朱燕杰[1]2001年在《时域有限差分算法在光波导分析中的应用》文中进行了进一步梳理时域有限差分算法(FDTD Finite-Difference Time-Domain)是六十年代中期发展起来的一种用于电磁场模拟的数值计算方法，在微波系统和天线系统的电磁模拟中取得了成功地应用。1994年Berenger提出一种新颖的由吸收媒质构成的良匹配层(PML-Perfectly Matched Layer)作为吸收边界的概念，使时域有限差分法获得了更广泛地应用。本课题将时域有限差分算法引入到光波导传输特性的分析上，并应用该算法对圆柱光纤和光子晶体光纤的传输特性进行了分析，得到了相应光波导的传输特性。 文中详细介绍了圆柱坐标系下时域有限差分算法的基本原理，及针对不同光波导的特点，对时域有限差分算法进行了简化，得到一维和二维的时域有限差分算法，大大减少了计算机的计算时间和存储空间，提高了计算效率。 本文对良匹配层作为吸收边界条件在光波导分析中遇到的问题进行了分析，得到了应用于光波导分析时良匹配层最佳的结构参数，取得了良好的计算结果。 最后本文通过二维时域有限差分算法，对圆柱光纤和光子晶体光纤的传输特性，场分布，色散特性进行了详细的分析，计算结果与理论及实验获得的场形一致，这对理解和分析光波导的特性有很大帮助。
朱燕杰, 董小鹏, 杨晓理, 陈迎潮, 石志东[2]2003年在《时域有限差分法在光波导分析中的应用及改进》文中研究指明对时域有限差分算法在圆柱坐标下弱导光纤中应用时吸收边界条件的设置及其对计算精度的影响进行了讨论 ,提出了改善的方法。并且将这种方法应用于一般光纤和光电子晶体光纤传输特性的计算 ,得到了有用结果。
吕建刚[3]2006年在《光波导有限元时域束传输法分析》文中研究说明随着光通信网络技术的发展,各类光波导器件获得深入研究,其结构越来越新颖,性能越来越高。分析光波导中光波传输特性和寻找设计新型器件的优化方法,已成为实现各类实用化光子器件的重点一环。光子晶体波导和光子晶体光纤的出现,导致传统的光波导导光机理和分析方法的变革。一些常规的光波导数值分析方法难以满足复杂光波导和周期结构分析需求,必须采用高效且精确的数值分析方法。作为一种重要的数值分析方法,有限元法凭借其对光波导任意形状的适应性、高的计算精度等特点,将在光波导分析中起到越来越重要的作用。因此,探索光波导有限元分析方法,建立相应的数学模型,研制实用的设计软件,具有极其重要的意义,所获得结果必将对光波导器件的分析和研究起到指导作用。本文首先从Maxwell方程组出发,推导了表征二维平面光波导中光电磁波传输的欧拉方程,得到进行有限元分割后的离散化模型。采用直线内插法的叁角形单元节点自动剖分算法,对脊波导进行数值仿真,获得主要导波模式及其模场分布。所得结果与最近发表在国际核心期刊的结果一致。同时又采用ANSYS对相同脊波导进行仿真,并与前所得结果对比分析,论证了本文所建立的有限元模型的正确性和有效性。接着,分别建立了叁维光波导标量、矢量有限元分析模型,讨论了边界条件确定原则,出现伪解的原因和避免其出现的方法,分别对矩形和圆柱波导进行了有限元分析。第四章详细讨论了有限元分析中重要的网格划分问题,给出二维/叁维叁角和四边形网格划分的实例和分析计算途径。在以上基础上,第五章进行了光子晶体光纤的有限元分析,得到主要工作模式的基本特性和模场分布,并与已发表、且国际同行公认的结果进行了比较,从而验证了本文所研究的模型和方法,显示出有限元法分析光子晶体光纤的高效性,为研究光子晶体光纤提供了另一条道路。第六章论证了进行时域有限元束传播法(FETD-BPM)研究的必要性,基于慢变包络近似推导和建立了描述单模光纤中传输光波的3D-FETD-BPM方程,并在时域和空域对该方程进行离散化处理,为进一步深入研究各类复杂结构光波导奠定基础。
朱燕杰, 董小鹏, 陈迎潮[4]2001年在《时域有限差分法在光波导分析中的应用及改进》文中认为对时域有限差分算法在弱导光纤中应用时吸收边界条件的设置和计算结果的误差进行了讨论 ,并提出改善计算精度的方法。文中给出用这种方法计算普通光纤传输特性的结果
