论文中期检查硕士论文中期检查Institute of Information OpticsInstitute of Information Optics二.PCF的原理与模拟计算方法的介绍新型光子晶体光纤的设计及其传感应用新型光子晶体光纤的设计及其传感应用 1.高双折射PCF的计算原理高双折射PCF计算方程：式中，分别为PCF的介电常数和磁导率。为PCF的磁场强度；和TEXTTEXTTEXT高双折PCF计算方法：有限元法（FEM）特点：精度高，适用于截面的不规则空气孔的不同形状，材料的不同折射率的情况。14:16:0916/42TEXTTEXTTEXTTEXT硕士论文中期检查硕士论文中期检查Institute of Information OpticsInstitute of Information Optics二.PCF的原理与模拟计算方法的介绍新型光子晶体光纤的设计及其传感应用新型光子晶体光纤的设计及其传感应用有限元法基本思想：用许多子域来代表整个连续域，每个子域中未知函数用带有未知系数的差值函数来表示，得到一组代数方程组。有限元法步骤：1.子域划分2.插值函数选择3.方程组建立4.方程组求解有限元方法计算软件：COMSOL Multiphysics 3.41.高双折射PCF的计算原理14:16:0917/42TEXTTEXTTEXTTEXT硕士论文中期检查硕士论文中期检查Institute of Information OpticsInstitute of Information Optics二.PCF的原理与模拟计算方法的介绍新型光子晶体光纤的设计及其传感应用新型光子晶体光纤的设计及其传感应用高双折射PCF吸收边界条件：完美匹配层(PML)计算区域PML参数：区域区域区域其中：1.高双折射PCF的计算原理14:16:0918/42XTTEXTTEXTTEXT硕士论文中期检查硕士论文中期检查Institute of Information OpticsInstitute of Information Optics二.PCF的原理与模拟计算方法的介绍新型光子晶体光纤的设计及其传感应用新型光子晶体光纤的设计及其传感应用（2）.高双折射PCF计算原理：双折射PCF两偏振折射率差：双折射PCF限制损耗：双折射PCF的色散：2.高双折射PCF的特性14:16:1119/42TEXTTEXTTEXTTEXT硕士论文中期检查硕士论文中期检查Institute of Information OpticsInstitute of Information Optics三.基于三孔单元的高双折射PCF新型光子晶体光纤的设计及其传感应用新型光子晶体光纤的设计及其传感应用Highly birefringent photonic crystal fiber based on a Three-hole unit14:16:1120/42硕士论文中期检查硕士论文中期检查Institute of Information OpticsInstitute of Information Optics三.基于三孔单元的高双折射PCF新型光子晶体光纤的设计及其传感应用新型光子晶体光纤的设计及其传感应用1.高双折射PCF的结构及其特性分析Inset:profiles of the electric field of the y-polarized fundamental modes at normalized frequency for the proposed EH-PCF(left),the DH-PCF(central)and the TH-PCF(right).14:16:1221/42硕士论文中期检查硕士论文中期检查InstituInstitu21212121te of Information Opticste of Information Optics三.基于三孔单元的高双折射PCF新型光子晶体光纤的设计及其传感应用新型光子晶体光纤的设计及其传感应用 1.高双折射PCF的结构及其特性分析14:16:1222/42硕士论文中期检查硕士论文中期检查Institute of Information OpticsInstitute of Information Optics三.基于三孔单元的高双折射PCF新型光子晶体光纤的设计及其传感应用新型光子晶体光纤的设计及其传感应用1.高双折射PCF的结构及其特性分析14:16:1323/42三.基于三孔单元的高双折射PCF硕士论文中期检查硕士论文中期检查Institute of Information OpticsInstitute of Information Optics新型光子晶体光纤的设计及其传感应用新型光子晶体光纤的设计及其传感应用 1.高双折射PCF的结构及其特性分析14:16:1324/42Institute of Information OpticsInstitute of Information Optics1.