光子晶體光纖的研究與應用

1、山東大學碩士學位論文光子晶體光纖的研究與應用姓名：薛華申請學位級別：碩士專業(yè)：無線電物理指導教師：孔凡敏20080306阿盼肝婭陀陋山東大學碩士學位論文縮略名詞索引光子帶隙多孔光纖微結構光纖光子晶體光纖摻餌光纖放大器全內反射光子晶體光纖光子帶隙光子晶體光纖平面波展開法有限元法時域有限差分法布里淵區(qū)原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨立進行研究所取得的成果。除文中已經注明引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的科研成果。對本文的研究作出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本聲明的法律責任由本人承擔。論文作者簽名：茲生日關于學位論文使

2、用授權的聲明本人完全了解山東大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留或向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱；本人授權山東大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文和匯編本學位論文。（保密論文在解密后應遵守此規(guī)定）論文作者簽名：斡導師簽名：丕遺山東大學碩士學位論文摘要自從年等研制出第一根光子晶體光纖以來，眾多的大學和科研機構投入了大量的人力物力對光子晶體光纖在理論和實際應用方面進行了深入的研究。光予晶體光纖是一種帶有缺陷的二維光子晶體，其纖芯是由石英或空氣孔構成的線缺陷，光纖包層是由規(guī)則分布的空氣孔組成

3、，因而光予晶體光纖又被稱為多孔光纖或微結構光纖。光子晶體光纖因其全新的結構和導光機制、優(yōu)越的導光特性和靈活的設計自由度，成為目前光學和光電子學領域的研究熱點。本文從光子晶體的概念出發(fā)，論述了光子晶體的特征，引入了光子晶體光纖的概念。分別介紹了光子晶體光纖的帶隙型和全內反射型的結構及其導光機理。并闡述了光予晶體光纖在光通信、光電子和信息處理方面的應用，說明了研究光子晶體光纖的實際意義和價值。在眾多的數值分析方法中，平面波展開法具有簡單、可靠、高效的特點。本文重點闡明了平面波展開法的基本原理，并運用平面波展開法對光子帶隙型光予晶體光纖的能帶結構、光子帶隙進行了分析和計算，對全內反射型光子晶體光纖的

4、模場、傳導模、輻射模、色散關系進行了分析和計算，并且利用全內反射型光予晶體光纖的“無截止單?！碧匦耘c光纖尺寸無關，設計出大模場光子晶體光纖結構，并計算其色散關系分析其傳輸特性。大模場單模光子晶體光纖可以大大降低光功率密度，減小非線性效應且不易被擊穿，在高功率傳輸、高功率光纖激光器和放大器方面具有廣泛的應用。關鍵詞：光子晶體；光子晶體光纖；光子帶隙；平面波展開法山東大學碩士學位論文（），硒，：；第一章引言本課題的目的及意義隨著互聯網進入千家萬戶，人們對信息交換的需求日益提高，驅使光纖通信系統(tǒng)向更高的傳輸速率和更大的容量發(fā)展，上世紀年代初期，人們攻克了光纖放大的技術難題，實現了摻餌光纖放大器（：）

5、，隨后出現了多種新型光纖放大器和新型參量放大器，大大增加了無中繼站的光纖通信系統(tǒng)的傳輸距離，光纖通信系統(tǒng)的有效帶寬也得到了極大提高。然而，隨著光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率進一步提高，在長途光纖干線中，電予器件對中繼和交換等環(huán)節(jié)的碼速限制問題日益突出，制約了光纖通信總容量的提高，全光通信的構思應運而生，即各種光器件以光纖為載體來實現光信號的傳輸及處理功能，例如人們希望將光纖激光器、光纖放大器、光纖耦合器、光纖光柵濾波器和色散補償器、光緩存器以及光交叉互連組件等各種高性能的全光器件集成到光纖鏈路中，在全光網絡中同時實現對不同信道的復用和解復用，光信號的路由和分組交換等功能。新的技術趨勢要求光纖不僅作為光

6、信號的傳輸媒質，而且也是光器件的重要載體，實現光信號的轉換和控制。顯然，原有的光纖種類難以實現如此豐富的功能，因而人們發(fā)明了許多特種光纖，如高非線性光纖、色散平移光纖、色散平坦光纖、保偏光纖和雙芯光纖等等，用以提高光纖中的非線性效應，補償傳輸網絡中的色散和偏振效應，實現基于光纖的耦合和濾波功能等等。光子晶體光纖（，）作為一種新型的特種光纖，它的產生和發(fā)展無疑是近年來這個領域最引人注目的重要進展之一。隨著理論分析方法基本成熟，制造工藝日益完善，對的研制熱點正逐步向應用領域轉移。在通信領域，盡毹；由于損耗、價格等原因，在長距離傳輸方面，尚不能取代普通光纖，但以其獨特的傳導機制和普通光纖無法實現的性

