（通信与信息系统专业论文）新型光子晶体光纤的结构设计与特性分析.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 光子晶体光纤的结构灵活多变，使其具有独特的光学特性和十分广阔的应用前景， 因而受到广泛的关注，成为当前光通信领域的研究热点之一。本文从理论上对空芯光子 带隙光纤和混合导光型光子晶体光纤的结构设计与特性进行了探索性研究，主要研究内 容包括： 研究分析空芯光子带隙光纤中纤芯环掺杂对传输性能的影响，通过在纤芯环中掺杂 高折射率介质，研究不同掺杂浓度对光纤群速度色散、纤芯能量、有效模面积和有效折 射率的影响。研究发现，纤芯环掺杂可以明显改变空芯光子带隙光纤的传输特性，是控 制光纤传输特性的有效方法。 基于对纤芯环掺杂的研究，本文提出一种可提高空芯光子带隙光纤温度特性的新型 光纤结构，即在纤芯环上对称地并入温度敏感的高折射率液体圆柱，利用全矢量有限元 法研究不同波长条件下，温度对光纤纤芯能量、有效模面积和波导色散等传输特性的影 响。研究结果表明，本文提出的新结构提高了空芯光子带隙光纤传输特性的温度灵敏度， 使其具有更好的温度敏感特性。 本文提出一种具有单偏振单模特性的混合导光型光子晶体光纤，首先利用全矢量有 限元法详细分析该混合导光型光子晶体光纤的带隙范围、有效折射率和模场分布，然后 结合谐振耦合原理研究该光纤的孔间距及高折射率圆柱尺寸等因素对光纤单偏振单模 特性的影响，在此基础上优化结构参数，最后进一步分析该光纤的单偏振单模带宽。研 究结果表明本文提出的混合导光型单偏振单模光纤能够在包含1 5 5 1 a m 的较宽波段范围 内，实现有效的单模传输，消除偏振模色散和偏振串扰等不利因素对光纤的影响。 本文的研究为空芯光子带隙光纤温度特性和混合导光型单偏振单模光纤的进一步 研究与实际应用奠定了坚实的理论基础。 关键词：空芯光子带隙光纤，纤芯环掺杂，温度特性，混合导光型光子晶体光纤，单偏 振单模 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t d u et of l e x i b l es t r u c t u r e ，p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r ( p c f ) h a su n i q u eo p t i c a lp r o p e r t i e sa n d w i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t s t h u s ，p c fh a sr e c e i v e de x t e n s i v ea t t e n t i o na n db e c o m ear e s e a r c h h o t s p o ti nt h ef i e l do fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n t h i st h e s i sf o c u s e so ns t r u c t u r ed e s i g na n d p r o p e r t ya n a l y s i so fh o l l o w - c o r ep h o t o n i cb a n d g a pf i b e r ( h c p b g f ) a n dh y b r i dp h o t o n i c c r y s t a lf i b e rt h e o r e t i c a l l y t h ep r i m a r yw o r kc o u l d b ed e s c r i b e da sf o l l o w s ： t h ei n f l u e n c eo fc o r es u r r o u n dd o p i n go nt r a n s m i s s i o np r o p e r t i e so fh c p b g fi s a n a l y z e d b yd o p i n gh i g hr e f r a c t i v ei n d e xm e d i u mi nc o r es u r r o u n d ，t h ee f f e c to fd i f f e r e n t d o p i n gc o n c e n t r a t i o no ng r o u pv e l o c i t yd i s p e r s i o n ，c o r e - c o n f i n e de n e r g y , e f f e c t i v em o d e a r e a a n dt h ee f f e c t i v er e f r a c t i v ei n d e xi ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tc o r es u r r o u n dd o p i n gc a n a l t e rt h et r a n s m i s s i o np r o p e r t i e so fh c - p b g fs