侧边抛磨光子晶体光纤及其耦合器件的仿真计算分析

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光子晶体光纤作为一种新型光纤以其精巧的微结构和独特的性能受到了广泛的关注。侧边抛磨光子晶体光纤为新型光纤器件的制作提供了新的思考方向。对侧边抛磨光子晶体光纤传输特性及其耦合器件的模拟计算,可以为实验提供理论依据。本文利用数值分析的方法研究了侧边抛磨光子晶体光纤传输特性及其耦合器件的特性,主要研究成果如下:1、建立了具有抛磨过渡区的侧边抛磨光子晶体光纤D型光纤光学模型。用Rsoft软件中的三维有限差分光束传输法计算和分析了侧边抛磨光子晶体光纤的光功率衰减、传输模场等与抛磨区几何参数(剩余半径、轴向旋转角、侧边抛磨区长度)、外界环境的变化关系。结果表明,侧边抛磨光子晶体光纤的光功率衰减随着剩余半径的减小而增大;光沿着光纤传输时,基模光传输到抛磨区光功率发生衰减,经过抛磨区后,基模光功率出现回升。沿不同的轴向旋转角方向侧边抛磨,剩余半径大于0.5μm时,侧边抛磨光子晶体光纤的光功率衰减随着剩余半径变化的差别较小;光沿着光纤传输到抛磨区时,会产生高阶模,沿轴向旋转角30o侧边抛磨时基模模场分布分散程度最大,且在抛磨区产生更多的高阶模。剩余半径大于1.5μm时,抛磨光纤长度变化对输出光功率影响很小,剩余半径小于1.5μm时,输出归一化光功率随着光纤抛磨长度的变化呈振荡变化。当抛磨区覆盖材料折射率吸收因子为1时,光功率衰减在剩余半径R在7.5μm到1.5μm范围内随着剩余半径R的减小而增大;光经过抛磨区时,光功率的振荡减小,经过抛磨区后,光功率保持不变。当抛磨区的材料折射率接近光纤的折射率1.45时,光功率在抛磨区发生较大衰减。当抛磨液进入抛磨空气孔中时,光纤横截面的有效折射率发生改变,光模场向折射率高的一边偏移。剩余半径小于6.5μm时,基模光功率在光纤第一个抛磨过渡区开始就出现衰减并迅速衰减至0。分析结果可为侧边抛磨光子晶体光纤的器件制作提供理论指导。2、在侧边抛磨单模光纤模型的基础上,建立了弯曲的微纳光纤与侧边抛磨单模光纤的耦合光学模型,运用光束传输法,计算分析了侧边抛磨单模光纤的剩余厚度、微纳光纤的直径、微纳光纤弯曲部分的曲率半径对耦合效果的影响。结果表明,光从微纳光纤中输入时,耦合效果比光从侧边抛磨单模光纤中输入时更好。光从微纳光纤中输入时,耦合到侧边抛磨单模光纤中的归一化光功率随着剩余厚度的减小而增加。当微纳光纤的直径为6μm时,从微纳光纤耦合到侧边抛磨单模光纤中的归一化光功率最大,耦合效果最好。微纳光纤弯曲部分的曲率半径(360~1000μm)范围内,耦合到侧边抛磨单模光纤中的归一化光功率随着曲率半径的增加呈现减少后增加的趋势。3、在微纳光纤与侧边抛磨单模光纤耦合模型的基础上,建立了三维弯曲的微纳光纤与侧边抛磨光子晶体光纤耦合光学模型。计算分析了侧边抛磨光子晶体光纤的剩余半径、微纳光纤的直径、微纳光纤弯曲部分的曲率半径对耦合效果的影响。结果表明,光从微纳光纤中输入,耦合到侧边抛磨光子晶体光纤中的归一化光功率随着侧边抛磨光子晶体光纤剩余半径的减少而增加。当微纳光纤直径为9μm时,从微纳光纤中耦合到侧边抛磨光子晶体光纤中的归一化光功率最大。当微纳光纤弯曲部分的曲率半径为1000μm时,耦合到侧边抛磨光子晶体光纤中的归一化光功率最大。本文工作的创新在于:1、建立了侧边抛磨光子晶体光纤的三维模型,并计算分析了侧边抛磨光子晶体光纤的传输特性。2、建立了弯曲的微纳光纤与侧边抛磨单模光纤、侧边抛磨光子晶体光纤的耦合光学模型,并计算分析了模型的几何参数对耦合特性的影响,为实验提供了理论参考。
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