7、質將成為下一代光通信器件的重要組成部分。鼉詈毫量鼉量詈皇置皇量鼉一山東大學碩士學位論文。薯量國內國際相關研究狀況近年來，引起了英國、美國、中國、日本和丹麥等各國研究組的廣泛關注，很快成為光纖光學中的研究熱點。所表現出的種種特性，為光通信及相關領域提供了一個廣闊的發(fā)展空間。但是，的研究剛剛起步，許多方面還有待人們進一步研究。所涉及到的理論問題是十分重要的，例如超快光子在極小空間中與物質的作用規(guī)律；在光波長尺度上物質極化特性的周期變化和波動對光子形態(tài)的影響；的奇異特性在各個領域中，尤其在光纖通訊、全光網絡領域中的應用和自身的科學問題等都是值得探索的重要課題。的制作和基本特性的理解，己經取得了很大的

8、進展，但如何可靠、精確預測的傳輸特性，似乎還沒有令人完全滿意的數值模型，而這是技術成功發(fā)展的一個基本工具。在這一方面的研究中，以下研究者都提出了相應的方法，為理論分析方法提出了有益的思路。有效折射率模型是由等提出，將粗略等效為階躍折射率光纖，這個方法忽視了截面的復雜折射率分布，雖然也能給出的深層運行規(guī)律，但不能精確預測的模式特性如色散、偏振，因為這些特性依賴于空氣孔的分布和大小。利用等提出的全矢量法，可以預測的模式特征。該模型中，模場和有效折射率分布都被分解為平面波分量，從而波動方程被簡化為本征值方程，解出后可以得到模式和相應的傳播常數。這個方法考慮了的復雜包層結構，可以精確模擬，但它的效率不

9、高，因為沒有利用導模的局域化特征，分解后會有很多項。同時對截面的折射率分布需要作周期性延拓，可能會局限其在中的應用。等還提出了一種標量方法，電場分解為具有局域性的厄密高斯函數，波動方程化為本征值方程，可解得傳播模式和相應的傳播常數，該方法利用了電場模式的局域性特征，比起平面波分解更有效。然而，該方法沒有給出折射率分布的表示方法，最直接的辦法是將折射率分布預先存貯在一個二維網格中，但是這樣會導致計算過程中產牛大量的二維交叉積分項，非常繁瑣。等還提出一種混合方法，將電場和中間折射率缺陷都分解為厄密一高斯函數，而將空氣孔網格由周期性余弦函數表示。該方法的效率較高，求解過程相對簡單。似作為標量法，要求

10、的空山東大學碩士學位論文氣孔徑與孔間距之比足夠小時，才能有很精確的結果，表明它的應用范圍還是有限。英國巴斯大學（）和丹麥工業(yè)大學（）最早開展的研究工作并已在理論和實驗上獲得了巨大成功。最近幾年，國際上已有更多的研究小組和公司加入到這一熱點課題的研究中。在國內，燕山大學在圓滿完成年“”計劃的特種光纖研制任務后，聯合了清華大學、天津大學、北京郵電大學、南開大學和中山大學等單位繼續(xù)在新的國家“”計劃和“”計劃的大力支持下，正努力研制由三根以上帶有無序填充氣線石英介質光纖捆綁在一起的集束式復合，以及利用在石英粉中摻雜高折射率介質制成真正意義的三維，預期它們會具有更加奇異的特性。目前對于的研究主要集中在

11、以下幾個方面：對的拉制工藝和材料的研究；對本身的原理、特性及數值模型的進一步研究；產生超連續(xù)光譜及各自非線性特性的研究；各種器件研究等等。論文的主要工作本論文第一章介紹了光子晶體光纖的國內國際相關研究狀況，及研究本課題的目的和意義。第二章給出了光子晶體的概念、特征，介紹了光子晶體的分類和應用，為下面引入提供了理論基礎。第二章對理論進行了一個簡單的概述，介紹了的導光原理和特性，并根據的導光原理將分為兩類，為下一章對兩類的分析作了鋪墊。第四章運用平面波展開法對、兩類光子晶體光纖的能帶結構、光予帶隙、導光特性、模場等進行了分析和計算，并且利用光子晶體光纖的“無截止單模”特性，運用平面波展開法設計并計

12、算了大模式面積光予晶體光纖的色散關系及模場傳輸特性?，F將論文的主要研究內容和將要取得的結論歸納總結如下：在查閱了大量文獻資料的基礎上，介紹光了晶體及的概念、特性以及研究現狀等理論性問題，為下面的行文作鋪墊。本文在前文的基礎上，對中的傳導機制和色散等特性進行了研究。采用平面波展開法對光了晶體光纖的能帶結構，光了帶隙，能帶和山東大學碩士學位論文帶隙圖進行了計算，對光子晶體光纖的模場、傳導模、輻射模、色散關系進行了計算。光子晶體光纖的“無截止單?！碧匦耘c光纖結構的絕對尺寸無關。即當改變結構尺寸時，光子晶體光纖仍可保持單模傳輸，這就提供了一條實現大模式面積光纖的途經。本文通過改變纖芯結構，討論了纖芯結

13、構對模場面積的影響，從而設計出大模式面積光子晶體光纖。本論文的分析為光子晶體光纖的進一步應用提供了理論依據，同時也為大模式面積光子晶體光纖的研究和探索提供了理論和模型基礎。由于本人水平有限，文中的錯誤和不當之處在所難免，懇請專家學者批評指正。山東大學碩士學位論文第二章光子晶體概論光子晶體的概念光予晶體這一概念最初是從控制光的自發(fā)輻射角度提出來的。光的自發(fā)輻射是激發(fā)態(tài)原子躍遷至較低能級，并以光輻射的形式釋放出能量的一種現象。年】指出，折射率在三維空間以為周期的變化，會導致在波長附近，對所有傳播方向的電磁波存在一個共同的禁帶，就像晶體中的電子具有能量禁帶一樣。由于光子和原子間的耦合與原子的始末狀態(tài)