i g n i f i c a n t l yw h i c hi sa l le f f e c t i v em e t h o dt o c o n t r o lt h et r a n s m i s s i o np r o p e r t i e so fh c - p b g f b a s e do nt h ec o r es u r r o u n dd o p i n gr e s e a r c h ，an e ws t r u c t u r ei sp r o p o s e dt oi m p r o v et h e t e m p e r a t u r ef e a t u r eo fh c p b g f t h en e ws t r u c t u r em e r g e sh i g hr e f r a c t i v e i n d e xl i q u i d c y l i n d e r si n t ot h es u r r o u n do ft h ef i b e rc o r e b yu s i n gf u l l v e c t o rf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h e i n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r eo nt h ee f f e c t i v er e f r a c t i v ei n d e x ，c o r ee n e r g y , e f f e c t i v em o d ea r e ao f d i f f e r e n tw a v e l e n g t hi so b t a i n e d t h en u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e ds t r u c t u r e i m p r o v e st h et e m p e r a t u r es e n s i t i v i t yo ft h et r a n s m i s s i o np r o p e r t i e s ，w h i c hm a k e sh c p b g f h a v eb e t t e rt e m p e r a t u r es e n s i t i v ec h a r a c t e r i s t i c s a h y b r i dg u i d i n gs i n g l e - p o l a r i z a t i o ns i n g l e m o d ep h o t o n i cc r y s t a lf i b e r i sp r o p o s e d f i r s t ， t h eb a n d g a pr a n g e ，e f f e c t i v er e f r a c t i v ei n d e xa n dt h em o d ef i e l dd i s t r i b u t i o no ft h ep r o p o s e d f i b e ra r eo b t a i n e db yt h ef u l l v e c t o rf i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h e n ，c o m b i n e dw i t ht h er e s o n a n t c o u p l i n gt h e o r y , t h e e f f e c to fh o l e p i t c h a n dh i g hr e f r a c t i v ec y l i n d e rs i z eo nt h e s i n g l e p o l a r i z a t i o ns i n g l e - m o d ep r o p e r t yi s s t u d i e d o nt h eb a s i so fa b o v ea n a l y s i s ，t h ef i b e r s t r u c t u r ep a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e d f i n a l l yt h es i n g l e - p o l a r i z a t i o ns i n g l e - m o d eb a n d w i d t ho f t h ep r o p o s e df i b e ri sa n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e df i b e ra c h i e v e se f f e c t i v e s i n g l e m o d et r a n s m i s s i o ni naw i d eb a n dr a n g ei n c l u d i n g1 5 5j _ u n ，a n de l i m i n a