微纳光纤传输特性研究开题报告

全文总字数：3931字

1. 研究目的与意义（文献综述）

近年来关于光纤传输特性的研究十分火热，光纤的传输特性主要包括相位、偏振、损耗、色散、非线性效应等，基于这些特性的研究在光纤通信、光纤激光器、光纤传感、光纤慢光、光纤器件等领域中都得到了广泛的应用：在光纤通信领域中单模光纤以其低损耗、超带宽的优良特性被广泛用于信息传输；在光纤激光器领域的研究中，基于光纤非线性效应的光纤激光器相干性好，噪声低具有较大的研究价值；在光纤传感领域中的应用主要有分布式光纤传感器、光纤温度、应力传感器等；在光纤器件研究中的应用主要有光纤耦合器等。

随着技术的不断发展，传统的单模光纤由于自身的限制，导致利用其传输特性的光学技术进一步发展出现了瓶颈。为了突破这些瓶颈限制，各国学者们开始了多个方向的研究工作，关于微纳光纤传输特性的研究就是其中之一。微纳光纤，是由普通单模光纤经拉伸法制备得到的纤芯直径在微米或者纳米级别的光纤。它不仅可以完成光波导的传输功能，而且可以实现低损耗的光能量传输，同时拥有小尺寸、强倏逝场、强约束能力等特点。微纳光纤的这些传输特性令其在诸多领域都具有独特的优势。

关于微纳光纤传输特性的研究主要包括模场能量分布、光纤尺寸改变以及与外场因素耦合等方面。李娟等人采用时域有限差分数值模拟方法,对多芯光纤的模场特性进行了数值仿真和理论分析，结果表明,以一定方式排列的微纳光纤束阵列中多根微纳纤芯可以很好耦合且当多根微纳芯和大芯径纤芯组束时,微纳光纤可以起到整形模场的作用。这一结果对于高功率光纤激光器和放大器的进一步发展很有帮助；章玲等人采用comsol multiphysics数值仿真软件,得到了单根楔形微纳光纤中的能量分布和两根光纤发生耦合时的耦合效率，为其在光纤传感领域的应用打下基础；童利民等人通过改变微纳光纤的纤芯直径发现400nm直径的光纤大部分光能量在光纤内部传输，显示出对传输光场的强约束能力，对于研制小尺寸光子器件和发展高密度光学集成十分有利。当光纤直径减小到200nm时，大部分光能量（大于90%）将转移到光纤表面附近区域，以围绕光纤的倏逝波形式传输，极大的增强了与外界环境的相互作用，在光学耦合和光学传感领域有很好的应用前景 。sumetsky 等从理论上预测了当微纳光纤直径小于传输光波长的 1/10 时，微纳光纤将不能用来作为传导光介质。 chen 等用亚波长的太赫兹波导证实了上述结论；暨南大学的黄金定对微纳光纤传输特性的研究加入了外场（温度、应变等）因素，利用微纳光纤进行温度和应变传感实验，发现微纳光纤中的布里渊散射峰对温度、应变和气压的响应相比与单模光纤布里渊散射有了很大的提高。

2. 研究的基本内容与方案

设计的基本内容：基于光纤波导理论，建立微纳光纤的波动理论分析模型，仿真计算微纳光纤中的模场和能量分布，其次讨论传输光波随几何尺寸，尤其是芯径变化对微纳光纤传输特性的影响；探索外场（温度、应变等）与微纳光纤传输光场的耦合过程及影响因素，最后探索微纳光纤在光学传感领域的应用。

设计目标：（1）查阅文献，了解微纳光纤目前的研究进展以及应用领域；（2）学习仿真软件，根据查阅的资料建立微纳光纤的波动理论分析模型，对微纳光纤模式和光场进行仿真计算；（3）根据仿真结果，讨论不同直径微纳光纤的传输特性；外场（温度、应变等）与光纤耦合过程及影响因素（4）尝试设计可行的实验并与理论仿真计算的结果对照。

设计拟采用的技术方案及措施：本课题主要研究微纳光纤的传输特性，通过推导微纳光纤模场能量表达式，使用matlab和comsol软件仿真微纳光纤模式和光场，分析微纳光纤模场能量的分布，得出传输光波随几何尺寸，尤其是芯径变化对微纳光纤传输特性的影响，并将其用图表直观的表示出来，探讨其传输光场特性及与外场的耦合过程等。

3. 研究计划与安排

第1-3周：查阅相关文献资料，完成英文文献翻译，明确研究内容，了解研究所需光波导和模式分析相关知识。确定方案，完成开题报告。

第4-7周：根据文献，了解微纳光纤基本特性，掌握模式传导机理，学习matlab和comsol软件，建立仿真模型。

第8-12周：利用相关软件进行模式仿真分析并设计验证实验。

4. 参考文献（12篇以上）

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