14、密度有關。如果電磁波的帶隙與電子能帶邊重疊，那么電子、空穴的輻射復合就會因狀態(tài)密度的減少而被強烈的抑制，介質結構在理論上講是沒有損耗的，這種抑制將會比金屬波導更為徹底。據此，可以設計一些特殊的介質結構，按照需要來“剪裁”電磁波的色散關系，使電磁波的狀態(tài)密度適當得被壓縮或增加，甚至使某些狀態(tài)密度為零，相應器件的模式就能得到控制，以滿足器件工作的要求。與一般的晶體相類比，把具有不同介電常數的介質材料在空間按一定周期排列起來構筑光予晶體，使其中的光子具有與自然晶體中電予相類似的行為，這種具有周期性介質結構的晶體就稱為光子晶體（，）【】。光子晶體也稱為光予帶隙材料（），也有人把它叫做電磁晶體（）。早在

15、半個世紀前，物理學家就已經知道，自然晶體（如半導體）中的電子由于受到原了周期性勢場的作用，從而在色散關系上表現出能帶結構，在能帶之間還可能因為布拉格散射【而出現帶隙，如果將具有不同折射率（介電常數）的介質材料按照自然晶體的周期結構排列，類似的現象也存在于光了系統(tǒng)中：在介電系數呈周期性排列的介電材料中，電磁波在其中傳播時由于布拉格散射，電磁波會受到調制而形成能帶結構，這種能帶結構叫做光予能帶結構（）【】。光了晶體概念的提出向人們展示了一種新的控制光了的機制，給信息技術的發(fā)展和應用帶來了新的牛機和活力。山東大學碩士學位論文光子晶體的特征光子晶體最根本的特征是具有光了禁帶（，）【，落在禁帶中的光是被

16、禁止傳播的。光子晶體可能出現兩種不同的帶隙在所有方向上都存在的完全帶隙和只在特定方向上存在的不完全能隙。具體表現為：如果光在整個空間的所有方向上都有帶隙，且每個方向上的帶隙相互重疊，則為完全帶隙光予晶體；如果空間各個方向上都有帶隙但不完全重疊，或只在特定的方向上有帶隙，則為不完全帶隙光子晶體。光子晶體的另一個主要特征是光子局域【】。如果在光子晶體中引入缺陷（），使原有的周期性受到破壞，與自然晶體的情形類似，原光子帶隙中就有可能出現頻率極窄的缺陷態(tài)（），與缺陷態(tài)頻率對應的光了可以被局限在缺陷位置，而帶隙中其它頻率的光仍然被禁止。雖然只有完整的光予晶體才具有完全帶隙，但在實際應用中，人們更關注具有

17、缺陷的光了晶體，因為帶隙具有限制電磁波的能力，而缺陷則有引導電磁波的可能，這在光予系統(tǒng)中極具應用價值。光子晶體中引入的缺陷可以是點缺陷、線缺陷或面缺陷。對于點缺陷而言，由于缺陷四周仍是完整的光了晶體，與缺陷態(tài)頻率對應的光予只能局限在缺陷附近，因此，一個點缺陷相當于一個微腔，可以用來形成高密度、高能量的諧振腔，大大降低諧振腔的損耗和閾值，提高激光的值（圖（）。如果將若干個點缺陷連接在一起，形成線缺陷，相應頻率的電磁波將不能進入周圍材料而只能沿著缺陷傳播，相當于一段波導（圖（）。利用光子晶體的線缺陷制作集成光路，可以大大降低彎曲損耗，還可以制作波分束器、極窄帶的選頻濾波器等【。同樣，利用光予晶體的

18、面缺陷可以制作高反射鏡等（圖（）。在光子晶體相關領域中，缺陷態(tài)已成為重要的研究課題。一萋一）點缺陷）錢缺陷）面缺陷圖光予晶體的缺陷光子晶體的分類及制備方法按照空間分布的周期性光予晶體可以分為一維、二維和二維光予晶體，如圖所示。相應的，光子帶隙分別出現在單一方向、單一平面和整個空間內。一一一（）一維光子昌體一一澎（）一維光子晶體（）一維光干晶體圖光子晶體的分類（不同灰度代表不同折射率，箭頭所表示為光了帶隙所在的方向）一維光子晶體僅在垂直于介質層的方向上具有折射率的周期變化，因而光子帶隙也僅出現在此方向上，使得某些頻率范圍的光子無法通過，從而產高效率反射【】。一維光子晶體的應用最早也最廣泛，如鍍膜