t e st h ea d v e r s e e f f e c to fp o l a r i z a t i o nm o d ed i s p e r s i o na n dp o l a r i z a t i o nc r o s s t a l k t h es t u d yo ft h i st h e s i se s t a b l i s h e sat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e rr e s e a r c ha n d p r a c t i c a la p p l i c a t i o n o fh o l l o w - c o r ep h o t o n i cb a n d g a p f i b e ra n d h y b r i dg u i d i n g s i n g l e p o l a r i z a t i o ns i n g l e - m o d ep h o t o n i cc r y s t a lf i b e r i i 重庆大学硕士学位论文英文摘要 k e y w o r d s ：h o l l o w - c o r ep h o t o n i cb a n d g a pf i b e r , c o r es u r r o u n dd o p i n g ，t e m p e r a t u r e f e a t u r e ，h y b r i dp h o t o n i cc r y s t a lf i b e r , s i n g l e p o l a r i z a t i o ns i n g l e m o d e i i i 重庆大学硕士学位论文1 绪论 l 绪论 1 1 本课题的研究背景 近年来，随着现代社会信息化和科学技术的高度发展，i n t e m e t 上各种形式的数据 业务量快速增长，推动着通信技术向高速率、大容量和长距离的方向发展。然而，传统 的微电子技术已经接近物理极限，限制了信息技术的进一步发展。光子技术具有微电子 技术所不具备的诸多优点，例如传输速率高、抗干扰性强和器件体积小等，给信息技术 的进一步发展带来了新的希望。光纤作为光子技术的主要应用，正逐步成为大容量信息 传输的主要媒质。但是，随着传输速率的不断提高，传统光纤通信系统面临着光纤损耗、 非线性效应和偏振模色散等因素的困扰，以及下一代全光网络中全光逻辑器件的设计难 题。所以，开发新型光纤己成为建设下一代网络基础设施的重要课题，本文研究的光子 晶体光纤( p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r ，p c f ) 就是最有潜力的新型光纤之一。 1 9 6 6 年，美籍华人高锟等人发表论文，提出用石英玻璃纤维作为传输媒质来进行通 信，奠定了现代光纤通信的理论基础【1j 。1 9 7 0 年，美国康宁公司( c o m i n gi n c o r p o r a t e d ) 成功研制了损耗只有2 0 d b k m 的石英光纤( s i l i c af i b e r ) 1 2 j ，从而开启了光纤通信和光网络 技术高速发展的新时代。1 9 8 7 年，光子晶体( p h o t o n i cc r y s t a l ) 的概念由s a j e e vj o h n 和e l i y a b l o n o v i t c h 分别独立提出【3 ，4 】，光子晶体又称光子禁带材料，是一类在光学尺度上具有 周期性介电结构的人工设计和制造的晶体，它实现了长久以来人们操纵光子的愿望，为 新型光纤和光学器件的研究提供了新的方向。p h i l i pr u s s e l l 等人在1 9 9 2 年第一次提出 了光子晶体光纤的概念【5 1 ，光子晶体光纤又被称作多孔光纤( h o l e yf i b e r ) ，或者微结构光 纤( m i c r o s t r u c t u r e df i b e r ) ，它结合了光纤与光子晶体技术，具有比传统光纤更好的传输 特性，可被应用到光通信网络、生物医学等诸多前沿和交叉领域1 6 ，7 o1 9 9 6 年，南安普 敦大学的j c k n i g h t 等人第一次制备出全内反射型光子晶体光纤( t o t a li n t e r n a l r e f l e c t i o np h o t o n i cc r y s t a lf i b e r , t i r p c f ) ，并且指出t i r p c f 具有无尽单模特性瞄j 。1 9 9 9 年，空芯光子带隙光纤( h o l l o wc o r ep h o t o n i cb a n d g a pf i b e r ，h c p b g f ) 被首次提出p j ， h c p b g f 的导光原理与传统的光纤有所不同，光不是在s i o ，基底中传播，而是在 h c p b g f 的纤芯空气孔中利用光子带隙效应来实现光的传导，这种特殊的导光机制给 h c p b g f 带来了许多优良特性，例如损耗小、通信窗口宽、非线性失真小、色散参数 可控、光纤端面菲涅耳反射损失小和低弯曲损耗等。