新型光子晶体光纤的设计及其传感应用,报告人： 刘旭安 指导老师：吴根柱 2011.11.26,硕士论文中期检查,Institute of Information Optics,Zhejiang Normal University,2020/8/28,2,目 录,新型光子晶体光纤的设计及其传感应用,2. PCF原理及模拟计算方法的介绍,1.绪论,3.基于三孔单元的高双折射PCF,4.双芯型特种光纤的折射率传感,Institute of Information Optics,5. 总结与展望,2020/8/28,3,一.绪论,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 Optics,新型光子晶体光纤的设计及其传感应用,2020/8/28,4,（1）.概述,硕士论文中期检查,Institute of Information Optics,一.绪论,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,2020/8/28,5,硕士论文中期检查,Institute of Information Optics,一.绪论,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：,2020/8/28,6,硕士论文中期检查,Institute of Information Optics,一.绪论,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,2020/8/28,7,硕士论文中期检查,Institute of Information Optics,一.绪论,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 LETTERS,2020/8/28,8,硕士论文中期检查,Institute of Information Optics,一.绪论,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 2001,2020/8/28,9,硕士论文中期检查,Institute of Information Optics,一.绪论,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,Andrew Michie, John Canning等人,” Temperature independent highly birefringent photonic crystal fibre”, 18 October 2004 / Vol. 12, No. 21 / OPTICS EXPRESS 5160 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 2001,2020/8/28,10,一.绪论,硕士论文中期检查,Institute of Information Optics,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,2020/8/28,11,硕士论文中期检查,Institute of Information Optics,一.绪论,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 birefringent photonic crystal fiber based on a double-hole unit”, APPLIED OPTICS / Vol. 49, No. 9 / 20 March 2010.,2020/8/28,12,一.绪论,硕士论文中期检查,Institute of Information Optics,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, 2007,2020/8/28,13,硕士论文中期检查,Institute of Information Optics,一.绪论,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 OF ARRAYS 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,2020/8/28,14,硕士论文中期检查,Institute of Information Optics,一.绪论,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,2020/8/28,15,硕士论文中期检查,Institute 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,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,TEXT,TEXT,TEXT,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。,2020/8/28,16,TEXT,TEXT,TEXT,TEXT,硕士论文中期检查,Institute 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,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 3.4,1.高双折射PCF的计算原理,2020/8/28,17,TEXT,TEXT,TEXT,TEXT,硕士论文中期检查,Institute 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,高双折射PCF吸收边界条件：,完美匹配层(PML),PML参数：,区域,区域,区域,其中：,1.高双折射PCF的计算原理,2020/8/28,18,XT,TEXT,TEXT,TEXT,硕士论文中期检查,Institute 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,（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,2020/8/28,19,TEXT,TEXT,TEXT,TEXT,硕士论文中期检查,Institute 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,Highly birefringent photonic crystal fiber based on a Three-hole unit,2020/8/28,20,硕士论文中期检查,Institute 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,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).,2020/8/28,21,硕士论文中期检查,Institu2121te 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,1.高双折射PCF的结构及其特性分析,2020/8/28,22,硕士论文中期检查,Institute 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,1.高双折射PCF的结构及其特性分析,2020/8/28,23,三.基于三孔单元的高双折射PCF,硕士论文中期检查,Institute of Information Optics,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,2020/8/28,24,Institute of Information Optics,1.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,新型光子晶体光纤的设计及其传感应用,2020/8