19、選波長平面反射鏡、布拉格光纖光柵、半導體激光器的分布反饋式諧振腔等，實際都是一維光子晶體。二維光子晶體在垂直于介質孔（柱）的平面內折射率周期變化，具有光子帶隙，而在介質孔（柱）所在的方向上折射率無變化，但其長度相對光波長要足夠大，這樣才能使光束與二維晶格相瓦作用。二維光子晶體的制備相對容易，可以方便地引入缺陷，實現與常規(guī)光學元件（如光源、波導、光纖、光探測器等）的連接。目前研究較多的是光予晶體平板波導【】和。三維光了晶體是由兩種介質在空間三個維度上交替排列而成的周期性結構，晶格復雜，實驗制作具有很大難度。在實際應用中，二維和三維光了晶體有著更廣泛的前景，因此更受到人們的重視。目前實驗和實際應用

20、的光了晶體都是人工制備的。人工方式制備光予晶體的方法辛要有：精密機械加工技術、靜電力自組織牛長法、逐層疊加方法、激光全息制山東大學碩士學位論文作技術。光子晶體的應用光子晶體的發(fā)現提供了一種全新的控制光子傳播的機制，在理論研究和實際應用中都具有重要意義。通過光子晶體的帶隙以及帶隙中的缺陷可以很方便的禁止或允許一定頻率的光子通過，這一特性決定了光子晶體有著廣泛的應用潛力。年，美國科學雜志將其列為十大科技進展之一。近年來，隨著世界范圍內光子晶體研究的不斷升溫，在探索新型結構的光子晶體的同時，人們也做了大量的關于光子晶體應用的研究工作，其應用主要集中在如下幾個方面。（）光子晶體波導。傳統(tǒng)的光導纖維利用

21、的是光在兩種不同介質界面上的全反射原理來傳輸光波，在彎角處會有能量損失，這樣限制了光通訊器件的小型化和高密度集成。理論計算及實驗表明，光子晶體波導可以改變這種情況。在光子晶體中引入線缺陷，則頻率在光子帶隙內的光將被限制在這一線缺陷內部傳播，這是一種新型的導光機制【，能量損耗極小。光子晶體波導不僅對直線路徑而且對彎角都有很高的效率。其優(yōu)異的導光性能，將使光予晶體在未來的全光集成電路中起到關鍵性的作用。（）高效率發(fā)光二極管【】。一般的發(fā)光二極管發(fā)光中心發(fā)出的光經過包圍它的介質無數次反射，發(fā)出的光沒有方向性，大部分光不能有效的耦合出去，發(fā)光效率很低。如果將發(fā)光二極管的發(fā)光中心放入一塊特制的光子晶體中

22、，并設計成該發(fā)光中心的自發(fā)輻射頻率與該光子晶體的光子帶隙重合，則發(fā)光中心發(fā)出的光不會進入包圍它的光了晶體中，只能沿著特定方向向外發(fā)射，發(fā)射波長還可以通過晶格及缺陷尺寸來進行選擇。同時因為發(fā)光二極管的光都集中在一個模內，單色性和方向性都大大改善。實驗表明，采用光子晶體后，發(fā)光二極管的效率將會從目前的左右提高到以“】（）高效率低損耗反射鏡。由于光子晶體中不允許光子帶隙范圍內的光子存在，所以當頻率處于光子帶隙中的電磁波入射到光予晶體表面時會被全反射，如果選擇沒有吸收的介電材料制成完全帶隙光子晶體，則可以反射任何方向的入射波，從而制造出高效率低損耗的反射鏡】。相對常規(guī)反射鏡，光了晶體可以在任何方向上全

23、反射較寬頻率范圍內的電磁波，并且這個頻率范圍可以調節(jié)。例如在微波天線中，一般介質襯底會因吸收損耗掉的發(fā)射能量，同時造成襯底發(fā)熱。如果針對發(fā)射頻段設計出相應帶隙的光子晶體作為天線基片，襯底不再吸收微波，從而使能量全部發(fā)射出去。第一個以光子晶體為襯底的偶極平面微波天線于年在美國研制成功【】。（）光子晶體微諧振腔。微諧振腔的制作對光集成有著重要的意義，但由于其尺寸特別小，用傳統(tǒng)的諧振腔制作方法來制造微諧振腔是相當困難的，而且在光波波段，傳統(tǒng)的金屬諧振腔的損耗相當大，品質因數很低。如果采用光子晶體就可以制造出品質因數很高的微諧振腔。在一種層堆積的三維光子晶體中引入線缺陷態(tài)便可以構造出一個微諧振腔，這種

24、微諧振腔【】的值隨著光子晶體的層數的增加而呈指數增長。（）光子晶體光纖。就是在二維光予晶體纖維的長度方向上制造缺陷，從而能夠導光的波導。與普通的光纖不同，可以只由一種材料制成，缺陷處的折射率可以大于也可以小于包層的折射率。是光了晶體最先研究和開發(fā)最快的應用。它的寬帶頻單模特性、奇特的色散特性【】為大容量高速傳播提供了保證，且為光孤了傳輸提供了可能性。此外，由于是通過堆積法制造的，這種方法使得多芯結構能被精確地定位且保持良好的軸向均勻性，而無須附加額外的工藝，所以特別適合于多芯傳輸。目前研究較多的是硅一空氣結構】，即在由空氣孔和硅材料組成的規(guī)則排列的二維周期性結構【婚】的中心處制造缺陷所形成的導