高双折射PCF的结构及其特性分析三.基于三孔单元的高双折射PCF硕士论文中期检查硕士论文中期检查新型光子晶体光纤的设计及其传感应用新型光子晶体光纤的设计及其传感应用14:16:1325/42硕士论文中期检查硕士论文中期检查Institute of Information OpticsInstitute of Information Optics新型光子晶体光纤的设计及其传感应用新型光子晶体光纤的设计及其传感应用三.基于三孔单元的高双折射PCF2.结论提出了一种新型的高双折射PCF，该新型PCF可以实现高双折射，低损耗。与椭圆型和双孔型高双折射PCF相比具有以下几种优点：1.与椭圆型高双折射PCF相比，该PCF更容易制造，以 目前的制造技术就可以实现。3.与椭圆型及双孔型高双折射PCF相比，该PCF具有更好 的设计灵活度。特别是通过改变中间空气孔的尺寸，可以很好的控制该PCF的特性。2.与椭圆型及双孔型高双折射PCF相比，在相同的空气 填充率条件下，该PCF具有更高的双折射，更低的损 耗。14:16:1326/42四.双芯型特种光纤的折射率传感硕士论文中期检查硕士论文中期检查Institute of Information OpticsInstitute of Information Optics新型光子晶体光纤的设计及其传感应用新型光子晶体光纤的设计及其传感应用1.双芯型特种光纤的结构及折射率传感特性Design of a dual-core fiber for refractive index sensing其传感机制为：双芯小孔光纤的两个纤芯之间的模耦合对光纤中心小孔内的折射率变化很敏感，这使得该小孔内折射率和双芯小空气孔光纤其中一个纤芯的输出频谱之间有一个一一对应的关系14:16:1327/42四.双芯型特种光纤的折射率传感硕士论文中期检查硕士论文中期检查Institute of Information OpticsInstitute of Information Optics新型光子晶体光纤的设计及其传感应用新型光子晶体光纤的设计及其传感应用1.双芯型特种光纤的结构及折射率传感特性14:16:1328/42硕士论文中期检查硕士论文中期检查Institute of Information OpticsInstitute of Information Optics新型光子晶体光纤的设计及其传感应用新型光子晶体光纤的设计及其传感应用四.双芯型特种光纤的折射率传感 2.总结提出了一种新型的折射率传感型特种光纤，该新型光纤具有两个纤芯，两纤芯中间有一个微空气孔，两纤芯的光场会进行耦合，通过改变微空气孔的折射率，两纤芯中间光场耦合度不同，检测出来的光谱也就不同。该新型光纤具有以下特点：1.该光纤可以进行微管道折射率传感。2.该光纤可以很容易制造，不需要飞秒激光器进行加工，也不需要蚀刻方法来制造。14:16:1429/42五五.总结与展望总结与展望1.总结硕士论文中期检查硕士论文中期检查Institute of Information OpticsInstitute of Information Optics新型光子晶体光纤的设计及其传感应用新型光子晶体光纤的设计及其传感应用第一部分介绍了PCF的概念，特性，高双折射PCF的研究意义及国内外的最新研究进展。第二部分介绍了PCF模拟计算原理与方法。第三部分介绍了基于三孔单元的高双折射PCF，通过与双孔型及椭圆型PCF的双折射，损耗及有效模面积的比较，发现了许多优点。第四部分介绍了基于双芯的特种光纤的折射率传感特性。该光纤基于两纤芯光场耦合原理来实现传感，发现其可以用于微导管传感，且并不需要很高的制造工艺来制造。14:16:1430/42五五.总结与展望总结与展望硕士论文中期检查硕士论文中期检查Institute oInstitute o30303030f Information Opticsf Information Optics新型光子晶体光纤的设计及其传感应用新型光子晶体光纤的设计及其传感应用2.展望 由于条件有限，本论文的主要工作都停留在理论研究和数值模拟阶段，无法对实际的光子晶体光纤进行实验研究。希望通过计算机理论模拟的方法对光子晶体光纤的光传输特性的研究，能够为今后的实验研究工作在理论上作好准备。个人认为下一步可以进行一下几个方面的工作：1.目前绝大部分的有关PCF特性的研究放在包层空气孔以三 角晶格方式排列上，通过文献调研发现以正方形或矩形晶 格方式排列的PCF特性的研究比较少，希望今后能在这方 面做一些工作。2.由于实验条件有限，设计出来的光纤只停留在模拟计算阶 段，今后若有条件，希望能将光纤拉制出来，进行测试。感谢各位老师和同学批评指正感谢各位老师和同学批评指正Institute of Information OpticsInstitute of Information OpticsZhejiang Normal UniversityZhejiang Normal University谢谢！