王超[5]2007年在《光子晶体光纤特性分析与结构设计》文中认为光子晶体光纤是一种将光子晶体结构引入光纤中而制成的新型光纤,它具有很多优越的光学特性,已经成为国内外研究的热点。在查阅了大量中英文文献的基础上对光子晶体光纤的理论计算方法和光子晶体光纤的研究现状和发展作了比较全面的回顾。在详细讨论光波导数值分析中使用较为普遍的有限差分法和时域有限差分法基础上提出了一种柱坐标系下的非均匀网格时域有限差分改进算法:可在精细结构处采用细网格小时间步长,而在其余结构处采用粗网格大时间步长,利用插值技术解决了非均匀网格过渡结构处的跳跃误差问题,推导出了系列计算公式,并用自建模型计算和分析了阶跃型光纤的模式场特性。光子晶体光纤由于其特殊的结构使它具备很多传统的单模光纤所不具备的奇异的色散特性,如色散可控性、近零超平坦色散等特性。本文首先使用基于有限差分法的APSS软件分析了光子晶体光纤这种新奇的传输特性,提出了一种具有两种不同空气孔直径、中心呈正叁角分布的六层中心对称光子晶体光纤,重点分析了包层中空气穴间距以及大小空气穴直径这叁个变量对光纤色散特性的影响和变化规律,反复针对零色散和平坦度等关键指标参数对结构尺寸进行了优化设计,完成了超宽频带范围内接近零色散的色散平坦光子晶体光纤的设计。在光子晶体光纤超平坦特性优化研究方法的基础上,讨论了在光纤中引入大的双折射的可行性。由于光纤材料和气孔之间的折射率差较高,以及气孔对光波模式场的非常强的约束,使得光子晶体光纤易于获得很高的双折射,高的双折射可以成为设计宽频带波片的基础。本文根据光子晶体光纤(PCF)各向异性有效折射率的特性,给出了一种PCFλ/4波片的设计方案,利用APSS软件,分析讨论了PCF结构尺寸对波片有效折射率随波长变化的影响,指出了宽频波片设计必须保持折射率差在所期望工作频段内具有线性化特性以及同等增长率的准则。
阎亚丽[6]2015年在《表面等离子体波导及流星余迹通信天线研究》文中进行了进一步梳理受到衍射极限的约束,传统介质导波器件无法继续满足高密度和微小型化的不断需求。基于表面等离子体激元的表面等离子体波导(SPW)在亚波长范围内对光具备独特的操控机制,能够突破衍射极限,在未来高密度、高速率和小型化集成光电路等应用方面有着极大的潜力。另外,流星余迹通信(MBC)因其自身优势而被广泛的应用到军用、民用领域,被公认为是一种最终通信保障手段。天线作为MBC的关键组成部分,对其进行更高性能的研制以满足日趋苛刻的电气指标要求成为了一项艰巨任务。与此同时,运用计算电磁学的数值方法、优化算法等手段快速准确地分析、设计功能器件对于电磁波传播技术的发展起到决定性的作用,因此对于它们的研究也是非常有意义的。本文紧密结合课题需要,对并行时域有限差分算法、表面等离子体波导以及流星余迹通信天线进行了深入研究,作者的主要工作总结为以下方面：1.对色散介质的叁维时域有限差分算法(FDTD)进行了研究。根据表面等离子体波导的金属损耗特性,采用单轴各向异性介质理想匹配层作为吸收边界条件,对基于Drude模型的色散介质所对应的叁维FDTD算法进行了推导,建立其时域递推公式,并与基本FDTD算法进行了比较,确定了开展并行计算的必要性。2.对基于OpenMP的并行FDTD算法进行了研究。将色散FDTD方法与OpenMP多线程技术相结合,在多核单处理机上实现并行FDTD算法。然后运用该算法分别模拟非色散和色散结构,以测试其并行计算性能。结果显示串、并行FDTD的结果相互吻合,并行算法能够有效地减少计算时间,其并行加速比可以达到9.54。但是该方法受单个计算机物理性能的限制,不能满足较大计算量和内存需要。3.对基于MPI的并行FDTD算法进行了研究。运用MPI技术在高性能计算集群系统上实现相应的色散FDTD并行算法。然后将该算法用于模拟表面等离子体波导结构,并在不同集群平台上对该程序的并行性能进行了测试。结果表明该方法性能稳定,具有可移植性,并且可以有效地解决计算机资源耗用过大的问题,大幅度的减少计算时间。以16核的计算时间为基准,当运用1024个核时,其并行加速比可以达到37.76。4.对表面等离子体波导微环谐振器进行了研究。运用基于MPI的二维并行FDTD算法对一种双L形SPW矩形环谐振器进行了设计,分析这种波导的传输特性随其几何结构参数的依赖关系。计算结果表明通过改变输入／输出光波导的结构参数,可以调节该波导的消光比和频率选择特性。