25、光裝置，其中缺陷可以是實芯的，也可以是各種形狀的空氣孔。圖是及其傳輸機理?？偠灾C合利用光了晶體的各種性能，還可以有其他更廣泛的應用，如光開關、光放大器、光聚焦器【】等。如果采用金屬、半導體等材料構成光子晶體、無序光予晶體、非線性光予晶體，還會因特殊材料和結構產生更多特殊性質，從而制造出一些新型光學器件。由于光子晶體的特點決定了其優(yōu)越的性能，因此它極有可能取代大多數傳統(tǒng)的光學產品。光予晶體優(yōu)良的特性，及其在光電子領域巨大的應用潛力，將極大地推動光予學和光電了技術地飛速發(fā)展。隨著對光予晶體的深入了解和制作技術的進步，光予晶體將具有更廣闊的應用前景。山東大學碩士學位論文圖及其傳輸機理（）空氣纖

26、芯的一般光纖及傳輸機理；（）空氣纖芯的及傳輸機理；（）固體纖芯的及傳輸機理第三章光子晶體光纖理論概述及分類（，）的概念最早由等人于年提出。它的結構由石英棒或石英毛細管排列而成的，在中心形成缺陷。所以又被稱為多孔光纖（）或微結構光纖（）。是一種帶有線缺陷的二維光子晶體，光纖包層由規(guī)則分布的空氣孔排列成六角形的微結構組成；纖芯由石英或空氣孔構成線缺陷，利用其局域光的能力，將光限制在纖芯中傳播。由于在包層中引入空氣孔可以得到傳統(tǒng)光纖無法實現的大折射率比，而且改變空氣孔的大小和排列可以控制光纖光學特性，因此設計上更加靈活。根據其導光原理可以分為兩種，一種是光了帶隙光纖（），如圖所示。包層由石英一空氣二

27、維光了晶體構成（六角晶格結構具有二維光予帶隙），具有嚴格的大小、間距和周期排布，纖芯為額外的空氣孔缺陷作為傳光通道。的導光機制與傳統(tǒng)光纖完全不同，它是通過包層光予晶體的布拉格衍射來限制光在纖芯中傳播的。當光入射到纖芯一包層界面上時會受到包層空氣孔的強烈散射，對某一特定波長和入射角，這種多重散射產生干涉從而使光線回到纖芯中，即在滿足布拉格條件時出現光予帶隙，對應波長的光不能在包層中傳播，而只能限制在纖芯中傳播。對于波長在，附近的通信光纖，導光的典型波長范圍約】。瀚光纖結構光纖截面。鬻黿褒黧結構及導光示意圖圖光了帶隙光纖（）結構及導光示意圖山東大學碩士學位論文由于這類光纖要求包層空氣孔較大，而且要

28、求空氣孔排列緊密，因此制備難度較大。由于光只能在缺陷中傳播，可以實現在幾乎無損耗的低折射率纖芯（空氣、真空或）中導光，這在傳統(tǒng)光纖中是不可能的，從而開辟了新的光纖應用領域。另一種是改進的全內反射（）【】，也稱作折射率引導（），如圖所示。包層為空氣和：的周期結構，纖芯為。（或摻雜的：）構成實芯缺陷。由于纖芯折射率高于包層平均折射率【，光波在纖芯中依靠全內反射傳播。與傳統(tǒng)的光纖的傳輸機理類似，但不完全一樣。光纖結構光纖截面一。多沁徽？黧。一”結構及導光示意圖圖全內反射（）結構及導光示意圖與傳統(tǒng)光纖的差別在于包層具有與相似的六角形排列的空氣孔，正是這種周期性結構提供了許多獨特性質。由于不依賴光子帶隙

29、，包層中空氣孔并不要求大直徑，排列的形狀與周期性要求也不嚴格，甚至包層中可為無序排列的空氣孔，同樣可以實現相同的導光特性。因此，相對更容易實現。目前大多數的研究和實際應用都是針對這種類型。當然，如果包層空氣孔足夠大，并且選擇合適的晶格結構且排列緊密，導光和導光可以同時存在于中。最初提出概念的時候，希望利用光子禁帶效應來導光，但比較兩種，全內反射無論在理解或是制作上都更為簡單，因為它可沿用經典的全內反射理解導光機制，而且不需要精確的空氣孔排列，更適合于制作，故在目前大多數的研究和應用都是針對全內反射型。導光原理與特性傳統(tǒng)光纖中心為摻鍺的石英玻璃構成的纖芯，周圍是折射率低于纖芯的由石英玻璃構成的包

30、層，由于材料不匹配會造成損耗，因此纖芯一包層折射率差不能太大。與傳統(tǒng)光纖全內反射導光原理不同，可以通過兩種主要的機制把光限制在纖芯中傳播。一種是全新的物理效應光子帶隙，另一種是改進的全內反射。規(guī)則排列的光予晶體使得晶格結構在光纖橫截面方向形成了二維禁帶，在一定頻率范圍內的光無法橫向傳播，而當該結構中引入缺陷時，就會在禁帶中產牛局域態(tài)【。就有可能利用這個局域態(tài)【】沿著光纖縱向導光，即光子帶隙導光。不過，禁帶的出現是有條件的，孔直徑和孔間距的大小要大于一定值的時候才可以出現禁帶。這種導光方式除了要求較大氣孔外，還要求較準確的氣孔排列。對于全反射結構，我們可以發(fā)現這種結構的光纖都是芯部的空氣孔缺失形