h c p b g f 达到了传统光纤无法实 现的性能，极大地扩展了光纤的应用领域，因此h c p b g f 的出现得到了极大的关注， 越来越多的科研人员参与到h c p b g f 的研究中。近年来，混合导光型光子晶体光纤 ( h y b r i dp h o t o n i cc r y s t a lf i b e r ) 成为新的研究热点。2 0 0 6 年c e r q u e i r a 【iu j 等人提出了一种 重庆大学硕士学位论文1 绪论 混合导光型光子晶体光纤，它是指在传统光子晶体光纤的包层空气孔中填充两种折射率 不同的介质，使包层中局部的有效折射率大于光纤纤芯的折射率，而其他部分的有效折 射率小于光纤纤芯的折射率，使得在光纤中存在全内反射型和带隙型两种不同类型的导 光机理的共同作用。除此之外，将液态介质填充到光子晶体光纤中的技术是另一个新的 研究热点，这项技术已经被应用于制备各种类型的光电器件、传感器和波导器件等【1 1 ，1 2 】。 随着新型应用领域的陆续出现，光子晶体光纤的研究范围也愈发广泛。 虽然光子晶体光纤具有诸多优良特性，设计灵活性也很大，但是光子晶体光纤技术 还不够成熟，有许多问题需要解决，所以目前还没有得到广泛的应用。当前，光子晶体 光纤，特别是空芯光子带隙光纤和混合导光型光纤，还只处于理论和实验研究阶段，其 制备和检测技术都需要继续探索和进一步完善。 本论文通过分析和研究光子晶体光纤的特性，提出温度敏感的新型空芯光子带隙光 纤。另外，提出混合导光型单偏振单模光纤，在混合导光型光纤中实现单偏振单模特性， 有效地消除模问干扰。本文通过创新光子晶体光纤结构与特性，为光子晶体光纤的制造 和实际应用提供理论基础，使其具有更加广阔的发展前景。 1 2 光子晶体光纤及其特性 光子晶体光纤是在光子晶体技术基础上发展起来的新型光纤，通常由单一材料构 成。光子晶体光纤的纤芯就是在二维光子晶体纤维的长度方向上制造的缺陷，使得光能 够在缺陷中传输，其包层是具有周期性微米量级结构的空气孔，如图1 1 所示。光纤纤 芯缺陷可以是空气，也可以是二氧化硅，即缺陷的有效折射率可以大于或小于包层的折 射率，引入缺陷态的不同对应着光子晶体光纤不同的导光机理。光纤包层中气孔的排列 和大小可以自由控制，根据需要设计包层结构从而得到不同的传输特性，这种特殊的结 构使光子晶体光纤具有许多在传统光纤中难以实现的特性，所以其应用范围不断扩大。 1 9 9 6 年j c k n i g h t 等人第一次制备出了光子晶体光纤，随后的各种研究结果表明， 相对于传统光纤，光子晶体光纤具有许多优良特性和巨大的发展空间，最近已经成为光 纤通信领域的一个研究热点。根据导光机制的不同可将光子晶体光纤分为全内反射型光 子晶体光纤1 8 j 、带隙型光子晶体光纤( p h o t o n i cb a n d g a p p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r , p b g p c f ) p j 和混合导光型光子晶体光纤【1 0 j 。不同结构的光子晶体光纤示意图如图1 2 所示： 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 图1 1 光子晶体光纤截面图 f i g 1 1c r o s ss e c t i o nd i a g r a mo fp h o t o n i cc r y s t a lf i b e r 图1 2 不同结构的光予晶体光纤示意图 f i g 1 2p h o t o n i cc r y s t a lf i b e r sw i t hd i f f e r e n ts t r u c t u r e 1 2 1 全内反射型光子晶体光纤 全内反射型光子晶体光纤导光机制与传统光纤的导光方式类似，纤芯为去除一个或 多个空气孔的实芯，这个实芯可以是掺杂的或者未掺杂的石英，它与包层区域存在有效 折射率差，引起全内反射，从而将光信号约束在纤芯中传播，所以这种光纤也被称为折 射率引导型光子晶体光纤，如图1 3 所示。由于全内反射型光子晶体光纤不依赖包层周 重庆大学硕士学位论文1 绪论 期性结构产生的带隙导光，所以对空气孔的直径以及空气孔排列的精确程度要求较低。 因此，其结构参数具有很大的设计自由度，可以根据需要来设计全内反射型光子晶体光 纤的光传输特性，这使其具备了许多传统光纤所不具备的特性。 ooo oo ooc oo o o oooo ) o oooo ( 3oc ji ：) oo oooo o c o ( = = ) ( ) ( = ) c ) ( ：) o ：) oooooo o oooo o o o 园0 9o 图1 3 全内反射型光子晶体光纤及其参数 f i g 1 3t o t a li n t e r n a lr e f l e c t i o np h o t o n i cc r y s t a lf i b e ra n dt h ep a r a m e t e r s 无截止单模特性 归一化截止频率y 决定了光纤中传播的模式数目，只有当y 2 4 0 5 时，才能在光纤 中实现单模传输1 3 】。光子晶体光纤中传输的模式不由归一化等效芯半径，九决定，而是 由相对孔径d 人决定。