该波导结构能够有效地抑制后向辐射干扰并且大幅度提高其传输效率,这使得此类谐振器结构更具有功能性。最后,将双L形输入/输出波导结构运用到双耦合矩形环谐振器和T型分束器中,可以得到很好的性能。5.对带隙表面等离子体波导滤波器进行了研究。采用传输线理论对基于金属-电介质-金属波导的单、双枝节结构的传输特性进行了分析,将其与并行FDTD方法的计算结果进行比较,结果显示二者相互吻合,并且当改变枝节结构的几何和材料参数时,可以对特定频率的光波起到不同的滤波作用。在此基础上,提出了一种周期性双枝节带隙SPW滤波器,并对其带隙特性随电介质折射率大小和周期数目的变化情况进行了研究。这种滤波器具有类似于布拉格反射器的禁带特性,而且其反射特性更为明显,体积更小,制作简单,更容易实现大规模集成。6.对流星余迹通信八木天线的性能改进方法进行了研究。针对八木天线难以理论分析和实际调试的特点,给出其多目标优化过程。采用X形结构作为基本有源振子实现了一种宽带八木天线,并进行了加工实测。然后,为满足MBC的宽带高增益要求,对天线的反射单元进行了改进,并证实了运用垂直面排阵的方式也可以提高增益。最后,在保证天线的增益指标要求的情况下,采用后向V形振子结构和垂直面排阵的方法,实现了一种宽带宽波束八木天线。这些改进方法使得八木天线非常适用于MBC系统。
谭慷[7]2013年在《光纤光栅的设计、制备及其在超宽带技术中的应用》文中指出光纤光栅是近几十年来发展非常迅速的光器件，它是随着其设计方法的创新和制备技术的改进完善而逐步发展起来的，到目前为止已在工程实际中得到极为广泛的应用。本论文着重研究了光栅的数值模拟和优化设计算法，探究了基于紫外曝光的光纤光栅的制备工艺，发展了光纤光栅在超宽带(UWB)技术中的应用。本论文的研究成果和贡献可以概括为以下几个方面：(1)深入研究了光栅的数值模拟和优化设计算法，其包括基于传输矩阵法的光栅的一维数值仿真、基于时域有限差分算法的光栅的二维数值仿真、基于有限元算法的光栅的叁维数值仿真以及基于遗传算法的光栅的数值优化设计。(2)搭建了实验室的光纤光栅制备平台，完成了实验设备的采购、多模场反射峰光纤光栅的制备、在特种光纤上光栅的制备，并探究了相移光纤光栅的制备和光纤光栅Bragg波长的调谐性。(3)提出利用光纤光栅对信号光谱幅度调控实现一阶至四阶高斯导数型的UWB信号的产生方案，其产生的信号适用于由作者首次提出的混合调制技术和长距离无色散补偿的光载UWB信号通信系统。(4)提出利用光纤光栅对信号光谱相位调控首次实现了中心频和10-dB带宽全光、线性、快速、大范围可调谐的UWB信号的全光产生方案，其产生的信号适合于多种常用的调制技术以及由作者首次提出的混合调制技术，同时产生的UWB信号能适用于多带UWB系统和长距离光载UWB通信系统。(5)在将光纤光栅应用于超宽带技术的研究中，作者依据利用对信号光谱幅度调控实现UWB信号产生的方案，首次开创性提出了一种新颖的、能打破FCC模板限制壁垒从而继续提升UWB信号传输比特率的混合调制技术，在一定程度上促进了微波光子学中超宽带技术的发展。
潘超[8]2017年在《全光纤振动传感机理及高性能工程系统关键技术研究》文中指出近年来全光纤振动传感技术及其工程应用系统研究得到极大的重视,各类大科学工程系统不断涌现。随着工程应用的深入,现场反馈出一系列难以解决的科学问题。本文以全光纤振动传感机理及高性能关键技术为研究对象,在课题组前期研究工作基础上,对工程系统涉及到的外界物理量、光纤材料、载波相位之间的互作用机理、信号处理等问题进行了深入研究。首先,建立了全光纤外力感知张量模型,求解出轴向外力、均匀径向辐射力及径向点力在光纤内部各点产生的应力、应变场及它们引起的光纤形变。推导得出外力引起的光纤内部各点相对介电常数张量的变化。基于所建立的张量模型,分析了外界振动对光纤纤芯、包层材料特性的影响,发现光纤纤芯、包层材料转变为各向异性,其相对介电常数张量发生动态变化。接着,基于全矢量磁场方程,建立了各向异性光波导模式有限元求解模型(AOWG-FEM),编写了 AOWG-FEM程序。该程序计算精度高,适用于求解各种各向异性光波导模式问题。仿真和分析了外力、外界振动对光纤中导波模传输特性的影响。发现在外力及外界振动作用下,单模光纤的基模仍然是HE11模,但其有效折射率随外力、外界振动幅度线性变化或产生偏振效应。