31、成纖芯，而外圍的周期性區(qū)域相當于包層，纖芯和包層之間存在著有效折射牢差【，光纖在有效折射牢差形成的纖芯和包層中發(fā)生全反射傳播。由于它的導光機理不同于帶隙結構的，不需要通過光了禁帶的束縛來導光，因此它不要求較大的空氣孔，排列的精確程度也要求不大。是基于光予晶體技術發(fā)展起來的新一代傳輸光纖，由于其包層中空氣孔特殊的排列結構使得呈現出許多在傳統(tǒng)光纖中難以實現的特性。這些特性突破了傳統(tǒng)光纖光學的局限，大大拓展了的應用范圍。由于結構的可控性滿足了人們對于不同信號傳輸特性的需要。因此引起了很多相關科研領域的極大興趣。無截止單模特性這是一個重要的特性。對于標準的階躍型單模光纖，其歸一化頻率礦由下式決定【】：

32、（）（：一以弓）”（一）式中刀。和刀，分別為光纖纖芯和包層材料的折射率，為纖芯半徑，五為光波長。歸一化頻率決定了模式數目，當時，光纖才是單模的。對應于山東大學碩士學位論文的波長就稱為傳統(tǒng)光纖的截止波長，只有當工作波長大于此截止波長時光波才能在光纖中實現單模傳輸。而不存在截止波長，用有效折射率模型可以較好地解釋這一現象。類似于傳統(tǒng)光纖的歸一化頻率，在中，亦可定義一個等效的歸一化頻率為【】：（罕）（櫛三一玎）忱（）其中療。和刀分別為芯層和包層的等效折射率，為芯層半徑。包層的等效折射率盯可以根據包層晶胞的等效數學模型解出。它是光輻射波長的函數，當波長減小時，光束截面隨之收縮，光波模式分布向纖芯集中腳

33、】，因此櫛毋增大，從而喬。和押夠的差減小，這就抵消了波長減小的趨勢，使趨于定值，從而滿足了單模傳輸條件。理論計算及試驗證明：只要滿足空氣孔徑與孔間距之比小于，就具有無截止單模特性。更重要的一點是，的無截止單模特性與光纖結構的絕對尺寸無關，只取決于光纖的相對尺寸。當放大或縮小結構尺寸時，仍可保持單模傳輸，這就提供了一條實現大模式面積的途經。色散特性具有奇異的色散特性。由于可以由同一種材料構成，纖芯和包層間的折射率差不會因為材料的不相容而受到限制，從而可以在非常寬的范圍內取得大的色散。將反常色散區(qū)域從紅外波段拓寬到了可見光波段【，可以實現波段的零色散波長運轉，如果改變空氣孔的大小和排列，的色散和色

34、散斜率將有很大的改變，例如適當增加空氣孔的直徑，可以使零色散點向短波方向移動。如：能在很小的波長處獲得反常色散，同時保持單模，這是傳統(tǒng)階躍光纖無法做到的。即：它的零色散點可以大幅度地向短波處推移，目前報道的單模的的零色散點已達到左右【。目前，對色散特性的內在機理尚未有透徹的認識，還無法從理論上指導如何設計獲得需要的色散特性，而只能針對某種設計通過數值模擬得到其色散特性。等人的分析計算表明【引，合理設計的可以在帶寬內獲得超過一（）的色散值，可補償為自身長度倍的標準光纖引起的色散，補償能力是傳統(tǒng)光纖的倍，這預示著在未來超寬波分復用（）的平坦色散補償中能發(fā)揮重要作用【。在中已成功產生了的光孤子，將來

35、波長還可以降低，這就為制造可見光波段的光孤子光纖激光器提供了可能。此外，和傳統(tǒng)光纖相比，更易實現帶寬內的色散平坦化，且中心波長可移，平坦色散值也可以根據需要為正色散、負色散或零色散。等人研究了光通信窗口的色散平坦化設計，色散平坦寬度接近，并發(fā)展了色散平坦化設計理論【每。光學非線性效應由于纖芯與空氣填充的包層之間具有很高的折射率差，使高強度的光集中于纖芯成為可能，這使得在單位長度上可以獲得高效的非線性。傳統(tǒng)非線性光纖器件由于：非線性效應較低，典型長度往往在量級。可以通過減小纖芯和增大包層空氣填充比來獲得大數值孔徑和緊密束縛的模場，既提高了對光的局域能力，又增加了纖芯單位面積的光功率，更易產牛各種

36、非線性效應，從而使同時具備強非線性和快速響應的特性。相關的非線性效應是自相位調制（），交叉相位調制（），三階諧波（），四波混頻（），受激喇曼散射（），受激布里淵散射（）。的非線性效應中最重要也是最早被研究的是由等人首先觀察到的超連續(xù)譜（，）現象。在他們的試驗中，用長的微結構光纖（零色散波長在），峰值功率（能量）、脈寬、中心波長在的超短脈沖，通過自相位調制和喇曼散射的共同作用，產牛了單模超寬帶連續(xù)譜（圖）。范圍的平坦山東大學碩士學位論文。（）圖在長中產生的超連續(xù)譜雙折射效應高雙折射是利用的傳輸原理和結構設計制造的一種保偏光纖。與普通保偏光纖相似，通過改變的包層結構參數可以制作出具有高雙折射率效應

