微结构光纤偏振滤波器设计开题报告

1. 研究目的与意义

1.研究背景

微结构光纤，又被称为光子晶体光纤和多孔光纤，具有灵活的结构设计，在色散、非线性、双折射以及传输模式等方面具有高度的可调性，成为了新型光子功能器件研究的热点。微结构光纤和传统的光纤相似，都分为纤芯、包层、涂覆层三部分，但微结构光纤的包层中含有按一定规律排列组合的空气孔，这些空气孔能有效地降低光纤包层区域的等效折射率。偏振滤波器一直是通信系统的主要部分，将表面等离子体效应结合到光纤中可以使微结构光纤更容易实现偏振滤波的性能。

最早在2007年，zhang与其他研究者首次提出在微结构光纤中选择性的在空气孔内填充金属材料，通过有限元仿真模拟出光波在该结构中的传输特性及滤波效果，并使用化学沉积法成功制作出真意义上的微结构光纤偏振滤波器，实体偏振滤波器的滤波测量结果与有限元仿真得到结果近乎一致，表明微结构光纤偏振滤波器理论是正确的，对于微结构光纤偏振滤波器的发展有着十分重要的意义。此后的研究中，研究者们开始讨论不同的空气孔排列方式、填充不同金属对微结构光纤偏振滤波器的滤波效果的影响。2008 年，lee在保偏光子晶体光纤纤芯两侧的空气孔中填充金丝，计算结果表明填充金比银具有更好的共振耦合效率，能实现更好的偏振滤波效果。2013 年，xue发现在镀有金属薄膜的空气孔内填充液体，能够有效的增加纤芯内基模的两偏振态与金属表面自由电子的共振耦合效率，提高偏振滤波的效果。2015 年，chen等人设计了基于d型pcf研磨面镀膜的单模单偏振偏振滤波器，具有超过1μm(erlt;-20 db)的超宽带宽。liu等人通过增大镀膜空气孔直径实现了宽波长范围内多个波长处的谐振耦合，该偏振模式在整个波段范围内损耗都很大，而另一个偏振方向没有发生谐振耦合，从而实现了1.25μm到2μm波长范围内的单模单偏振滤波。2017年，yang等人将银线对称填充到pcf包层气孔中，数值计算结果表明，通过调节两个相邻气孔间的间距，可以有效调节光纤芯区附近包层空气孔或银线的直径，有效调谐谐振波长和谐振强度，有利于通信中可调谐偏振滤波器件波段。2018 年，lou等人提出了一种高双折射微结构光纤偏振滤波器。当光纤长度500μm，串扰的峰值可以达到389.15db和-280.52db, 当光纤长度500μm，带宽可达120nm。 2021年，a.lavanya等人提出了一种基于混合银-石墨烯涂层的五边形偏振滤波器，可以使更短的光纤实现通信滤波效果。

2. 研究内容和预期目标

1.研究内容
本课题的主要研究微结构光纤的研究背景、特性、基本理论方法,接着研究微结构光纤偏振滤波器的滤波原理及数值仿真方法，围绕基于表面等离子体共振效应的微结构光纤偏振滤波器的研究展开，通过理论分析提出一种到两种以空气孔形状为基础的微结构光纤偏振滤波器结构，合理设计光纤结构，并在适当的位置引入等离子体共振结构。

选择合适的仿真软件，对计算得到的结果进行分析，探究微结构光纤中不同的结构参数对滤波器的损耗值、带宽、消光比等滤波性能的影响。

2.预期目标
（1）掌握微结构光纤偏振滤波器的理论知识
（2）预期设计一种到两种金膜填充的微结构光纤偏振滤波器
（3）掌握 comsol multiphysis 仿真软件的使用，并对滤波性能进行分析
（4）最后得到一到两种能在通讯波长处滤波功能的微结构光纤偏振滤波器

3. 研究的方法与步骤

本课题主要采用基于有限元法的 Comsol Multiphysis 软件进行建模和仿真计算光纤的传输特性并运用模式耦合理论研究了两偏振方向纤芯基模与等离子模的耦合差异，选择增大其中一个偏振模式的损耗使其在传输相同的距离下由于损耗过高而使能量损失掉，从而达到偏振光的过滤。

通过分析光纤结构参量对滤波性能的影响，并且通过模式分析以及损耗谱分析法对滤波器性能进行了详细分析，并优化结构参数，研究步骤为：
（1）查阅文献，了解国内外关于微结构光纤偏振滤波器的研究现状以及研究成果
（2）学习微结构光纤偏振滤波器的滤波原理和数值仿真方法
（3）设计符合要求的微结构光纤偏振滤波器结构
（4）对设计的微结构光纤偏振滤波器进行建模和仿真计算
（5）改变滤波器各项参数，分析影响滤波器性能的因素
（6）整理分析数据，进行归纳总结，撰写论文

4. 参考文献

[1] 贾平岗，左方俊，刘磊等，表面等离子体共振型光子晶体光纤偏振滤波器性能优化设计方法，重庆大学学报，2021, 44(09):139-146；

[2] 闫欣，王海洋，金涂覆光子晶体光纤偏振滤波器的特性分析，东北大学学报（自然科学版），2018, 39(11): 1540-1544；

[3] 姜凌红，保偏光子晶体光纤及其相关偏振器件的研究，北京交通大学，2017；

5. 计划与进度安排

（1）2月20日~3月13日 查阅文献、收集资料

（2) 3月14日~3月20日 完成开题报告

（3）3月21日~3月28日 学习微结构光纤偏振滤波器基本理论和数值仿真方法