文档介绍：申请硕士学位论文

多芯微结构光纤耦合器的设计与研究
Design and research on multi-core micro-structured optical
fiber coupler

吴万青
Wu Wanqing

指导老师:徐峰副教授

2009年5月
摘要
摘要
光纤耦合器是一种可完成光的传输、耦合、分束、干涉以及波分复用等许多
功能的无源光纤器件,在光纤通信、传感及信号处理等方面有广泛的应用。本论
文在光子晶体光纤的基础上设计了对称、非对称双芯以及多芯光子晶体光纤耦合
器,并运用数值模拟方法分析了这几种耦合器的耦合特性。提出了优化对称双芯
光子晶体光纤耦合器耦合性能的三种方法,从而得到了一种可调谐分光比双芯耦
合器;然后又模拟了一种非对称双芯宽带光子晶体光纤耦合器,实现了波长
500nm 带宽耦合比偏差小于 4%的耦合特性;最后设计了一种可以实现等耦合比
的多芯光子晶体光纤耦合器。
第一章首先阐述了光通信的发展。介绍了光子晶体光纤的结构、制作方法和
特性,以及光子晶体光纤耦合器的制作和发展现状。最后就本论文主要内容和创
新点作了概述。
第二章介绍了几种光子晶体光纤的数值分析方法,其后又详细讲述了多极
法、有限元法以及光束传播法三种数值计算方法的相关仿真软件 CUDOS、
COMSOL 和 BeamPROP。最后简要介绍了数据分析辅助软件 Matlab,和本文将
要使用的一些 Matlab 源程序。
第三章就对称双芯光子晶体光纤耦合器的结构,通过有限元法数值计算找到
耦合器中激励出的偶模和奇模,然后通过偶模和奇模的传播常数得出各偏振态的
耦合系数、耦合长度以及耦合比,提出了优化对称双芯光子晶体光纤耦合器耦合
性能的三种方法,通过结果得到了一种可调谐分光比双芯耦合器。然后,模拟了
一种新型非对称双芯光子晶体光纤耦合器结构,理论分析了耦合器的宽带耦合性
能,又用数值模拟方法对耦合器进行了仿真计算。数值模拟结果表明该耦合器具
有在 500nm 范围内耦合比偏差小于 4%的宽带效应、两偏振方向耦合长度差别小
和良好鲁棒性等优点,为非对称双芯宽带光子晶体光纤耦合器的设计提供了理论
支持。本章的最后又对一种新型多芯光子晶体光纤耦合器进行数值模拟,发现该
耦合器具有非常卓越的宽带和等耦合比特性。
第四章对全文进行了总结回顾,然后,根据一些研究报道,在本文已有工作
的基础上提出一些今后研究工作的设想。
I
多芯微结构光纤耦合器的设计与研究
关键词:光子晶体光纤双芯光子晶体光纤耦合器多芯光子晶体光纤耦合器多
极法有限元法光束传播法
II
摘要
Abstract
The fiber optical coupler is a passive device, and it has some typical functions,
such as light transmission, coupling, splitting, interference and wavelength division
multiplex. In this paper, the symmetric, asymmetric dual-core and multi-core photonic
crystal fiber coupler are designed based on the basic principle of photonic crystal fiber,
and then coupling characteristics of coupler are analyzed using numerical simulation
methods. At the same time, three methods were presented in order to improve
coupling capability of symmetric dual-core photonic crystal fiber coupler, and a
tunable coupling ratio twin-core coupler is introduced. Subsequently, a broad-band
asymmetric dual-core photonic crystal fiber coupler was simulated which shows good
coupling-ratio unif