37、的，這是傳統(tǒng)保偏光纖所不及的。只要破壞截面的圓對稱性使其成為二維結構即可，可以通過減少一些空氣孔或者改變一些空氣孔的尺寸都可獲得高的雙折射率特性。我們可以利用這一特性來制作偏振時延產生器件，如型的偏振控制器、偏振模色散仿真器和可變差分群時延補償器。保偏光纖在長距離通訊、傳感以及特殊激光器的設計方面具有重要應用。其原因是平行于雙折射軸的線偏振光可以保持其偏振特性，而不受彎曲引起的應力等的影響。保偏光纖的雙折射效應越強，拍長越短，越能保持傳輸光的偏振態(tài)。傳統(tǒng)光纖雖然具有一些不可控的雙折射（如小扭轉、彎曲、拉伸等），但一般不能保證光纖中基模場的偏振態(tài)在傳輸過程中保持不變。它們要取得雙折射的方式主要有

38、兩種：一是使截面非圓形；二是使光纖本身材料具有雙折射，這兩種方法在技術上都較難實現。在中，可以輕易實現高雙折射，只需改變截面的圓對稱性就能實現高雙折射，大小空氣孔直徑之比決定雙折射的大小，即使彎曲和形變，也能很好保持傳輸光的偏振態(tài)。圖是英國大學的產品【】，研究結果表明，小孔與大孔孔徑的比值，。時是普通的，此時如果周期結構不理想可能有很小的折射率，但一般小于。隨著，。的減小，雙折射增加，使得兩個垂直偏振模有較大的折射率差。大學的高雙折射結構參數為人靠，。，光纖外包層直徑測量結果表明，的拍長為，雙折射度為一。（）豢豢譬！習一一一（）掃描電撬光纖斷面囝一昌豢豢嗣舅一一?。ǎ┙Y村圖圖大學的高雙折射較高

39、的入射功率的全波長單模特性與光纖絕對尺寸無關，放大或縮小光纖照樣可以保持單模傳輸，這表明可以根據需要來設計纖卷面積。英國大學研究人員已經制作了工作在，纖芯直徑是的單模矧。其纖芯面積大約是傳統(tǒng)光纖纖芯面積倍左右，用于高功率傳輸時，不會出現非線性效應。多芯傳輸多芯傳輸有以下個優(yōu)點：一是提高了信道通信容量，二是利用纖芯導模的相可耦合，可用于復雜通信網絡、矢量彎曲傳感、定向耦合、聲光調制、頻譜濾波等。是通過反復堆積拽絲制成的，使得多芯的結構能被精確地定位且具有良好的軸向均勻山東大學碩士學位論文性，而無須附加其它工藝。現在有的科學家已在這方面做出了些有益地探索，如等人進行了這方面的理論和實驗探索，發(fā)現改

40、變纖芯位置或空氣孔比重可以很容易獲得具有不同耦合度的多芯光纖。的制作方法及其應用研究的制作方法的設計自由度很大，例如，纖芯和空氣孔的形狀、大小、位置、孔間距和填充材料等。有了這些自由度，人們可以根據需要設計出具有不同模式特性、不同非線性、不同帶隙、不同色散和不同雙折射特性的。的制造方法與傳統(tǒng)光纖的制造方法相似，也是用光纖預制棒拉制而成的。豐要差別在于預制玻璃棒的橫截面結構。從目前的報道來看，豐要是通過堆積法制造的。其基本步驟如下：先設計出橫截面的結構，根據此結構制出相應的細棒，然后將這些細棒有規(guī)則地堆積起來，同時在其中制造所需的缺陷，再將他們熔融制成預制棒，最后將其拉制成型。年，首先在英國的南

41、安普敦大學制作成功【，其制作過程如下：（）用一根直徑為的石英棒為原材料，然后沿著其軸線方向鉆一個直徑為的孔，接著將棒研磨成一個正六棱柱，然后將這個正六棱柱放在光纖拉絲塔上拉制成直徑為的正六棱柱絲，拉絲溫度在。（）把正六棱柱絲切成適當的長度，然后堆積成需要的晶體結構。把他們再一次放到光纖拉絲塔中熔合、拉伸，拉制成空氣孔孔距為左右，形成更細的石英絲。（）這些細絲被切斷并堆積成六角形結構，其中心用一根直徑完全相同的實芯細絲替換，這樣在光纖中心引入缺陷，把上述石英絲高溫拉伸，形成最后的。在這三個階段的拉伸過程中晶胞的縮減因予超過了，最后被拉成間距的光纖。圖所示就是的拉制過程。山東大學碩士學位論文汛辯剛