光子晶体光纤的归一化截止频率为： v = 半( 胛2 一瑰2 1 耐) 2 ( 1 1 ) 几 其中r 为纤芯半径，旯为光波在真空中的波长，为纤芯的有效折射率，为包层的 有效折射率。光子晶体光纤包层的有效折射率对于波长有强烈的依赖关系，会随着波长 的增大而减小，随着和减小，归一化截止频率矿趋于定值，从而满足单模传输 条件。 奇异的色散特性 光信号的不同频率成分以不同的群速度传播，经过一定距离传输后导致光脉冲展宽 的现象叫做色散。普通单模光纤可以通过调整纤芯和包层的折射率分布来改变色散。由 于全内反射型光子晶体光纤由同一种材料制成，因此纤芯和包层的折射率之差不会受到 材料不相容等因素的限制，从而可以产生许多奇异的色散特性。例如，通过合理地调整 光纤的结构参数，很容易调节零色散点的波长位置，或者使光子晶体光纤的色散在相当 宽的波段内保持平坦。 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 高非线性特性 光子晶体光纤可以实现更小的芯径，从而可以提高光学非线性效应，高非线性效应 使得白聚焦、自相位调制、互相位调制、受激拉曼散射和四波混频等现象都可能发生【1 4 。 研究表明，全内反射型光纤纤芯和包层的有效折射率之差可以随着增大包层的占空比而 增加，从而可以减小光纤的有效模面积，提高光子晶体光纤的非线性【l5 1 。高非线性的 p c f 已经应用于光脉冲整形与压缩、光学精密测量、超短孤子脉冲传输、光波长变换和 超连续谱的产生等方面1 1 6 - 1 8 1 。 高双折射特性 在传统的单模光纤中，基模由x 轴和y 轴两个方向上的偏振模正交组成。如果光纤 截面具有理想的圆对称性，则这两个正交偏振模式的传播常数是完全相等的。但是实际 光纤纤芯的几何形状可能不再是标准的圆柱，可能因为各种因素的影响而破坏光子晶体 光纤截面的圆对称性，这就会导致两个模之间的相位常数不相等，使得这两个偏振模在 传输中产生额外的相位差，形成双折射现象。 通过结构设计，全内反射型光子晶体光纤的纤芯和包层之间的有效折射率之差可以 很大，因此更易于实现高双折射特性，其典型结构如图1 4 所示。实现高双折射特性的 两种常用途径是：增加其纤芯包层折射率差和在光子晶体光纤纤芯或包层中引入非对 称结构。 ooo 廿o oooooo o0 o 0 o oooooo 0o 啷。 图1 4 高双折射光子晶体光纤及其参数 f i g 1 4h i g hb i r e f r i n g e n c ep h o t o n i cc r y s t a lf i b e ra n dt h ep a r a m e t e r s 1 2 2 带隙型光子晶体光纤 1 9 9 8 年，e 黼k n i g h t 等人第一次制造出带隙型光子晶体光纤 1 9 1 。带隙型光子 晶体光纤的包层由蜂窝型空气孔构成，纤芯是通过缺失若干个空气孔形成的，包层的有 效折射率比纤芯的高。它是利用周期性包层结构的光子带隙效应把频率位于带隙内的光 重庆大学硕士学位论文1 绪论 信号限制在纤芯中传播的，其结构如图1 5 所示。由于带隙型光子晶体光纤既有低损耗 空气传导模式以及超低非线性、强波导色散等新颖的传导特性，一经出现就受到了广泛 关注和研究。 图1 5 空芯光子带隙光纤及其结构参数 f i g 1 5h o l l o wc o r ep h o t o n i cb a n d - g a p f i b e ra n dt h ep a r a m e t e r s 损耗特性 由于不存在纤芯介质的散射和吸收问题，带隙型光子晶体光纤的损耗在理论上可以 极低。然而，受光子带隙型光纤拉制工艺水平的限制，光子带隙型光纤的损耗仍然大于 传统光纤的损耗水平。 2 0 0 3 年底，美国康宁公司将带隙型光子晶体光纤在1 5 0 0 n m 处的损耗降低到了 1 3 d b k m 【2 0 】，在2 0 0 4 年，则达到了1 2 d b k m1 2 h 。值得一提的是，从目前实验中取得 的水平来看，p b g p c f 的损耗仍然高于t i r 。p c f ，后者的最低损耗已经于2 0 0 5 年降到 0 2 8 d b k m 附近【2 2 1 。引起损耗的两个主要原因是：实际光纤的包层层数有限，不可避免 的产生限制损耗；在光纤拉制过程中由于热力学原因产生的粗糙表面会造成表面模 ( s u r f a c em o d e ) ，成为引起损耗的另一个重要因素。表面模极易与传输基模发生耦合， 从而导致损耗的增加，由于拉制光纤过程中造成表面粗糙是不可避免的，所以表面模会 最终限制了p b g p c f 的损耗 2 3 , 2 4 】。 虽然存在上述问题，带隙型光子晶体光纤仍然是近距离传输的优良材料，具有很好 的发展前景。由于带隙型光子晶体光纤纤芯为空气，使得带隙型光子晶体光纤在导光过 程中对光纤的弯曲不敏感，当出现大于9 0 。的光纤弯曲，甚至当曲率半径小于波长时仍 然可以有效传输。因此，可以极大地减小光通信系统中的弯曲损耗，提高弯曲状态下的 导光效率，对于实际应用非常重要。 传输窗口可控 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 带隙型光子晶体光纤是利用光子禁带效应来导光的，而不是利用传统的全内反射原 理，使得带隙型光子晶体光纤的传输波长不再受n - - 氧化硅材料透明传输窗口的限制。 