分别分析了在轴向外力、均匀径向辐射力、径向点力及外界振动作用下HE11模传播常数及相位感知灵敏度。提出了基于硅光子集成的片上光传感信号处理模块的构想,提出并优化设计了 ADC模式复用/解复用、表面金属涂覆SOI非偏振敏感1×2 MMI功分器、基于十字交叉SOI槽波导生物化学传感芯片等无源单元。然后,提出了基于全光纤Sagnac干涉仪、光时分复用及脉冲幅值提取式解调解复用技术的准分布式振动传感系统。深入研究了该传感器系统性能,发现偏振态随机变化是影响系统性能的主要因素。提出并实验验证了增敏光纤感知灵敏度提升法、宽带光源偏振补偿法、PI控制的多通道增益均衡及稳定算法等。接着,深入研究了基于Sagnac-OTDR的分布式振动传感与定位技术。基于Sagnac干涉理论和OTDR机理,建立了传感光纤沿线单点、两点和N点分布式全光纤振动传感与定位理论模型,完整分析了分布式全光纤振动传感系统性能,包括感知灵敏度、定位精度、空间动态范围、振动频率响应特性及偏振特性等。提出并实验验证了同步矩形相位调制感知灵敏度提升法、基于平均算法的定位精度提升法、平衡探测/参考迹线相消/周期时延相消盲区消除法、系统空间动态范围增益均衡拓展法等,保证了传感系统高性能。最后,研制了准分布式和分布式全光纤振动传感工程应用系统。研制了准分布式全光纤振动传感系统终端设备,包括内部光信号接收与处理模块、数据采集与处理&参数控制模块及主控单元。按照用户需求,设计和实施了基于准分布式全光纤振动传感技术的周界安防工程示范系统。系统可支持的传感单元最长为19km,传感单元的最大复用数为32,传感通道之间的光传输路径长度差的最小值为400m,可实时检测出振动事件并确定其所发生的区域,响应时间<ls,具有光纤链路检测功能,实时反馈各传感单元链路的通断状态。研制了分布式全光纤振动传感与定位工程应用系统终端设备,包括光源驱动模块、干涉光路模块、光信号接收与处理模块及数据采集与处理&参数控制模块。系统技术性能与电磁兼容测试已分别通过江苏省计量科学院的检测和认证。搭建了若干基于分布式全光纤振动传感技术的周界安防工程示范系统,完成系统调试和后期跟踪维护。运行结果表明:周界入侵事件定位精度优于±5m,误报率低于5%,漏报率低于1%,系统响应时间<2s。
白丹[9]2016年在《氮化镓量子阱波导及波导集成器件的研究》文中研究指明在现代光通信领域,平面集成光子器件凭借其尺寸小、稳定性高和可重复性等优点,具有广阔的使用价值和应用前景。III-V族的氮化物半导体材料在可见光范围内具有优良的光电特性,可利用氮化物材料制备各种光源器件、平面光子器件,从而为制备面向可见光平面通信的集成光子器件奠定了基础。介质光波导是集成光子器件中基本的光学回路,用于控制光波的传输。研究氮化物量子阱波导,是研制面向可见光平面通信集成光子器件的重要前提。本文基于氮化镓(GaN)量子阱材料,对大尺寸悬空氮化物光波导、悬空氮化物集成波导器件,以及LED光源与悬空波导集成器件和基于悬空氮化物光波导的平面集成光子器件进行了理论模拟,设计优化,工艺制备和测试分析等多方面工作,所做主要工作包括:利用有效折射率(EIM)方法、有限元(FEM)理论和时域有限差分(FDTD)算法,对可见光波长的悬空氮化物波导进行了模式和传输特性理论分析,提出了结构优化方案,以及悬空氮化物集成波导器件的设计、制备方案。利用扫面电镜(SEM)、原子力显微系统(AFM)和拉曼(Raman)系统对器件进行了结构和光致发光(PL)测试;提出并设计了悬空氮化物平面多分支波导器件,采用快速原子束刻蚀(FAB)和背后减薄技术在悬空GaN薄膜上制备出多分支器件,实现可见光平面1 N的多路复用传输功能。利用拉曼(Raman)系统对器件进行了性能测试,并结合时域有限差分(FDTD)算法对器件结构进行了理论仿真,为进一步实现电致LED器件与悬空波导的集成做好了前期工作;提出并设计了氮化物LED光源与悬空波导集成器件,采用氮化物刻蚀与背后硅刻蚀等技术,实现可见光波段氮化物LED光源沿波导平面耦合与传输。利用本实验室半导体参数仪系统对器件进行了测试,并对实验结果进行了分析,实验现象与设计初衷相符,同时通过实验测试了LED器件的光电探测功能,为实现单片光子集成器件奠定了基础。?