42、碲彳善撼幫弧毒圖光予晶體的拉制過程示意圖；嗍的應用研究具有普通光纖不具備的優(yōu)點，通過改變空氣孔的大小和排列而使特性改變的可調節(jié)性，預示著將會有廣泛的應用前景。的潛在應用包括超寬色散補償、短波長光弧了傳輸發(fā)生、超短脈沖激光器放大器、高功率光傳輸、高功率激光器，極短拍長的偏振保持光纖、光纖傳感和光開關等。有望實現將光子的波長變換的愿望轉換激光波長的辦法之一是讓二極管發(fā)出的光穿過如氫氣之類的拉曼氣體（），這類氣體能通過振動或轉動能階吸收激發(fā)光予，然后發(fā)出波長較長的光了。新發(fā)出的頻移（）光予在另一個激發(fā)光了的協(xié)助下，能在另一顆分予上引發(fā)拉曼效應，使其發(fā)出電場與第一個頻移光予同步的光予：這兩個光予按此方

43、式繼續(xù)制造其它光予，最后便能產生新的光束【。如果拉曼氣體不吸收而是貢獻光了，則可產牛波長較短的光。利用光子晶體光纖實現上述設想的想法來源于巴斯（）大學。光傳輸中的應用的導光機理利用效應，完全不同于不同光纖的全反射傳輸原理，即使在光纖彎曲卜徑較小的地方，只要光波的頻率落在盡帶范圍內，它只能然通道進行傳播，這時連接近九十度的光波導的傳輸都是可能的。利用效應的，它使光線在空一山東大學碩士學位論文暑曼置鼉氣中傳輸，在空氣芯層中孔的內壁除外不存在由石英材料引起的本征損耗和由雜質引起的雜質吸收損耗。傳統(tǒng)光纖幾乎要求光線沿直線傳播，在光纖的彎曲曲率半徑較大的地方，光纖纖芯和包層界面上的全內反射條件受到了破壞

44、，形成了折射或模式泄漏，因而在光纖彎曲的地方產生了較大的彎曲損耗。的導光原理是利用效應，完全不同于傳統(tǒng)光纖的全內反射原理，即使在光纖彎曲半徑較小的地方，只要光波的頻率落在禁帶范圍之內，就不能在周期性的平面內傳播，它只能沿著彎曲的通道進行傳播，在這種情況下，接近度的直角光波導都是可能的。當采用波分復用技術在一根光纖中傳輸多個信道時，隨著光功率增加，交叉相位調制和四波混頻等材料的非線性出現，對于傳統(tǒng)光纖來說，這也是一個較難解決的問題，而對于空氣芯層來說，在這種中，由于效應，落在頻率禁帶范圍的光不能在包層中傳輸，它只能沿著光纖軸向在空氣芯層中傳輸。光纖的非線性效應是由介質材料的折射率隨輸入光功率變化

45、引起的，而的傳輸通道是空氣孔，它的非線性效應非常小，幾乎也可以忽略。品質優(yōu)良的濾波器利用的帶隙特點可以實現對光波優(yōu)良的濾波性能。的濾波帶寬可以做得很大，目前能實現從低頻（幾乎為）直到紅外的寬帶濾波。在中引入缺陷態(tài)能制造一些可以“通過的窗口”，這樣頻率落在帶隙中的一些光可以幾乎沒有損耗地通過。這一特性可用來制造高品質極窄帶的濾波器，對于發(fā)展超高密度波分復用光通信技術和超高精度光學信息測量儀器具有重要應用價值。技術在光開關與放大器中的應用將應用于光器件的應用研究己經很多，包括應用在制作激光器、放大器等領域。利用的非線性效應制作光開關的應用，很好地代表了在這個領域里的應用。廣通訊技術由于具有傳統(tǒng)通信

46、技術無可比擬的優(yōu)越性，廣泛的應用與寬帶交換網和寬帶接入網中。隨著廣通信和密集波分復技術的發(fā)展，日益復雜的網絡拓撲結構對可靠、靈活的網絡管理方式要求越來越高，光交叉互連（）技術就是其中的一項關鍵技術，而光開關則是中的關鍵器件，其技術水平直接決定這廣通信網絡的性能，因此對各種光開關的研究被提到了較高的位置。應用制作的光開關（圖）通常稱為非線性環(huán)境光開關（）【。它是應用光克爾效應和干涉儀的結合，輸入信號在光耦合器中分成兩路，一路沿順時針傳播，另一路沿逆時針傳播，然后控制脈沖經合波器進入環(huán)路，由于光纖的非線性效應使得順時針傳播得信號發(fā)生相移，這樣兩束光在光耦合器中發(fā)生干涉由于存在相位差，使其右側有光輸出，從而實現光開關功能。這里需要說明的是，這里的光纖只能采用，而不能采用普通光纖。如果采用普通的光纖，這時光纖的長度需要好幾千米長，這樣是不實用的也不經濟的，而當用時僅僅需要幾十米長，從而實現了器件的小型化和實用化?？刂泼}沖址：址輸入信號脈沖光耦合器件輸出信號脈沖圖非線性環(huán)境光開關山東大學碩士學位論文第四章光子晶體光纖的模擬計算與分析傳統(tǒng)的光纖理論已經不再適用于光子晶體光纖，我們必須建立新的理論模型分析其傳輸特性。本章介紹了光子晶體光纖的幾種分析方法，并對及的特性進行了分析。光子晶體光纖的分析方法時域有限差分法時域有限差分法彤】（，）是求解電磁場問題的一種最常用的