包层中空气孔的排列和大小对带隙有很大的影响，通过合理地设计光纤结构，可以在不 同波段范围内进行光波传输，这有利于更加有效的利用波长资源。 低非线性特性 在带隙型光子晶体光纤中的纤芯可以是空气，光被局限在纤芯中传播，因此非线性 系数非常小，比传统的单模光纤低1 0 0 0 多倍，这有助于抑制导光过程中不利的非线性效 应。由于带隙型光子晶体光纤的特殊结构，它十分适合被应用于粒子传导方面【_ 7 ，2 5 1 。粒 子传导距离受到激光束衍射的影响，通常只能被限制在微米数量级，为了达到长距离的 微粒子传导，需要长距离甚至可以拐弯的稳定辐射源。带隙型光子晶体光纤的出现为此 提供了一种理想的选择，文献 2 6 ，2 7 】的研究表明，目前在实验中已经实现了距离长达 1 5 0 m m 的粒子传导。 色散特性 带隙型光子晶体光纤的色散对光纤的结构有很强的依赖性，包层中空气孑l 的直径、 孔间距及纤芯的大小形状等对色散的影响非常大。带隙型光子晶体光纤的带隙下端边界 的波导色散呈现为快速减小的趋势，而在带隙上端边界呈现为快速增大的趋势。通过合 理地设计光纤结构，光子带隙型光纤的零色散波长点可以移至更短波长处，并能够实现 如大的负色散或平坦色散等色散要求【2 8 】。文献 2 9 】的研究表明，可以在空芯布拉格光纤 中实现一2 0 0 0 0 p s ( k m n n l ) 甚至更高的负色散，其可被用作色散补偿。 1 2 3 混合导光型光子晶体光纤 混合导光型光子晶体光纤【3 0 】是通过设计合适的光纤结构，使得光纤纤芯基模同时由 全内反射型和带隙型两种导光机制共同引导，是新近发展起来的具有较大影响力的一种 新型光纤，吸引了学术界的广泛关注，其结构如图1 6 所示。所谓混合型光子晶体光纤 主要在包层中同时含有大量空气孔和沿一定规律分布的高折射率圆柱，光纤的纤芯为实 芯。纤芯的折射率小于高折射率柱包层的等效折射率，而大于空气孔包层的等效折射率， 高折射率柱包层产生带隙效应，空气孔包层实现全内反射，使得光纤中同时存在带隙型 和全内反射型两种导引机理。 混合导光机制光纤可以同时发挥折射率引导型和带隙型两种导光机制的优势，因此 被广泛应用于色散控制、色散补偿、波分复用和解复用等光器件，且混合导光型光子晶 体光纤的工作波长、介质和结构参数的设计范围都很大【1 0 , 3 1 - 3 3 ，这使得新型特殊功能光 纤的设计有了更大的自由度。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 oooo ooooo oc - 浴- o ooo 固oo ooo ooooo oooo 图1 6 混合导光型光子晶体光纤及其参数 f i g 1 6h y b r i dp h o t o n i cc r y s t a lf i b e ra n dt h ep a r a m e t e r s 1 3 光子晶体光纤的应用 光子晶体光纤自产生以来，就以其特殊的结构以及优异的光学特性受到了十分广泛 的关注，也有着巨大的发展潜力。随着光子晶体光纤拉制工艺及理论研究的发展，各种 具有不同传输特性的光子晶体光纤被开发出来。它的应用范围已从光学学科延伸到了化 学、物理学甚至生物科学的众多领域，光子晶体光纤的应用主要有以下几个方面： 通信领域 通过设计光子晶体光纤的结构，可实现低损耗、低色散、低非线性效应以及单模传 输等优良特性，为其在光通信领域的应用奠定了基础。光子晶体光纤由于包层的特殊结 构使得纤芯和包层有着较大的折射率差，通过合理的结构设计，可以使得光子晶体光纤 在可见光波段具有零色散点甚至能够出现大的负色散，基于此可进行色散补偿的应用。 目前，在降低光子晶体光纤传输损耗方面的研究方面也己经取得了大的进展。另外，光 子晶体光纤在通信领域的应用还涉及到波长转换器、多芯光纤耦合器、激光光源、光放 大器、高效率低损耗的光通信连接器以及波分复用器件等光通信器件，这十分利于迸一 步实现真正的全光通信 3 4 - 3 6 j 。 能量传输领域 在空芯光子带隙光纤中，绝大部分能量在纤芯空气孔中传输，由于外界和纤芯中均 为空气，当光被耦合进入空芯光子带隙光纤中时不会产生菲涅耳反射，这种光纤可被用 做高效率的光耦合器件，使光纤通信中的光器件获得更加优良的性能。此外，不同于传 统光纤的全内反射引导机制，当出现大于9 0 0 的光纤弯曲，甚至当曲率半径小于波长时， 空芯光子带隙光纤仍然可以有效，可以极大地减小光通信系统中的弯曲损耗，提高弯曲 状态下的导光效率，因此可用来制作激光内视镜和肿瘤切除等多种医疗器件。 飞秒激光领域 重庆大学硕士学位论文1 绪论 飞秒激光领域亟待解决的难题是：介质中的谱带较窄；色散阻碍了飞秒光脉冲的长 距离传输。p c f 的独特性能为解决这两个技术难题提供了可行性。首先，由于光子晶体 光纤非线性效应很显著，可以使得没有经过放大的飞秒光脉冲在其中产生超连续谱。其 次，p c f 特殊的包层结构使得其波导色散在光纤总色散中占主导地位，通过结构合理设 计控制光纤的波导色散可使p c f 在可见光波段呈现大的负色散，所以如何在更大的光子 晶体光纤光谱范围内产生光孤子己经成为当前的研究热点。 光纤传感及粒子导引 光子晶体光纤新颖的特性使其能够被应用于传感领域。