论文部分内容阅读
光子晶体是一种折射率按一定周期发生变化的微结构材料,光子晶体光纤是将光子晶体结构引入光纤中而成的新型光纤,其特点是包层排列有规则或随机分布的波长量级的空气孔,它以其特有的结构和性能,受到了广泛关注并成为近年来研究的热点。但光子晶体光纤结构的复杂性使得很难对其特性作简单的解析分析,只能通过数值方法对其进行模拟分析。数值计算的结果,对于优化甚至设计新系统都有不可替代的作用。 由于交变隐式时域有限差分法(ADI-FDTD)能清楚的模拟光在光子晶体光纤中的传播状态,且能够在一定程度上摆脱关于时间步长稳定性条件的限制,从而明显地节省计算时间。本文利用ADI-FDTD分析光子晶体光纤的若干特性,论文的主要内容包括: 1从光子晶体的概念出发,详细阐述了光子晶体和光子晶体光纤的概念、分类、奇异特性、应用和制备技术。介绍了ADI-FDTD的计算迭代公式和吸收边界。由于存在随着时间步长的增大数值色散会相应增大的缺点,可以通过添加各向异性媒质来修正相速误差,从而减少数值色散。 2利用ADI-FDTD分析了有限周期一维光子晶体的光子禁带及缺陷模的特性,通过物理分析,并与ADI-FDTD相比较,验证了此方法在一维周期性光子晶体结构中的适用性和有效性。讨论不同的结构参数对光子晶体反射特性产生的不同影响,选择合适的结构或入射角度能够获得更合适的光子带隙,通过数值计算分析了光波在包含缺陷的一维光子晶体中的传播规律,与不包含缺陷的结构相比,在光子禁带中形成缺陷模。从而为设计和制备一维光子晶体提供指导。 3利用ADI-FDTD分析了二维光子晶体的特性,验证了ADI-FDTD在计算带隙型光子晶体光纤结构特性的适用性和有效性。并模拟了全内反射光子晶体光纤的模场分布,结果表明,一定结构的二维光子晶体可以将光波很好地限制在其缺陷波导中传输。通过调节光纤包层的空气孔节距或空气孔尺寸可以有效地调节光子晶体光纤的有效折射率、归一化频率、模场面积和色散特性,可以设计出在光通信波段具有接近于零色散的色散平坦光纤和色散位移光纤。 4提出新型光子晶体光纤结构,对其模场分布和色散曲线进行了数值模拟。通过改变结构参数设计了在较宽频段内零色散平坦的结构,这类结构的出现为光电子器件和全波通信光纤的研制开辟了新的思路。推导了二维包络(Evenlope) ADI-FDTD UPML的迭代公式,并提出一种新的边界离散方法,与ADI-FDTD UPML相比,改进后的Envelope ADI-FDTD UPML的时间步长可以取的更大,且能有效的修正相速误差,从而减少数值色散,提高计算精度。最后讨论用包络ADI-FDTD模拟光子晶体光纤的可行性。