刘珊[10]2014年在《亚微米硫系光波导非线性传输特性理论研究》文中研究表明硫系波导结合硫系玻璃材料良好的中红外透过性和光波导独特的传输特性。硫系波导在非线性光学等领域的应用前景极其广阔。因此，硫系波导在非线性光学领域的理论和实验研究已成为国内外研究的热点。本文选取硫系玻璃作为波导基质材料，从结构和非线性传输特性两方面对光波导进行研究。结构上侧重群速度色散、单模特性、有效模面积与波导结构参量之间的关系研究；在此基础上优化波导结构。探索超短脉冲在硫系光波导的中的非线性传输特性，并对脊形波导超连续谱的产生机制进行系统研究；优化设计波导长度和抽运功率，理论实现了超连续谱的产生。论文的结构安排如下：第一章绪论简述了硫系玻璃材料的特性，简单分析了光波导中涉及到的色散特性和几种非线性效应，并介绍了硫系基质波导非线性传输特性的研究和应用现状，分析了前人工作中存在的问题和不足，并提出了本论文的研究目的和研究内容。第二章介绍了文中波导的理论、波导结构分析方法和脉冲传输理论，详细介绍了有限差分法和有效折射率法等理论分析方法，根据麦克斯韦方程推导出脉冲的非线性薛定谔方程。第叁章详细介绍了数值求解广义非线性薛定谔方程的分布傅里叶算法，基于该算法具体分析了对称分布傅里叶算法原理在求解光脉冲传输方程中的应用。第四章采用有限差分法系统研究了色散特性与波导结构参量之间的关系，在此基础上，分析了波导的有效模面积与波导结构的关系；利用有效折射率法进行数值模拟和研究，获得单模传输结构波导。基于上述研究结果，对波导结构进行优化设计，获得具有高非线性的亚微米脊形光波导结构参量。第五章根据广义非线性薛定谔方程，数值模拟了超短脉冲在高非线性亚微米脊形光波导中超连续谱的产生，对比了脉冲在正常色散与反常色散波导中的传输，分析了各参数对超连续谱展宽的影响，系统讨论了位于反常色散区域的光波导中，脉冲宽度、初始啁啾和抽运功率，以及脊形光波导长度对超连续谱形状和带宽的影响，优化各参量获得了带宽约800nm的超连续谱展宽。第六章对论文总结概括，并指出研究中有待改进的不足和日后有待进一步研究的领域。
参考文献：
[1]. 时域有限差分算法在光波导分析中的应用[D]. 朱燕杰. 厦门大学. 2001
[2]. 时域有限差分法在光波导分析中的应用及改进[J]. 朱燕杰, 董小鹏, 杨晓理, 陈迎潮, 石志东. 光学学报. 2003
[3]. 光波导有限元时域束传输法分析[D]. 吕建刚. 东南大学. 2006
[4]. 时域有限差分法在光波导分析中的应用及改进[J]. 朱燕杰, 董小鹏, 陈迎潮. 光电子技术. 2001
[5]. 光子晶体光纤特性分析与结构设计[D]. 王超. 厦门大学. 2007
[6]. 表面等离子体波导及流星余迹通信天线研究[D]. 阎亚丽. 西安电子科技大学. 2015
[7]. 光纤光栅的设计、制备及其在超宽带技术中的应用[D]. 谭慷. 华中科技大学. 2013
[8]. 全光纤振动传感机理及高性能工程系统关键技术研究[D]. 潘超. 东南大学. 2017
[9]. 氮化镓量子阱波导及波导集成器件的研究[D]. 白丹. 南京邮电大学. 2016
[10]. 亚微米硫系光波导非线性传输特性理论研究[D]. 刘珊. 宁波大学. 2014
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