在光纤空气孔中填充入适当 的介质材料时，它们与光纤中传输的光会产生强烈的相互作用，这点在进行传感检测时 可起到极为重要的作用。多芯光子晶体光纤可以实现在一根光纤中同时存在多个导光区 域，在实际的测量过程中，能够为光波提供理想的补偿光路，还可以利用导光区域位置 的不同，实现对弯曲方向和弯曲曲率的传感。此外，空芯光子带隙光纤可以被利用来进 行粒子的悬浮、导引及捕获等。 物质非线性的研究 光子晶体光纤结构可根据需要来自由设计，使其在光纤非线性应用方面存在极大的 优势。通过设计包层的几何结构可以对光子晶体光纤中的非线性光学过程进行有效地调 制，这对于脉冲压缩、光孤子的形成和受激拉曼散射的作用是巨大的。光子晶体光纤所 具有的非线性效应，使其在超连续谱产生与制作光纤激光器、参量放大器、多芯光纤耦 合器和光纤光栅等光纤器件等多个领域极具发展潜力，并且对非线性光纤的进一步发展 起着非常重要的作用，基于超连续谱原理设计的高分辨激光源极大地推动了生物医学中 层析成像技术的发展。 综上所述，光子晶体光纤具有灵活的结构设计，新颖的光学特性以及十分广阔的应 用前景，虽然目前大多数的应用还停留在实验研究水平，但其发展势头不容小觑。可以 预见，随着光子晶体光纤应用研究的不断完善，以及制备工艺水平的不断进步，光子晶 体光纤一定会对人们的生产生活和科学技术的发展产生极其重要的影响。 1 4 本论文的创新点及结构安排 光子晶体光纤的发展已有几十年，从最初的全内反射型光子晶体光纤，到最近出现 的混合导光型光子晶体光纤，其发展是一个不断探索的过程。论文通过设计新型光子晶 体光纤结构，研究其传输特性，为光子晶体光纤的实际应用提供理论基础。本论文的主 要创新点如下： 利用全矢量有限元法，本文对光子带隙型光子晶体光纤纤芯环掺杂进行分析， 给出1 9 芯h c p b g f 在不同的纤芯环掺杂浓度下，光纤中基模有效折射率、纤芯能量、 有效模面积和色散的分布曲线图，通过分析得出纤芯环掺杂浓度对光子晶体光纤传输性 9 重庆大学硕士学位论文1 绪论 能的影响。 基于空芯光子带隙光纤纤芯环掺杂对光纤传输特性影响的研究，本文提出在7 芯h c p b g f 的纤芯环上并入高折射率液体圆柱来提高其温度特性的新结构，研究结果 表明填充高折射率液体可以明显提高光纤的温度敏感特性。 本文设计出一种在混合导光型光子晶体光纤中实现单偏振单模特性的光予晶体 光纤，并利用全矢量有限元法对该结构进行分析和优化，使其能够在较宽的波段范围内， 实现有效的单偏振单模传输。 本论文的具体内容安排如下： 第一章：首先简述了本论文的研究背景，然后介绍光子晶体光纤的分类及特性，最 后简单介绍光子晶体光纤的应用。 第二章首先简单介绍几种常用的光子晶体光纤模拟计算方法，分析每种方法的优缺 点。然后，详细介绍基于全矢量有限元法的研究方法。最后，利用基于有限元法的 c o m s o l3 4 结合m a t l a b 分析光子晶体光纤，并与己发表文献的结果相比较，验证 本论文所使用分析方法的准确性。 第三章首先利用全矢量有限元法，在固定纤芯环厚度情况下，对h c p b g f 纤芯环 掺杂进行模拟计算，通过分析得出纤芯环掺杂浓度对光子晶体光纤传输性能的影响。然 后，在纤芯环掺杂的研究基础上提出一种可提高光子带隙型光子晶体光纤温度灵敏度的 新结构，并利用全矢量有限元法进行分析研究。 第四章首先分别介绍混合导光型光子晶体光纤和单偏振单模光纤的原理，然后设计 出一种在混合导光型光子晶体光纤中实现单偏振单模特性的光子晶体光纤，并利用全矢 量有限元法详细分析该混合导光型光纤内的结构参数及掺杂量等因素对单偏振特性的 影响，在此基础上进行结构优化。 第五章对本论文的全部工作进行总结，并对下一步的研究方向进行展望。 1 0 重庆大学硕士学位论文 2 光子晶体光纤的理论分析方法 2 光子晶体光纤的理论分析方法 2 1 常用的理论分析方法 随着光子晶体光纤引起越来越多科研人员的关注，目前己经发展了多种分析光子晶 体光纤的结构设计与传输特性的方法，光子晶体光纤在理论研究和实际应用中都有了质 的飞跃。不同的研究方法在内存占用量、计算精度及适用光纤结构等方面都各有优缺点， 需要结合实际情况进行合理选择。 2 1 1 有效折射率法 有效折射率方法( e f f e c t i v ei n d e xm e t h o d ，e i m ) 是一种简单的标量解析方法，它把光 子晶体光纤的纤芯和包层分别等效为不同折射率的单一材料，使其简化成普通的阶跃折 射率光纤，利用传统光纤模式理论分析研究光子晶体光纤的特性【5 ，3 7 o 就纤芯由石英材 料构成的折射率型光子晶体光纤而言，纤芯的有效折射率就是石英材料本身的折射率。 对于含有空气孔的包层结构，其有效折射率定义为在不考虑纤芯缺陷的完整包层结构中 所能传播的最低阶传导模式的有效折射率。最初所用的标量近似方法( s c a l a re f f e c t i v e i n d e xm e t h o d ，s e i m ) 在求解等效的阶跃型折射率光纤的特征方程以及计算包层的有效 折射率时会产生较大的误差，但在此基础上发展起来的全矢量有效折射率模型 ( f u l l y v e c t o re f f e c t i v ei n d e xm e t h o d ，f v e i m ) 已经可以达到比较高的精度。这种方法主要 用于光子晶体光纤单模特性的解释，简化了复杂的包层结构，因此不能用于分析与偏振 有关的问题，更不能用于研究光纤带隙问题。 2 1 2 平面波展开法 平面波展开方法( p l a n ew a v ee x p a n s i o nm e t h o d ，p w e m ) 是光子晶体理论中物理概念 最清晰、最常用的一种方法，可以用于处理各种复杂的周期性结构问题1 3 8 ，”j ，平面波展 开法利用b l o c h 理论将模场表示成平面波交叠的形式，来分析光子晶体的能带结构，包 括位置和宽度等。该方法利用m a x w e l l 方程得到电磁场的全矢量方程后，将模场分解为 平面波分量的叠加，同时将折射率展开为傅立叶级数，然后再将以上分解带回电磁场的 全矢量方程求解。在实际的数值计算中场函数展开只能取有限项，因为项数越多，计算 精度越高，所消耗的时间和系统资源也越多，需要根据实际的要求进行权衡。全矢量平 面波展开法是计算和研究光子晶体能带的有效方法，其显著的优点是可以分辨简并模， 但是存在收敛慢的缺点，当采用这种方法计算缺陷模式时，由于超晶格近似中隐含使用 了周期边界条件，所以不能计算由于包层结构有限带来的损耗。 2 1 3 有限差分法 有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，f d m ) 是偏微分方程求解最常用的方法之一， 也是光波导分析中应用最为广泛的方法之一。其基本思想是用离散代数形式的有限差分 重庆大学硕士学位论文2 光子晶体光纤的理论分析方法 方程近似代替连续性的微分方程，在代数方程中将空间各点待求量的值与其邻近点的值 联系起来。f d m 可以直接用来求解p c f 所满足的二维h e l m h o l t z 方程，基于f d m 发展 起来的频域有限差分方法( f i n i t e d i f f e r e n c ef r e q u e n c y d o m a i nm e t h o d ，f d f d ) 、时域有限 差分方法( f i n i t e d i f f e r e n c et i m e d o m a i nm e t h o d ，f d t d ) 和光束传输方法 ( b e a m p r o p a g a t i o nm e t h o d ，b p m ) 都被用来研究光子晶体光纤的特性1 4 。f d f d 方法广泛 实用于非均匀、不规则的散射问题，用f d f d 法可快速地得到整个剖分子域中的场值， 而不必人为细分总场值，简单易行，因此在求解时计算复杂度较小1 4 1 1 。f d t d 通过将麦 克斯韦旋度方程转化为有限差分式，直接在时域进行迭代求解【4 2 1 ，这种方法通过建立时 间离散的差分方程，在相互交织的网格空间中交替计算磁场和电场，利用它可研究p c f 中的各种问题，包括色散，模式和非线性等。f d t d 方法精度较高，能得到电磁波的时 域解，通过傅里叶变换可得到频域解，但是其复杂度较大。 2 1 4 有限元法 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 是适用范围广泛且非常成熟的一种数值计算方法。 它的基本思想是将求解区域划分成有限个互不重叠的单元，将每个单元的场函数用一个 待定的近似系数来代替表示，于是在整个场域内函数被离散化，由此利用变分原理将微 分方程化为含有待定系数的一组代数方程，并结合边界条件联立求解，获得该场域中函 数的近似解。这种方法的优点是非常精确，且可处理折射率任意分布的光纤波导结构， 该方法的计算量与网格划分的密集程度有关，与实际空气孔的形状和位置无关，因此适 用于不同尺寸、不同形状和不同排布的光子晶体光纤的计算分析。有限元方法目前已成 为分析p c f 的最有效方法。光子晶体光纤分析中的绝大多数的问题都可以用此种方放得 到解决。 有限元法对于实际问题来说，计算量大，是一个比较费时和复杂的过程，但是随着 计算机技术的日益发展和有限元方法的完善，现在计算机软件市场上已经出现了多种比 较成熟的电磁场有限元计算仿真软件。其中，c o m s o lm u l t i p h y s i c s 是一款基于全矢量 有限元法的高级数值仿真软件，近年来广泛应用于各个领域的科学研究及工程计算中。 本论文就是利用该软件来进行光子晶体光纤的特性研究，在2 3 节会对该软件进行详细 的阐述。 2 1 5 其他方法 光子晶体光纤的研究方法一直在不断涌现，除了上面介绍的方法之外，多极法 ( m u l t i p o l em e t h o d ，m p m ) 、边界元法( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ，b e m ) 、散射矩阵法 ( s c a t t e r i n gm a t r i xm e t h o d ，s m m ) 、多重散射法( m u l t i p l es c a t t e r i n gm e t h o d ，m s m ) 、遗传 算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，g a ) 、格林函数法( g r e e nf u n c t i o nm e t h o d ，g f m ) 以及其他一些方